Novas propostas com fibras óticas de tipo “D”

Na configuração de PCF de tipo “D” a intensidade do campo evanescente é inferior à da configuração com fibra de tipo “D” convencional, por isso, são propostas três novas configurações, nas quais o objetivo principal é fazer com que o campo

elétrico seja “obrigado” a propagar-se em direção perpendicular ao corte da fibra, como se de uma antena direcional se tratasse.

A primeira hipótese é utilizar uma fibra de tipo “D” convencional na qual são acrescentados dois segmentos de retas preenchidas com ar, como é observado na figura 5.5. A confluência dos segmentos de reta encontra-se a uma distância p (p = 9 μm) do centro do núcleo, d é a distância entre o núcleo e o meio externo e a espessura das retas é Dr = 2 μm, com um ângulo de 60º com respeito ao eixo x. Os outros valores são os utilizados anteriormente. Como se compreende esta é uma vantagem da simulação, uma vez que seria impossível construir uma fibra como a que é agora apresentada, porém este modelo é útil para testar o conceito.

Figura 5.5 Primeira configuração para aumentar o campo elétrico no meio externo onde p = 9 μm, d = 4 μm, a espessura das retas é Dr = 2 μm e o ângulo de 60º com respeito ao eixo x.

A segunda hipótese é utilizar uma fibra de tipo “D” convencional à qual é acrescentado um conjunto de buracos de ar em linha reta, os quais são passíveis de implementar (devido à semelhança com a construção normal de uma PCF), como é observado na figura 5.6. Os buracos de ar em linha reta apresentam um diâmetro de 1,4 μm, estão à mesma distância p do núcleo que no caso anterior e o seu alinhamento faz um ângulo de 60º em relação ao eixo x. Os outros valores são iguais aos anteriores.

Figura 5.6 Segunda configuração para aumentar o campo elétrico no meio externo onde p = 9 μm, d = 4 μm, o diâmetro dos buracos é de 1,4 μm e o ângulo de 60º com respeito ao eixo x.

A terceira hipótese é utilizar uma fibra de tipo “D” convencional à qual é acrescentado um conjunto de buracos posicionados em forma de parábola, como é observado na figura 5.7. A parábola é escrita em função das coordenadas polares através da seguinte equação:

( ( )) (5.1) onde l é duas vezes a distância que existe entre o foco, p, e o centro da núcleo, θ é o

ângulo que existe entre cada buraco e o centro do núcleo face ao anterior conjunto (buraco-centro do núcleo), e i é o número de buracos por camadas. Os pontos (x,y) de cada elemento são dados através das seguintes equações:

( ) (5.2)

( ) (5.3)

Como é observado na figura 5.7, a fibra é constituída por duas camadas de parábolas com buracos sendo a distância entre uma camada e a outra é h (definida pelo utilizador). A primeira parábola pode definir-se através da equação 5.1 e a segunda parábola é dada por:

Figura 5.7 Terceira configuração para aumentar o campo elétrico no meio externo com p = 9 μm, h =2,3 μm e

d = 4 μm.

Por último é definida a variação do ângulo ( , ) e o ângulo que existe entre cada buraco da mesma camada ( , ) como:

( ) (5.5)

( ) (5.6)

( ) (5.7)

( ) (5.8)

Os resultados dos campos elétricos absolutos das três configurações propostas, são mostrados na figura 5.8. Comparando cada configuração proposta com uma fibra tipo “D” convencional com idêntico mesh, observa-se que as novas configurações têm uma maior intensidade do campo elétrico e ao mesmo tempo existe um campo evanescente com maior intensidade.

Comparando a birrefringência para as três configurações, para um índice de refração externo de 1,3934, tem-se uma birrefringência de:

 _{para a parábola;}

 _{para as linhas retas;}

 _{para as linhas retas com buracos;}

Dos valores da birrefringência pode concluir-se que utilizar linhas retas completas ou com buracos não altera significativamente a birrefringência, sendo que a birrefringência é maior na configuração com parábolas que em qualquer outra.

a)

b)

Figura 5.8 Intensidade do campo elétrico ao longo do eixo x, com e sem linhas retas preenchidas, parábolas e

buracos com ar com Dr = 2 μm, p = 9 μm, h = 2,3 μm e d = 4 μm, a) todo o estudo, b) zona onde é feito o corte ampliada.

5.4. _{Novas propostas com fibras óticas de tipo “D” aplicando SPR}

Para produzir o SPR é aplicada uma camada fina de metal a seguir ao corte da fibra ótica de tipo “D” em cada uma das configurações anteriores, para realizar o estudo

da variação da espessura do metal, do índice de refração externo, entre outros parâmetros.

Foi realizado o estudo do coeficiente de transmissão em função do comprimento de onda para uma espessura do metal entre 45 nm e 65 nm. Na figura 5.9 são representados os resultados. Como é observado na figura, tem-se que a intensidade do campo evanescente é maior para a fibra de tipo “D” com linhas retas (primeira hipótese) que para qualquer outra configuração. É importante referir que a primeira estrutura não é passível de ser implementada experimentalmente, mas permite relevar o trabalho de simulação, ao possibilitar o estudo do conceito em termos teóricos. Para as configurações com os buracos em linha reta ou em parábola a intensidade do campo evanescente observada é muito semelhante, apesar de na configuração em parábola ser ligeiramente superior, o que indica que neste tipo de estruturas o confinamento da luz é muito semelhante. É observado que a zona de excitação do plasmão de superfície é muito próxima para os dois casos com buracos, e que só a configuração com linhas retas tem um pequeno deslocamento.

Figura 5.9 Coeficiente de transmissão, T, em função do comprimento de onda para várias espessuras da camada

metálica (Ouro - Au), para as três configurações propostas, d = 4,5 μm, L = 1 mm e next = 1,3943.

A melhor espessura do metal para o funcionamento do sensor seria entre 55 nm a 65 nm devido a que não interessa ter um coeficiente de transmissão muito elevado ou muito baixo.

Na figura 5.8 foi observado que a configuração com linhas retas tem um campo elétrico maior (é verdade sempre e quando o número de elementos sejam iguais entre cada configuração). Na figura 5.9 é observado que a configuração com linhas retas tem o melhor resultado em termos do coeficiente de transmissão, uma vez que apresenta a maior intensidade do campo elétrico no meio externo.

Na figura 5.10 foi comparado o desempenho do sensor em fibra ótica de tipo “D” convencional com a configuração da fibra ótica de tipo “D” com linhas retas, ambos baseados em SPR. Observando a figura 5.10 tem-se que a nova configuração, com uma espessura do metal de 55 nm, tem um comprimento de onda de ressonância semelhante ao da configuração convencional, com uma espessura do metal de 65 nm.

Figura 5.10 Coeficiente de transmissão, T, em função do comprimento de onda para várias espessuras da camada

metálica (Ouro - Au), para a fibra ótica de tipo “D” convencional e com linhas retas, d = 4,5 μm, L = 1 mm e

next = 1,3943.

Por último o índice de refração do meio externo foi variado desde 1,33 até 1,39, como é apresentado na figura 5.11.

Figura 5.11 Coeficiente de transmissão, T, em função do comprimento de onda para vários índices de refração

externo, next, para as três configurações propostas, dm = 65 nm, d = 4,5 μm e L = 1 mm.

A partir da figura 5.11 foi construída a tabela 5.3 onde é mostrado o comprimento de onda de ressonância e a sensibilidade das três configurações propostas. A fibra ótica de tipo “D” convencional tem uma sensibilidade de 4100 nm/RIU para uma zona de deteção entre 1,36 e 1,39, e, como observado na tabela 5.3, qualquer uma das novas configurações tem melhor sensibilidade.

Tabela 5.3 Comprimento de onda e sensibilidade das três configurações de fibra óticas propostas.

Comprimento de onda de ressonância (nm) Sensibilidade (nm/RIU)

, Linha reta Linha reta

com buraco Parábola Linha reta com buraco Linha reta Parábola

1,33 583,3 550,0 562,5 2433,3 2710,0 2293,3

1,36 656,3 631,3 631,3 4227,5 4640,7 4751,5

1,39 797,5 786,3 790,0

Refira que as novas configurações foram pensadas com o intuito de aumentar a intensidade de luz no centro da fibra, implementando uma estrutura do tipo antena direcional só de um lado, fazendo com que o campo evanescente para a análise do índice de refração do meio externo fosse superior. Os resultados permitem obter maior campo evanescente na zona sensora apresentando uma maior sensibilidade (superior a 4200 nm/RIU). Em resumo, observa-se que alterando a configuração da fibra ótica pode-se otimizar os parâmetros de funcionamento do sensor.