Desarrollo de un sistema experimental para la calibración en temperatura de dispositivos nanofotónicos

Alberto Casas⁽¹⁾, Mª José Martín⁽¹⁾, Pablo Aitor Postigo^(2)
(1)Centro Español de Metrología, Alfar 2, Tres Cantos 28760, España
⁽²⁾ Instituto de Micro y Nanotecnología, CSIC, Isaac Newton 8, Tres Cantos 28760, España

Resumen

Hoy en día existe una creciente necesidad para la medición de la temperatura en escalas cada vez más pequeñas y los termómetros actuales no pueden asumir ese reto. Sin embargo, y gracias a la nanotecnología, es posible fabricar nuevos dispositivos capaces de realizar mediciones de temperatura en la escala micrométrica.

Los sensores fotónicos tienen un papel muy prometedor para estos fines. Estos sensores se basan en la interacción radiación-materia para medir la temperatura y otras magnitudes físicas a través de las propiedades que dependen de la temperatura de los materiales.

En este artículo nos centramos en un tipo de sensor fotónico, en particular, el resonador de anillo. Se explica la teoría que hay detrás de ellos, se describe el sistema experimental y se muestran los resultados obtenidos hasta la fecha.

El Centro Español de Metrología (CEM) participa en colaboración con el Instituto de Micro y NanoTecnología (IMN-CSIC) en el proyecto europeo PhotOQuant, el cual está financiado por el Programa Europeo de Metrología para Innovación e Investigación (EMPIR).

Abstract

Today there is a growing need for temperature measurements on an increasingly small scale, but current thermometers cannot meet that challenge. However, nanotechnology now offers us the possibility of building sensors capable of measuring temperature at the micrometric scale.

Photonic sensors play a very promising role for these purposes. These sensors are based on the interaction between light and matter to measure temperature and other physical quantities through properties that depend on the temperature of the materials.

In this article we focus in a specific photonic sensor, in particular, the ring resonator, and we explain the theory behind them, describe the experimental system and show the results obtained to date.

Centro Español de Metrología (CEM) participates in collaboration with the Instituto de Micro y Nanotecnología (IMN-CSIC) in the European PhotOQuanT project, which is funded by the European Metrology Programme for Innovation and Research (EMPIR).

Introducción

La medida de la temperatura juega un papel fundamental en muchos aspectos de la vida cotidiana, desde el control de procesos en la fabricación, la monitorización fisiológica y la ablación de tejidos hasta el control y monitorización de edificios y automóviles, abarcando así distintas áreas como la física, la química, la biología o la medicina.

Desde que en 1714 Daniel G. Fahrenheit inventase el termómetro de mercurio, los dispositivos para medir la temperatura han evolucionado incrementando su sensibilidad, estabilidad y comparabilidad. El dispositivo termométrico estándar para mediciones precisas de la temperatura, el termómetro de resistencia de platino patrón (TRPP), se desarrolló en el siglo pasado y puede medir temperaturas con incertidumbres de 10 mK. Además, muchos otros sensores de temperatura modernos también se basan en el fenómeno del cambio del valor de la resistencia de un cable o una fina lámina de metal con la temperatura, presentando así sus mismas ventajas e inconvenientes.

El elemento sensible de un TRPP consiste en un bobinado de platino situado en el extremo del encapsulado del termómetro que es extremadamente sensible a perturbaciones mecánicas y ambientales, como la humedad y la contaminación química. Esto provoca que el valor de la resistencia varíe con el tiempo causando irreproducibilidad en las medidas. Para evitar esto, se necesitan frecuentes calibraciones, las cuales son costosas y requieren un valioso tiempo en el que el termómetro queda inutilizado.

En los últimos años ha habido un gran interés en el desarrollo de dispositivos fotónicos como alternativa a los termómetros de resistencia ya que superan las limitaciones asociadas a estos presentando una mayor robustez a las perturbaciones mecánicas y siendo insensibles a las interferencias electromagnéticas. Además, se pueden miniaturizar hasta la escala nanométrica, lo que permite una resolución espacial mucho mayor.

Estos dispositivos se basan en el cambio de las propiedades de un material debido a la temperatura, generalmente en el efecto termo-óptico, que es el cambio en el índice de refracción del material, y en la dilatación térmica.

De entre todos los tipos de dispositivos nos centraremos en los resonadores de anillo, los cuales típicamente tienen una resolución de ~ 1 mK, pero pueden llegar a  resolver hasta 80 μK. Estos sensores consisten en una serie de anillos y una serie de guías de onda, también llamadas puertos, por las que entra y sale la luz, siendo la configuración más sencilla la que sólo presenta un anillo y un puerto.

El proceso típico de fabricación de un chip con multitud de resonadores se basa en las técnicas estándar de CMOS en una oblea de silicio-sobre-aislante (SOI). Las máscaras se hacen usando fotolitografía ultravioleta y se suele hacer en dos etapas para grabar primeramente las guías de onda que forman el anillo y los puertos y, posteriormente, las redes en los extremos de estos. Estas últimas proporcionan un medio para conseguir un acoplamiento eficiente de la luz en espacio libre (free space light coupling). Por último, se realiza una oxidación térmica para disminuir la rugosidad de la superficie.

El acoplamiento de la luz entre el anillo y el puerto se produce por el fenómeno de campo evanescente, esto implica que no existe contacto físico entre ambos, a esta distancia se le llama gap de aire (air gap). Elegir las dimensiones adecuadas también es un factor importante porque se requiere que se cumpla la propagación monomodo del modo transversal eléctrico (TE) de la luz a las longitudes de onda de las telecomunicaciones (~1550 nm).

La dependencia del resonador con la temperatura surge de los cambios provocados por ésta en su índice de refracción y en sus dimensiones físicas. La condición de resonancia para un resonador de anillo único viene dada por:

Donde m es el número de modo, λ_res es la longitud de onda de resonancia, n_eff es el índice de refracción efectivo y R es el radio del resonador. El cambio en la longitud de onda de resonancia Δλ_m, causado por un incremento de temperatura ΔT, viene dado por la siguiente ecuación:

Donde \(\left(\frac{{\partial n}_{eff}}{{\partial\lambda}_m}\right)\) es el coeficiente termo-óptico, \(\frac{\partial L}{\partial T}\) es el coeficiente de dilatación,  L es la circunferencia del resonador (2πR) y el denominador es el llamado índice de grupo:

La variación del índice de refracción debido a la dilatación térmica del silicio es aproximadamente 100 veces más pequeña que la debida al efecto termo-óptico, por tanto se puede despreciar.

Los sensores de temperatura basados en estos resonadores presentan una mejora sustancial en comparación a los sensores de temperatura basados en Fiber Bragg Gratings (FBG), llegando a ser hasta 8 veces más sensibles.

Experimento

Consiste en inyectar luz en el extremo de un puerto del dispositivo fotónico y realizar un barrido en longitud de onda en torno a 1550 nm mientras que se registra la potencia medida que sale por el otro puerto. Debido a la condición de interferencia destructiva aparecerán unos picos en los que esta potencia cae a cero. La longitud de onda a la que aparecen estos picos viene determinada por los parámetros del resonador (radio e índice de refracción) los cuales se ven influenciados por la temperatura, la cual podemos controlar de forma muy precisa y exacta con un baño térmico de alta estabilidad, haciendo que se desplacen. Calibrando este dispositivo se consigue un termómetro fotónico que nos permite saber la temperatura en función de la longitud de onda a la que aparecen los picos.

Descripción del sistema experimental

El sistema se ha montado partiendo desde cero. Se han planteado las necesidades y se han elegido los componentes necesarios. El esquema del sistema es el siguiente:

Como el acoplamiento entre la fibra óptica y el dispositivo no presenta contacto físico (free space light coupling), los soportes que sujetan las fibras no son comerciales, se han tenido que diseñar en AutoCAD expresamente para este fin y se han mandado fabricar. Presentan unas ranuras para que la fibra quede sujeta y un extremo cortado a 15° para favorecer la caída de la fibra hacia el dispositivo.

Los soportes que sujetan la fibra óptica están montados sobre estaciones (Newport M-562F-XYZ y M-561D-XYZ) que permiten el movimiento en los ejes X, Y y Z mediante tornillos micrométricos. Para tener mayor precisión se han usado tornillos piezoeléctricos (Newport PZA12) conectados a un switch (Newport PZC-SB) y controlados por un mando común (Newport PZC200).

Justo encima de la estación central, se ubica el microscopio, el cual está fijado a una plataforma elevadora que permite un movimiento vertical más grueso. El microscopio no es comercial y se ha montado haciendo uso de distintas piezas, como una fuente de luz, un colimador, un divisor de haz 90:10, tubos, una torreta, objetivos y posicionadores lineales en los 3 ejes X, Y, y Z, para conseguir un movimiento fino. En la parte superior del microscopio, se encuentran las dos cámaras CCD, que son la visible (Basler acA 1300-60gm) y la infrarroja (Scintacor CMLN-13S2M,) acopladas a un divisor de haz 50:50 (CM1-BP150). Los objetivos usados son de alta distancia de trabajo (Mitutoyo Plan Apo NIR 5X, 10X, 50X, 100X), lo que permite ver la superficie del dispositivo para poder acoplar la luz sin colisionar con la fibra óptica o con el soporte de la misma.

El termostato nos permite controlar la temperatura del dispositivo y consiste en un prisma de aluminio de 75 mm x 75 mm x 15 mm con un conducto en su interior en forma de “U” por el que circula agua. Esta agua está controlada por un baño térmico de alta estabilidad que permite un control de hasta décimas de mK en el rango entre 10 ºC y 80 ºC. El dispositivo fotónico se coloca en la parte superior del termostato y la temperatura se mide con varios termómetros de contacto (una mini-Pt100 y termistores NTC) que se pueden colocar en varios sitios: en la superficie superior y/o insertados en los dos agujeros (superior e inferior) del termostato.

Un láser infrarrojo sintonizable (Santec TSL-710) se usa para generar la luz que será inyectada en el resonador. Una pequeña cantidad de luz láser (típicamente un 5 %) se separa mediante un divisor de haz integrado en fibra y se recoge para monitorizarla mediante un medidor de longitud de onda con una sensibilidad e incertidumbre mejores que la del láser. El resto se lleva al dispositivo fotónico mediante una fibra óptica adecuada para estas longitudes de onda (SMF-28-J9 FC/APC) y tras recorrer el circuito se lleva mediante otra fibra igual hasta el medidor de potencia (Newport 818-SL/DB).

El procedimiento para hacer coincidir el spot del láser infrarrojo con la entrada del puerto deseado consiste en usar como fuente de luz auxiliar un láser visible el cual podemos observar sobre la superficie iluminada del dispositivo fotónico de forma que podamos ver dónde se encuentra exactamente el spot. Una vez que lo colocamos en la zona adecuada mediante los posicionadores de precisión, desconectamos el extremo de la fibra que está conectado a este láser auxiliar y lo conectamos al láser infrarrojo.

Este sistema de generación auxiliar consta de un diodo láser (RLT7890MG) que está colocado en un cabezal (TCLDM9) el cual está conectado a una fuente de alimentación que nos permite controlar la intensidad de la corriente y la temperatura. El diodo láser usado tiene una longitud de onda de 785 nm y es una unión PN que emite radiación de forma no colimada, específicamente de forma elíptica, con unos semiejes indicados por el fabricante. De esta manera, se elige una lente (generalmente un objetivo de microscopio) cuya apertura numérica sea lo más parecida posible al ángulo correspondiente al semieje más grande de los de la elipse de emisión del diodo láser, de manera que se pierda la menor cantidad de luz posible. Este objetivo se coloca a una distancia del láser igual a su distancia focal, lo que hace que la luz que salga lo haga colimada y está sujeto por una pieza que nos permite variar su posición de forma precisa mediante un tornillo micrométrico.

A continuación hay otra lente (objetivo). En este caso, el fin es el contrario, recoger la luz que le llega colimada y enfocarla en el extremo de la fibra óptica. Esta lente debe tener una distancia focal dada por f = D πω/4λ, donde D es el diámetro del haz colimado que le llega (en este caso, D se refiere al diámetro en el que la intensidad del haz cae a 1/e² de la intensidad máxima), λ es la longitud de onda de la luz y ω es un parámetro de la fibra óptica, llamado mode field diameter, el cual viene indicado por el fabricante.

Por último, se ha colocado una pieza que nos permite el movimiento en dos direcciones perpendiculares, en la cual hay enroscado un conector de tipo FC en el que está conectada la fibra óptica que usamos para llevar la luz al dispositivo.

En un futuro se pretende superponer las señales de vídeo de las dos cámaras CCD para que no sea necesario el láser visible auxiliar.

Resultados

Hasta el momento no se han realizado medidas haciendo barridos en longitud de onda. Sin embargo, se ha elegido una pista del dispositivo, en concreto una que consta de un único puerto y un único resonador. Se ha inyectado luz infrarroja en la entrada de dicho puerto y se ha observado la existencia de luz infrarroja a su salida.

Agradecimientos

Este proyecto ha recibido financiación del programa EMPIR cofinanciado por los Estados participantes y por el programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea.

This project has received funding from the EMPIR programme co-financed by the Participating States and from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme”