TECNOLOGÍA DE LOS CRISTALES FOTÓNICOS

Por: Martha M. Ortiz Palacios*

INTRODUCCIÓN

Los actuales circuitos electrónicos y el procesado de información están basados en el estricto control de las propiedades de transporte de carga, de las corrientes, el cual depende de una propiedad fundamental de los semiconductores, la banda de energía prohibida (gap): que consiste en un rango de  energías en el que los electrones ven bloqueada su propagación por el semiconductor. La tecnología electrónica, ha sido capaz de alcanzar un alto nivel de miniaturización y de eficiencia en el procesado de señales, sin embargo, este desarrollo tiene que hacer frente a diversos problemas que surgen cuando el grado de integración se acerca a la escala  cuántica, o, simplemente, cuando el calor generado en dicha escala es difícil de disipar. Lo cual lleva a proponer alternativas que solucionen estos inconvenientes; la comunicación óptica, que utiliza fotones como elemento básico (en lugar de electrones) provocando un desarrollo de medio y materiales que los controlen y transporten.

 

La investigación sobre comunicaciones ópticas ha introducido el desarrollado materiales micro y nanoestructurados como formaciones ordenadas que podrían conducir la luz como los semiconductores lo hacen con electrones, nos referimos específicamente a los cristales fotónicos, que básicamente es un material por múltiples elementos periódicamente distribuidos que dispersan la luz de una manera coherente y conjunta. Este hecho produce, de manera similar a lo que ocurre con los electrones en los semiconductores, un rango de energías prohibido para la propagación de los fotones, en este caso, un gap fotónico. Mediante la combinación  y estructuración de estos elementos es posible diseñar circuitos  fotónicos similares a los electrónicos.

Estas estructuras deben ser diseñadas en función de su aplicación, por ejemplo en el caso de propagación de luz se recomienda la utilización de materiales metálicos para propagar la luz (óptica de plasmones).

En este caso la utilización de metales que tengan propiedades ópticas que se puedan modificar por un campo externo, por ejemplo un campo magnético, puede permitir desarrollar nuevos dispositivos para el control y manipulación de la luz. El material así obtenido tiene propiedades magneto-ópticas, inducidas por las nanopartículas ferromagnéticas, y propiedades ópticas. Existen diversas posibilidades para fabricar estas nanoestructuras: una forma es generar por métodos químicos capas de nanopartículas, otra es mediante técnicas de deposición de capas delgadas.

CRISTALES FOTÓNICOS

En 1987 los profesores Eli Yablonovitch y Sajeev John proponen la utilización de materiales en los cuales ciertas frecuencias no pudiesen propagarse. Yablonovitch que trabajaba para la compañía Bell Communication Research, proponía la utilización de estos materiales en la fabricación de láseres más eficientes, puesto que podría evitar las pérdidas del dispositivo en forma de emisión espontánea, que tienen lugar producción de la emisión estimulada que caracteriza a los láseres. Por otro lado, la propuesta de John consistía en la utilización del rango de frecuencias prohibidas para la localización de luz, al igual que ocurre con los electrones que quedan confinados en sistemas desordenados

Ambos investigadores se reunieron y decidieron usar una terminología común, gap fotónico, para referirse al rango de frecuencias prohibido y cristal fotónico resultaron infructuosos  hasta que en 1990 mediante cálculos teóricos un grupo de científicos de la Universidad Estatal de Iowa propuso que la estructura cúbica centrada en las caras (fcc, del inglés face centred cubic), que hasta ese momento había sido la abordada por Yablonovitch, tan sólo posee un pseudogap, es decir, la  luz siempre encuentra alguna dirección por la que propagarse a través del cristal. Así mismo estos científicos concluyen que la estructura diamante sí presenta gap fotónico para todas las direcciones del espacio. Con estos datos en la mano. Yablonovitch se vuelca en la fabricación de un cristal con estructura tetraédrica y, en 1991, presenta el primer material con gap fotónico a partir de una variante de la estructura diamante y que, actualmente se conoce como yablonovita.

En la fabricación de la Yablonovita se utilizó un material con cierto índice de refracción que fue cubierto con una máscara en la que se realizaron agujeros en una disposición triangular. En cada agujero realizaron tres perforaciones a ángulos de 35.26° con respecto a la normal y separados 120° con  respecto al eje azimutal. Debido a que la periodicidad del sistema es de alrededor de la decena de mm, éste presenta su gap fotónico en el rango de las microondas.

Se han explorado otras tecnologías para la fabricación de los cristales fotónicos, por medio de técnicas litrográficas se ha fabricado la misma estructura que en yablonovita pero sobre un material distinto (GaAs o GaAsP) y con unas periodicidades tales que el rango de frecuencias prohibido estuviera en el infrarrojo cercano o en el visible

 

 

 

FUNCIONAMIENTO BÁSICO DE UN CRISTAL FOTÓNICO

Los cristales fotónicos representan para la luz, o en general para las ondas electromagnéticas, lo que los semiconductores para los electrones. Esto quiere decir que al igual  que los semiconductores que  presentan un rango de energías prohibido para los electrones (gap), los cristales fotónicos lo presentan para los fotones. Su funcionamiento es básicamente el de un material que se torna transparente (conduce) a opaco (no conduce), cuando se le llena de agujeros periódicamente distribuidos en las tres direcciones del espacio. La periodicidad del material ha de ser razonablemente parecida a  la longitud de onda de la radiación electromagnética que se quiere controlar, es decir la distancia entre los agujeros debe ser del orden de la longitud de onda a transportar.

Cuando la luz penetra en estos materiales la radiación se difunde en cada uno de los centros de dispersión (scattering) que lo forman. El resultado final es que parte de la radiación se verá reforzada mientras que otra quedará anulada en función de ciertos parámetros característicos como  su longitud de onda, dirección, índice de refracción de los materiales así como del tamaño y distribución de los centros de dispersión. De este modo y por analogía con los semiconductores, llamamos gap fotónico al rango de frecuencias electromagnéticas en las que no existen modos de propagación permitidos para ninguna dirección del cristal.

Los parámetros que definen un cristal fotónico y cuya cuantificación determina sus propiedades son cuatro:

ESTRUCTURA CRISTALINA:    Que está relacionada con la forma en que queda modulado el índice de refracción. Pudiendo adoptar estructura triangulares, cuadradas y de panal de abeja entre otras, para sistemas 2D. Mientras que  los sistemas 3D pueden presentar cualquiera de las estructuras correspondientes a los 32 grupos puntuales cristalográficos (o 230 grupos espaciales).

TOPOLOGÍA:   El campo queda concentrado en las zonas de mayor constante dieléctrica, por lo que es muy importante conocer la disposición de estos centros de dispersión. Si estos se encuentran aislados entre sí e inmersos en un medio de menor constante dieléctrica, se dice que tienen una topología tipo Cermet. Por el contrario, si los centros de dispersión se encuentran interconectados se dice que adoptan una topología tipo Network.

CONTRASTE DE ÍNDICES:      Es la razón entre los índices de refracción mayor y menor del material compuesto que forma el cristal fotónico. En general existe un umbral por debajo del cual no se abre ningún gap fotónico completo. Este umbral será diferente para las distintas estructuras y topologías

FACTOR DE LLENADO:           Es la razón entre el volumen ocupado por uno de los materiales con respecto al volumen total.

La combinación de todos estos factores hace que existan una multitud de posibles estructuras con muy diversas propiedades fotónicas, es decir un modo localizado de la combinación de los parámetros que definen un cristal, se define como una cavidad resonante donde un particular rango de longitudes de onda puede ser guiada

CONCLUSIONES

Los cristales fotónicos tienen una enorme importancia por su aplicación tecnológica; por ejemplo, con ellos, se podrían fabricar lásers de altísima eficiencia, o diseñar materiales transparentes u opacos para determinadas frecuencias con aplicación en la industria civil o militar en campos tales como las telecomunicaciones optoelectrónica e informática. Por ello, la competencia en desarrollar los cristales fotónicos que manejen altas frecuencias es impetuosa entre los laboratorios públicos y los privados, para diseñar y fabricar los mencionados cristales. Téngase en cuenta lo difícil que sería llenar un material de agujeros periódicamente distribuidos, cuyo tamaño fuera del orden de fracciones de micra.

*Martha M. Ortiz Palacios es subdirectora académica del Instituto Tecnológico Superior de Libres.

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• Gaëtan Léveque, Olivier J.F. Martin.- Tunable composite nanoparticle for plasmonics.
• Ibisante Muñoz Marta.- Memoria 
• Blanco Álvaro, López Cefe, Armelles Gaspar, García Vidal F.J.- Revista de Investigación en Gestión de la Innovación y Tecnología.