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Amorfización profunda de silicio inducida por pulsos láser ultrarrápidos del infrarrojo medio.  
Amorfización profunda de silicio inducida por pulsos láser ultrarrápidos del infrarrojo medio.
Científicos del Instituto de Óptica (Grupo de Procesado por Láser), de la Universidad Aix-Marseilley y del Departamento de Física Aplicada de la Universidad Autónoma de Madrid han publicado en la revista Advanced Optical Materials un trabajo en el que han conseguido duplicar la profundidad hasta ahora conseguida de guías de onda grabadas directamente con láser en silicio.

Estas guías de onda sirven para transmitir información usando la luz en vez de la electricidad, igual que las fibras ópticas pero dentro de un circuito integrado, y así facilitar la transición de luz a electricidad todavía necesaria dentro de un equipo de comunicaciones, como el router de nuestras casas.

Aplicaciones


En los últimos años, la cantidad de información que se transmite por las redes de comunicaciones ha aumentado de forma exponencial. Esta necesidad de mayores anchos de banda provoca que el procesado electrónico en los grandes nodos de comunicaciones esté llegando a su límite y se necesiten nuevas tecnologías que realicen dichas funciones utilizando la luz en vez de la electricidad y así evitar la conversión opto‐electrónica que se realiza actualmente. Las guías de onda integradas en silicio avanzan en esa dirección.

Circuitos fotónicos de silicio


El silicio es un material clave para la industria electrónica, debido principalmente a su abundancia en la Tierra (es el elemento más abundante en la corteza terrestre por detrás del oxígeno).
Es un semiconductor que puede presentarse en dos fases sólidas estructuralmente diferentes (cristalina y amorfa) con propiedades físicas muy diferentes.
La llegada de la fotónica de silicio expandió aún más el alcance de este material Es utilizado para el acoplamiento de componentes de chip de silicio a sistemas de telecomunicaciones de fibra óptica que operan típicamente alrededor de la longitud de onda de 1550 nm, donde el silicio es transparente. Sin embargo, para permitir la propagación de luz confinada (un camino o guía por la que circula la luz), fue necesario desarrollar el concepto de silicio sobre aislante que permite la fabricación de circuitos ópticos con métodos litográficos similares a los utilizados para los sistemas electrónicos.
Inicialmente este concepto de silicio sobre aislante representa una gran ventaja para aprovechar la enorme inversión realizada por la industria de los semiconductores en estas tecnologías. Sin embargo, tiene como inconvenientes la falta de flexibilidad en los diseños que puedes hacer y los largos ciclos de procesamiento necesarios para lograr las arquitecturas deseadas. Por lo tanto, sería muy deseable desarrollar una tecnología de escritura directa y versátil para la ingeniería óptica en silicio.

Para superar esta limitación, los científicos proponen aprovechar la escritura con láser de canales superficiales de silicio amorfo. Al irradiar el silicio cristalino con un láser ultrarrápido éste se funde y se resolidifica en forma de silicio amorfo, pudiendo así formar "caminos" por los que se transmite la luz.
Esto proporciona una oportunidad única para la fabricación personalizada de las guías de onda que necesite cada proyecto.

La escritura láser directa de líneas amorfas en silicio cristalino tiene potencial para convertirse en una alternativa flexible a la tecnología de silicio sobre aislante en circuitos integrados fotónicos. Sin embargo, el espesor máximo de capa amorfa alcanzado hasta ahora es de 60 nm, que está por debajo de los requisitos para la guía de ondas en telecomunicaciones. En este trabajo los autores presentan diferentes estrategias para llevar el grosor de la capa al doble del límite actual.

Nuestro trabajo


A la vista de las investigaciones anteriores, parecía existir un límite superior natural para el espesor de una capa amorfa que puede formarse mediante irradiación láser ultrarrápida, al menos para el rango de parámetros explorado hasta ahora. Para superar este límite, han explorado un rango de parámetros mucho más amplio en longitudes de onda del láser, que van desde 515 nm hasta 4.0 µm, prestando especial atención a la región infrarroja donde el silicio es transparente, con el fin de conseguir una amorfización más profunda. También han estudiado la influencia del número de pulsos, la orientación del cristal de silicio y la colocación de una capa gruesa de cobertura de dióxido de silicio encima del material a tratar, para disipar de formas más eficiente el calor de la energía láser depositada.

El valor de espesor más grande alcanzado en el estudio es t = 128 nm, usando pulsos de láser de λlaser = 3 µm en silicio cubierto con una capa de SiO2 de un micrómetro de espesor. A pesar de ser dos veces más grueso de lo que se logró hasta ahora, sigue siendo insuficiente para guías de ondas de superficie asimétricas que operan en longitudes de onda de telecomunicaciones.
Para futuras investigaciones proponen la deposición o unión de una capa de cobertura de Si después de la escritura de la guía de ondas, lo que debería permitir una operación monomodo para los valores de espesor logrados en el presente estudio.

Enlace al artículo científico

Este trabajo es una colaboración del Instituto de Óptica, la Universidad Aix-Marseilley el Departamento de Física Aplicada de la Universidad Autónoma de Madrid.
 
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