Acopladores de fibra, também conhecidos como acopladores direcionais, são dispositivos essenciais em sistemas ópticos. Regularmente são utilizados em diversos outros dispositivos ópticos que necessitam da divisão de feixe óptico (interferometria) em outros dois feixes coerentes, por exemplo, mas fisicamente separados (e vice-versa). Embora a maioria das aplicações de acopladores de fibra utilizem suas características lineares, desde 1982 seu comportamento em regime não linear vem despertando um grande interesse dos pesquisadores por suas aplicações em processamento óptico ultra-rápido como chave óptica. Aplicações em optoeletrônica, telecomunicações, processamento digital totalmente óptico, são os principais motivos que têm estimulado os grupos de pesquisa a estudarem mais detalhadamente esses dispositivos (FRAGA et al., 2006).
Seja qual for o tipo de acoplador escolhido, fibra ou óptica integrada, é possível produzir diferentes taxas de acoplamento pela simples variação das condições de propagação em cada um dos guias (LOPES, 2012).
Pesquisadores proporam a análise de um acoplador óptico direcional embutido no cristal fotônico, o qual é impulsionado por um sinal de comando externo, permitindo uma célula de comutação trabalhar de forma totalmente óptica. O método utilizado para a comutação usa um sinal de comando externo de baixa potência, inserido na região do
acoplamento central, que atua como um guia de ondas. Para isso, foi usado o método de expansão de onda de avião, de um tempo de domínio de diferença finita, além do próprio método binário de propagação (LIMA JR et al., 2009).
Recentemente foram propostas portas lógicas totalmente ópticas geradas em um acoplador de núcleo triplo de cristal fotônico, que opera com dois pulsos ultracurtos de um sóliton fundamental de 100 fs, com modulação de amplitude de pulso na modalidade de chaveamento por deslocamento de amplitude (PAM-ASK) e com modulação de amplitude binária. A propagação do pulso é modelada pela Equação Não-Linear de Schrödinger incluindo os termos associados com a GVD, a dispersão de terceira ordem, além dos efeitos da SPM, da XPM, auto-inclinação, e o IRS numa configuração sem perdas no dispositivo. Os resultados mostraram que pode se obter portas lógicas controlando a diferença de fase entre os pulsos de entrada (COELHO JR et al., 2013). Outro trabalho focu em um método geral para projetar portas lógicas de cristal fotônico totalmente óptica e funções baseadas no conceito de lógico limiar que têm padrão regular nas entradas. Houve uma junção do cristal fotônico em cascata, realizado por um detector de nível de potência limiar, além de um novo método que foi introduzido para alterar o nível de potência limiar para a concepção de diferentes portas e funções lógicas. As potências de entradas e saídas das portas do estudo e as funções são homogêneas e operam com uma taxa de bits de 500 Gbits/s (SHARIFI; HAMIDI; NAVI, 2016).
Foi estudado por pesquisadores o processo de comutação óptica por três formas de pulsos da ordem de fentossegundos (sóliton, Gaussiano e super-Gaussiano), propagando dentro de um acoplador direcional de núcleo duplo não-linear simétrico, simulando a propagação através das equações não-lineares do modo acoplado de Schrödinger. Nas simulações, foram considerados os efeitos não-lineares de dispersão de segunda e terceira ordem, além da SPM e auto-inclinação. Foram estudados três cenários para cada uma das três formas de pulsos investigados. A partir das simulações, concluiu-se que o pulso super- Gaussiano atingiu menores valores para potência crítica comparado com as outras formas de pulso (CORREIA et al., 2016). Nesta Tese trabalhamos somente com pulso na forma de sóliton.
O estudo de uma estrutura de porta lógica óptica baseada em defeitos de linha e pontos de defeito em cristal fotônico em 2-D foi realizado recentemente. O processo se deu em rede quadrada de barras de silício em cristal fotônico de ar (PHCs). Defeitos de linha são incorporados nas direções ГX e ГZ do espaço. O dispositivo tem duas entradas e duas portas de saída. Foi provado que a diferença de fase inicial entre as duas faixas de entrada é π/2, eles
interferem de forma construtiva ou destrutivamente para realizar as funções lógicas. Os resultados das simulações também mostram que o dispositivo pode gerar uma porta lógica XOR e uma porta lógica (GOUDARZI et al., 20016).
Pesquisadores relataram a polarização independente de portas lógicas ópticas em cristal fotônico sobre silício isolante que consiste em duas treliças de favo de mel dimensionais com dois buracos de ar fotônicos para os modos TE e TM na comunicação óptica da janela e proporam uma porta lógica AND. O período de resposta e a taxa de bits para as polarizações de TE e TM no comprimento de onda de 1,55 μm mostram bons resultados conforme exibidos no estudo (RANI; KALRA; SINHA, 2016).
Foram feitas propostas de novas estruturas de portas lógicas totalmente ópticas com base em cristal fotônico bidimensional do tipo treliça quadrada com hastes de silício mergulhada no ar. As estruturas propostas baseiam-se em um guia de onda em forma de T com raio de borda otimizado. Uma porta de entrada de referência adicional está incluída na estrutura, juntamente com as portas de entrada reais necessárias para uma porta lógica. Os resultados mostraram que o guia de onda em forma de T pode funcionar com uma porta NOT e que o guia de onda em forma dupla pode funcionar com porta NOR, XNOR e NAND com a mudança adequada nos valores de fase de entrada lógica '1' (SHAIK; RANGASWAMY, 2016).
2.5.1.1.1 Tipos de Acopladores
Dois guias próximos podem ser acoplados devido à penetração da luz de um guia para o outro. Este dispositivo fabricado a partir de materiais com índice de refração positivo preserva o sentido de propagação da luz e, possivelmente, por esta razão, é chamado de "acoplador direcional". Atualmente já existem propostas de se utilizar acopladores direcionais de cristal fotônico para a transmissão de sólitons (BENABID, 2006; RUSSELL, 2003; HERRMANN et al., 2002).
A Figura 7 mostra o esquema da seção transversal de uma PCF de dois núcleos (acoplador). Algumas dimensões da geometria da PCF tal como d e separação dos núcleos C podem ser ajustadas para obter o efeito desejado onde C = 2Λ, onde Λ é a distância entre os centros de dois núcleos de ar existente no acoplador (KHAN, 2008).
Figura 7 – Esquema da seção transversal de uma PCF de dois núcleos (acoplador) com suas dimensões.
Fonte: Khan (2008).
Existem fibras de cristal fotônico de novas formas de projetos propostos por pesquisadores, como as fibras de cristal fotônico de três núcleos (TPCF). Essas fibras podem ser do tipo planar ou tipo triangular formando acopladores. O esquema de acopladores de configurações lineares e triangulares é ilustrado na Figura 8, onde Dc é o diâmetro do núcleo da fibra de cristal fotônico, d é o diâmetro do buraco de ar. Foi demonstrada com sucesso a geração de um conjunto completo de portas lógicas, ou seja, AND, NAND, OR, NOR, XOR, XNOR e NOT. Uma figura de mérito (FOMELG) de portas lógicas mostra a eficiência das portas lógicas que foram obtidas individualmente (UTHAYAKUMAR; RAJA, 2013).
Figura 8 – Esquema da TPCF para configurações planar e triangular respectivamente.
O esquema da TPCF para configuração do acoplador triplo planar de fibras de cristal fotônico, onde Λ = espaçamento entre buracos e d = diâmetro do buraco de ar é mostrado em (BASTOS, 2015). Percebemos também os guias de entrada 1 e 2 e o guia de controle 3. Antes de o pulso entrar no acoplador ele passa por um modulador onde sofre uma modulação por amplitude do pulso (PAM-ASK), com a variação do parâmetro de ajuste de modulação ε. O acoplador possui três saídas e três entradas conforme a Figura 9 (BASTOS, 2015).
Figura 9 – Esquema do acoplador triplo planar de fibra de cristal fotônico (TPCF), com o modulador (PAM-ASK).
Fonte: Bastos (2015).