Neste capítulo foram explorados os conceitos básicos dos guias de ondas dielétricos, primeiro utilizando o bem conhecido modelo óptico geométrico e na seqüência, através da teoria eletromagnética e da solução da equação de onda. Os conceitos fundamentais para analisar os micro-ressonadores em forma de anel e disco também foram apresentados. Os modos presentes no guia de onda estrangulado, os campos evanescentes para o acoplamento e as perdas de propagação foram encontrados utilizando softwares específicos para o design de componentes fotônicos. Ao final do capítulo, os guias de ondas estudados foram unidos às micro-cavidades para o projeto de um dispositivo contendo um guia de onda estrangulado acoplado a uma micro- cavidade. Com os softwares adequados, foram obtidos os espectros de transmissão esperados para estes dispositivos operando na região da banda C de telecomunicação, além dos principais parâmetros necessários para sua fabricação. Finalizando o capítulo, foi apresentado um breve estudo do efeito não linear de mistura de quatro ondas, demonstrando como esse efeito ocorre nos dispositivos projetados ao longo deste capítulo.
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2.9. Referências do capítulo
1. Pollock, Clifford e Lipson, Michal. Integrated Photonics. USA : Kluwer Academic Publishers, 2003.
2. Reed, Graham T. e Knights, Andrew P. Silicon Photonics: an introduction. England : Wiley, 2004.
3. Hocker, G. B. e Burns, W. K. Mode dispersion in diffused channel waveguides by the effective index method. Appl. Opt. 1977.
4. Marcatili, E. A. J. Dielectric Rectangular Waveguide and Directional Coupler for Integrated Optics. Bell System Tech. J. 1969.
5. Melchiorri, M. et al. Propagation losses of silicon nitride waveguides in the near- infrared range. Applied Physics Letters. 2005.
6. Guia do usuário: FullWave. R-Soft, Versão 3.0.1.
7. all., Jacob S. Levy et. CMOS-compatible multiple-wavelength oscillator for on-chip optical interconnects. Nature Photonics. 2010.
8. N. C. Frateschi, A. F. J. Levi. The spectrum of microdisk lasers. J. Appl. Phys. 1996, Vol. 80.
9. J. R. Mialichi, L. A. M. Barea, A. A. von Zuben, N. C. Frateschi. Observation of Resonance Modes in InAs/InGaAsP/InP Quantum Dot. Electrochemical Society Transactions Microelectronics Technology and Devices . 2008, Vol. 14.
10. Barea, L. A. M., et al. Low-roughness active microdisk resonators fabricated by focused ion beam. J. Vac. Sci. Technol. B. 2009, Vol. 27.
11. Ma, Y., et al. Improved optical filter responses in cascaded InGaAsP/InP microdisk resonators. ELECTRONICS LETTERS. 2001, Vol. 37.
12. Qianfan, S. Manipatruni, B. Schmidt, J. Shakya, M. Lipson. 12.5 Gbit/s carrier- injection-based silicon micro-ring silicon modulators. Optics Express . 2007, Vol. 15.
13. P. Koonath, D. R. Solli, B. Jalali. Continuum generation and carving on a silicon chip. Appl. Phys. Lett. . 2007, Vol. 91.
14. F. Vollmer, D. Braun, A. Libchaber, M. Khoshsima, I. Teraoka, S. Arnold. Protein Detection by Optical Shift of a Resonant Microcavity. Appl. Phys. Lett. . 2001, Vol. 80.
54
15. Jeffreys, H. e Jeffreys, B. S. methods of mathematical physics. Cambridge university press : s.n., 1950.
16. M. K. Chin, D. Y. Chu e S. T. Ho. Journal of Applied Physics. 75, 1994, Vol. 7.
17. Abramowitz, M. e Stegun, I. A. handbook of mathematical functions. Dover : s.n., 1972.
18. Ctyroký, Jirí, Prkna, L. e Hubálek, e M. MICRORESONATORS AS BUILDING BLOCKS FOR VLSI PHOTONICS: International School of Quantum Electronics. s.l. : AIP, 2004. doi:10.1063/1.1764014 .
19. Yariv, A. Optical Electronics in Modern Communications. New York : Oxford University Press, 1997.
20. Yariv, A. Universal relations for coupling of optical power beteen microresonators and dielectric waveguides. Electonics Letters. 2000, Vol. 36.
21. N. C. Frateschi, A. F. J. Levi. The spectrum of microdisk lasers. J. Appl. Phys. 1996, Vol. 80.
22. Hondros, D. e Debye, P. Elektromagnetische Wellen an Dielektrischen Drahten. Ann. Physik. 1910, Vol. 32.
23. H.Zahn. Ùber den Nachweis Elektromagnetische Wellen an Dielektrischen Drahten. Ann. Physik. 1916, Vol. 49.
24. O.Schriver. Elektromagnetische Wellen an Dielektrischen Drahten. Ann. Physik. 1920, Vol. 64.
25. D.B. Anderson, R. R. August. Applications of Microphotolithography to Millimeter and Infrared Devices. Proc. IEEE . 54, 1966.
26. P. K. Tien, R. Ulrich, R. J. Martin. 'Optical Second Harmonic Generation in form of Coherent Cerenkov Radiation from a Thin-Film Waveguide'. Appl. Phys. Lett. . 17, 1970.
27. D. B. Anderson, J. T. Boyd. Wide Band CO2 Laser Second Harmonic Generation Phase Matched in GaAs Thin-Film Waveguides. Appl. Phys. Lett. . 19, 1971.
28. Suematsu, Y. Tunable Parametric Oscilator Using a Guided Wave Structure. Jap. J. Appl. Phys. 9, 1970.
29. Kaplan, A. E. Hysteresis Reflection and Refraction by a Nonlinear Boundary - a New Class of Effects in Nonlinear Optics. JETP Lett. . 24, 1976.
55
30. S. Maneuf, R. Desailly, C. Froehly. Stable Self-Trapping of Laser Beams: Observation in a Nonlinear Planar Waveguide. Opt. Commun. . 65, 1988.
31. C. Karaguleff, G. I. Stegeman, R. M. Fortenberry, R. Zanoni, C. T. Seaton. Degenerate Four-Wave Mixing in Planar CS2 Covered Waveguides. Appl. Phys. Lett. . 46, 1985.
32. A. Gabei, K. W. DeLong, C. T. Seaton, G.I. Stegeman. Efficient Degenerate Four-Wave Mixing in an Ion-Exchanged Semiconductor doped glass waveguide. Appl. Phys. Lett. . 51, 1987.
33. Moore, Gordon E. Cramming more components onto integrated circuits. Electronics . 1965, Vol. 38.
34. Levy, J. S. et al. CMOS-compatible multiple-wavelength oscillator for on-chip optical interconnects. Nature Photonics. 2009, Vol. 4.
35. Razzari, L. et al. CMOS-compatible integrated optical hyper-parametric oscillator. Nature Photonics. 2010, Vol. 4.
36. Barea, L. A. M. et al. Si3N4/SiO2 planar photonic structures fabricated by focused ion beam. s.l. : Wiley, 2010. ISBN: 978-0-470-55137-0.
37. Dunn, M. H. e Ebrahimzadeh, M. Parametric generation of tunable light from continuous-wave to femtosecond pulses. Science. 1999, Vol. 286.
38. Stolen, R. H. e Bjorkholm, J. E. Parametric amplification and frequency-conversion in optical fibers. ieee Journal Of Quantum Electronics. 1982, Vol. 18.
39. T.M. Fortier, Y. Le Coq, J.E. Stalnaker, D.Ortega, S.A. Diddams, C.W. Oates, L. Hollber. Kilohertz-resolution spectroscopy of cold atoms with an optical frequency comb. Phys. Rev. Lett. 2006, Vol. 97.
40. Udem, T., Holzwarth, R. e Hansch, T. W. Optical frequency metrology. Nature. 2002, Vol. 416.
41. Little, B.E., et al. Microring resonator channel dropping filters. J. Lightwave Technol. . 1997, Vol. 15.
42. P. P. Absil, J. V. Hryniewicz, B. E. Little, P. S. Cho, R. A. Wilson, L. G. Joneckis, P. T. Ho. Wavelength conversion in GaAs micro-ring resonators. Optics Letters. 2000, Vol. 25.
56
43. Blom, F. C., D. R. van Dijk, H. J. W. M. Hoekstra e Popma, A. Driessen e Th. J. A. Experimental study of integrated-optics microcavity resonators: Toward an all-optical switching device. Appl. Phys. Lett. . 1997, Vol. 71.
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CAPÍTULO 3
Fabricação dos dispositivos
3.1. Introdução
Neste capítulo serão mostradas as etapas do processo de fabricação utilizado para obter os dispositivos contendo guias de ondas estrangulados de nitreto de silício acoplados à micro-cavidades em forma de anel ou disco, também de nitreto de silício.
A grande dificuldade no processamento destes dispositivos está na diferença entre as dimensões dos guias de ondas e a região do acoplamento com a micro-cavidade. Os guias de ondas destes dispositivos possuem comprimentos da ordem de milímetros e com larguras de poucos mícrons. Em contraste a estas dimensões, os estrangulamentos nestes guias devem possuir larguras de centenas de nanômetros, pois é necessário um aumento no campo evanescente, permitindo o acoplamento com as micro-cavidades. Além disso, estas cavidades devem estar próximas destes guias estrangulados com distâncias da ordem de centenas de nanômetros. Somado a esta dificuldade, outra importante característica destes dispositivos é a necessidade de uma excelente morfologia das paredes, que devem possuir baixa rugosidade e alta verticalidade, exigindo um processo com alta resolução.
Para vencer essa dificuldade, este capítulo demonstrará uma técnica de fabricação híbrida para este dispositivo. Na primeira parte do processamento, chamado de processo convencional, será utilizado o processo de fotolitografia óptica, que permite gravar estruturas a partir de uma máscara litográfica com resolução de poucos mícrons em lâminas com dimensões de centímetros. Na segunda parte do processamento, será utilizada a corrosão por feixe de íons focalizados (FIB) para fabricação dos estrangulamentos e das micro-cavidades. Nesta etapa, o processo passará a ter alta resolução, da ordem de poucos nanômetros, e permitirá obter micro-cavidades e estrangulamentos com excelente morfologia e alta verticalidade das paredes. Ao final do capítulo, apresentaremos os resultados de guias de ondas sem
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estrangulamento, com estrangulamentos da ordem de centenas de nanômetros e dispositivos contendo estes guias estrangulados acoplados a micro-anéisiv e micro- discos.