SUMÁRIO 1 Introdução
2. Revisão Bibliográfica
2.5. Perdas em guias de onda
Um sinal óptico que se propaga em um guia de onda é atenuado por absorção e/ou espalhamento. O espalhamento ocorre principalmente devido à rugosidade da superfície ou impurezas e inomogeneidades presentes no material. Os próprios íons de terras-raras estão entre os possíveis centros espalhadores e é por isso que geralmente materiais dopados com íons de terras raras apresentam perdas um pouco superiores às do mesmo material sem dopagem [71]. Ao percorrer a extensão do guia de onda, o pulso luminoso é atenuado de tal forma que a potência transmitida da luz será dada por:
L
i
t P e
P . . (2.39)
onde α é a constante de atenuação e L o comprimento do guia de onda e i
P
é a potência inicial do feixe luminoso. Normalmente, para um guia de onda, a perda da é expressa em unidades de dB/cm, esta grandeza pode ser obtida desta forma: i t dB P P log L 10 α (d/cm) (2.40) A atenuação da luz ao passar pelo guia de onda é devida a várias razões, tais como: absorção do material no núcleo ou na casca, espalhamento devido à heterogeneidade em índices de refração, espalhamento Rayleigh, etc46
[72, 73]. Os principais processos que introduzem perdas no guiamento são descritos na sequência:
Absorção do material: Absorção é um mecanismo de perda pela qual parte da energia transmitida no guia de onda é dissipada em forma de calor. Esta absorção é provocada principalmente por impurezas presentes no guia de onda, entre as quais a mais importante é a hidroxila (OH-) e também pode ser causada pelo próprio substrato de silício, que possui alto índice de refração e também uma alta absorção (porção imaginária) para comprimentos de onda no visível (3,858 + i0,018 para =632,8 nm), por esse motivo, é necessário um filme de SiO2 com espessura elevada para evitar que o campo evanescente
interaja com o substrato de silício, como mostrado na Figura 2.10.
Figura 2.10 – Campo evanescente vertical de um guia de onda. (a) Campo evanescente
isolado e (b) buffer insuficiente, ocorrendo absorção pelo substrato.
Fonte: O Autor.
Na Figura 2.10 (a), a camada de óxido possui espessura suficiente para isolar o guia do substrato, impedindo que o campo evanescente tenha contato com o substrato. Na Figura 2.10 (b), a camada de óxido é insuficiente para isolar o campo evanescente, provocando a perda por absorção, chamada também de “leekage loss” [48].
o Absorção devido a fatores intrínsecos. Esta absorção pode ser subdividida em duas outras, conforme descrito a seguir:
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Absorção do ultravioleta: íons de oxigênio são responsáveis por esta absorção que exprime a atenuação, a qual cresce exponencialmente na direção do ultravioleta.
Absorção do infravermelho: a vibração e rotação dos átomos do filme em torno de sua posição de equilíbrio são responsáveis pela absorção que exprime a atenuação, a qual cresce exponencialmente em direção do infravermelho. Em guias de sílica essa absorção se concentra entre 700 nm e 1100 nm e para guias de germânio entre 900 nm e 1100 nm [61, 71, 74].
Absorção devido a fatores extrínsecos. É devida à presença de impurezas no guia de onda. De acordo os métodos sofisticados atualmente utilizados na fabricação de fibras ópticas, a absorção extrínseca é dominada pelos íons de (OH-) e em menor parcela por ferro, cromo e cobalto, que mesmo numa quantidade muito pequena, são enormemente responsáveis pela forma da curva característica de atenuação em função do comprimento de onda como mostrado na tabela 3.3 [71, 74].
Tabela 2.3 – Atenuação dos íons metálicos e OH [74].
Íons metálico Concentração (ppb)
Perda (dB/km)
Vibração fundamental (nm)
Cobalto (Co) 2 10 Visível
Cromo (Cr) 1 1 650 Ferro (Fe) 1 0,7 1100 Cobre (Cu) 1 0,4 850 Hidroxila (OH-) 1 50 1380 2,4 1130 1 950 Fonte: J. a. Buck, 1997.
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Espalhamento: O espalhamento causado por variações de natureza aleatória na densidade do material do guia de onda e que ocorrem em distâncias muito pequenas quando comparadas a, é chamado
espalhamento Rayleigh. Uma vez que essas variações resultam de flutuações inevitáveis na composição do material do guia de onda e de
defeitos e não-homogeneidades estruturais causadas
incontrolavelmente durante o processo de fabricação do guia de onda, o Espalhamento de Rayleigh proporciona um limite mínimo fundamental para a atenuação em guias. Seu efeito é proporcional a -4. Por outro
lado, as perdas na superfície e lateral do guia estão associadas principalmente à rugosidade inerente ao processo de fabricação, provocada, por exemplo, pelo tipo de corrosão (seca ou úmida), defeitos na máscara litográfica, entre outros.
o Outro fator que também pode aumentar o espalhamento está relacionado com a diferença de índice de refração da região de confinamento (core) e das regiões de decaimento de modo de propagação (laterais do guia ou camadas de buffers). A redução no contraste de índice de refração reduz as perdas por espalhamento devido ao casamento de impedância entre núcleo e casca [75].
Perdas por Radiação: As perdas por radiação estão associadas à
quantidade de energia que se propaga nas interfaces filme-“buffer” e filme-ar (ou filme-“clad”). A interação da luz durante o guiamento pode ser comprometida em decorrência das perdas com as camadas adjacentes (filme-“buffer” e filme-“clad”). Muitas vezes a energia que interage com essas camadas, ou campo evanescente, sofre maior atenuação pois alguns fótons podem ser radiados. Tanto maior será a perda por radiação quanto menor for a eficiência no confinamento de luz. O confinamento do feixe de luz no interior do guia de onda depende do comprimento de onda da luz incidente e das dimensões do núcleo do
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guia. Sendo assim, para maiores guias de ondas amplificadoras ópticas, menor será o confinamento, logo, maior será o campo evanescente [53]. Perda por Acoplamento: As rugosidades e defeitos presentes na face
de entrada de um guia construídos sobre substrato de silício, podem ocasionar perdas devido ao corte da lâmina (efeito similar ao que ocorre em fibras ópticas). Essas irregularidades dificultam o acoplamento da luz em um guia de onda, já que o acoplamento depende da sua focalização na extremidade do guia, do ângulo de inserção, das dimensões do guia e dos índices de refração das camadas que envolvem o núcleo. O acoplamento em ângulos inadequados ou em guias com dimensões muito menores que metade do comprimento de onda incidente comprometem a quantidade de luz acoplada, podendo causar altas perdas. Além disso, guias com grandes irregularidades na superfície de acoplamento irão causar maior espalhamento de luz na entrada do guia, diminuindo a quantidade de energia efetiva dentro dos guias [48, 52].