APLICACIÓN DEL RECOCIDO CON LÁSER DE CO2 EN LA FABRICACIÓN DE GUÍAS DE ONDA PLANARES NANOESTRUCTURADAS BASADAS EN SiO2-ZrO2 Y SiO2HfO2

REVISTA COLOMBIANA DE FÍSICA, VOL. 39, No. 1, 2007

APLICACIÓN DEL RECOCIDO CON LÁSER DE CO2 EN LA FABRICACIÓN DE GUÍAS DE ONDA PLANARES NANOESTRUCTURADAS BASADAS EN SiO2-ZrO2 Y SiO2-HfO2 C. Goyes1,2, , M. Ferrari1, E. Solarte2, C. Armellini1, A. Chiasera1, Y. Jestin1, G.C. Righini3, A. Casas2 y C. Meacock4 1 CNR-IFN, Istituto di Fotonica e Nanotecnologie, CSMFO group, via Sommarive 14, 38050 Povo-Trento, Italy, 2 Grupo de Óptica Cuántica, Universidad del Valle, Calle 13 No. 100-00 Edf. 320 P2 Santiago de Cali, Colombia, 3 CNR, Department of Materials and Devices, via dei Taurini 19, 00185 Roma, Italy, 4 Materials Design and Proceesing, Instituto Superior Técnico, Av. Rovisco Pais1049-001 Lisboa, Portugal (Recibido 23 de Oct. 2006; Aceptado 2 de Abr. 2007; Publicado 23 de Abr. 2007) RESUMEN Se elaboraron guías de onda planares de SiO2-ZrO2 y SiO2-HfO2 dopadas con concentraciones de iones Er+3 entre 0.5 y 5 mol% usando el método sol-gel para aplicaciones en dispositivos de óptica integrada. Las películas fueron depositadas sobre substratos de v–SiO2. Las propiedades químicas, ópticas y espectroscópicas fueron evaluadas mediante comparación entre dos tipos de recocido: Recocido convencional en horno y Recocido con Láser de CO2. Las guías procesadas utilizando recocido láser presentan incremento en el índice de refracción y menores coeficientes de atenuación respecto a las guías procesadas con un recocido convencional en horno. Para todas las muestras, fue observada una emisión a temperatura ambiente en la Banda C de telecomunicaciones bajo excitación a 514.5 y 980 nm. Palabras claves: Guías de onda planares, sol-gel, recocido laser, óptica integrada.

ABSTRACT SiO2-ZrO2 and SiO2-HfO2 planar waveguide doped with 0.5 and 5 mol% Er+3 ions were prepared by sol-gel route for integrated optic devices. The films were deposited on v–SiO2 substrates. Chemical, optical and spectroscopic properties were evaluated in order to compare two diferentes annealing proceses: Thermal conventional annealing and CO2 Laser annealing. An increase in the refractive index was observed in all the irradiated samples, and the laser annealing can lead to waveguides with a lower attenuation coefficient comparing with the thermal conventional annealing. Emission in C-telecommunications band was observed at room temperature for all the samples upon excitation at 514 and 980nm. Key Words: Planar waveguides, sol-gel, laser annealing, integrated optic.

1. Introducción Los amplificadores ópticos dopados con Erbio son dispositivos de gran importancia en las comunicaciones ópticas1, sin embargo a diferencia de un amplificador de fibra (EDFA), el menor 47

REVISTA COLOMBIANA DE FÍSICA, VOL. 39, No. 1. 2007

tamaño de un amplificador de guía de onda (EDWA) hace posible la fabricación de Amplificadores Opticos Integrados. Las reducidas dimensiones de los EDWA requieren concentraciones más altas de Er3+, lo cual conlleva a la generación de procesos de transferencia de energía que reducen la eficiencia del amplificador2, por consiguiente se requieren materiales que permitan aislar iones de Er3+ lo mejor posible1. Para este propósito, los materiales basados en cerámicas vítreas han sido estudiados en los últimos años debido a que combinan las propiedades mecánicas y ópticas de los vidrios con los ambientes cristalinos que proporcionan las cerámicas a los iones de tierras raras3. Esta clase de materiales es de gran importancia en fotónica; por lo cual, el objetivo de esta investigación es usar tecnicas de recocido Láser (CO2, λ=10.6µm) para explorar nuevos procesos de producción de EDWA de alta calidad con propiedades ópticas y espectroscópicas especiales para aplicaciones en óptica integrada. 2. Experimentación (100-x)SiO2-xZrO2 (x=20, 30) y 70SiO2-30HfO2, dopadas con concentraciones de iones Er+3 entre 0.5 y 5 mol%, fueron preparadas por el método Sol-Gel, usando la técnica conocida como “Dip coating” sobre substratos v-SiO2. La solución inicial que consiste en una mezcla de tetraetilorthosilicato, TEOS, etanol, agua de-ionizada y acido hidroclórico, usado como catalizador, es prehidrolizada por una hora a 65°C. La relación molar de TEOS:HCl:EtOH:H2O es 1:0.01:37.9:2. Aparte, se prepara una suspensión usando un precursor de ZrOCl2 (o HfOCl2) el cual es adicionado a la solución TEOS con relaciones molares de Si/Zr (Si/Hf) de 70/30 y 80/20. Para la adición de Erbio, se empleó una solución de Er(NO3)3.5H2O. La mezcla final permance por 16 horas a temperatura ambiente bajo agitación magnética constante y la solución obtenida es filtrada con un filtro Millipore de 0.2 µm. Cada substrato es sumergido en la solución con una velocidad de trabajo de 40 mm/min; después de cada impregnación, la guía es recocida parcialmente en un horno a 900°C por 50s. Luego de 10 impregnaciones, las muestras se calientan en el horno a 900°C por 2min, para una total de 20 impregnaciones por muestra. Como resultado de este procedimiento, fueron obtenidas guías de onda amorfas y libres de fisuras. Posteriormente, con el fin de explorar el efecto del recocido con Láser de CO2 las muestras fueron sometidas a tratamientos de irradiación usando laseres continuos y pulsados a distintos tiempos de recocido, también se realizó algunos tratamientos de recocido en horno para efecto de comparación, tal como se presenta en la Tabla 1. Las guías de onda fueron caracterizadas por varias técnicas incluyendo m-line, Rayos X, Espectroscopía Raman y Fotoluminiscencia. Tabla 1. Descripción de la composición de las guías de onda planares y tratamientos de recocido Designación de la Guía de onda

Concentración de Erbio [mol%]

A. RECOCIDO CON LASER DE CO2 Tipo de Potencia [W] Tiempo [min.] Láser

B. RECOCIDO EN HORNO Temperatura [ºC]

Tiempo[min.]

CSH

(70SiO2-30HfO2)

5

Continuo

10

10

900

5

CSZ

(70SiO2-30ZrO2)

5

Continuo

10

10

900

5

CSZ-0 (80SiO2-20ZrO2)

0.5

-

-

-

-

-

CSZ-1 (80SiO2-20ZrO2)

0.5

Continuo

10

10

-

-

CSZ-2 (80SiO2-20ZrO2)

0.5

-

-

-

900

30

CSZ-3 (80SiO2-20ZrO2)

0.5

Pulsado

30

2.5

-

-

48

REVISTA COLOMBIANA DE FÍSICA, VOL. 39, No. 1, 2007

3. Resultados Todas las guías de onda depositadas soportan dos modos TE y al menos uno TM a 543.5 nm y a 632.8 nm; también, uno TE y un modo TM tanto a 1319 nm y 1542 nm. En todas las guías es insignificante la birrefrigerancia en el sistema. Tabla 2. Parámetros ópticos, guías de onda 70SiO2-30HfO2 y 70SiO2-30ZrO2 dopadas con 5mol% Er3+ Designación de la Guía de onda Espesor (±0.005 µm) Índice de Refracción @ 1542 nm (±0.005)

TE TM Coeficiente atenuación @ 632.8 nm (± 0.3 dB/cm)

CSH (70SiO2-30HfO2) Estandar Trat. A Trat. B 0.65 0.65 0.63 1.583 1.589 1.621 1.575 1.585 1.616 ≥2 ≥2 0.80

En la Tabla 2, se presentan algunos parámetros ópticos de las guías de onda de 70SiO2-30HfO2 dopadas con 5mol% Er3+; para todas las longitudes de onda estudiadas, el recocido con Láser aumentó el índice de refracción en 0.04 unidades, lo cual corresponde a un incremento del orden del 2% con respecto a la muestra sin recocer. Este aumento en el índice de refracción con el recocido con Láser de CO2 podría ser una respuesta a una mejor densificación del sistema. Las fotografías presentadas en la Figura 1 muestran la propagación de luz en dos guías de onda de 70SiO2-30ZrO2 dopadas con 5 mol% Er3+, una recocida en horno (Fig.1-a) y otra recocida con Láser de CO2 (Fig.1-b); la propagación de la luz en la muestra recocida con Láser resulta mejor que en la muestra recocida en horno, debido a que los efectos de esparcimiento y atenuación se reducen notablemente, consecuencia de la disminución de irregularidades superficiales4, debido al recocido láser (hasta 1.2 dB/cm). Los espectros de luminiscencia en la region visible para muestras de 80SiO2-20ZrO2 dopadas con 0.5 mol% Er3+ se presentan en la Figura 2. Las diferencias en la forma de las transiones 2H11/2→ 4I15/2 y 4S3/2→ 4I15/2 en funcion del tratamiento final utilizado, permiten obtener una evidencia, al me(a) nos parcial, de que los iones Erbio se encuentran embebidos en fases nanocristalinas de ZrO2 para las muestras CSZ-2 y CSZ3. Sin embargo se puede ver claramente una mayor estructuracion del ambiente cristalino del Erbio para las muestras recocidas con un Láser pulsado de CO2. La Figura 3 presenta los (b) patrones de Difracción de Rayos X para las muestras CSZ-0, Fig.1 Propagación de luz (λ= CSZ-2 y CSZ-3, en donde se confirma la formacion de una fase 632 nm) en CSZ recocidas en cristalina, embebida en una matriz amorfa, por efecto del tra(a) horno y (b) usando un tamiento con un Láser pulsado de CO2. La banda ancha alredeLáser de CO2 dor de 2θ = 22° es debida a la difracción del substrato de SiO2 amorfo. El análisis de Difracción indica que la estructura dominante es la fase tetragonal ZrO2. Todas las muestras presentaron una luminiscencia a partir del estado excitado 4I13/2 con una emisión principal a 1532 nm, sin embargo el ordenamiento del ambiente local de los iones 49

REVISTA COLOMBIANA DE FÍSICA, VOL. 39, No. 1. 2007

Erbio por efecto del recocido con un Láser de CO2 pulsado, cambia la forma ensanchada del espectro, típica de ambientes vítreos, hasta obtener anchos de banda del orden de 12 nm con un tiempo de vida de la emision cercano a 8.2 ms, tal como se muestra en la Tabla 2. 4

S3/2

I15/2 Intensidad [u.a.]

H11/2

Intensidad [u.a.]

t-ZrO2

4

2

(a)

(b) (c)

(c)

(b)

(d)

(a) 19200

18900

18600

18300

18000

17700

15

-1

30

Numero de onda [cm ]

45

60

75

90

2Theta [gra.]

Fig.2 Espectros de Luminiscencia en la región visible Fig.3 Patrones de Difracción de Rayos X para las para las transiciones: 2H11/2 y 2S3/2, de los iones Er+3, guías de onda: (a) CSZ-0, (b) CSZ-2 y (c) CSZ-3. bajo excitación a 514.5 nm, para las guías de onda: Se reportan las posiciones de la fase tetratagonal (a) CSZ-0, (b) CSZ-1, (c) CSZ-2 y (d) CSZ-3 ZrO2 Tabla 3. Ancho de banda de la transicion 4I13/2 → 4I15/2 y tiempo de vida de la luminescencia a partir del estado metaestable 4I13/2 de los iones Er3+ para las guías de onda CSZ-0, CSZ-1, CSZ-2 y CSZ-3 CSZ-0

CSZ-1

CSZ-2

Ancho de banda (± 2 nm) @ 514.5 nm

Designación de la Guía de onda

46

48

22

CSZ-3 12

Tiempo de vida (± 0.5 ms) @ 514.5 nm

4.1

4.5

5.7

8.2

4. Conclusiones Se depositaron guías de onda planares basadas en SiO2-ZrO2 y SiO2-HfO2, dopadas con Er+3, usando el método sol-gel. Se demostró que el recocido con Láser de CO2 pulsado promueve una estructuración del ambiente alrededor de los iones Erbio, convirtiendo ésta tecnica en una alternativa de gran interes para la fabricación de EDWA. Agradecimientos Investigación apoyada económicamente por COLCIENCIAS, Universidad del Valle y CNRIFN, Istituto di Fotonica e Nanotecnologie) en Trento, Italia. REFERENCIAS [1] Z. Orignac, D. Barbier, X.M. Du, R.M. Almeida, O. McCarthy and E. Yeatman, Optical Material, 12, 1-18, 1999 [2] R.R. Gonçalves, G. Carturan, M. Montagna, M. Ferrari, L. Zampedri, S. Pelli, G.C. Righini, S.J.L. Ribeiro, and Y. Messaddeq. Opt. Mat. 25, 131-139, 2004 [3] Y. Jestin, C. Armellini, S.N.B. Bhaktha, A. Chiappini, A. Chiasera, S. Diré, M. Ferrari, C. Goyes, M. Montagna, E. Moser, G. Nunzi Conti, S. Pelli, G.C. Righini, C. Tosello, K.C. Vishunubhatla. “Sol-Gel derived glass-ceramic waveguides for optical amplification”. V WorkShop Italiano SolGel 2006 Proceedings, Palermo, Italia, Junio 2006 [4] J.T. Boyd. Journal of Applied. Physics. 52, 6, 3873, 1981

50