Este trabalho apresenta um estudo da aplicação de dispositivo multifuncional a óptica integrada em interferômetros de Sagnac a fibra óptica birrefringente. Inicia-se com o estudo teórico de fundamentos em óptica necessários à análise de um interferômetro de Sagnac que utiliza um dispositivo eletroóptico com junção em Y, em substrato em LiNbO3, como dispositivo multifuncional. A dependência da função de transferência do interferômetro com o espectro de potência da fonte de radiação óptica, as características de propagação em fibras ópticas birrefringentes e o dispositivo multifuncional, para várias formas de onda de modulação, foram investigadas teórica e experimentalmente. A formulação desenvolvida resulta em uma compreensível referência sobre a tecnologia de óptica integrada e moduladores eletroópticos, provendo a fundamentação necessária para uma profunda, e em alguns casos original, análise de modulação de fase usando formas de onda senoidal, dente de serra, quadrada, triangular e parabólica. A partir dos resultados desta análise, um arranjo experimental, composto de um interferômetro de Sagnac e de um dispositivo multifuncional a óptica integrada em LINbO3, foi implementado e caracterizado. Os resultados experimentais obtidos encontram-se em boa concordância com as previsões teóricas, e ainda, conclui-se que o dispositivo multifuncional em LiNbO3 permite a implementação de técnicas confiáveis na caracterização de interferômetro de Sagnac a fibra óptica e de circuitos eletrônicos de processamento do sinal interferométrico.

Neste trabalho, formulações do Método dos Elementos Finitos (MEF) são utilizadas no cálculo das soluções de problemas de ondas TEM, TE, TM, em guias de microondas e modos Ex e Ey em guias ópticos. É apresentada a técnica de mapeamento espacial, associada ao MEF, para a solução de modos quasi-guiados (problemas de domínio aberto. São considerados modos TEM e modos Ex e Ey. A abordagem de integração analítica dos elementos de matriz das formulações do MEF é estendida para considerar meios anisotrópicos e não-homogêneos, com qualquer ordem de aproximação polinomial das funções de base de elementos triangulares. O MEF foi aplicado no modelamento de moduladores eletroópticos tipo Mach-Zehnder com guias ópticos construídos por difusão de Titânio em substrato cristalino de Niobato de Lítio (LiNbO3). É apresentada, também, uma análise crítica dos modelos que relacionam a concentração de prótons às variações do índice de refração extraordinário em guias ópticos manufaturados pela técnica de troca de prótons em LiNbO3, seguido de recozimento ("annealing").

Neste trabalho, foram fabricados guias de onda ARROW (Anti-Resonant Reflecting optical waveguides), através da utilização de filmes finos, de materiais amorfos, obtidos pelas técnicas de Deposição Química a vapor assistida por plasma (PECVD) e Sputtering. Pelo fato de o funcionamento destes guias ser bastante dependente da geometria e das propriedades ópticas dos materiais, foram realizadas simulações utilizando o Método de Matrizes de Transferência (TMM) e o Método de Diferenças Finitas com Reticulado Não Uniforme (NU-FDM) para a determinação dos parâmetros geométricos destas estruturas. Na fabricação, foram utilizados filmes de oxinitreto de silício (SiOxNy) e carbeto de silício amorfo hidrogenado (a-SiC:H), depositados por PECVD, à temperatura de 320°C, e filmes de TiOx depositados por Sputtering, para a fabricação das camadas que compõem os guias de onda. Os filmes de a-SiC:H e TiOx foram utilizados como primeira camada anti-ressonante, possuindo espessuras de 0,322 µm e 86,3 nm, respectivamente. A definição das paredes laterais dessas estruturas foi feita através da Corrosão por Plasma Reativo (RIE) utilizando técnicas fotolitográficas convencionais. Os guias de onda ARROW foram caracterizados em termos de perdas por propagação, para o comprimento de onda de 633 nm, utilizando a técnica de clivagem e a técnica de vista superior. As perdas em função do comprimento de onda para a faixa que vai desde o ultravioleta até o infravermelho próximo (200 nm a 1100 nm) também foram medidas utilizando fonte de luz branca, monocromador e medidor de potência óptica. Além disso, a análise modal dos guias de onda foi feita através de imagens obtidas através de uma objetiva de microscópio e de uma câmera CCD (Charge Coupled Device). Os resultados mostram que é possível obter guias monomodo, com baixas atenuações, tendo se conseguido valores entre 0,8 e 3 dB/cm, para o comprimento de onda de 633 nm. Isso possibilita, no futuro, a fabricação de diversos dispositivos, como sensores interferométricos, sensores químicos baseados em absorção óptica, redes de Bragg, entre outros. / In this work, Anti-Resonant Reflecting Optical Waveguides (ARROW) were fabricated using thin amorphous films, obtained by Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) and Sputtering techniques. Since these waveguides are highly dependent on its geometry and on the optical properties of the materials used, simulations using the Transfer Matrix Method (TMM), and the Non-Uniform Finite Difference Method (NU-FDM), were necessary, for the determination of the geometric parameters of these structures. Silicon oxynitride films (SiOxNy), amorphous hydrogenated silicon carbide films (a-SiC:H), both deposited at a temperature of 320°C, and TiOx films, deposited by Sputtering technique, were used in the fabrication of the layers of the waveguides. The a-SiC:H and the TiOx films were used as first ARROW layer, having thicknesses of 0,322 µm and 86,3 nm, respectively. Also, the definition of the sidewalls of the waveguide was achieved using Reactive Ion Etching (RIE) and conventional lithographic techniques. The waveguides were characterized in terms of propagation losses, for working wavelength of 633 nm, by using the cut-back and the top view techniques. The losses as a function of working wavelength, for the ultraviolet, visible and near infrared regions (200 nm to 1100 nm), were also measured using a white light source, a monocromator and an optical power meter. Furthermore, modal analysis was achieved by using images captured by a Charge Coupled Device (CCD) camera, using a microscope objetctive. Results proved the possibility of obtaining single-mode waveguides with relatively low losses, with values around 0.8 and 3 dB/cm, for working wavelength of 633 nm. This are promising results which indicate the possibility of using these waveguides for the fabrication of many devices such as interferometric sensors, chemical sensors based on optical absorption, Bragg gratings, among others.

A análise de um sensor óptico de pressão foi realizada neste trabalho. O sensor baseia-se no deslocamento de um diafragma composto por camadas de silício, dióxido de silício e vidro. O deslocamento do diafragma causa a alteração do índice de refração do guia óptico do ramo sensor de um interferômetro de Mach-Zehnder, formado por guias do tipo \"rib\" na camada de vidro. A diferença de fase entre os sinais ópticos dos ramos sensor e de referência causa variação da intensidade luminosa na saída deste interferômetro. A simulação do deslocamento do diafragma foi feita empregando-se o Método das Diferenças Finitas, que também foi, utilizado no cálculo da alteração do índice de refração no guia óptico. O diafragma de três camadas foi substituído, nos cálculos, por outro composto de uma camada equivalente. A análise da propagação da luz no guia tipo \"rib\" foi feita por intermédio do Método do Índice Efetivo. Para a distribuição dos campos elétrico (para o modo TE) e magnético (para o modo TM) admitiu-se uma variação gaussiana na direção y, e a formulação clássica para um guia planar assimétrico, na direção x. O resultado final deste trabalho apresentou melhor aproximação com os dados experimentais do trabalho realizado por OHKAWA [23] do que a própria previsão teórica daquele. São apresentados gráficos do deslocamento do diafragma em função da pressão aplicada, da variação do índice de refração do guia do ramo sensor em função das dimensões geométricas do guia, da distribuição da componente de campo elétrico no guia óptico em função das suas dimensões geométricas, da defasagem entre os sinais dos ramos sensor e de referência em função da pressão aplicada e da pressão de meia-onda em função do comprimento do diafragma. / An integrated optical pressure sensor was analysed in this work. The sensor is based on the deflection of a multilayered diaphragm and operates as a Mach-Zehnder interferometer. A pressure difference between the upper and lower faces of the diaphragm induces a strain and produces a refractive index change in the sensor arm of the interferometer. As a consequence, a phase-shift is established between both arms of the sensor and light intensity modulation is observed at the device output. The Finite Difference Method was used in order to calculate the diaphragm deflection and the refractive index change. In the formulation the multilayered diaphragm was replaced by a single-layered one, with an equivalent bending rigidity. The light propagation in the rib-type waveguide sensor arm was analysed by the Effective lndex Method. A gaussian variation was assumed for the y-component of the electric (TE mode) and magnetic (TM mode) field distributions. In the x-direction the classical formulation was used. Results for the diaphragm deflection dependence on the applied pressure, the refractive index change as a function of the device geometry, phase shift versus applied pressure, as well as halfwave pressure as a function of diaphragm lenght are presented. The final model yield a better agreement to experimental data than the formulations previously available in the literature.

Neste trabalho, formulações do Método dos Elementos Finitos (MEF) são utilizadas no cálculo das soluções de problemas de ondas TEM, TE, TM, em guias de microondas e modos Ex e Ey em guias ópticos. É apresentada a técnica de mapeamento espacial, associada ao MEF, para a solução de modos quasi-guiados (problemas de domínio aberto. São considerados modos TEM e modos Ex e Ey. A abordagem de integração analítica dos elementos de matriz das formulações do MEF é estendida para considerar meios anisotrópicos e não-homogêneos, com qualquer ordem de aproximação polinomial das funções de base de elementos triangulares. O MEF foi aplicado no modelamento de moduladores eletroópticos tipo Mach-Zehnder com guias ópticos construídos por difusão de Titânio em substrato cristalino de Niobato de Lítio (LiNbO3). É apresentada, também, uma análise crítica dos modelos que relacionam a concentração de prótons às variações do índice de refração extraordinário em guias ópticos manufaturados pela técnica de troca de prótons em LiNbO3, seguido de recozimento ("annealing").

Neste trabalho, foram fabricados guias de onda ARROW (Anti-Resonant Reflecting optical waveguides), através da utilização de filmes finos, de materiais amorfos, obtidos pelas técnicas de Deposição Química a vapor assistida por plasma (PECVD) e Sputtering. Pelo fato de o funcionamento destes guias ser bastante dependente da geometria e das propriedades ópticas dos materiais, foram realizadas simulações utilizando o Método de Matrizes de Transferência (TMM) e o Método de Diferenças Finitas com Reticulado Não Uniforme (NU-FDM) para a determinação dos parâmetros geométricos destas estruturas. Na fabricação, foram utilizados filmes de oxinitreto de silício (SiOxNy) e carbeto de silício amorfo hidrogenado (a-SiC:H), depositados por PECVD, à temperatura de 320°C, e filmes de TiOx depositados por Sputtering, para a fabricação das camadas que compõem os guias de onda. Os filmes de a-SiC:H e TiOx foram utilizados como primeira camada anti-ressonante, possuindo espessuras de 0,322 µm e 86,3 nm, respectivamente. A definição das paredes laterais dessas estruturas foi feita através da Corrosão por Plasma Reativo (RIE) utilizando técnicas fotolitográficas convencionais. Os guias de onda ARROW foram caracterizados em termos de perdas por propagação, para o comprimento de onda de 633 nm, utilizando a técnica de clivagem e a técnica de vista superior. As perdas em função do comprimento de onda para a faixa que vai desde o ultravioleta até o infravermelho próximo (200 nm a 1100 nm) também foram medidas utilizando fonte de luz branca, monocromador e medidor de potência óptica. Além disso, a análise modal dos guias de onda foi feita através de imagens obtidas através de uma objetiva de microscópio e de uma câmera CCD (Charge Coupled Device). Os resultados mostram que é possível obter guias monomodo, com baixas atenuações, tendo se conseguido valores entre 0,8 e 3 dB/cm, para o comprimento de onda de 633 nm. Isso possibilita, no futuro, a fabricação de diversos dispositivos, como sensores interferométricos, sensores químicos baseados em absorção óptica, redes de Bragg, entre outros. / In this work, Anti-Resonant Reflecting Optical Waveguides (ARROW) were fabricated using thin amorphous films, obtained by Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) and Sputtering techniques. Since these waveguides are highly dependent on its geometry and on the optical properties of the materials used, simulations using the Transfer Matrix Method (TMM), and the Non-Uniform Finite Difference Method (NU-FDM), were necessary, for the determination of the geometric parameters of these structures. Silicon oxynitride films (SiOxNy), amorphous hydrogenated silicon carbide films (a-SiC:H), both deposited at a temperature of 320°C, and TiOx films, deposited by Sputtering technique, were used in the fabrication of the layers of the waveguides. The a-SiC:H and the TiOx films were used as first ARROW layer, having thicknesses of 0,322 µm and 86,3 nm, respectively. Also, the definition of the sidewalls of the waveguide was achieved using Reactive Ion Etching (RIE) and conventional lithographic techniques. The waveguides were characterized in terms of propagation losses, for working wavelength of 633 nm, by using the cut-back and the top view techniques. The losses as a function of working wavelength, for the ultraviolet, visible and near infrared regions (200 nm to 1100 nm), were also measured using a white light source, a monocromator and an optical power meter. Furthermore, modal analysis was achieved by using images captured by a Charge Coupled Device (CCD) camera, using a microscope objetctive. Results proved the possibility of obtaining single-mode waveguides with relatively low losses, with values around 0.8 and 3 dB/cm, for working wavelength of 633 nm. This are promising results which indicate the possibility of using these waveguides for the fabrication of many devices such as interferometric sensors, chemical sensors based on optical absorption, Bragg gratings, among others.

Neste trabalho, apresentamos um novo processo de fabricação para a obtenção de canaletas em V em substratos de silício monocristalino (100) para um acoplamento óptico utilizando siliceto de níquel como material de máscara. O filme de siliceto de níquel (10nm de espessura para 200 nm de nickel) foi obtido por processos de evaporação térmica e posterior recozimento a baixas temperaturas ( 200 e 250°C). As canaletas em V (com profundidade de 60 mm) foram fabricadas através do processo de corrosão anisotrópica, utilizando uma solução de KOH (27%-60°C). Durante este processo, a taxa de corrosão do substrato de silício pela solução de KOH foi estimada como sendo 33.1 micrômetros/h. A composição da camada de siliceto de níquel obtida foi investigada utilizando a técnica RBS, que nos forneceu a estequiometria Ni2Si. A rugosidade de filmes de níquel e de Ni2Si foi medida pela técnica AFM. Uma análise SEM foi feita com as canaletas e guias de onda obtidos. Após o processamento das canaletas em V, elas foram alinhadas com um guia de onda simples de teste para um futuro acoplamento óptico. / In this work, we present a new fabrication process to obtain V-grooves on monocrystaline silicon substrates (100) for optical coupling using nickel silicides as mask material. The nickel silicide film 10 nm thick for 200 nm of nickel thick) was obtained using thermal evaporation and annealing processes at low temperatures (200 and 250°C) as mask for alkaline solutions. Vgrooves (60 mm deep) were fabricated by anisotropic etching process, using a KOH (27%-60°) solution. During this process, the etch rate of the silicon substrate by the KOH solution was measured as 33.1 micrometers/h. The composition of the obtained nickel silicide layer was investigated using RBS technique, which supplied us the stoichiometric Ni2Si. The roughness of nickel and Ni2Si layers was measured by AFM technique. A SEM analysis was made with the obtained Vgrooves and waveguides. After processing the V-grooves, they were aligned with a simple waveguide for a future optical coupling.

A análise de um sensor óptico de pressão foi realizada neste trabalho. O sensor baseia-se no deslocamento de um diafragma composto por camadas de silício, dióxido de silício e vidro. O deslocamento do diafragma causa a alteração do índice de refração do guia óptico do ramo sensor de um interferômetro de Mach-Zehnder, formado por guias do tipo \"rib\" na camada de vidro. A diferença de fase entre os sinais ópticos dos ramos sensor e de referência causa variação da intensidade luminosa na saída deste interferômetro. A simulação do deslocamento do diafragma foi feita empregando-se o Método das Diferenças Finitas, que também foi, utilizado no cálculo da alteração do índice de refração no guia óptico. O diafragma de três camadas foi substituído, nos cálculos, por outro composto de uma camada equivalente. A análise da propagação da luz no guia tipo \"rib\" foi feita por intermédio do Método do Índice Efetivo. Para a distribuição dos campos elétrico (para o modo TE) e magnético (para o modo TM) admitiu-se uma variação gaussiana na direção y, e a formulação clássica para um guia planar assimétrico, na direção x. O resultado final deste trabalho apresentou melhor aproximação com os dados experimentais do trabalho realizado por OHKAWA [23] do que a própria previsão teórica daquele. São apresentados gráficos do deslocamento do diafragma em função da pressão aplicada, da variação do índice de refração do guia do ramo sensor em função das dimensões geométricas do guia, da distribuição da componente de campo elétrico no guia óptico em função das suas dimensões geométricas, da defasagem entre os sinais dos ramos sensor e de referência em função da pressão aplicada e da pressão de meia-onda em função do comprimento do diafragma. / An integrated optical pressure sensor was analysed in this work. The sensor is based on the deflection of a multilayered diaphragm and operates as a Mach-Zehnder interferometer. A pressure difference between the upper and lower faces of the diaphragm induces a strain and produces a refractive index change in the sensor arm of the interferometer. As a consequence, a phase-shift is established between both arms of the sensor and light intensity modulation is observed at the device output. The Finite Difference Method was used in order to calculate the diaphragm deflection and the refractive index change. In the formulation the multilayered diaphragm was replaced by a single-layered one, with an equivalent bending rigidity. The light propagation in the rib-type waveguide sensor arm was analysed by the Effective lndex Method. A gaussian variation was assumed for the y-component of the electric (TE mode) and magnetic (TM mode) field distributions. In the x-direction the classical formulation was used. Results for the diaphragm deflection dependence on the applied pressure, the refractive index change as a function of the device geometry, phase shift versus applied pressure, as well as halfwave pressure as a function of diaphragm lenght are presented. The final model yield a better agreement to experimental data than the formulations previously available in the literature.

Este trabalho apresenta uma análise de natureza teórica de um dispositivo RF-Photonic denominado de Oscilador de Microondas Optoeletrônico. Este dispositivo, realizado utilizando-se conceitos de óptica integrada, converte a energia contínua de uma fonte laser em sinais na faixa espectral de Microondas ou de Rádio Freqüência (RF). Os sinais gerados por este oscilador são considerados mais estáveis e espectralmente puros do que aqueles gerados pelos tradicionais osciladores eletrônicos que utilizam o cristal de quartzo como seu meio ressonante. Este oscilador, referido pelo acrônimo de OEO, consiste de uma fonte laser e um circuito de realimentação constituído por um modulador eletroóptico de amplitude, uma linha de atraso a fibra óptica, um fotodetector, um amplificador e um filtro. Neste trabalho, abordam-se dispositivos optoeletrônicos nos quais as características de sinais ópticos são controladas por sinais de microondas, por meio do efeito eletroóptico. Desenvolve-se uma análise detalhada do interferômetro de tipo Mach-Zehnder, o qual é utilizado para implementar o modulador eletroóptico existente no OEO. Faz-se um desenvolvimento completo e detalhado de um enlace óptico analógico com a finalidade de constituir uma sólida base teórica. Emprega-se uma teoria quase linear para analisar o limiar de oscilação e determinar os valores de amplitude e freqüência de oscilação do OEO. Apresenta-se uma configuração em malha dupla, a qual resolve a dificuldade na implementação de filtros de RF altamente seletivos, requeridos pelo OEO.

No presente trabalho foi realizado um estudo da viabilidade de integrar dois dispositivos ópticos: micro-lâmpadas incandescentes e filtros interferenciais com o objetivo de construir um dispositivo único com características próprias. A fabricação destes dispositivos ópticos foi feita utilizando materiais dielétricos, obtidos por deposição química a vapor assistida por plasma (PECVD), e usando técnicas convencionais de microeletrônica desenvolvidas neste laboratório. São apresentadas simulações numéricas, processo de fabricação e caracterização de cada um dos dois dispositivos ópticos assim como a caracterização do dispositivo óptico integrado obtido. As micro-lâmpadas incandescentes foram fabricadas a partir de um filamento de cromo, isolado do meio ambiente por duas camadas dielétricas de oxinitreto de silício, sendo alimentado eletricamente com uma tensão contínua com a finalidade de aumentar a temperatura do filamento até atingir a incandescência. Com a finalidade de reduzir a dissipação térmica nessa região, o filamento foi projetado e construído para ficar suspenso através de uma corrosão anisotrópica parcial do substrato de silício. Por outro lado, os filtros interferenciais foram fabricados sobre substratos de vidro a partir de uma série de camadas depositadas por PECVD alternadas de Si3N4 e SiO2, com espessuras de 240 e 340 nm e índices de refração de 1.91 e 1.46 respectivamente, com a finalidade de produzir picos de atenuação na transmitância da luz na região do visível do espectro eletromagnético. Foram construídos filtros com 9, 11 e 13 camadas. Os resultados deste trabalho mostraram que é possível realizar a integração eficiente destes dois dispositivos ópticos para produzir uma fonte luminosa que permite a filtragem de uma determinada faixa de comprimentos de onda. Foi demonstrado também que tanto a largura da faixa, como a região de filtragem, podem ser controladas através do índice de refração, espessuras e número de camadas constituintes do filtro interferencial. Os resultados das simulações numéricas mostraram-se bastante coerentes com os resultados experimentais obtidos. / In the present work was realized a study of the viability of integrating two optical devices: incandescent micro-lamps and interferometric filters with the intention of obtaining a single device with specific characteristics. The fabrication of these optical devices was made using dielectric materials, obtained by plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD), and using conventional microelectronics techniques developed at this laboratory. Numeric simulations, fabrication process and characterization of each one of the two optical devices as well as the characterization of the obtained integrated optical device are presented. The incandescent microlamps were fabricated from a chromium filament, isolated from the environment by two dielectric silicon oxynitride layers, which is powered electrically with a continuous voltage with the purpose of increasing the temperature of the filament to reach the incandescence. With the purpose of reducing the thermal dissipation in that area, the filament was designed and fabricated to be suspended through a partial anisotropic etch of the silicon substrate. On the other hand, the interferometric filters were fabricated on glass substrates starting from a series of alternate Si3N4 and SiO2 layers deposited by PECVD, with thickness of 240 and 340 nm and refraction indexes of 1.91 and 1.46 respectively, with the purpose of producing light transmittance attenuation peaks in the visible region of the electromagnetic spectrum. Filters were fabricated with 9, 11 and 13 layers. The results of this work showed that it is possible to develop the efficient integration of these two optical devices to produce a luminous source that it allows the filtering of a certain range of wavelengths. It was also demonstrated that, the bandwidth as well as the filtering area, can be controlled through the refraction index, thickness and number of constituent layers of the interferometric filter. The results of the numeric simulations showed to be quite coherent with the obtained experimental results.