Tesis:
Active Organic Waveguide Structures for Photonic Devices
- Autor: PAZ MARTÍNEZ, Luis Felipe
- Título: Active Organic Waveguide Structures for Photonic Devices
- Fecha: 2023
- Materia:
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACION
- Departamentos: TECNOLOGIA FOTONICA Y BIOINGENIERIA
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/77159/
- Director/a 1º: CAÑO GARCÍA, Manuel
- Director/a 2º: QUINTANA ARREGUI, Xabier
- Resumen: The present PhD work is aimed at the development of a new research line, within the framework of organic photonics. This Thesis has been developed at CEMDATIC R&D Center, located at Universidad Politécnica de Madrid. During this work, a number of materials have been studied, and many devices have been manufactured and characterized. The obtained results and conclusions will pave the way to the development of novel devices in the field of biosensing. Furthermore, new fabrication techniques have been studied and developed using a great variety of materials, whose performance simplify the routines of manufacturing and the equipment used in well-known and established technologies for micro- and nanofabrication.
The main motivation of this work has been driven by the need of simplifying the process of external light coupling into micro or even nano-sized waveguides, which constitutes a fundamental keystone in the photonic integrated circuit technology. The light coupling process is commonly carried out using optical assemblies with micrometric precision, which require electronic control modules in some cases. A suggested solution to this issue can be the incorporation of compatible luminescent materials within the solid matrices that constitute the polymer waveguides themselves.
Organic dyes are exceptional candidates for doping polymeric matrices, as they normally show high chemical compatibility with the prepolymers. Owed to the diversity of dyes, whose emission band can be tuned depending on the molecular structure, it would be possible to obtain active matrices emitting at a wide range of wavelengths.
Thus, luminescent polymeric structures can be manufactured considering the chemical compatibility of the dyes and the resin molecules under work. The dye not only has to show excellent solubility properties; additionally, it has to maintain its optical properties during and after the curing process of the polymeric material. Along this Thesis, a wide variety of photoresists of different chemical composition have been employed, and organic dye doping has been demonstrated. The obtained luminescent structures, in combination with other light-emitting molecules, cover the whole visible spectrum.
Furthermore, if these doped matrices can amplify the light through stimulated emission processes, they may be further used for the design and fabrication of Distributed Feedback (DFB) lasers. Therefore, another goal of this Thesis is the demonstration of light amplification by stimulated emission of photoresists doped with dyes.
On the other hand, the ability to generate light within photopolymerizable matrices allows the design and manufacture of sensing devices based on evanescent field excitation principles. Basically, the light that is emitted after exciting externally an active zone can be used to couple a non-active waveguide. These travelling waves can excite targets located on the surface of the waveguide by evanescent field. The light coupling is dependent on the properties of the materials involved in the structure of the devices. In this work, a great variety of cladding and guiding materials have been tested and studied, with the objective to determine the optimal conditions in which the coupling and guiding of light is more efficient.
Finally, with the aim of simplifying some of the fabrication techniques commonly used within the framework of micro and nano fabrication of organic structures and devices, we have focused on the development and study of some soft-lithography fabrication techniques, whose processes are based on the use of Poly(methyl methacrylate) (PDMS) molds.
The PDMS molds are widely used in traditional Nanoimprint Lithography (NIL) due to its low Young’s module and low surface energy, high flexibility, high gas permeability and low cost.
In this Thesis, molds of PDMS have been employed to transfer specific patterns from a master to a given substrate, using two main manufacturing techniques known as Solvent- Assisted Micromolding (SAMIM) and Microtransfer Molding (MIMIC). While the first allows the transfer of a pattern (in this case nano-sized gratings) onto a given material in a very efficient way, the latter would allow us to manufacture micro and macro sized structures from the channels or negative patterns generated in the PDMS mold.
Therefore, the objective of this Thesis is to investigate new optically active structures combined with efficient manufacturing techniques that can be employed in more complex technologies.
RESUMEN
El presente trabajo de Tesis se ha centrado principalmente en el desarrollo de una nueva línea de investigación dentro del marco de la Fotónica Orgánica y se ha llevado a cabo en el Centro de Materiales y Dispositivos Avanzados para las Tecnologías de Información y Comunicaciones (CEMDATIC). A lo largo de estos años de trabajo, se han diseñado, fabricado y caracterizado gran variedad de materiales y dispositivos, incluyendo el desarrollo y estudio de nuevas técnicas de fabricación que simplifican considerablemente las rutinas y equipamientos empleados en sistemas bien conocidos. Todos los protocolos de fabricación empleados en este trabajo han sido optimizados y establecidos por el grupo. La motivación de este trabajo se vio impulsada por la necesidad de simplificar de alguna forma el proceso de acoplo de luz de forma externa en guías de onda de tamaños micro o incluso nanométricos. Este proceso de por sí se lleva a cabo usando montajes ópticos con precisiones nanométricas, que además requiere en algunos casos de módulos de control electrónicos. Una solución a este problema es la incorporación de materiales fotoluminiscentes compatibles dentro de las matrices solidas que constituyen las guías de onda poliméricas.
Los colorantes orgánicos son candidatos excepcionales para dopar matrices poliméricas, pues tienen una alta compatibilidad química con los prepolímeros, y, además, debido a la gran variedad de estructuras moleculares, sería posible obtener matrices emitiendo a un rango de longitudes de onda amplio.
Para obtener este tipo de estructuras luminiscentes, es necesario considerar previamente la compatibilidad de la resina en cuestión y del colorante o dye a embeber en la matriz. Además de presentar considerable solubilidad dentro del disolvente propio de la resina comercial, el colorante debe mantener sus propiedades ópticas durante y después del proceso de curado del material polimérico. A lo largo de esta Tesis, se ha trabajado con fotorresinas orgánicas de distinta naturaleza química, en las cuales se ha demostrado su capacidad de ser dopadas con colorantes orgánicos, obteniendo estructuras considerablemente luminiscentes, y que, además, en combinación con otras moléculas emisoras de luz, ha sido posible cubrir el espectro visible del campo electromagnético.
Además, si estas matrices dopadas son capaces de amplificar la luz mediante procesos de emisión estimulada, estos podrían ser usados para la fabricación de láseres de tipo DFB. Por lo tanto, otro de los objetivos de esta Tesis ha sido la demostración de la presencia de amplificación de luz por emisión estimulada de fotorresinas dopadas con colorantes.
Estas estructuras poliméricas luminiscentes y en su caso, los dispositivos láseres, pueden ser usadas para la fabricación de dispositivos ópticos más complejos.
Por otro lado, la capacidad de generar luz dentro de matrices foto polimerizables permite diseñar y fabricar dispositivos de sensado basados en principios de excitación por campo evanescente. Y es que la luz que se emite tras excitar de forma externa una zona activa puede usarse para acoplar a una guía de onda no activa. Esta luz que viaja en los modos de la guía de onda puede excitar por campo evanescente a dianas localizadas en la superficie de esta.
Ya que la eficiencia de acoplo de luz es dependiente de las propiedades de los materiales involucrados en la estructura del dispositivo, en este trabajo de Tesis, se han estudiado gran variedad de substratos y materiales de guía de onda, con el fin de concretar las condiciones óptimas en las que el acoplo y guiado de luz es más eficiente.
Finalmente, con el objetivo de simplificar algunas de las técnicas de fabricación comúnmente empleadas dentro del marco de la micro y nano fabricación de estructuras y dispositivos, otro de los objetivos de este trabajo ha sido el de desarrollar y estudiar algunas de las técnicas de fabricación de soft-lithography, cuyos procesos se basan en la utilización de moldes de Poly(methyl methacrylate) (PDMS).
El PDMS es ampliamente usado en Nanoimprint Lithography (NIL) debido a que posee propiedades interesantes como: bajo módulo de Young y baja energía superficial, lo cual facilita el contacto y el posterior despegue del máster, alta flexibilidad, permeabilidad a los gases y bajo coste.
En este trabajo, el PDMS se emplea para transferir un patrón desde un máster a un substrato determinado, mediante dos técnicas principales conocidas como Solvent- Assisted Micromolding (SAMIM) y Microtransfer molding (MIMIC). Mientras que la primera, nos permite transferir un patrón, en este caso de gratings nano dimensionados, de forma muy eficiente sobre distintos materiales, la segunda técnica nos permitiría fabricar estructuras a partir de los canales o patrones negativos generados en el molde.
Estas técnicas han sido optimizadas y probadas empleando una gran variedad de materiales, los cuales han sido posteriormente caracterizados y discutidos.
Por lo tanto, los objetivos principales de esta tesis han sido, por un lado, el estudio de nuevas estructuras ópticamente activas, y el desarrollo de técnicas de micro fabricación sencillas y eficientes, que pueden ser empleadas para la fabricación de dispositivos más complejos.