Modelamento de guia de onda ultracompacto de baixa perda baseado em cristal fotônico com configuração em espiral e serpentina

• Autor(a) principal: Renan Matheus Soares da Silva
• Data de Publicação: 2023
• Tipo de documento: Dissertação
• Idioma: por
• Título da fonte: Repositório Institucional da UFMG
• Texto Completo: http://hdl.handle.net/1843/61140
• topic: Cristal fotônico; Guia de onda; Fotônica; Baixa perda; Ultracompacto; Engenharia elétrica; Telecomunicações - Inovações tecnológicas; Guias de ondas; Fibras óticas; Cristalografia ótica; Fotônicos

O modelamento de guias de onda que requerem longo comprimento de interação é comumente demandado no campo da fotônica para diferentes aplicações. Este requisito pode exigir a diminuição das dimensões do dispositivo, que depende do processo de compactação do guia de onda em função de seu comprimento. Para isso, é usual a implementação de curvaturas no guia de onda. Em cristal fotônico (CF), alta perda na saída é comum quando curvaturas são implementadas no guia de onda. Este fenômeno é devido à reflexão indesejada, espalhamento e retropropagação. Assim, é incomum o desenvolvimento de guias de onda com longo comprimento em cristal fotônico devido à dificuldade de implementação das curvaturas no canal. O objetivo deste trabalho é o projeto de guias de ondas ultracompactos de baixa perda (< 1%) com comprimento de aproximadamente 1 , implementados em cristal fotônico. O estudo é composto por cristal fotônico formado por silício no substrato e cavidades de ar dispostas em rede triangular, com propagação da luz no comprimento de onda igual 1550 . A geração das estruturas através do Gap de Banda Fotônica (Photonic Band Gap – PBG) se deu pelo método de Expansão de Onda Plana (Plane Wave Expansion – PWM), a largura de corte do guia de onda pelo Automodo de Diferenças Finitas (Finite-Difference Eigenmode – FDE) e os cálculos da transmissão pelo método de Diferenças Finitas no Domínio do Tempo (Finite-Difference Time-Domain – FDTD). Inicialmente é proposto a geração das estruturas de cristal fotônico, respeitando parâmetros, como comprimento de onda de trabalho, materiais, distribuição das cavidades, largura de corte do guia de onda e as PBG calculadas. Para essas estruturas, calcula-se o perfil de transmissão de um guia de onda reto e posteriormente, com curvaturas implementadas. Com base nestes perfis, inicia-se o processo de modelamento do dispositivo. Primeiramente, através de supercavidades nas curvaturas para aumentar a transmissão média do guia de onda. Posteriormente, é apresentado o estudo da distância entre guias de onda paralelos, de modo a evitar perdas por acoplamento óptico. Dois métodos são apresentados para redução da área de ocupação do guia de onda através da configuração em espiral e serpentina com base nos resultados de modelamento. Uma forma de redução da largura do guia de ondas também será proposta. Simulações finais provam a possibilidade de projetar guias de onda com aproximadamente 1 de comprimento e baixa perda (<1%) em cristal fotônico, considerando os requisitos construtivos. Por fim, através dos métodos de compactação, foram modelados os guias de onda ultracompactos em configuração de espiral e serpentina para obtenção dos cristais fotônicos com dimensões de ~210184 (μ) e ~255188 (μ), respectivamente. Este trabalho contribui diretamente para novas pesquisas que envolvam aplicações que requerem dispositivos formados por guia de onda de comprimento longo e baixa perda implementado em cristal fotônico, necessidade de acoplar dois dispositivos em chip utilizando guias de onda com curvatura e aplicações diversas, como amplificadores paramétricos, componentes utilizando multiplexação de comprimento de onda densa, regeneradores ópticos e construção de linhas de atraso de tempo real.