Este trabalho visa o projeto, modelagem e fabricação de estruturas multicamadas baseadas em polímeros para aplicações como sensores ópticos integrados. A grande motivação para este trabalho está no fato de que estas estruturas, diferente da geometria Mach-Zehnder, dispensam o uso de litografia pois são completamente planares. Isto permite uma diminuição no custo de fabricação dos dispositivos além de permitir que estruturas mais curtas sejam utilizadas. Em se tratando de óptica integrada, as dimensões reduzidas da estrutura impõem severas penalidades no processo de lançamento de potência óptica na mesma. Por isso, será considerada neste estudo a utilização de prismas para o acoplamento de entrada do acoplador. Esta técnica, além de reduzir drasticamente os problemas de alinhamento decorrentes de acoplamento convencional do tipo \"End Fire\", permite uma transferência de potência óptica superior a 80% entre a fibra e o guia retangular. As variações na transferência de potência entre os guias de ondas da estrutura multicamada serão medidas através de um fotodetetor MSM integrado ao sensor. Este detetor, além de sua extrema facilidade de fabricação e baixos custos, torna o conjunto sensor mais robusto. Em se tratando de uma proposta de plataforma para sensores, serão também investigadas possíveis aplicações para esta estrutura, como por exemplo: refratômetro integrado, sensor de glicose, sensor de adulteração de combustível, etc. A análise das estruturas será efetuada por meio de técnicas de modelagem analíticas (Técnica da Matriz de Transferência - TMT e Teoria de Modos Acoplados - TMA), e numéricas (Método da Propagação de Feixe de Ângulo Largo formulado em Diferenças Finitas - WA-FD-BPM). Esta última permite que a estrutura do fotodetetor seja levada em consideração simultaneamente nas simulações. / This work concerns with design, modeling and fabrication of polymer based planar multilayer structures for integrated optic sensor applications. The motivation for this work is that planar multilayer structures, differently from the Mach-Zehnder geometry, do not require a lithographic process. As a consequence, significantly cheaper and shorter structures can be realized. The reduced dimensions of the structure, by its turn, pose a severe penalty in terms of optical power coupling. Therefore, this investigation will focus primarily on input (and output) prism coupling configuration. This technique, besides reducing the alignment requirements observed for conventional end-fire coupling, allows optical power coupling efficiency as high as 80% from fiber to rectangular waveguide. Any optical power transfer between the waveguides of the multilayer structure will be detected by an MSM photodetector integrated with the sensor. This low cost photodetector, besides improving the structure robustness, is quite ease to fabricate. Since the idea of this work is to develop a platform for integrated optic sensors, it will also be investigated possible applications for this structure, such as: integrated optic refractometer, glucose sensor and fuel adulteration sensor. The analysis of such structures will be carried out by means of analythical (Transfer Matrix Technique-TMT and Coupled Mode Theory-CMT) and numerical (Wide-Angle Finite Difference Beam Propagation Method-WA-FD-BPM) modeling techniques. The WA-FD-BPM technique allows one to simulate the multilayer waveguide and the MSM photodetector simultaneously.

As redes ópticas de comunicação têm possibilitado, cada vez mais, o oferecimento de serviços do tipo faixa larga. A rede de comunicação totalmente óptica está se tornando a meta tecnológica mais ambiciosa. Grandes esforços têm sido concentrados no desenvolvimento e aperfeiçoamento de materiais e dispositivos não-recíprocos, como isoladores e circuladores constituem uma importante classe de dispositivos ópticos. Os isoladores são utilizados em sistemas ópticos para prevenir a reflexão de luz em lasers e amplificadores. Os circuladores são empregados em esquemas de derivação de sinais que utilizam multiplexação em comprimento de onda (WDM). O funcionamento destes dispositivos é baseado nas propriedades de materiais magnetoópticos. As metas desta dissertação são apresentar as principais características dos materiais magnetoópticos, explorando as características não-recíprocas dos modos TM. Guias planares e tridimensionais são analisados neste trabalho. Para tanto, são obtidas as expressões das componentes dos campos e as equações características dos modos de interesse em estruturas planares por meio da técnica de matriz de transferência (TMT). A análise de propagação de onda em guias planares com materiais magnetoópticos é feita por meio de simulação numérica empregando o método de propagação de feixe (BPM) baseado em diferenças finitas (FD) e o esquema de Crank-Nicholson (CN) na discretização da solução da equação de onda. A condição de fronteira transparente (TBC) é incorporada ao algoritmo FD-BPM com a finalidade de se evitar reflexões de ondas eletromagnéticas para dentro da janela computacional. O método do índice efetivo é empregado na análise de guias de onda tridimensionais do tipo rib. / Optical communication networks have allowed a continuous increase of broadband services offer. The all-optical communication networks are becoming the most ambitious technological goal. Great efforts have been concentrated on the materiaIs and devices development and improvement to make it possible. Nonreciprocal devices, such as isolators and circulators constitute an important class of optical devices. Isolators are used in optical systems to avoid reflection of light in lasers and amplifiers. Circulators are used in signal derivation schemes that use wavelength division multiplexing (WDM). The operation of these devices is based on the properties of magnetooptic materiaIs. The purposes of this dissertation are to present the main features of the magnetooptic materiaIs as well as to analyze the eletromagnetic wave propagation in magnetooptic waveguides, exploring nonreciprocal features of TM modes. Planar and three-dimensional waveguides are analysed in this present study. Therefore expressions of electromagnetic field components and characteristic equations of the modes of interest in planar structures are obtained by using transfer matrix technique (TMT). The wave propagation analysis in planar magnetooptic waveguides is realized by using the finite-difference beam propagation method (FD-BPM) and Crank-Nicholson scheme (CN) applied to wave equation solution discretization. In order to avoid electromagnetic wave reflection into computational window, the transparent boundary condition (TBC) is incorporated to the FD-BPM formalism. The effective index method (EIM) is used in the analysis of three-dimensional rib magnetooptic waveguides.

As redes ópticas de comunicação têm possibilitado, cada vez mais, o oferecimento de serviços do tipo faixa larga. A rede de comunicação totalmente óptica está se tornando a meta tecnológica mais ambiciosa. Grandes esforços têm sido concentrados no desenvolvimento e aperfeiçoamento de materiais e dispositivos não-recíprocos, como isoladores e circuladores constituem uma importante classe de dispositivos ópticos. Os isoladores são utilizados em sistemas ópticos para prevenir a reflexão de luz em lasers e amplificadores. Os circuladores são empregados em esquemas de derivação de sinais que utilizam multiplexação em comprimento de onda (WDM). O funcionamento destes dispositivos é baseado nas propriedades de materiais magnetoópticos. As metas desta dissertação são apresentar as principais características dos materiais magnetoópticos, explorando as características não-recíprocas dos modos TM. Guias planares e tridimensionais são analisados neste trabalho. Para tanto, são obtidas as expressões das componentes dos campos e as equações características dos modos de interesse em estruturas planares por meio da técnica de matriz de transferência (TMT). A análise de propagação de onda em guias planares com materiais magnetoópticos é feita por meio de simulação numérica empregando o método de propagação de feixe (BPM) baseado em diferenças finitas (FD) e o esquema de Crank-Nicholson (CN) na discretização da solução da equação de onda. A condição de fronteira transparente (TBC) é incorporada ao algoritmo FD-BPM com a finalidade de se evitar reflexões de ondas eletromagnéticas para dentro da janela computacional. O método do índice efetivo é empregado na análise de guias de onda tridimensionais do tipo rib. / Optical communication networks have allowed a continuous increase of broadband services offer. The all-optical communication networks are becoming the most ambitious technological goal. Great efforts have been concentrated on the materiaIs and devices development and improvement to make it possible. Nonreciprocal devices, such as isolators and circulators constitute an important class of optical devices. Isolators are used in optical systems to avoid reflection of light in lasers and amplifiers. Circulators are used in signal derivation schemes that use wavelength division multiplexing (WDM). The operation of these devices is based on the properties of magnetooptic materiaIs. The purposes of this dissertation are to present the main features of the magnetooptic materiaIs as well as to analyze the eletromagnetic wave propagation in magnetooptic waveguides, exploring nonreciprocal features of TM modes. Planar and three-dimensional waveguides are analysed in this present study. Therefore expressions of electromagnetic field components and characteristic equations of the modes of interest in planar structures are obtained by using transfer matrix technique (TMT). The wave propagation analysis in planar magnetooptic waveguides is realized by using the finite-difference beam propagation method (FD-BPM) and Crank-Nicholson scheme (CN) applied to wave equation solution discretization. In order to avoid electromagnetic wave reflection into computational window, the transparent boundary condition (TBC) is incorporated to the FD-BPM formalism. The effective index method (EIM) is used in the analysis of three-dimensional rib magnetooptic waveguides.

Este trabalho visa o projeto, modelagem e fabricação de estruturas multicamadas baseadas em polímeros para aplicações como sensores ópticos integrados. A grande motivação para este trabalho está no fato de que estas estruturas, diferente da geometria Mach-Zehnder, dispensam o uso de litografia pois são completamente planares. Isto permite uma diminuição no custo de fabricação dos dispositivos além de permitir que estruturas mais curtas sejam utilizadas. Em se tratando de óptica integrada, as dimensões reduzidas da estrutura impõem severas penalidades no processo de lançamento de potência óptica na mesma. Por isso, será considerada neste estudo a utilização de prismas para o acoplamento de entrada do acoplador. Esta técnica, além de reduzir drasticamente os problemas de alinhamento decorrentes de acoplamento convencional do tipo \"End Fire\", permite uma transferência de potência óptica superior a 80% entre a fibra e o guia retangular. As variações na transferência de potência entre os guias de ondas da estrutura multicamada serão medidas através de um fotodetetor MSM integrado ao sensor. Este detetor, além de sua extrema facilidade de fabricação e baixos custos, torna o conjunto sensor mais robusto. Em se tratando de uma proposta de plataforma para sensores, serão também investigadas possíveis aplicações para esta estrutura, como por exemplo: refratômetro integrado, sensor de glicose, sensor de adulteração de combustível, etc. A análise das estruturas será efetuada por meio de técnicas de modelagem analíticas (Técnica da Matriz de Transferência - TMT e Teoria de Modos Acoplados - TMA), e numéricas (Método da Propagação de Feixe de Ângulo Largo formulado em Diferenças Finitas - WA-FD-BPM). Esta última permite que a estrutura do fotodetetor seja levada em consideração simultaneamente nas simulações. / This work concerns with design, modeling and fabrication of polymer based planar multilayer structures for integrated optic sensor applications. The motivation for this work is that planar multilayer structures, differently from the Mach-Zehnder geometry, do not require a lithographic process. As a consequence, significantly cheaper and shorter structures can be realized. The reduced dimensions of the structure, by its turn, pose a severe penalty in terms of optical power coupling. Therefore, this investigation will focus primarily on input (and output) prism coupling configuration. This technique, besides reducing the alignment requirements observed for conventional end-fire coupling, allows optical power coupling efficiency as high as 80% from fiber to rectangular waveguide. Any optical power transfer between the waveguides of the multilayer structure will be detected by an MSM photodetector integrated with the sensor. This low cost photodetector, besides improving the structure robustness, is quite ease to fabricate. Since the idea of this work is to develop a platform for integrated optic sensors, it will also be investigated possible applications for this structure, such as: integrated optic refractometer, glucose sensor and fuel adulteration sensor. The analysis of such structures will be carried out by means of analythical (Transfer Matrix Technique-TMT and Coupled Mode Theory-CMT) and numerical (Wide-Angle Finite Difference Beam Propagation Method-WA-FD-BPM) modeling techniques. The WA-FD-BPM technique allows one to simulate the multilayer waveguide and the MSM photodetector simultaneously.