Switch ifadesi

Moduladores eletroópticos estão entre os mais importantes componentes dos sistemas ópticos de comunicação de banda larga e são utilizados em sensores de alta precisão, processamento de sinal óptico e computação óptica. O desenvolvimento de técnicas de projeto e de construção de moduladores, com grandes larguras de banda e pequeno consumo de potência, tem exigido grandes esforços nos últimos anos.

A estrutura básica de um modulador eletroóptico consiste de uma pastilha dielétrica (substrato) sobre a qual são depositados eletrodos metálicos e um filme fino intermediário de material dielétrico, denominado camada “buffer”. Guias ópticos são fabricados na região próxima à superfície do substrato. O campo elétrico, gerado pelos eletrodos, penetra na região do guia de onda óptico e modifica a permissividade elétrica do material nessa região. Esta interação, denominada efeito eletroóptico, afeta as características de propagação da onda óptica e permite sua modulação [98]-[100]. Uma fonte externa gera o sinal de radiofreqüência (RF), necessário para modulação. Essa onda elétrica é transmitida aos eletrodos, de modo que o sinal elétrico e óptico interajam ao longo de uma distância pré- determinada. A eficiência do modulador depende da sobreposição (“overlap”) dos campos óptico e elétrico e, também, do desvio de fase entre a onda óptica e a onda elétrica guiada pelos eletrodos.

No projeto destes dispositivos, deve-se procurar o melhor casamento entre as impedâncias do sistema composto pelo conjunto de eletrodos, fonte de modulação externa -

linha de transmissão (normalmente 50 Ω) e carga (se o modulador for do tipo onda caminhante). O melhor casamento permite minimizar as reflexões do sinal de entrada,

diminuindo, assim, a potência requerida para a operação. A Fig. 35 mostra um esquema das impedâncias envolvidas em um dispositivo modulador, onde Zs é a impedância da fonte de

modulação-linha de transmissão, Zc é a impedância característica do modulador e ZL é a

impedância da carga. Nos casos estudados neste trabalho considera-se ZL = Zc.

Modulador ZL

ZS

ZC

ZC

Fig. 35 Modulador com impedância característica (Zc) representado por um quadripolo alimentado por um

gerador e linha de transmissão com impedância Zs e terminado por uma carga de impedância ZL. O projeto de um dispositivo modulador envolve, entre outros, a análise dos seguintes fatores ou características:

1. Determinação dos parâmetros de fabricação dos guias ópticos difusos em função de suas características de propagação de ondas e configuração de campos;

2. minimização das perdas no acoplamento entre a fibra óptica e a pastilha do modulador, no que diz respeito à distribuição dos campos ópticos na fibra e no guia;

3. determinação das características geométricas da configuração de eletrodos e camada “buffer”, considerando-se a avaliação dos parâmetros elétricos e seus valores nominais de projeto e

4. análise crítica do desempenho do modulador quanto à potência necessária para modulação e largura de banda para determinada aplicação. O desempenho pode ser estudado em função das características geométricas e elétricas da estrutura de eletrodos e, também, em função das características de fabricação do guia óptico difuso.

Nas duas primeiras seções deste capítulo, serão estudadas as características de propagação de onda e a eficiência no acoplamento de uma fibra óptica a um guia em função dos parâmetros de fabricação de guias ópticos difusos do tipo Ti:LiNbO3. Serão

apresentadas, também, as características modais de um dispositivo que transforma a dimensão do modo óptico e melhora a eficiência do acoplamento fibra-guia, quando os

modos ópticos nestes componentes possuem dimensões muito diferentes. Em seguida, serão apresentados os fundamentos do efeito eletroóptico linear em cristal de LiNbO3 e a

análise das características elétricas de moduladores eletroópticos com configurações simplificadas de dois eletrodos simétricos. Finalmente, serão analisadas duas configurações de moduladores tipo Mach-Zehnder: uma utilizando eletrodos com estrutura “ridge” e outra empregando eletrodos extras entre o substrato e a camada “buffer”. Para o modulador com estrutura “ridge” será apresentada uma análise de desempenho em função dos parâmetros de fabricação dos guias ópticos.

5.1 Características de Propagação de Modos Ópticos em Guias do tipo Ti:LiNbO3

Guias ópticos são usados em muitos circuitos ópticos integrados e, desta forma, as ferramentas de projeto para estes guias de ondas apresentam um grande interesse tecnológico. A simulação computacional de guias difusos tem sido extensivamente aplicada nas últimas duas décadas no estudo de diversos dispositivos.

Guias formados por difusão de Ti em LiNbO3 são largamente utilizados em

dispositivos de óptica integrada. Esse tipo de guia apresenta pequena perda óptica e uma técnica de fabricação bem conhecida. Embora o aumento nos índices de refração seja menor que o obtido pelo processo de troca de prótons seguido de recozimento (“annealing”), os guias Ti:LiNbO3 apresentam boas características gerais para utilização em

dispositivos eletroópticos e acustoópticos. Esses guias permitem, ainda, a integração monolítica de laseres a onda contínua quando íons de terras-raras são também difundidos no guia Ti:LiNbO3 [96].

Guias ópticos formados por processo de troca de prótons são, também, muito utilizados. No apêndice A, será apresentado o procedimento que se está adotando para a simulação das características desses guias com o uso do MEF e uma análise crítica sobre os modelos empíricos, apresentados na literatura, utilizados para relacionar a concentração de prótons no substrato e a variação dos índices de refração.

A formulação do MEF, apresentada na seção 2.2, será empregada para a simulação das propriedades de propagação de modos Ex, em guias Ti:LiNbO3 [40].