Sistema automatizado para gravação de estruturas fotônicas

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA E. INFORMÁTICA INDUSTRIAL. YUJUAN WANG. SISTEMA AUTOMATIZADO PARA GRAVAÇÃO DE ESTRUTURAS FOTÔNICAS. TESE. CURITIBA. 2017. YUJUAN WANG. SISTEMA AUTOMATIZADO PARA GRAVAÇÃO DE ESTRUTURAS FOTÔNICAS. Tese apresentada ao Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial da Universidade Tecnológica Federal do Paraná como requisito parcial para obtenção do grau de “Doutor em Ciências” – Área de Concentração: Fotônica em Engenharia.. Orientador: Prof. Dr. Hypolito José Kalinowski. Co-orientador: Prof. Dr. Ismael Chiamenti. CURITIBA. 2017. Dados Internacionais de Catalogação na Publicação. Wang, Yujuan. W246s Sistema automatizado para gravação de estruturas fotônicas / 2017 Yujuan Wang.-- 2017.. 93 f. : il. ; 30 cm. Texto em português com resumo em inglês Disponível também via World Wide Web Tese (Doutorado) - Universidade Tecnológica Federal do Pa-. raná. Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica e In- formática Industrial, Curitiba, 2017 . Bibliografia: f. 88-92. 1. Fotônica. 2. Lasers de femtossegundos. 3. Automação. 4.. Fotônica. 5. Gravação a laser. 6. Escrita – Aplicações industriais. 7. Engenharia elétrica – Teses. I. Kalinowski, Hypolito José. II. Chiamenti, Ismael. III. Universidade Tecnológica Federal do Pa- raná. Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica e In- formática Industrial. IV. Título. . CDD: Ed. 23 – 621.3. Biblioteca Central da UTFPR, Câmpus Curitiba Bibliotecário: Adriano Lopes CRB9/1429. Ministério da Educação Universidade Tecnológica Federal do Paraná Diretoria de Pesquisa e Pós-Graduação. TERMO DE APROVAÇÃO DE TESE Nº 161. A Tese de Doutorado intitulada “Sistema Automatizado para Gravação de Estruturas Fotônicas”,. defendida em sessão pública pelo(a) candidato(a) Yujuan Wang, no dia 22 de novembro de 2017, foi. julgada para a obtenção do título de Doutor em Ciências, área de concentração Fotônica em. Engenharia, e aprovada em sua forma final, pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia. Elétrica e Informática Industrial.. BANCA EXAMINADORA:. Prof(a). Dr(a). Hypolito Kalinowski -Presidente – (UFF) Prof(a). Dr(a). Aleksander Sade Paterno – (UDESC) Prof(a). Dr(a). Vinicius Nunes Henrique Silva – (UFF) Prof(a). Dr(a). Ilda Abe – (UTFPR) Prof(a). Dr(a). Jean Carlos Cardozo da Silva- (UTFPR). A via original deste documento encontra-se arquivada na Secretaria do Programa, contendo a. assinatura da Coordenação após a entrega da versão corrigida do trabalho.. Curitiba, 22 de novembro de 2017.. AGRADECIMENTOS. Ao orientador professor Hypolito José Kalinowski e co-orientador professor Ismael. Chiamenti, pelo conselho e orientação.. Ao professor Ismael, pelos auxı́lios e ensinos na parte experimental de gravação e. caracterização.. Aos colegas Rodrigo, Fernanda, Larissa, Patricia, Fernando e a todos que direta ou. indiretamente contribuı́ram na realização do projeto.. À CAPES pelo apoio financeiro neste trabalho.. À minha famı́lia, especialmente ao marido Lucas, pelo apoio e incentivo constante. durante o desenvolvimento dos estudos.. RESUMO. WANG, YUJUAN. SISTEMA AUTOMATIZADO PARA GRAVAÇÃO DE ESTRUTURAS FOTÔNICAS. 93 f. Tese – Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial, Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Curitiba, 2017.. Este trabalho apresenta um sistema automatizado que foi desenvolvido com o objetivo de fabricar estruturas fotônicas por meio da técnica de escrita direta com pulsos de laser de femtossegundo. Tal técnica consiste em focalizar finamente o feixe de laser em substratos transparentes e movimentar o substrato em direções paralela e perpendicular em relação à direção de propagação do feixe de laser. Procedimentos de controle automatizado referente ao feixe de laser e à translação de substrato foram implementados e integrados, resultando num sistema totalmente automatizado para a gravação de estruturas fotônicas. Utilizando o sistema automatizado de gravação, guias de onda funcionais em forma de reta e com curvaturas foram fabricados com sucesso, cujos perfis de campo próximo demonstraram propagação monomodo da luz vermelha de 635 nm que foi injetada e guiada. Além disso, a possibilidade de gravar estruturas fotônicas 2D e 3D é confirmada pelas gravações de uma estrutura em forma de espiral logarı́tmica (2D) e uma estrutura fan-out (3D). Estes resultados demonstram que o sistema desenvolvido está totalmente pronto para o uso prático de fabricar diversas estruturas fotônicas com aplicações potenciais nas áreas de redes de comunicação moderna e de circuitos fotônicos integrados.. Palavras-chave: Automação, Controle, Sistema automatizado, Laser de femtossegundo, Estruturas Fotônicas, Técnica de Escrita Direta com Laser de femtossegundo. ABSTRACT. WANG, YUJUAN. AUTOMATED SYSTEM FOR THE WRITING OF PHOTONIC STRUCTURES. 93 p. Tese – Graduate Program in Electrical and Computer Engineering, Federal University of Technology - Paraná. Curitiba, 2017.. An automated system is reported in this work with the goal of fabricating photonic structures by the direct-write technique with femtosecond laser pulses. This technique uses a finely focused laser beam into transparent substrates and the translation of the substrate along directions parallel and perpendicular to the propagation direction of the incident laser beam. Control procedures related to laser pulses and sample translation were implemented and integrated, giving rise to a fully automated femtosecond writing system. Functional straight-line and curved waveguides have been successfully achieved with the automated writing system, where single mode propagation is observed from their near filed profiles when 635 nm light is injected and guided. In addition, the possibility of writing 2D and 3D photonic structures is confirmed by tracing a logarithmic spiral structure (2D) and a fan-out structure (3D). These results show that the developed system is fully operational in practice for the purpose of fabricating a variety of photonic structures with potential applications in modern communication networks and integrated photonic circuits.. Keywords: Automation, Control, Automated System, Femtosecond Laser, Photonic Structures, Femtosecond direct-write Technique. LISTA DE FIGURAS. –FIGURA 1 Acopladores direcionais formados com guias de onda. (a) Acoplador direcional com dois canais. (b) Acoplador com guias ramificados. . . . . . . . 17. –FIGURA 2 Esquema de acopladores direcionais compostos por cinco regiões. . . . . . . . 18 –FIGURA 3 Ilustração do processo de colapso ótico. (a) Esquemático da interação do. feixe de laser de femtossegundo com amostra transparente. (b) Diagrama do processo não-linear de absorção e fotoionização. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27. –FIGURA 4 Esquema da geometria de focalização do sistema de gravação com a presença de aberração esférica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31. –FIGURA 5 Processo de embutimento das amostras na resina. (a) Ilustração do interior do protótipo de embutimento. (b) Fotografia do protótipo de embutimento com vista de cima e ao fundo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35. –FIGURA 6 Imagens de microscópio da superfı́cie lateral de uma amostra de vidro depois (a) e antes (b) de polimento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36. –FIGURA 7 Fotografia do arranjo experimental para gravação com o laser de femtossegundo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37. –FIGURA 8 Fotografia do arranjo experimental para a medição do perfil de campo próximo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41. –FIGURA 9 Esquema do sistema automatizado de gravação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 –FIGURA 10 Código fonte em Python de um programa simples de gravação de guias de. onda. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 –FIGURA 11 Fluxograma do programa de gravação na Figura 10. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 –FIGURA 12 Diagrama da classe Connection. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 –FIGURA 13 Diagrama da classe XPS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 –FIGURA 14 Diagrama da classe Group. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 –FIGURA 15 Diagrama da classe Positioner. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 –FIGURA 16 Diagrama da classe LineArc. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 –FIGURA 17 Diagrama da classe Spline. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 –FIGURA 18 Diagrama da classe OldShutter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 –FIGURA 19 Diagrama da classe PowerCtrl. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 –FIGURA 20 Reescrita do programa na Figura 10 utilizando a nova API. . . . . . . . . . . . . . 54 –FIGURA 21 Exemplo de aquisição de dados sincronizada com a execução de trajetória. 55 –FIGURA 22 Diagrama funcional da unidade de ajuste automático de potência. . . . . . . . 58 –FIGURA 23 Processo de desenvolvimento da interface gráfica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 –FIGURA 24 Programa de gravação para o teste operacional do sistema automatizado de. gravação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 –FIGURA 25 Fluxograma do programa de gravação na Figura 24. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 –FIGURA 26 Perfis de intensidade de campo próximo e imagem microscópica do guia. produzido com a potência de 50 mW, a velocidade de 50 µm s−1 e a profundidade de 100 µm. (a) Perfis de intensidade na direção horizontal (Y) e na direção vertical (X). (b) Perfil de intensidade de campo próximo em visualização 3D e (c) Vista do topo do perfil de intensidade do campo próximo do guia. (d) Imagem microscópica da face de entrada seção. transversal do guia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 –FIGURA 27 Imagens microscópicas de transmissão (a) e interferométricas (b) dos guias. gravados com o uso de fenda. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 –FIGURA 28 Perfis de campo próximo de um guia gravado com o uso de fenda. . . . . . . . 67 –FIGURA 29 Imagens microscópicas ((a) e (b)) e e perfis de campo próximo ((c) e (d)). de um guia reto gravado em quartzo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 –FIGURA 30 Representação esquemático (a) e perfis de campo próximo ((b) e (c)) do. guia S-bend gravado em quartzo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 –FIGURA 31 Programa desenvolvido para obtenção de arquivo de dados de um espiral. logarı́tmica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 –FIGURA 32 Representação gráfica da curva 2D em forma de espiral logarı́tmica a ser. gravada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 –FIGURA 33 Imagem microscópica da curva 2D gravada em forma de espiral. logarı́tmica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 –FIGURA 34 Alinhamento da imagem de representação gráfica com a imagem de. microscópio da curva 2D em forma de espiral logarı́tmica. . . . . . . . . . . . . . . 73 –FIGURA 35 Representação gráfica da estrutura 3D fan-out. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 –FIGURA 36 Programa desenvolvido para representação e gravação da estrutura fan-out. 75 –FIGURA 37 Imagem de microscópio confocal da estrutura 3D fan-out gravada. . . . . . . 76 –FIGURA 38 Janela principal da interface gráfica desenvolvida para o sistema. automatizada de gravação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 –FIGURA 39 Diálogo de controle de movimentos simples. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 –FIGURA 40 Diálogo da escrita de estruturas paramétricas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 –FIGURA 41 Diálogo da escrita de um acoplador direcional. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 –FIGURA 42 Diálogo da escrita de uma estrutura fanout. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 –FIGURA 43 Diálogo da escrita de uma estrutura FBG. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 –FIGURA 44 Diálogo da escrita de um guia de onda reto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 –FIGURA 45 Diálogo da escrita de uma estrutura com geometria arbitrária. . . . . . . . . . . . 82 –FIGURA 46 Diálogo de configuração de potência do laser. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 –FIGURA 47 Diálogo de monitoramento de movimento dos posicionadores. . . . . . . . . . . 83. SUMÁRIO. 1 INTRODUÇÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.1 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.1.1 Guias de Onda Gravados em Substratos Transparentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.1.2 Estruturas Oticamente Acopladas por Campo Evanescente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.1.2.1 Arranjos de Guias Retos e Paralelos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.1.2.2 Acopladores Direcionais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.1.3 Estruturas Fotônicas Tridimensionais e com Geometrias Arbitrárias . . . . . . . . . . . . . . 20 1.1.4 Estruturas fotorrefrativas e Periódicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 1.2 MOTIVAÇÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 1.3 OBJETIVO GERAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 1.4 OBJETIVOS ESPECÍFICOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 1.5 ESTRUTURA DE TESE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2 FUNDAMENTOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.1 TÉCNICA DE ESCRITA DIRETA COM LASER DE FEMTOSSEGUNDO . . . . . . . 25 2.1.1 Mecanismos Fı́sicos na Interação Entre Laser de Femtossegundo e Material . . . . . . . 26 2.1.2 Parâmetros Experimentais do Sistema de Gravação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.1.3 Aspectos associados à geometria da modificação estrutural . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3 MATERIAIS E MÉTODOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.1 PREPARAÇÃO DE AMOSTRAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.2 GRAVAÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DAS ESTRUTURAS FOTÔNICAS . . . . . . . . 36 3.2.1 Sistema de Gravação com Laser de Femtossegundo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.2.2 Meios de Caracterização das Estruturas Fotônicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3.3 AUTOMATIZAÇÃO DO SISTEMA DE GRAVAÇÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 3.3.1 Controle de translação dos Posicionadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.3.1.1 Recursos do controlador de movimento XPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.3.1.2 Desenvolvimento de Programas de gravação com a API original do XPS . . . . . . . . . 46 3.3.1.3 Desenvolvimento de Programas de gravação com nova API para o XPS . . . . . . . . . . 47 3.3.2 Controle dos Pulsos de Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.3.2.1 Controle e Sincronização do Interruptor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.3.2.2 Ajuste Automático de Potência do Feixe de Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.3.3 Desenvolvimento de uma interface gráfica para uso geral do sistema de gravação . . 59 4 RESULTADOS E DISCUSSÕES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 4.1 SISTEMA AUTOMATIZADO DE GRAVAÇÃO EM OPERAÇÃO . . . . . . . . . . . . . . . 61 4.2 GUIAS DE ONDA FUNCIONAIS RETOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 4.2.1 Guias de onda gravados em lâminas de vidro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.2.2 Guias de onda gravados em lâminas de quartzo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 4.3 GRAVAÇÃO DE ESTRUTURAS FOTÔNICAS 2D E 3D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 4.3.1 Guia de onda funcional em forma de S-bend . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 4.3.2 gravação de uma trajetória 2D: estrutura de espiral logarı́tmica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 4.3.3 Gravação de uma trajetória 3D: estrutura fan-out . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 4.4 INTERFACE GRÁFICA DESENVOLVIDA PARA USO GERAL DO SISTEMA DE. GRAVAÇÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 5 CONCLUSÕES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 REFERÊNCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 Anexo A -- PUBLICAÇÕES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93. 11. 1 INTRODUÇÃO. O estudo e desenvolvimento de aplicações de processos óticos na área de. nanotecnologias têm grande destaque no panorama de telecomunicação mundial e encontra-. se em diversos campos de ciência e tecnologia. Na engenharia elétrica encontramos aplicações. importantes na criptografia quântica (HUGHES et al., 1995), dispositivos para comunicações. óticas de alta taxa (LIAO et al., 2007; MUELLER et al., 2010) e sensores óticos (LEE,. 2003). Na biologia e quı́mica, destacam-se aplicações que utilizam novas fontes e processos. de luz, tais como foto-quı́mica (RABEK, 1992), pinças óticas (NOVOTNY et al., 1997;. MOFFITT et al., 2008), espectroscopia resolvida em tempos ultracurtos (MORITA; T, 1984). e fotoseleção (ALBRECHT, 1961), entre outras. Mudanças estruturais em escala nanométrica. podem ser produzidas em diversos materiais por fotoerosão ou fotoablação levando, além da. estrutura, a novos estudos nas transformações materiais nessa escala e sob intensa energia de. ativação.. Entre suas diversas aplicações em ciência, espectroscopia e metrologia, os lasers de. pulsos ultracurtos (femtossegundo) são utilizados para a fabricação de padrões periódicos e. estruturados em uma grande classe de materiais. Devido à sua duração temporal ultracurta,. o feixe dos lasers de femtossegundo possui intensidade relativamente alta quando focalizado. com uma objetiva de microscópio dentro das amostras de uso ótico, a qual pode chegar na. ordem de 1020 W m−2. O campo elétrico elevado do feixe induz uma série de efeitos não. lineares, provocando defeitos atômicos e moleculares miniaturizados que não são possı́veis com. lasers de outros tipos. Portanto, na área de dispositivos fotoinduzidos por meio da alteração do. ı́ndice de refração, os lasers de femtossegundo são utilizados para a fabricação de estruturas. fotônicas em uma vasta gama de materiais que teriam pouca aplicabilidade devido à reduzida. fotossensibilidade à luz de fontes convencionais.. A escrita de guias de onda e estruturas sub-micrométricas em materiais de uso. ótico sofreu grande impacto com os lasers de pulsos ultracurtos, como mostra o trabalho de. revisão (GATTASS; MAZUR, 2008).. 12. Esta tese descreve o desenvolvimento de um sistema automatizado para registro de. estruturas fotônicas, possibilitando a fabricação automatizada de estruturas tridimensionais e. com geometrias arbitrárias.. Neste capı́tulo, inicialmente é descrito o estado da arte da produção de diversas. estruturas e dispositivos fotônicos com lasers de femtossegundo, a partir de guias de onda. produzidos em materiais dielétricos transparentes. Em seguida, são apresentados a motivação. do projeto, os objetivos e a estrutura da tese.. 1.1 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA. Nesta seção é descrito o estado de arte da fabricação de estruturas e dispositivos. fotônicos pela técnica de escrita direta com o uso de lasers de femtossegundo. Inicialmente. é apresentada uma revisão sobre a produção de guias de onda gravados em materiais. transparentes. Em seguida, tratam-se estruturas oticamente acopladas por campo evanescente,. partindo-se de arranjos de guias retos e paralelos para acopladores direcionais. Posteriormente,. abordam-se diversas estruturas e dispositivos tridimensionais e com geometrias arbitrárias. Por. fim, são descritas estruturas fotorrefrativas periódicas.. 1.1.1 GUIAS DE ONDA GRAVADOS EM SUBSTRATOS TRANSPARENTES. A produção de guias de onda óticos em substratos transparentes, pela técnica utilizada,. baseia-se em uma modificação estrutural do substrato onde é observado incremento do ı́ndice de. refração. Essa técnica consiste em focalizar o feixe de laser no interior do substrato com o uso de. uma objetiva de microscópio e, ao mesmo tempo, deslocar o substrato por meio de um sistema. de posicionamento, assim produzindo guias de onda na direção de deslocamento do substrato.. Guias de onda óticos podem ser gravados em diversos materiais transparentes como vidros,. cristais e polı́meros. O mecanismo da alteração do ı́ndice de refração fotoinduzida é atribuı́do. principalmente à densificação do substrato na região exposta aos pulsos de laser (DAVIS et. al., 1996; MIURA et al., 1997), embora haja contribuições devidas a mudanças na formação e. estruturas de centros de cor, como observado em trabalhos anteriores no grupo de pesquisa do. laboratório de FOTON da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (CHIAMENTI et al.,. 2014c, 2014a, 2014b).. A utilização de lasers com comprimento de onda no infravermelho para a fabricação. de guias de onda somente tornou-se possı́vel com o surgimento de lasers de pulsos ultracurtos. na ordem de femtossegundo. No trabalho realizado por Davis (DAVIS et al., 1996), utilizou-. 13. se um laser de safira dopado com titânio (Ti:Al2O3), com banda de emissão centrada em. 810 nm, taxa de repetição de 200 kHz e duração de pulsos de 120 fs. Por meio da irradiação. dos pulsos de femtossegundo, linhas visı́veis e transparentes foram produzidas em substratos de. sı́lica pura, sı́lica dopada com germânio, borato, silicato soda-lime e vidros de fluorzirconato.. Foram utilizados diferentes valores de potência de laser entre 40 mW e 800 mW, enquanto as. amostras foram deslocadas com velocidades que variaram de 100 µm s−1 até 10 mm s−1 e com. direções paralela e perpendicular à direção de propagação do feixe de laser. Para os substratos. de sı́lica, a seção transversal das linhas produzidas apresentaram diâmetros de 5 µm a 12 µm. para o deslocamento do substrato paralelo ao feixe de laser, enquanto com o deslocamento. do substrato perpendicular à direção de propagação do feixe de laser as alterações na seção. transversal das linhas gravadas possuı́ram diâmetros de 100 µm a 275 µm. A dimensão da. alteração estrutural na seção transversal das linhas quase não variaram com a velocidade de. deslocamento para os substratos de sı́lica, porém, variaram significativamente para as outras. amostras. Foi observado incremento do ı́ndice de refração nos substratos de sı́lica na faixa de. 0,01 a 0,035 com o uso de um micro-elipsômetro assim como a formação de vários defeitos. com as medidas espectroscópicas de UV e ESR (do inglês, Electron Spin Resonance). Esse. trabalho foi a primeira demonstração de produção de modificações estruturais em substratos. transparentes com o uso de lasers de femtossegundo. Os autores afirmaram que esses valores. de incremento do ı́ndice de refração obtidos seriam altos suficientemente para a fabricação de. guias de onda e dispositivos óticos. Além disso, eles ressaltaram a flexibilidade de fabricar. padrões tridimensionais e a possibilidade de obter guias de onda com seção transversal circular. mediante a gravação paralela ao feixe de laser.. No trabalho do mesmo grupo no ano seguinte (MIURA et al., 1997), foi demonstrada. pela primeira vez a fabricação de guias de onda óticos funcionais em diversos substratos de. vidro por meio do incremento de ı́ndice de refração induzido pela irradiação de um laser de. femtossegundo, com banda de emissão centrada em 810 nm, taxa de repetição de 200 kHz. e duração de pulsos de 120 fs. Os guias foram produzidos com a mesma velocidade de. deslocamento de 20 µm s−1, e com direção de deslocamento paralela à direção de propagação do. feixe de laser. Todos os guias de onda foram estáveis em temperatura ambiente. Foi observada. variação de potência limiar para a formação de guias em diferentes amostras. Os autores. atribuı́ram a diferença em potência limiar ao processo de ionização multifoton não-linear. A. observação por AFM (do inglês, Atomic Force Microscopy) mostrou fenômeno de densificação. na região irradiada pelo feixe de laser focalizado dentro das amostras. Guias com diferentes. diâmetros transversais (8 µm, 17 µm e 25 µm) foram produzidos em substrato de vidro fluoretado. com diferentes valores de potência de laser. Acoplando uma fonte com emissão centrada em. 14. 800 nm para a medição de perfis de intensidade de campo próximo, foi observado guiamento. monomodal no guia com diâmetro de 8 µm, enquanto guiamento multimodal foi visualizado nos. guias com diâmetros de 17 µm e 25 µm. Perfis de intensidade de campo distante foram obtidos. para os guias monomodais utilizando fontes com comprimentos de onda entre 633 nm e 1 µm.. Com análise dos perfis de campo próximo, foi mostrado que o perfil do ı́ndice de refração dos. guias monomodais foi gradual e, mais especificamente, os ı́ndices de refração do núcleo e do. substrato foram 1,502 e 1,499, respectivamente.. Na continuação do trabalho do mesmo grupo (HIRAO; MIURA, 1998), guias de onda. em substratos de sı́lica dopada com germânio foram fabricados com direção de deslocamento. do substrato perpendicular à direção de propagação do feixe de laser. Guias monomodais e. multimodais em 800 nm com perdas de propagação de 0,1 dB cm−1 foram fabricados. Diversos. fatores experimentais relacionados aos pulsos foram examinados na influência na alteração do. ı́ndice de refração e na dimensão transversal dos guias de onda produzidos, tais como a potência. média, a largura à meia altura dos pulsos e o número de exposição do substrato ao feixe. Foi. observado que o incremento do ı́ndice de refração aumentou com a exposição do substrato aos. pulsos de laser repetidas vezes, enquanto a dimensão transversal dos guias foi mantida. Também. foi observado que tanto o incremento do ı́ndice de refração quanto a dimensão transversal dos. guias aumentaram quando maiores valores de potência foram utilizados.. O incremento do ı́ndice de refração, ∆n, na região exposta ao feixe de laser é um. parâmetro importante para os guias de onda fabricados, sendo que ele é um dos fatores que. determina as propriedades de propagação no guia e o coeficiente de acoplamento quando é. acoplado com um outro guia próximo. Uma técnica qualitativa para a caracterização de ∆n. consiste em medir a abertura numérica (NA) do guia com o perfil de campo distante, sendo. que NA = √. 2n∆n (AGRAWAL, 2002; OKAMOTO, 2006; DHARMADHIKARI et al., 2011).. Uma outra técnica analı́tica de estimar o perfil de ∆n se baseia na inversão da equação escalar. de onda com o perfil de campo próximo do guia (MANSOUR; CACCAVALE, 1996; BIBRA;. ROBERTS, 1997; SZAMEIT et al., 2006b; CHIAMENTI et al., 2014c).. Além do uso de amostras de vidro, encontra-se trabalhos de produção de guias de. onda em cristais por meio de pulsos de femtossegundo. Dentre eles pode-se citar os trabalhos. realizados por Chiamenti (CHIAMENTI et al., 2014a, 2014b). O autor conseguiu gravar guias. de onda em cristais de LiF (Fluoreto de Lı́tio) utilizando um laser instalado no departamento. de Fı́sica da Universidade Federal de Pernambuco, com banda de emissão centrada em 800 nm,. taxa de repetição de 1 kHz e duração de pulsos de 80 fs. A energia por pulso utilizada para. gravação foi de alguns µJ. A velocidade de deslocamento da amostra foi de alguns centenas. 15. µm s−1. Os guias produzidos foram caracterizados utilizando microscópio convencional e. microscópio confocal de varredura a laser autônomo para inspeção visual da morfologia das. estruturas gravadas. No modo de operação fluorescente do microscópio confocal, formação de. centros de cor foi confirmada. Além disso, através dos perfis de intensidade de campo próximo. com fontes de laser na faixa visı́vel e infravermelho, foi possı́vel estimar a alteração do ı́ndice. de refração (10−4) induzida nos guias de onda.. 1.1.2 ESTRUTURAS OTICAMENTE ACOPLADAS POR CAMPO EVANESCENTE. Quando dois guias de ondas ficam próximos entre si o suficiente, um fenômeno. chamado acoplamento por campo evanescente pode ocorrer de tal forma que a energia ótica. seja transferida de um guia para outro de forma alternada ao longo da direção de propagação.. Sob esse ponto de vista, a fabricação de guias de onda óticos pode ser estendida para a de. estruturas oticamente acopladas, entre quais pode-se destacar a estrutura chamada acoplador. direcional, um bloco fundamental para a construção de diversas outras estruturas e dispositivos. fotônicos.. Nesta seção será apresentada inicialmente uma revisão bibliográfica de trabalhos que. visam investigar o fenômeno de acoplamento por campo evanescente entre guias paralelos e. retos num arranjo de guias de onda. Em seguida, são mostrados diversos trabalhos de gravação. de acopladores direcionais para o uso na área de comunicação ótica.. 1.1.2.1 ARRANJOS DE GUIAS RETOS E PARALELOS. Durante a ocorrência de acoplamento (tunelamento) de luz por campo evanescente. entre dois guias próximos, propriedades lineares e não-lineares podem ser induzidas. dependendo da energia da luz incidente em um arranjo de guias de onda próximos entre si. Mais. especificamente, pode-se ocorrer o fenômeno de difração espacial discreta quando a energia da. luz incidente for baixa, bem como o fenômeno de sóliton espacial discreto quando a energia. da luz incidente for alta. Esses dois fenômenos podem ser escritos pela equação Schrödinger. não linear na presença do efeito Kerr (CHRISTODOULIDES; JOSEPH, 1988). A primeira. demonstração desses fenômenos em arranjos de guias foi por Eisenberg, sendo que os guias. foram produzidos em substrato de AlGaAs (EISENBERG et al., 1998).. Uma série de trabalhos relataram a produção de arranjos de guias retos acoplados. em substratos de vidro com lasers de femtossegundo, onde os fenômenos de difração e de. sóliton foram investigados em detalhe (PERTSCH et al., 2004; SZAMEIT et al., 2005, 2006a;. 16. BLöMER et al., 2006; SZAMEIT et al., 2006b, 2007; DREISOW et al., 2008). Cabe destacar. que uma das aplicações interessantes do fenômeno de sóliton espacial discreto é desenvolver. junções de chaveamento e de roteamento em rede totalmente ótica. Isto porque a natureza. quase instantânea da não-linearidade Kerr permite processamento e roteamento de sinais óticos. com velocidade de operação rápida à custo de energia incidente relativamente alta na ordem. de kW (EUGENIEVA et al., 2001; EUGENIEVA; CHRISTODOULIDES, 2001; KEIL et al.,. 2011).. No trabalho desenvolvido por Pertsch (PERTSCH et al., 2004), arranjos cúbicos. de 5 × 5 e de 7 × 7 guias foram fabricados em substratos de sı́lica fundida com um laser de femtossegundo. As separações entre os guias paralelos foram de 20 µm e 25 µm. respectivamente, enquanto o comprimento dos guias foi de 20 mm. A difração bidimensional. foi modelada pela teoria de acoplamento modal, considerando somente o acoplamento entre. guias adjacentes nas direções vertical e horizontal. Os coeficientes de acoplamento vertical. e horizontal foram estimados, comparando o padrão de difração obtido experimentalmente. com o resultado da simulação numérica. O acoplamento entre os guias foi demonstrado como. homogêneo e quase simétrico. Na continuação do trabalho, um arranjo cubico de 5× 5 foi fabricado com a separação entre guias adjacentes de 40 µm e o comprimento dos guias de. 74,4 mm (SZAMEIT et al., 2006b). Acoplamento assimétrico nas direções vertical e horizontal. foi observado.. Arranjos hexagonais com diâmetro de 9 guias foi fabricado por Szameit (SZAMEIT. et al., 2006a). A separação entre os guias adjacentes variou de 6 µm até 36 µm, enquanto que o. comprimento dos guias foi de 10 mm. Acoplamento isotrópico (horizontal e diagonal) entre dois. guias adjacentes foi observado com a simetria do padrão de difração. Os autores concluı́ram. que tanto a geometria do arranjo quanto a geometria da seção transversal dos guias afetam o. coeficiente de acoplamento entre guias adjacentes. Também foi demonstrada a dependência. exponencial do coeficiente de acoplamento com a separação entre guias e com o comprimento. de onda da luz incidente.. Em um trabalho posterior do Szameit (SZAMEIT et al., 2007), o acoplamento. evanescente entre dois guias adjacentes foi investigado em detalhe para guias com perfis elı́ptico. e circular na seção transversal. Foi observado que os guias com perfil elı́ptico possuı́ram. coeficientes de acoplamento anisotrópico nas direções vertical e horizontal. Os autores. ressaltaram que tal relação pode ser utilizada para realizar controle preciso do acoplamento entre. guias adjacentes pela escolha adequada da orientação do arranjo de guias. Sob essa orientação,. acoplamento isotrópico foi obtido num arranjo cúbico gravado com ângulo de orientação de 45◦,. 17. mesmo que os guias do arranjo possuı́ram perfis elı́pticos na seção transversal. Além disso, foi. observado acoplamento isotrópico nos guias com perfil circular, junto com a demonstração do. potencial de desenvolver dispositivos fotônicos de chaveamento e roteamento.. 1.1.2.2 ACOPLADORES DIRECIONAIS. O fenômeno de tunelamento ótico pode se aplicar no acoplamento de energia ótica de. um guia de onda para o outro, além do acoplamento de energia de uma fibra ou feixe para um. guia de onda. Acopladores desse tipo são denominados acopladores direcionais, onde a energia. é transferida entre dois guias de modo coerente e, portanto, a direção de propagação nos guias. é mantida (HUNSPERGER, 2009). Uma das técnicas de produção de acopladores direcionais. é a técnica de escrita direta com lasers de femtossegundo.. A Figura 1 mostra dois tipos de acopladores formados com guias de onda: o de dois. canais sem contato e o com guias ramificados e conectados em Y .. Na Figura 1 (a), o acoplamento de modos ocorre principalmente na região central. reta, denominada região de acoplamento, onde os dois guias são paralelos com uma pequena. separação que permita o tunelamento da onda evanescente de um guia para o outro. Um. acoplador direcional desse tipo consiste em cinco regiões: uma região de entrada, duas regiões. de transição, uma região de acoplamento e uma região de saı́da, como visto na Figura 2.. Na estrutura esquematizada na Figura 1b, a energia é dividida na transição Y, enquanto. o acoplamento de modos ocorre na região de ramificação. Devido à perda na junção tipo. Y e a maior complexidade da modelagem do acoplamento na região de ramificação, a. fabricação de acopladores direcionais com canais duplos é mais recomendada e encontrada. mais frequentemente na literatura.. Figura 1: Acopladores direcionais formados com guias de onda. (a) Acoplador direcional com dois canais. (b) Acoplador com guias ramificados.. No caso de um acoplador direcional com canais duplos, a energia ótica é transferida de. forma alternada entre os dois guias. A densidade de energia ao longo de um guia do acoplador. direcional, sem perdas, apresenta uma variação senoidal com a distância de propagação. A. fração de energia transferida de um guia para o outro depende do comprimento da região de. 18. acoplamento. Assim, diferentes taxas de transferência de energia pode ser obtidas pelo controle. do comprimento da região de acoplamento de acordo com a aplicação desejada.. Região de transição. Região de transição. Região de acoplamento. Região de entrada. Região de saída. Guia 1. Guia 2. Figura 2: Esquema de acopladores direcionais compostos por cinco regiões.. Acopladores direcionais são considerados como componentes básicos no. desenvolvimento de dispositivos fotônicos e circuitos fotônicos integrados (MINOSHIMA et. al., 2002; SUZUKI et al., 2006; CHEN et al., 2008; POSPIECH et al., 2009; MAUCLAIR. et al., 2009; EATON et al., 2009; GATTASS; MAZUR, 2008), sendo que eles podem ser. utilizados para dividir a energia ótica ou direcionar o caminho ótico de forma seletiva. Os. acopladores direcionais também podem ser projetados para funcionar como multiplexadores. ou demultiplexadores, uma vez que o acoplamento modal possui caracterı́stica dispersiva em. função de comprimento de onda. Além disso, moduladores, chaves ativas e interferômetros. podem ser construı́dos a partir de acopladores direcionais.. No trabalho de Minoshima (MINOSHIMA et al., 2002), acopladores direcionais e. interferômetros foram produzidos por trechos de guias retos e monomodais em substratos. de vidro (Corning 0215) com um oscilador laser. As separações entre os guias na região. de acoplamento foram de 8 µm, 10 µm e 12 µm. Para cada separação, foram fabricados 10. acopladores com o comprimento da região de acoplamento variando de 0 mm até 10 mm. com passo de 1 mm. O ângulo das regiões de transição foi de 1◦ e o comprimento total. dos acopladores foi de 25 mm. Acoplando uma fonte com emissão centrada em 633 nm,. foi observado, em todos os acopladores, o comportamento oscilatório do coeficiente de. acoplamento em relação ao comprimento da região de acoplamento. Acoplando uma fonte. de banda larga do laser Ti : Al2O3, foi observado comportamento oscilatório da taxa de. acoplamento em função do comprimento de onda da luz incidente entre 760 nm e 790 nm. Um. interferômetro Mach-Zehnder foi realizado a partir de dois acopladores com uma diferença de. caminho de 10 µm e o ângulo de cruzamento entre guias de 2◦. Acoplando a mesma fonte de. banda larga, franjas interferométricas foram observadas, demonstrando seu funcionamento de. filtragem por comprimento de onda.. 19. Acopladores simétricos e assimétricos de banda larga foram fabricados em substratos. de vidro boroaluminosilicato (Corning EAGLE2000) por Chen (CHEN et al., 2008) para. aplicações de divisores óticos. Os acopladores possuı́ram resposta uniforme da taxa de. acoplamento para a janela de comprimento de onda entre 1250 nm e 1650 nm. A separação entre. os guias na região de acoplamento variou de 6 µm até 10 µm, enquanto o comprimento da região. de acoplamento variou de 0 mm até 2,5 mm com passo de 0,5 mm. A separação entre os guias da. região de entrada e saı́da variou de 106 µm e 110 µm de acordo com a separação entre os guias. na região de acoplamento. Para minimizar a perda de curvatura, guias em forma da letra “S” (S-. bend) com raio de curvatura de 50 mm foram projetados na região de transição. A assimetria nos. guias dos acopladores direcionais foi obtida pelo uso de diferentes velocidades de fabricação. dos guias. Os autores afirmaram que é possı́vel controlar a resposta espectral dos circuitos. óticos fabricados com lasers de femtossegundo, e ressaltaram a possibilidade de desenvolver. dispositivos e sistemas óticos pela técnica de escrita direta com lasers de femtossegundo.. Na continuação do trabalho, o mesmo grupo conseguiu, pela seleção de parâmetros. estruturais do acoplador direcional, fabricar demultiplexadores para comprimentos de onda. de 1300 nm e de 1500 nm pela primeira vez (EATON et al., 2009). Foi demonstrado um. demultiplexador com perda de inserção de 2 dB e isolações de canais de 16,7 dB e 18,8 dB.. Os autores ressaltaram as vantagens da fabricação de acopladores pela técnica de escrita direta. com lasers de femtossegundo, tais como dimensão miniaturizada e geometria arbitrária, em. comparação com as técnicas em fibras e PCL (do inglês, Planar Lightwave Circuit).. Um novo método para a fabricação de acopladores direcionais foi reportado por. Pospiech (POSPIECH et al., 2009), que utilizou uma modelagem adaptativa do feixe de. laser de femtossegundo para produzir dois focos ao mesmo tempo. O método se baseou. em um modulador de fase programável, sendo que o padrão da fase foi controlado e. variado dinamicamente durante o processo de fabricação. A principal vantagem dessa técnica. consiste em criar dispositivos complexos em uma única varredura, produzindo guias idênticos. simultaneamente com a separação entre os guias controlável. Uma série de acopladores. direcionais foram produzidos em substratos de sı́lica fundida com os comprimentos das regiões. de entrada e saı́da de 1 mm, o das regiões de transição de 8 mm e o da região de acoplamento de. 2 mm. A separação entre os guias da região de acoplamento variou entre 8 µm, 10 µm e 22 µm,. enquanto que a separação entre os guias da região de entrada e saı́da variou entre 175 µm e. 88 µm. A profundidade dos acopladores foi de aproximadamente 150 µm abaixo da superfı́cie. do substrato. Propriedades de acoplamento foram investigadas, com a demonstração de um. acoplador com taxa de acoplamento de 45% e um outro acoplador com taxa de acoplamento de. 94%, indicando que a nova técnica possibilita produção de guias simétricos simultaneamente. 20. em uma única varredura.. 1.1.3 ESTRUTURAS FOTÔNICAS TRIDIMENSIONAIS E COM GEOMETRIAS ARBITRÁRIAS. A modificação estrutural permanente induzida pela técnica de escrita direta com lasers. de femtossegundo, em termos do incremento de ı́ndice de refração do material, é fundamental. para fabricar estruturas fotônicas baseando na capacidade de guiamento de luz dos guias de. onda produzidos. As modificações são confinadas no volume focal da objetiva utilizado para. a focalização do laser. Combinando a técnica de escrita direta com um sistema automatizado. de nanoposicionamento, possibilita-se fabricação de estruturas fotônicas tridimensionais e com. geometrias arbitrárias em uma vasta gama de materiais dielétricos e transparentes.. No trabalho de Thomson, foi reportado uma aplicação interessante desse tipo de. realização 3D com lasers de femtossegundo, um dispositivo fan-out formado por quatro canais. (guias) para uso com fibras óticas de múltiplos núcleos (MCF, do inglês, Multiple Core. Fiber) (THOMSON et al., 2007). Na fase de entrada, o fan-out é acoplado com uma fibra MCF. que possui um arranjo 2D de quatro núcleos. A luz guiada nos quatro canais foi direcionada de. tal forma que, na fase de saı́da do fan-out, os quatro guias foram acoplados com quatro fibras. óticas paralelamente posicionadas em um dispositivo chamado FVA (do inglês, Fiber V-groove. Array).. Mediante controle preciso de posicionamento da amostra, registro de padrões fotônicos. em duas ou três dimensões se torna possı́vel. Acopladores e divisores do tipo Y, como mostrados. na Figura 1b , foram produzidos em uma série de trabalhos (NOLTE et al., 2003; HOMOELLE. et al., 1999; LIU et al., 2005; SAKAKURA et al., 2010; POSPIECH et al., 2010).. No trabalho de Suzuki (SUZUKI et al., 2006), acopladores simétricos 3× 3 foram fabricados por trechos de guias retos e caracterizados em substratos de vidro soda-lime com. um oscilador laser. A distância entre os guias adjacentes na região de entrada e saı́da foi fixada. em 80 µm, enquanto a separação entre os guias da região de acoplamento variou entre 15 µm,. 20 µm e 25 µm. Nas regiões de transição com guias retos e monomodais, os ângulos variam entre. 0,43◦ e 0,36◦ de acordo com a separação entre os guias de acoplamento. Acoplando uma fonte. com emissão centrada em 1530 nm, as taxas de acoplamento foram medidas para diferentes. comprimentos da região de acoplamento que variaram de 0 mm até 8 mm. O comportamento. do coeficiente de acoplamento casou-se com a modelagem teórica e a simulação numérica.. Com a técnica de modulação espacial da frente de onda do feixe, vem a possibilidade. de produzir múltiplos focos de laser com o uso de mascara de fase binária variável no tempo.. 21. Por meio desse método, foram gravados guias idênticos simultaneamente com uma única. varredura no trabalho de Mauclair (MAUCLAIR et al., 2009). Além disso, esse autor conseguiu. produzir divisores óticos 1-N (2-D e 3-D), acopladores do tipo X torcidos em 90◦ (3-D) e. demultiplexadores por divisão de comprimento de onda, sendo que o funcionamento de todos. esses dispositivos se baseia no acoplamento evanescente entre dois guias próximos.. 1.1.4 ESTRUTURAS FOTORREFRATIVAS E PERIÓDICAS. A fabricação de estruturas periódicas, tais como redes de Bragg e redes de perı́odo. longo, também é viável com a técnica de escrita direta com laser de femtossegundo. Técnicas. chamadas ponto a ponto (do inglês, Point by Point) e linha a linha (do inglês, Line by Line). foram desenvolvidos e demonstrados em diversos trabalhos para a produção desses padrões. periódicos tanto em fibras óticas de sı́lica quanto de polı́mero (LAI et al., 2007; ZHOU et al.,. 2010; STEFANI et al., 2012; LACRAZ et al., 2015; KALACHEV et al., 2005; LI et al., 2011).. Comparando com as técnicas convencionais de gravação por mascara de fase ou interferômetro,. a técnica de escrita direta permite que o comprimento de onda de Bragg fique independente da. mascara de fase, além de reduzir o tempo de produção e trabalhar com fibras que não apresentam. fotossensibilidade.. Uma rede de Bragg (estrutura periódica), também pode ser incorporada num guia de. onda, gerando uma estrutura denominada guia de onda de Bragg (do inglês, Bragg Grating. Waveguide). Nesse caso, a rede se estende ao longo de todo o comprimento do guia de onda.. Tradicionalmente, guias de onda de Bragg são fabricados em guias de onda pré-existentes, tais. como fibra ótica, por técnica de litografia interferométrica ou de feixe de elétrons. Com a. técnica de escrita direta com laser de femtossegundo, vem a possibilidade de gravar tanto o guia. de onda quanto a rede em substratos dielétricos como vidro, num único processo de fabricação. de modo sequencial ou simultâneo (MARSHALL et al., 2006; ZHANG et al., 2006; MIESE. et al., 2011). A técnica consiste na modulação periódica do incremento do ı́ndice de refração. dos guias de onda. Esse tipo de estrutura pode ser utilizada tanto para projetar filtros passivo. em materiais passivos quanto para formar cavidades óticas com realimentação distribuı́da (do. inglês, Distributed feedback) em materiais oticamente ativos.. No tocante aos guias de onda de Bragg em materiais ativos, lasers miniaturizados. podem ser desenvolvidos para várias aplicações, tais como comunicações em regiões espectrais. mais próximas ao visı́vel, controle e monitoração por espectroscopias óticas ou ainda uso em. processos biomédicos. Lasers desse tipo são denominados WGL (do inglês, Waveguide Laser). e já foram fabricados e relatados na literatura (OSELLAME et al., 2006; MARSHALL et al.,. 22. 2008).. Um outro ramo de aplicações interessantes das redes de Bragg seria formar estruturas. sensoras quı́micos e biológicos pela técnica chamada microescultura. No trabalho de Zhou,. em uma fibra ótica com rede de Bragg previamente gravada foram utilizados pulsos de. femtossegundo e ataque quı́mico para esculpir uma fenda colinear ao eixo da fibra, que. posteriormente foi preenchida com polı́mero (ZHOU et al., 2008). Essa estrutura sensora. apresentou sensibilidade elevada à temperatura (211 pm ◦C−1), permitindo sensoriamento em. escala bem diferente daquela atingida por redes em fibras convencionais (∼ 10 pm ◦C−1) (HILL; MELTZ, 1997). Além disso, estruturas microfluı́dicas podem ser fabricadas a partir de canais e. fendas esculpidos pelo mesmo tipo de técnica.. 1.2 MOTIVAÇÃO. Desde a primeira demonstração de fabricação de guias de onda por meio da técnica. de escrita direta com pulsos de laser de femtossegundo no ano de 1997, tal técnica encontra-se. na fabricação de diversos estruturas e dispositivos fotônicos na área de redes de comunicação. moderna e na área de circuitos fotônicos integrados. A técnica de escrita direta com pulsos de. femtossegundo tem várias vantagens. Primeiro, ela oferece uma maneira simples e promissora. para fabricação de estruturas de guiamento de luz, a qual é mais fácil e econômica quando. comparado com métodos tradicionais como deposição fı́sica a vapor e permuta iônica. Isto é de. importância particular na fase de prototipagem de novos dispositivos fotônicos.. Por meio dessa técnica, estruturas de guiamento de luz são produzidas por focalizar. os pulsos de femtossegundo no interior de amostras transparentes e movimentar a amostra de. forma adequada. Em virtude da natureza não-linear da interação entre pulsos de alta intensidade. e a matéria, a modificação estrutural resultante é miniaturizada e confinada espacialmente na. região irradiada dentro das amostras. Mais ainda, essa caracterı́stica de confinamento espacial. pode ser combinado com o uso de um sistema de posicionamento com resolução sub-métrica. sob controle preciso por computador, permitindo deslocar as amostras com velocidade e perfil. programados enquanto o feixe de luz permanece parada e é finamente focalizado dentro das. amostras. Sob essa condição, torna-se possı́vel a fabricação de estruturas fotônicas 2D e 3D com. geometrias complexas e arbitrárias, a qual não é realizável com as técnicas de litografia. Por. último, mas não menos importante, é de salientar que, devido à natureza não-linear, estruturas de. guiamento de luz podem ser produzidos em uma variedade de materiais transparentes, incluindo. os de vidro, cristal e polı́mero.. 23. Até então, a grande maioria das estruturas fotônicas funcionais obtidas na literatura. foram fabricadas com velocidade de deslocamento da amostra menor que 1 mm s−1 devido. à necessidade do uso de dose baixa de energia (alguns µJs) dos pulsos de femtossegundo.. Sendo assim, pode-se levar várias horas para realizar um grupo de testes de gravação para. encontrar a condição apropriada de um determinado parâmetro experimental ou de um conjunto. de parâmetros experimentais. Sob essa circunstância, é razoável automatizar o processo de. gravação para o benefı́cio de economizar tempo de produção e dispensar a supervisão e operação. humana no decorrer dos experimentos de gravação.. Guias de onda óticos sob a forma de linhas retas podem ser facilmente fabricados. através do deslocamento da amostra em uma única direção. No entanto, estruturas 2D e 3D. geralmente envolvem seções de guias com curvatura. Nesse caso, é necessário desenvolver a. programação de controle dos posicionadores, em sincronia com a taxa de disparo do laser e com. interruptores do feixe do laser, de maneira a permitir a gravação trecho por trecho da estrutura. desejada. A situação é complicada devido ao fato de que os dispositivos baseados em guias de. onda devem ter raios de curvatura elevados de modo a evitar perdas na propagação. Isso exige. que qualquer estrutura em curva seja programada e controlada por um número elevado de passos. de controle. Soma-se a isso o fato de que os posicionadores com resolução nanométrica não. são programados para receber comandos de controle numérico de manufatura, exigindo assim. a programação para a fabricação de estruturas com geometrias mais complexas. Por exemplo,. essa situação acontece com a fabricação das regiões de transição dos acopladores direcionais,. um bloco fundamental para dispositivos fotônicos em duas e três dimensões.. Com respeito aos padrões estruturados e periódicos, tais como redes de Bragg e redes. de perı́odo longo em fibras óticas, é recomendado ter um sistema automatizado de gravação. de modo a permitir a gravação de uma grande quantidade (milhares) de planos periódicos. que compõem a rede num único processo controlado por um programa executado em um. computador. Para tal aplicação de grande número de passos repetitivos, é quase impossı́vel. realizá-lo de maneira manual. Além disso, programas controlados por computador podem. ajudar a encontrar a localização exata do núcleo da fibra ótica, onde os planos periódicos devem. ser construı́dos, antes da gravação dos mesmos.. 1.3 OBJETIVO GERAL. Desenvolver um sistema automatizado para registro de estruturas fotônicas com pulsos. de laser de femtossegundo.. 24. 1.4 OBJETIVOS ESPECÍFICOS. • Montagem e programação do sistema de posicionamento via controlador de movimento XPS da marca Newport.. • Testes das funcionalidades do XPS interessantes para gravação de estruturas fotônicas.. • desenvolvimento de uma nova API orientada a objetos para o controlador XPS em substituição da API original fornecida pelo XPS.. • Testes das funcionalidades do XPS interessantes para gravação de estruturas fotônicas, utilizando a nova API desenvolvida.. • Testes de controle automático do sistema na escrita de trajetórias com geometrias arbitrárias (2D, 3D e, especialmente, com curvatura).. • Produção de guias de onda óticos em forma de linha reta e sua caracterização ótica.. • Produção de guias de onda em curva e sua caracterização ótica.. • Implementação do controle automático referente à ajuste de potência dos pulsos de femtossegundo e integrá-lo com o controle do sistema de posicionamento, resultando. um sistema totalmente automatizado de gravação.. • Desenvolvimento de uma interface gráfica para os usuários gerais do sistema automatizado de gravação poderem utilizá-lo sem a necessidade de possuir conhecimento. profundo de programação.. 1.5 ESTRUTURA DE TESE. No Capı́tulo 2 são apresentados aspectos relevantes para a técnica de escrita direta. com lasers de femtossegundo. No Capı́tulo 3 são descritos os arranjos experimentais e os. métodos desenvolvidos para a fabricação e caracterização das estruturas fotônicas produzidas. pela técnica de escrita direta com lasers de femtossegundo. No Capı́tulo 4 são mostrados os. resultados obtidos e as discussões associadas aos resultados obtidos. Por fim, no Capı́tulo 5,. são apresentadas as conclusões e sugestões para o desenvolvimento de trabalhos futuros.. 25. 2 FUNDAMENTOS. Neste capı́tulo são apresentados aspectos fı́sicos e experimentais que são relevantes a. serem levados em consideração durante o processo de fabricação de estruturas fotônicas por. meio da técnica de escrita direta com laser de femtossegundo.. 2.1 TÉCNICA DE ESCRITA DIRETA COM LASER DE FEMTOSSEGUNDO. A técnica de escrita direta para produção de guias de onda óticos e outros dispositivos. fotônicos consiste na modificação estrutural permanente da rede cristalina do substrato alvo,. a qual é produzida focalizando o feixe de laser de alta intensidade no interior do substrato e. deslocando a amostra por um sistema de posicionadores controlados via computador. Durante o. processo de irradiação do feixe de laser no interior do substrato, são induzidas modificações em. termo de ı́ndice de refração na região limitada pela alta intensidade dos pulsos de femtossegundo. em torno do ponto focal do feixe de laser. Por meio dessa técnica, diversos dispositivos. fotônicos podem ser fabricados em uma vasta gama de materiais transparentes (GATTASS;. MAZUR, 2008).. Vidros e cristais são geralmente usados como substratos para a gravação de estruturas. fotônicas internas devido às suas caracterı́sticas de alta pureza e de larga janela de transparência.. Sı́lica fundida é um dos substratos mais utilizados para o desenvolvimento de estruturas. fotônicas com lasers de femtossegundo, uma vez que a sı́lica fundida permite a fabricação. de guias de baixa perda com um custo relativamente baixo, além de possuir uma alta. estabilidade mecânica, térmica e quı́mica (LITTLE et al., 2008). Guias de onda estão. entre as primeiras demonstrações da técnica de escrita direta com laser de femtossegundo.. Posteriormente, diversos dispositivos fotônicos passivos e ativos foram desenvolvidos,. tais como acopladores, divisores, multiplexadores, demultiplexadores, moduladores, filtros,. ressonadores, interferômetros, lasers e amplificadores, sendo que todos eles são elementos. importantes em sistemas de comunicação óticos.. Além de vidros e cristais, polı́meros transparentes também podem ser utilizados para. 26. a gravação de dispositivos fotônicos. Porém, polı́meros apresentam uma maior perda de. transmissão, e portanto, poucos dispositivos fotônicos são fabricados diretamente em materiais. poliméricos (GATTASS; MAZUR, 2008).. A técnica de escrita direta com lasers de femtossegundo demonstra várias vantagens. quando comparado com os métodos tradicionais de fabricação de estruturas fotônicas, tais como. deposição fı́sica a vapor, permuta iônica e litografia. Ela proporciona uma maneira simples,. rápida e flexı́vel para obter padrões e estruturas diversas em uma vasta gama de materiais. dielétricos e transparentes, em virtude da ocorrência de não-linearidade ótica induzida pela alta. intensidade dos pulsos de femtossegundo. No tocante às estruturas periódicas em fibra ótica. como redes de Bragg e redes de perı́odo longo, a escrita por pulsos de femtossegundo pode. ser realizada sobre fibras que não apresentem fotossensibilidade, em contraste com as técnicas. convencionais de gravação por máscara de fase ou interferômetro.. 2.1.1 MECANISMOS FÍSICOS NA INTERAÇÃO ENTRE LASER DE FEMTOSSEGUNDO E MATERIAL. O processo de interação entre laser e matéria ainda não é completamente. compreendido, mas é normalmente aceito como o resultado de um processo de colapso ótico,. como ilustrado na Figura 3. Este processo envolve fenômenos não-lineares de absorção e. ionização, os quais resultam em uma modificação estrutural do material, ocasionando mudança. permanente do ı́ndice de refração ou um núcleo oco (GATTASS; MAZUR, 2008). Os pulsos dos. lasers de femtossegundo podem chegar a picos de intensidade na ordem de TW cm−2. Quando. os pulsos de alta intensidade são focalizados em substratos por uma objetiva de microscópio,. como ilustrado na Figura 3 (a), a energia contida nos fótons é parcialmente transferida para. os elétrons durante um prazo curto na ordem de femtossegundo. Como a energia de um fóton. proveniente do feixe de laser com comprimento de onda no infravermelho não é suficiente. para induzir absorção linear na maioria dos vidros, múltiplos fótons devem ser absorvidos. pelos elétrons na camada de valência para serem promovidos para a camada de condução por. fotoionização não-linear, como esquematizado na Figura 3 (b).. O processo de fotoionização não-linear pode ocorrer em duas formas: multi-. fótons e tunelamento, dependendo da intensidade e do comprimento de onda do feixe de. laser (OSELLAME et al., 2012). Esse processo de fotoionização pode gerar plasma de elétrons. e ı́ons livres que transferem energia para a rede cristalina do material. Essa transferência de. energia do plasma para a rede ocorre em uma escala de tempo de picossegundos, causando. modificação estrutural permanente no material ótico. Para lasers com pulsos de duração menor. 27. que picossegundos, a expansão do plasma ocorre em uma escala de tempo menor que a taxa de. transferência de energia para a rede por meio de termalização. Portanto, a difusão térmica fora. do volume focal é reduzida ou até eliminada, permitindo precisão e confinamento espacial na. fabricação de estruturas fotônicas miniaturizadas com lasers de femtossegundo.. Figura 3: Ilustração do processo de colapso ótico. (a) Esquemático da interação do feixe de laser de femtossegundo com amostra transparente. (b) Diagrama do processo não-linear de absorção e fotoionização.. O processo de absorção de energia ótica por materiais transparentes deve ser não-. linear, uma vez que a energia transportada pelos fótons provenientes dos pulsos do laser de. 800 nm não é o suficiente para a ocorrência de transição eletrônica entre os nı́veis de energia.. Um elétron na camada de valência precisa absorver múltiplos fótons simultaneamente para. ultrapassar a banda proibida (do inglês, band gap) e ser promovido para a camada de condução.. Essa transição só é possı́vel quando a energia absorvida pelo elétron satisfaz Nhv > Eg, onde. N é o número de fótons absorvidos, h a constante de Planck, v a frequência da radiação e Eg a. energia da banda proibida. Para a absorção não-linear ocorrer, a intensidade do campo elétrico. deve ser próxima à intensidade necessária para ligar os elétrons de valência nos átomos, na. ordem de 109 V m−1, correspondendo à intensidade do feixe de laser focalizado na amostra. na ordem de 1020 W m−2. Portanto, a técnica de escrita direta com laser de femtossegundo. requer alta intensidade e focalização fina dos pulsos do laser. Consequentemente, o processo. de absorção multi-fótons no interior do substrato é confinado no volume focal sem causar. absorção na superfı́cie do substrato processado, induzindo estruturas fotônicas miniaturizadas. com dimensões sub-micrométricas no interior do substrato (GATTASS; MAZUR, 2008).. Para lasers com pulsos de duração maior que 10 fs, ocorre o processo de fotoionização. de avalanche com os elétrons-sementes já excitados pela fotoionização não-linear. Quando. maior for a duração dos pulsos do laser, maior será a contribuição da fotoionização de avalanche.. 28. Esse tipo de fotoionização depende linearmente da intensidade do feixe de laser (OSELLAME. et al., 2012).. 2.1.2 PARÂMETROS EXPERIMENTAIS DO SISTEMA DE GRAVAÇÃO. A intensidade dos pulsos focalizados dentro dos materiais para induzir uma alteração. estrutural depende de três parâmetros do sistema de gravação, dado pela Equação 1:. I ∝ E NA2. τλ 2(1−NA2) , (1). onde NA é a abertura numérica da objetiva, τ a duração dos pulsos, λ o comprimento de onda. do laser, e E a energia dos pulsos. No entanto, esta relação não se aplica para a intensidade. limiar (Ith) que é necessária para a indução de uma alteração estrutural, devido ao processo de. fotoionização de avalanche. Para um dado sistema de laser, τmin e Emax são geralmente fixos,. deixando somente o parâmetro NA variar livremente.. A abertura numérica, NA, é o parâmetro experimental que determina a área do volume. focal, e consequentemente, o tamanho da modificação resultante da irradiação do laser. A. abertura numérica de um laser de feixe gaussiano é relacionada com a sua área mı́nima pela. Equação 2:. NA = λ0. πw0 , (2). onde λ0 é o comprimento de onda no vácuo e 2w0 o diâmetro da cintura do feixe. Assim, a área. do feixe focalizado dentro do substrato (πw20) é maior para uma objetiva de abertura numérica. menor.. Para atingir a intensidade limiar Ith com uma objetiva de NA pequena, é necessário. utilizar sistemas de lasers amplificados que possuam alta energia, na ordem de mJ por pulso, e. taxa de repetição na ordem de até centenas de kHz.. Quando a abertura numérica da objetiva é próxima ou maior que 1, sistemas de. osciladores laser são utilizados para induzir alterações estruturais em vidros. Neste caso, os. osciladores laser emitem pulsos com energia na ordem de nJ e com taxa de repetição na ordem. de MHz. Uma vez que o intervalo entre dois pulsos é menor que o tempo de difusão térmica. (em torno de 1 µs), a energia depositada por cada pulso acumula no volume focal formando uma. fonte puntiforme de calor. Portanto, a dimensão da região alterada pode exceder a do volume. 29. focal pela exposição do substrato aos múltiplos pulsos.. Além da influência na intensidade I, a abertura numérica NA também pode afetar a. geometria da estrutura produzida com a irradiação por um único pulso. A seção transversal da. região alterada é simétrica e circular para NA maior que 0,6 e alongada e assimétrica para NA. menor que 0,6 (GATTASS; MAZUR, 2008).. Quando NA e τ são constantes, o processo de aborção depende da energia E dos pulsos. do laser. Dependendo da energia utilizada, três tipos de alterações estruturais podem acontecer.. Quando a energia for próxima à energia limiar do processo de absorção não-linear, o ı́ndice de. refração é modificado, geralmente da mesma ordem de magnitude das fibras óticas (10−3), e. varia de um material para outro. Essa mudança no ı́ndice de refração é atribuı́da à densificação. do material pela rápida têmpera do material no ponto focal. Se a energia é suficientemente. alta para gerar plasmas de alta densidade, a formação de um núcleo oco pode surgir devido. à explosão coulombiana que gera ondas de choque para fora da região focal. Para energias. intermediárias, a interferência entre os pulsos incidentes e a plasma de cargas livres pode. ocorrer, resultando em uma nanoestrutura periódica e birrefringente. A maioria das aplicações. fotônicas utilizam energia próxima à energia limiar de absorção não-linear, resultando em uma. alteração do ı́ndice de refração do material (GATTASS; MAZUR, 2008).. Além destes três principais parâmetros relacionados com a irradiação dos pulsos,. outros fatores experimentais também podem estar envolvidos na determinação da modificação. estrutural final. Devido ao processo de fotoionização não-linear, o efeito de polarização pode. causar diferentes mudanças de ı́ndice de refração, dependendo da energia do laser e das. propriedades do material processado (AMS et al., 2006; LITTLE et al., 2008, 2011). Com. a presença da interface ar-substrato, o efeito de aberração esférica da objetiva de focalização do. feixe deve ser levado em conta em termos da profundidade de gravação (HNATOVSKY et al.,. 2005). A velocidade de deslocamento também pode afetar a alteração do ı́ndice de refração do. material, uma vez que ela determina a distância entre os pulsos pela Equação 3:. vdes = frep Λ, (3). onde vdes é a velocidade de deslocamento do substrato, frep a taxa de repetição dos pulsos e. Λ a distância entre dois pulsos sucessivos. Para formar uma estrutura uniforme, os pulsos do. laser com taxa de repetição na ordem de kHz são sobrepostos se a velocidade de deslocamento. for na ordem de µm s−1. Portanto, uma maior velocidade resulta em uma distância maior entre. os pulsos sobrepostos, e consequentemente, reduz a densidade de energia depositada no ponto. 30. focal, induzindo uma modificação menor do ı́ndice de refração na área focal.. 2.1.3 ASPECTOS ASSOCIADOS À GEOMETRIA DA MODIFICAÇÃO ESTRUTURAL. Dois esquemas de gravação geralmente são utilizados para a produção de estruturas. fotônicas com lasers de femtossegundo. Um desses esquemas de gravação consiste em. deslocar o substrato na direção paralela ao eixo de propagação do feixe de laser. Esse. esquema de gravação paralela resulta em guias cuja seção transversal é simétrica e circular,. enquanto que a dimensão do dispositivo é limitado pela distância de trabalho da objetiva de. focalização. No outro esquema de gravação, o substrato é deslocado na direção perpendicular. à direção de propagação do feixe de laser. A seção transversal dos guias produzidos por. meio de deslocamento perpendicular é alongada e elı́ptica, a qual causa perdas de transmissão. significativas, apesar de que o comprimento da estrutura não é limitada. A diferença da. geometria da seção transversal dos guias causada pelos diferentes esquemas de gravação é. atribuı́da à forma de distribuição de intensidade do feixe no plano da seção transversal dos. guias produzidos. Várias técnicas foram citadas na literatura para alterar o perfil espacial e. a divergência do feixe de laser antes de ser focalizado no interior do substrato, incluindo o. uso de telescópio cilı́ndrico astigmático, fenda e espelho de deformação (AMS et al., 2005;. DHARMADHIKARI et al., 2011; GATTASS; MAZUR, 2008).. Quando o feixe de laser é focalizado no interior do substrato, a distribuição de. intensidade perto do ponto focal é distorcida e alongada na direção de propagação devido ao. efeito de aberração esférica da lente de objetiva (HNATOVSKY et al., 2005). Por consequência. disso, a profundidade de gravação se torna um parâmetro importante na determinação da forma. da região alterada pela irradiação de laser tanto como a modificação do ı́ndice de refração da. estrutura produzida.. A Figura 4 mostra a geometria do sistema de focalização com a presença de aberração. esférica, no qual os feixes incidentes próximos à borda da lente de objetiva são mais refratados. que os raios que incidem próximos ao eixo ótico. As linhas tracejadas abaixo da superfı́cie. ar-substrato indicam o caminho do feixe somente no ar, enquanto as linhas retas abaixo da. superfı́cie indicam o caminho ótico refratado por causa da presença de uma interface ar-. substrato. Observa-se que o efeito de aberração esférica causada pela lente é aumentado com. a presença da interface. A letra F representa a profundidade do ponto focal sem interface. dielétrica, enquanto a letra D representa a profundidade do ponto focal paraxial produzido pela. área central da lente. D e F indicam respectivamente a profundidade teórica de gravação e a. profundidade real de gravação, os quais podem ser relacionados pela Equação 4:. 31. D = n2 n1. F, (4). onde n1 e n2 são os ı́ndices de refração do ar e do substrato. Portanto, a profundidade real de. gravação é maior que a profundidade teórica de gravação.. Feixe. Substrato n2. Ar, n1. Objetiva. FD. Figura 4: Esquema da geometria de focalização do sistema de gravação com a presença de aberração esférica.. A distribuição da intensidade axial na direção de propagação do feixe de laser pode ser. modelada, considerando a difração de uma onda plana, monocromática e linearmente polarizada. que é focalizado por uma objetiva e refratado por uma interface plana. A intensidade axial. de laser I varia com a profundidade de focalização D, a qual também indica a posição de. intensidade de pico primário (máximo). À medida que a profundidade de gravação real D. aumenta, três caracterı́sticas do perfil de intensidade axial tendem a aparecer: a magnitude. do pico primário diminui dramaticamente; o pico secundário tende a crescer relativamente ao. pico primário com uma maior distância entre eles; o perfil se alarga e se estende na direção de. propagação do feixe por uma distância maior que o parâmetro confocal da lente de objetiva sem. aberração (HNATOVSKY et al., 2005).. Como o pico máximo do perfil de intensidade axial decai rapidamente com o aumento. da profundidade de gravação, a intensidade limiar Ith para induzir modificação estrutural. aumenta e, por conseguinte, a energia dos pulsos de laser utilizada para a gravação de estruturas. fotônicas idênticas em uma maior profundidade deve ser aumentada para a compensação da. queda da intensidade pico no volume focal. Essa relação entre a intensidade do feixe focalizado. e a profundidade de gravação devido ao efeito de aberração esférica, deve ser levado em. 32. conta no caso de gravação de estruturas tridimensionais, tais como armazenamento ótico de. dados, circuitos fotônicos integrados e dispositivos microfluı́dicos, onde estruturas idênticas. são produzidas em profundidades bastante diferentes.. A abertura numérica NA determina a posição do ponto focal, ou seja, a profundidade. de gravação real D. A profundidade de focalização caracterı́stica D1/2, onde a intensidade. máxima Imax reduz para metade do seu valor máximo, é inversamente proporcional a (NA)9/2. da lente de objetiva (HNATOVSKY et al., 2005). Portanto, uma objetiva de abertura numérica. menor permite uma maior profundidade de gravação sem ter que se preocupar com a queda. de intensidade máxima, enquanto a dimensão da região alterada é maior. Por exemplo, para. NA = 0,4, guias de onda idênticos podem ser gravados com a mesma condição de gravação em. diferentes profundidades até 1 mm abaixo da superfı́cie do substrato de sı́lica fundida.. A forma da região alterada por irradiação de laser pode variar, dependendo da energia. dos pulsos de laser utilizada. Quando a intensidade secundário é maior que a intensidade limiar. Ith, duas zonas modificadas podem surgir com a separação aproximadamente igual a distância. entre as intensidades primária e secundária. Quando a energia utilizada for alta suficientemente. para que o vale entre os picos primário e secundário seja maior que a intensidade limiar Ith, as. zonas modificadas se fundem formando uma zona de modificação maior que pode se estender. por dezenas de micrometros ao longo da direção de propagação.. Além de que a profundidade é um parâmetro capaz de alterar a distribuição da energia. na direção de propagação do feixe focalizado no interior do substrato, há um outro problema. associado de não linearidade. A alta intensidade do feixe ao ser focalizado pode gerar plasma. eletrônico por ionização, o qual espalha o feixe e provoca re-focalização em um ponto mais. adiante ao longo do eixo focal. Assim, duas regiões modificadas podem aparecer quando a. energia do feixe é alta.. Outros processos óticos não-lineares também podem surgir e competir com a. deposição de energia ótica no substrato, divido ao campo elétrico elevado do feixe incidente.. Um desses fenômenos não-lineares é chamado auto-focalização (do inglês, self-focusing), no. qual o diâmetro do feixe é menor do q