Estado da arte

Desde o início da década de 90 diversos grupos de pesquisa têm se esforçado na obtenção de guias de onda dopados com érbio. A obtenção desses guias é possível a partir de diversas técnicas utilizadas nos processos de microeletrônica, dentre elas podemos citar, CVD, RF sputtering, corrosão por plasma, implantação iônica, além de técnicas hibridas, envolvendo suputtering com CVD e sol-gel [6, 38-45]. Além dessas, diversas outras técnicas são reportadas na literatura, tais como, nanolitografia, feixe de íons focalizado irradiação por laser de femtosegudos, radiação ultravioleta, técnicas assistidas por feixes de elétrons e raio X, os quais apresentam vantagens específicas em cada um dos casos. Entretanto, para todas as técnicas empregadas, a luz é guiada no meio de maior índice de fração (core), envolta por um material de menor índice de refração (cladding) [46, 47].

A técnica de RF sputtering utilizada no presente trabalho é uma das técnicas mais utilizadas na fabricação de guias de onda, na qual é possível a deposição de filmes compósitos de diversos metais e óxidos, propiciando filmes com boa homogeneidade de superfície. Tais características são fundamentais quando se deseja controlar o tamanho de NPs e diminuir as perdas durante o guiamento.

Na literatura existem poucas publicações acerca de guias de onda de óxidos de metais pesados; a maioria refere-se a trabalhos do nosso grupo. Em um desses trabalhos, foram estudadas as características dos filmes finos de GeO2-PbO em guias de onda do tipo RIB depositados por RF sputtering [48,

49]. Foram reportados também na literatura, os estudos da deposição de filmes finos de GeO2-PbO-BaO-ZnO-K2O por meio de laser de femtosegundo,

operando em 248 nm [50], e as baixas perdas ópticas em filmes de GeO2

produzidos por sputtering. Além desses filmes, guias de onda de Na2O-MgO-

Al2O3-GeO2 dopados por Tm3+ foram produzidos por troca iônica, com ganho

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Estudos posteriores desenvolvidos por D.M da Silva mostraram a amplificação em sistemas de GeO2-PbO codopados com Yb3+/Er3+, observando

um ganho de 3,0 dB/cm e 4,0 dB/cm em 1530 nm para guias de onda do tipo RIB , e PEDESTAL, respectivamente [52]. No mesmo estudo, foi observado o aumento de 100% no ganho em guias de onda do tipo RIB contendo NPs de ouro. No mesmo trabalho foram apresentados resultados da técnica de escrita direta a laser de femtosegundos em vidros GeO2-PbO-Ga2O3 dopados com Er3,

com ganho de 2,7 dB/cm em 1530 nm. T. A. A. Assumpção, em sua Tese de Doutorado, produziu guias de onda de GeO2-PbO codopados com Tm3+/Yb3+,

observando um ganho de 13,5 dB/cm e 21 dB/cm em 800nm (primeira janela de telecomunicações), na ausência de ouro e com ouro, respectivamente [53].

Estudos desenvolvidos em vidro (bulk) pelo nosso grupo de trabalho também mostraram um aumento significativo da luminescência de GeO2-PbO

dopados com Pr3+, Er3+, Eu3+, Tm3+, codopados com Er3+/Yb3+, Tm3+/Yb3+ e Nd3+ e tridopadas com Er3+/Tm3+/Yb3+ e Tm3+/Yb3+/Ho3+ pela introdução de de nanopartículas de prata e ouro [15, 37, 54-56]. Esses resultados motivaram o presente estudo que faz uso da mesma matriz de germanato (PbO-GeO2).

Na literatura encontramos uma série de estudos referentes a guias de onda codopados com Er3+/Yb3+ utilizando outras matrizes para aplicações na terceira janela de telecomunicações. Recentemente, ganhos de amplificação de até 30 dB foram obtidos, tornando os EDWAs (erbium doped waveguide amplifier) extremamente atrativos para aplicações em telecomunicações. Protótipos de EDWA operando a uma taxa de 10Gpbs (Gigabit por segundo) foram desenvolvidos, mostrando que o conceito de EDWA era bastante promissor, tendo a performance necessária para ser efetivamente utilizados como pré-amplificadores, amplificadores de linha e amplificadores de potência [43].

As propriedades de EDWA de maior sucesso e reconhecimento são comparadas na Tabela 2.1; primeiro EDWA mostrado na tabela e desenvolvido em 1994 por Hattori et al. exibe um alto ganho de 27 dB (bombeado a 261 mW). O substrato era de silício tipo P dopado com uma pequena concentração

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de érbio (NEr=0,64.1026 átomos/m3); entretanto, o tamanho do amplificador era

de quase 50 cm.

Tabela 2.1 – Ganhos de alguns EDWAs de diferentes hospedeiros e técnicas de fabricação.

Tecnologia de

fabricação Material hospedeiro Ganho (dB) Ref.

Troca iônica Vidros de fosfato 16 (120 mW) [57]

Vidros de silicato 9 (120 mW) [57]

Sputtering Silicato de sódio 10 (120 mW) [57]

Escrita a laser Vidros de teluretos 4,7 [58]

Sputtering Vidros de germanato 4,0 (100 mW) [52]

Implantação iônica Al2O3 2,3 (9 mW) [59]

RIE SiO2 27 (268 mW) [60]

Fonte: O Autor.

Somente três anos depois, Shmulovitz et al. apresentaram um amplificador ainda mais avançado baseado em silicato de sódio, com ganho em unidade de comprimento era de 4,2 dB/cm quando bombeado por um laser de 120 mW [57]. Resultado semelhante foi demonstrado por Yan et. al. [57] no vidro de fosfato, mas a potência de bombeio era de apenas 21 mW. Ambos os guias eram caracterizados por um grande confinamento modal e alta concentração de íons de Er3+.

Outro EDWA com resultado significativo foi desenvolvido por Van Den Hoven et. al. [59]. O amplificador era baseado num substrato de Al2O3 e

bombeado por um laser 9 mW em 1480 nm, proporcionando um ganho de rede 2,3 dB. Uma interessante característica desse amplificador era o seu formato em espiral que cobria uma área de 1 mm2 e comprimento de 4 cm. Este provavelmente era o menor amplificador óptico fabricado até então. A Figura 2.1 mostra um amplificador similar ao produzido por Van Den Hoven et. al.

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Figura 2.1 – Guia de onda óptico fabricado sobre o substrato de Al2O3. A fluorescência verde

está associada ao processo de conversão ascendente [57].

Fonte: P.G. Kik and A. Polma, 1998.

Depois de anos de esforços, o primeiro EDWA comercial surgiu no mercado e, 1998, liderados pela parceria da Teem Photonics, Inplane e NKT integration. Ele oferecia um ganho superior a 20 dB em 1530 nm, já integrado com isoladores, acopladores e circuitos para monitoramento.

Os fatos e resultados expostos pelo nosso grupo de trabalho com relação ao aumento do ganho em guias contendo NPs, motivam a realização do trabalho em questão, visando dessa forma, a produção de guias de onda de GeO2-PbO codopados com Er3+/Yb3+ para aplicações ópticas no infravermelho,

especialmente na terceira janela de telecomunicações.