PT664894E

PT664894E - Melhoramentos da nao linearidade de um guia de ondas optico

Info

Publication number: PT664894E
Application number: PT94924436T
Authority: PT
Inventors: Walter Margulis; Anne Ingrid Birgitta Lidgard
Original assignee: Ericsson Telefon Ab L M
Priority date: 1993-08-13
Filing date: 1994-08-15
Publication date: 2001-04-30
Also published as: SE9302634L; WO1995005617A1; DE69426190D1; SE514675C2; CN1113394A; JP3718523B2; EP0664894B1; CN1047238C; GR3034673T3; AU690574B2; KR950703748A; AU7470194A; JPH08502607A; DK0664894T3; SE9302634D0; ES2151931T3; DE69426190T2; ATE197194T1; EP0664894A1; US5642453A

Description

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DESCRICÃO “Melhoramentos da não linearidade de um guia de ondas óptico”

Campo do Invento O presente invento refere-se a um dispositivo óptico, que utiliza efeitos ópticos lineares.

Antecedentes do Invento

As fibras ópticas de vidro são um meio de guia de ondas barato, que pode ser explorado para aplicações de óptica não linear. O quartzo fundido tem porém um coeficiente não linear pequeno, quando comparado com materiais como os semicondutores. Este facto tem limitado consideravelmente a utilização de fibras ópticas em aplicações como a comutação óptica, porque a potência óptica do sinal de controlo tem de ser elevada a fim de provocar uma mudança apreciável das propriedades da fibra, ver “All-optical Waveguide Switching”, G.l. Stegeman, E.M. Wright, Optical and Quantum Electronics 22 (1990), págs. 95 a 122. Isto levou à utilização de componentes discretos à base de LiNb03, GaAs e outros, ver “Integrated Optics in LiNb03: Recent Developments in Devices for Telecommunications”, L. Thylén, Journal of Lightwave Tech., 6 (1988) págs. 847 a 861, “Integrated Optic Devices Based on Nonlinear Optical Polymers”, E.V. Tomme, P.P. van Daele, R. G. Baets, P. E. Lagasse, IEEE Journal of Quantum Electronics vol. 27, Março de 1991 e “Physical Concepts of Materials for Novel Optoelectronic Device Applications II; Device Physics and Applications”, Proceedings SPIE 1362 (1990), e à busca de fibras ópticas com não linearidade mais elevada, tal como a atingida com vidros dopados com semicondutores, ver Optical Nonlinearity and Applications of semiconductor-doped Glass Fiber", D. Cotter, B.J. Ainslie, M.G. Burt, S.T. Davey, R.J. Manning”, Proceedings CLEO’91, CTuE7, pág. 92, e “Efficient non-linear optical fibers and their application”, S. Sudo, H. Itoh, Optical and Quantum Electronics 22 (1990) págs. 187-212, mas são difíceis de fabricar. Por outro lado, acompanhando o desenvolvimento das comunicações ópticas, existe a necessidade de um acoplador controlado por luz à base de fibras simples. Com um tal dispositivo podia ser possível derivar uma parte ajustável do sinal transmitido numa fibra para um ou mais canais numa rede de transmissão. Um acoplador óptico não linear à base de fibras pode ter também importantes

85 389 ΕΡ Ο 664 894/ΡΤ 2 aplicações em portais lógicos e transístores ópticos, em que um sinal fraco controlaria a comutação de uma sinal de potência mais elevada.

Os recentes desenvolvimentos tecnológicos levaram ao fabrico de fibras de vidro com geometria não cilíndrica e, em particular, às denominadas fibras de conformação em D, ver “Fabrication and Characterization of D-fibers with a Range of Accurately Controlled Core/Flat Distances”, Electronics Letters 22. Março de 1986. Ai, a luz é guiada como numa fibra convencional, mas o campo electromagnético prolonga-se ao longo de toda a distância até a interface vidro-ar. Isto oferece uma oportunidade única para fazer a luz interactuar através do campo evanescente com qualquer material depositado sobre a superfície plana da fibra em forma de D. Uma vez que esta interacção ocorre longitudinalmente ao longo da fibra, esta é uma geometria particularmente favorável que pode ser explorada em óptica não linear.

Na patente US 4 557 551 de Dyott é descrito um acoplador não linear de fibras óptica, que tem duas fibras ópticas de polarização-manutenção com secções transversais elípticas localizadas paralelamente em lados opostos de uma estrutura central. Esta estrutura central tem uma secção transversal em forma de lente, que é formada por duas secções de arco dispostas em oposição. A espessura central desta estrutura do meio é uma poucas vezes maior que os diâmetros das fibras e muitas vezes os diâmetros dos núcleos das fibras. Também são utilizadas estruturas de suporte para manutenção das fibras nas configurações desejadas. A estrutura média é um único cristal de um material electro-óptico, que tem uma estrutura cristalina sem simetria central. Os materiais mencionados são materiais de tipo orgânico que são isoladores eléctricos. O efeito físico utilizado baseia-se no efeito electro-óptico, sendo o índice de refracção do material alterado por interacção do campo eléctrico com uma onda luminosa que chega, a onda de bombagem.

No pedido de patente europeia EP-A2 0 164 212 do Conselho de Administração da Universidade de Leland Stanford Júnior está descrito um absorvedor saturável de fibras ópticas. Retira-se uma porção da camisa de uma fibra óptica, polindo uma fibra ligeiramente curvada ao longo de um plano. Uma substância absorvedora de luz, que tem características não lineares de absorção da luz, em particular um corante, é aplicada à superfície polida para fazer com que a luz, que se propaga na fibra, seja absorvida de uma maneira controlada. 3 85 389 ΕΡ Ο 664 894/ΡΤ

No correlacionador de fibras ópticas descrito na patente US 4 924 223 é utilizada uma fibra em forma de D, que está em contacto, na sua superfície plana, com um material que sem simetria central, a tim de obter uma duplicação da frequência. São ligados díodos de laser às extremidades opostas da fibra, que injectam luz do mesmo comprimento de onda na fibra em forma de D. A luz emitida pela camada é recolhida para encontrar a correlação dos sinais provenientes dos díodos de laser.

Num dispositivo óptico, descrito no pedido de patente europeia EP-A1 0 254 509, uma fibra óptica em forma de D pode ser munida de uma camada sobre a superfície plana, sendo a camada de um material, que tem um índice de refracção que varia com a intensidade óptica. A superfície livre da camada é iluminada por feixes de luz coerente, para formar uma onda “estacionária”, com um índice de refracção modulado na camada que resulta num retículo de índice modulado.

Sumário do Invento

De acordo com o invento, como indicado na reivindicação 1, é proporcionado um dispositivo que combina as grandes não linearidades dos materiais semicondutores com as qualidades de guia das fibras ópticas. Tal dispositivo pode ser utilizado como um acoplador óptico não linear à base de fibras que é controlado por um sinal de luz relatívamente fraco. O mesmo dispositivo pode ser utilizado como um laser e num certo número de outras aplicações.

Assim, em geral, o invento refere-se a um dispositivo óptico que compreende um guia de ondas que tem um núcleo, estando disposta uma camada, a qual tem uma espessura uniforme e está situada paralelamente ao núcleo e a uma distância uniforme do mesmo. A distância é tal que o campo electromagnético evanescente da luz propagada ao longo do guia de ondas, prolonga-se para dentro da camada. A fim de influenciar a onda de luz, o material da camada é escolhido de modo a ter propriedades ópticas não lineares. O guia de ondas é, de preferência, dimensionado para propagação da luz com apenas um comprimento de onda, isto é, é monomodal.

De preferência, o material da camada é opticamente homogéneo ou centralmente simétrico. O mesmo pode ter um índice de refracção para a luz de um

85 389 ΕΡ Ο 664 894/ΡΤ 4 primeiro género, que tem um primeiro comprimento de onda considerado, emitida por uma primeira fonte de luz e que adequada para propagação ao longo do guia de ondas, em que o valor do índice de refracçâo depende, em particular, para os comprimentos de onda próximos do primeiro comprimento de onda da luz do primeiro género, da luz de um segundo género, a qual de alguma maneira está disposta para interactuar com o material, é emitida por uma segunda fonte de luz, e tem um segundo comprimento de onda, a qual é diferente do da primeira luz, isto é, o índice de refracçâo do material para comprimentos de onda próximos do primeiro comprimento varia significativamente, quando há uma alteração na segunda luz. Em particular, o valor do índice de refracçâo pode depender da intensidade da luz do segundo género. O material é um semicondutor com um intervalo energético entre bandas. Depois, como anteriormente, a primeira luz pode ser propagada ao longo do guia de ondas e a segunda luz pode ser disposta para interactuar com o material semicondutor na camada. Neste caso, o segundo comprimento de onda corresponde a um valor de energia que excede largamente o intervalo energético entre bandas, de modo que os fotões da segunda luz são absorvidos pelo material, criando um par de vazios electrónicos. O primeiro comprimento de onda é então seleccionado de modo a ter um valor que corresponde a um valor de energia significativamente inferior ao do intervalo energético entre as bandas, de modo que essencialmente não são criados pares de vazios electrónicos por absorção da primeira luz.

Para o dimensionamento do dispositivo, pode ser mencionado que a distância da camada para o núcleo do guia de ondas, pode ser menor que o diâmetro do núcleo, para satisfazer a condição do campo evanescente, que se prolonga para dentro da camada. A espessura da camada é geralmente pequena, para permitir uma boa aderência ao guia de ondas e pode, em particular, ser uma pequena fracção do diâmetro do núcleo do guia de ondas, em particular, da ordem de 1/8 a 1/80 do mesmo, e mais preferivelmente da ordem de 1/16 a 1/80 do mesmo.

Numa concretização, o guia de ondas compreende uma primeira fibra óptica em forma de D, a qual, como é convencional, tem uma superfície curva correspondente a uma porção da superfície de um cilindro circular, normal e substancialmente uma superfície semicilíndrica e uma superfície plana. A superfície

85 389 ΕΡ Ο 664 894/ΡΤ 5 plana deve então estar localizada paralelamente ao núcleo da fibra em forma de D e a uma pequena distância do núcleo e a camada deve então estar disposta sobre a superfície plana.

Num dispositivo interferométrico, pode estar disposto um acoplador óptico, o qual, como é convencional, tem uns primeiro e segundo acessos paralelos num primeiro lado e primeiro e segundo acessos num segundo lado. Os primeiros acessos podem ser unidos por um guia de ondas e uma primeira fonte de luz proporciona luz de sinal a um dos primeiros acessos. A camada deve então ser disposta num segmento do guia de ondas de junção, a fim de controlar a luz de sinal. Por conseguinte, pode ser disposta uma segunda fonte de luz, que proporciona luz de controlo e dirige a mesma para interactuar com o material da camada. A segunda fonte de luz, numa primeira alternativa, é disposta para dirigir a luz de controlo directamente para uma superfície livre da camada. Numa segunda alternativa, a segunda fonte de luz está disposta para, em vez disso, proporcionara luz de controlo a um dos segundos acessos do acoplador. Um dispositivo de retardo de fase é então disposto vantajosamente no guia de ondas de junção e o mesmo retarda a luz, derivada da luz de sinal, a fim de permitir que a luz de controlo trabalhe de um modo ligar/desligar, controlando a luz de sinal para um ou outro dos acessos no outro lado do acoplador. O dispositivo construído com uma fibra em forma de D revestida pode, para algumas utilizações, ser completado por uma segunda fibra óptica em forma de D que tem também uma superfície substancialmente semicilíndrica e uma superfície plana, por exemplo, do mesmo género da primeira. A superfície plana da segunda fibra em forma de D, é então disposta contra a superfície livre da camada, que é a superfície que está oposta à primeira fibra em forma de D.

Um tal dispositivo de dupla fibra em forma de D pode ser utilizado para fins de acoplamento. Então há uma primeira fonte de luz, que proporciona a luz de sinal, estando a fonte de luz disposta para proporcionar a luz de sinal a uma primeira extremidade do primeira fibra cm forma dc D. Uma segunda fonte de luz proporciona a luz de controlo, de modo que a luz de controlo é fornecida a uma primeira extremidade da segunda fibra em forma de D. As primeiras extremidades das fibras em forma de D são, de preferência, definidas como sendo as duas extremidades que permitem às luzes de sinal e de controlo propagarem-se ao longo dos núcleos das fibras em forma de D em paralelo e mesma direcção entre

85 38Θ ΕΡ Ο 664 894/ΡΤ 6 si, mas também é possível definir as primeiras extremidades, de modo que as luzes de sinal e de controlo se propaguem em direcções opostas. As segundas extremidades das fibras em forma de D são naturalmente as que são opostas às primeiras extremidades. As segundas extremidades estão ligadas a meios de recepção e/ou de transmissão da luz de sinal. Alternativamente, a luz de controlo pode ser fornecida à primeira extremidade da primeira fibra em forma de D, que é a mesma extremidade que a da luz de sinal. A configuração, que compreende duas fibras em forma de D justapostas, pode geralmente ser caracterizada por o guia de ondas básico além do núcleo inicialmente acima mencionado, compreende um outro núcleo que se prolonga paralelamente ao núcleo primeiramente mencionado. A camada deve portanto estar situada à mesma distância uniforme dos dois núcleos, pelo que os campos electromagnéticos evanescentes de luz, que se propagam ao longo dos dois núcleos prolongam-se para dentro da camada.

Numa vantajosa concretização especial do mesmo, há uma primeira fibra em forma de D que tem dois núcleos que se prolongam paralelamente um ao outro e à superfície plana e estão situados à mesma distância da superfície plana e simetricamente na fibra em forma de D. Noutra concretização, o dispositivo compreende uma estrutura plana onde os dois núcleos estão dispostos na superfície plana de um substrato. Esta superfície é coberta por uma camada que tem essencialmente o mesmo índice de refracção que o substrato. A superfície desta camada é, por sua vez, revestida com uma camada de um material que tem propriedades ópticas não lineares como anteriormente.

Estes dispositivos de núcleos geminados podem ser utilizados para ligações como a fibra em forma de D dupla. Um dispositivo não abrangido dentro do âmbito de protecção das reivindicações anexas semelhante ao acima descrito pode ser um laser e então pode compreender uma primeira fonte de luz que proporciona a luz de bombagem. Esta fonte é disposta para injectar a luz de bombagem numa primeira extremidade do guia de ondas para fazer a mesma propagar-se a longo do núcleo para dentro da região em que a camada está posicionada junto do núcleo. A luz de bombagem é escolhida de modo a ter um comprimento de onda e uma intensidade que provoquem a emissão estimulada de luz no material da camada. A partir de uma segunda extremidade do guia de ondas oposta à sua primeira

85 389 ΕΡ Ο 664 894/ΡΤ 7 extremidade a luz produzida pela emissão estimulada pode depois ser dirigida para qualquer outro dispositivo.

Quanto às dimensões da camada, neste caso em particular para confinar a região de acção do laser, a camada tem uma largura, isto é, uma dimensão na direcção transversal em relação à direcção longitudinal do núcleo do guia de ondas e paralela à superfície do guia de ondas que corresponde a apenas algumas vezes o diâmetro do núcleo, em particular, no máximo três diâmetros do núcleo e no mínimo um diâmetro do núcleo. Depois a camada pode estar localizada sobre uma suporte plana do guia de ondas ou pode estar localizada num sulco no material do guia de ondas, prolongando-se o sulco paralelamente ao núcleo do guia de ondas. O dispositivo também pode ser descrito como compreendendo uns meios de ligação que têm um primeiro e um segundo par de acessos de comunicação óptica nos quais os sinais de impulso óptico recebidos num acesso de um par são ligados essencialmente igualmente para dentro de cada acesso do outro par. Compreende ainda um guia de ondas óptico que liga opticamente em conjunto o segundo par de acessos. O guia de ondas óptico inclui uma porção em que a luz que se propaga no guia de ondas está sujeita a um índice de refracção não linear, porção esta que compreende um guia de ondas que tem um núcleo e uma peça de material, que é tipicamente a “camada” acima mencionada, que está situada a uma distância tal do núcleo que o campo electromagnético evanescente de luz propagado ao longo deste guia de ondas do seu núcleo prolonga-se para dentro do material. Este material deve portanto apresentar características ópticas não lineares. A peça de material ou “camada” pode ter uma superfície livre, disposta de modo que uma fonte de luz forneça luz de controlo à superfície livre para interacção com o material. Alternativamente, está disposta uma fonte de luz para fornecer luz de controlo a um acesso do primeiro par. O dispositivo óptico destinado a ser utilizado para fins de ligação pode ser descrito geralmente como compreendendo um guia de ondas quo tom dois núcleos para guiar ondas de luz ao longo de cada um dos núcleos, em que uma peça de material está situada a tais distâncias dos núcleos que o campo electromagnético evanescente de luz que se propaga ao longo de cada núcleo de guia de ondas prolonga-se para dentro da peça de material. Como anteriormente, o seu material deve ter propriedades ópticas não lineares.

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Um sistema de acoplador controlado opticamente, sistema de comutação ou modulação, que inclui tal dispositivo de dois núcleos, pode ser descrito como compreendendo em geral um meio de ligação que tem uns primeiro e segundo pares de acessos de comunicação óptica. Compreende ainda uma primeira fonte de luz que fornece luz de sinal a um primeiro acesso do primeiro par de acessos e uma segunda fonte de luz que fornece luz de controlo ao primeiro ou ao segundo acesso do primeiro par de acessos. Os acessos do segundo par estão cada um. como anteriormente, ligados a meios independentes de recepção e/ou transmissão de luz de sinal. Os meios de ligação compreendem um guia de ondas que tem dois núcleos para guiar ondas de luz ao longo de cada um dos núcleos e uma peça de material, a anterior “camada”, situada a tais distâncias dos núcleos que o campo electromagnético evanescente de luz que se propaga ao longo de cada núcleo do guia de ondas prolonga-se para dentro da peça de material. Como anteriormente, o material deve ter propriedades ópticas não lineares.

Uma estrutura de laser bombeado opticamente como a aqui descrita compreende portanto, em geral, um guia de ondas que tem um núcleo. Compreende também uma peça de material ou camada situada a tal distância do núcleo, que o campo electromagnético evanescente de luz propagado ao longo do guia de ondas prolonga-se para dentro da peça de material ou camada. O material deve portanto ter propriedades ópticas não lineares. Uma extremidade do guia de ondas está adaptada para receber luz de bombagem de uma fonte de luz e a outra extremidade está adaptada para emitir luz obtida por emissão estimulada na peça de material.

Também neste caso, o guia de ondas pode ter um segundo núcleo, de tal modo que as ondas de luz são capazes de se propagar ao longo de cada um dos dois núcleos. A peça de material é portanto situada a tais distâncias dos núcleos que o campo electromagnético evanescente de luz que se propaga ao longo de cada um dos núcleos do guia de ondas prolonga-se para dentro da peça de material.

Na estrutura de laser, a peça de material ou camada pode ter uma superfície livre que está adaptada para receber luz de bombagem de uma fonte de luz.

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Breve Descrição dos Desenhos O invento vai ser agora descrito através de um certo número de concretizações não limitativas, em referência aos desenhos juntos, nos quais:

Fig. 1 mostra uma fibra em forma de D revestida parcialmente;

Fig. 2 mostra a fibra 1 tal como é empregada num dispositivo interferométrico;

Fig. 3a mostra uma estrutura de fibra em forma de D dupla com uma película entre as mesmas;

Fig. 3b mostra esquematicamente a estrutura da Fig. 3a tal como é empregada num acoplador óptico;

Fig. 4a mostra uma estrutura de fibra em forma de D revestida do tipo de núcleos geminados;

Fig. 4b mostra uma estrutura de guia de ondas plana com uma camada de um material óptico não linear;

Fig. 5a mostra uma fibra em forma de D parcialmente revestida destinada a ser utilizado como um laser;

Figs. 5b e 5c mostra disposições de revestimento alternativos que podem ser adequados para utilização nos lasers;

Fig. 6 mostra esquematicamente uma disposição de laser que utiliza uma fibra em forma de D revestida;

Fig. 7 mostra esquematicamente uma disposição de laser que utiliza uma estrutura que tem dois núcleos de guia de ondas.

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Descrição Detalhada

Fibra em forma de D única

Na Fig. 1 está representado um dispositivo que compreende uma fibra 1 em forma de D que tem um núcleo 3 e uma camisa 5 e está revestida sobre a sua superfície plana ao longo de alguma extensão de fibra com uma camada fina 7 de um material que é altamente não linear, tal como um semicondutor. O comprimento do revestimento na direcção longitudinal da fibra pode corresponder, conforme está ilustrado, aproximadamente ao diâmetro exterior de fibra em forma de D e o revestimento pode cobrir a totalidade da superfície plana da fibra na direcção transversal. O comprimento porém pode ser adaptado ao domínio particular de utilização e os materiais utilizados para obter os efeitos desejados serão discriminados no seguimento. A fibra 1 em forma de D pode ter dimensões correspondentes às da vulgar fibra S de comunicação de modo único, por exemplo, um diâmetro exterior da camisa de aproximadamente 125 μπι e um diâmetro do núcleo de 8 a 10 μηη e idealmente deve também ser monomodal no comprimento de onda que interessa. A distância d entre o núcleo e a superfície plana na fibra 1 em forma de D deve ser tal que o campo evanescente de luz que se propaga através da fibra 1 possa interactuar com a película 7, segnificando isto que a distância d entre o núcleo e a superfície plana é apenas uma pequena parte do diâmetro do núcleo. A fibra em forma de D a ser utilizada deve portanto, nos casos práticos, ter uma distância d entre o núcleo e o ar de poucos micrómetros ou menos, isto é, esta distância d do núcleo 3 até à superfície plana da fibra 1 pode ser, por exemplo, da ordem de grandeza de 2 pm. A espessura da película de revestimento 7 é uniforme e é normalmente muito mais pequena do que o diâmetro do núcleo. Tipicamente, pode ser de 1 μηη ou menos, por exemplo, 0,1 a 0,5 μιτι. Não pode ser utilizada uma película mais espessa, dado que a mesma não aderirá permanentemente â superfície plana da fibra em forma de D por causa dos diferentes coeficientes de dilatação. O material de revestimento na camada 7 pode ser GaAs, InP, InGaAsP, e outros semicondutores lll-V, materiais à base de silício e germânio, tais como Si

85 389 ΕΡ Ο 664 894/ΡΤ 11 amorfo, Ge amorfo, carboneto de silício, Si poroso, etc., semicondutores ll-VI como CdTe, CdS, CdSe e compósitos, e materiais como LiF, NaF, NaCI e outros halogenetos alcalinos. Um material preferido para a película de muitos dispositivos pode ser o Si amorfo. O material pode ser depositado por qualquer processo vulgar como algumas técnicas de CVD e não é geralmente necessário desenvolver o material in situ. Também pode ser ainda processado por bombardeamento iónico, ou por feixe electrónico, ou irradiação por UV. O fabrico do dispositivo pode também incluir um processo de recozimento, no qual o material depositado é aquecido e depois arrefecido até à temperatura ambiente a fim de alterar as propriedades do material tais como o tempo de recombinação dos seus portadores de carga. As estruturas que compreendem películas finas múltiplas, tais como uma estrutura de cavidade quântica única e múltipla de semicondutores lll-V ou outros também podem ser depositadas sobre a superfície plana da fibra 1 e actuarem como o meio altamente não linear. O material depositado pode ser amorfo ou cristalino. Podem ser utilizados outros materiais de interesse tais como as películas de metais de terras raras. No que segue será feita referência à película 7, como sendo feita de um material semicondutor, mas todos os materiais acima descritos podem ser utilizados nos dispositivos aqui descritos. Será feita referência ao dispositivo como uma fibra com revestimento semicondutor (FRS).

Processo físico

Quando um material semicondutor, metálico ou dieléctrico 7 é depositado sobre a superfície plana de uma fibra 1 em forma de D, a propagação de ondas na direcção longitudinal da fibra 1 pode ter o seu campo prolongado para dentro do material 7. Neste caso, o modo transversal da luz que se propaga, depende das partes reais e imaginárias das susceptibilidades lineares e não lineares do material da película 7. Em conjunto com os parâmetros da fibra, tais como os índices de refracção do núcleo 3 e da bainha 5, o raio do núcleo 3 e a distância d do núcleo à superfície plana, as propriedades do material determinam o índice de refracção efectivo experimentado pela luz que se propaga na fibra, as propriedades de dispersão cromática, de absorção, de ganho, de polarização e os efeitos não lineares tais como a modulação de fase e a conversão de frequência para a luz.

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Luz de sinal e controlo

Num certo número de aplicações dos dispositivos, como os aqui descritos, é utilizada luz de dois comprimentos de onda diferentes, referida como luz de “sinal” e luz de “controlo” correspondente às expressões “primeira luz” e “segunda luz”. Geralmente (mas não necessariamente) a luz de sinal tem uma energia fotónica próxima ou abaixo da energia que é necessária para promover electrões da valência (baixa mobilidade) para a banda de condução (alta mobilidade), isto é, o material depositado é “transparente” para a luz de sinal. Por outro lado, para a luz de controlo, a energia fotónica excede o intervalo energético entre bandas de energia do material. Como um exemplo, pode ser utilizada luz com um comprimento de onda de 0,85 prn como luz de controlo para uma película de InGaAs que tenha um intervalo energético entre bandas tipicamente, por exemplo, de 1,3 a 1,55 pm. Neste caso, a absorção dos fotões da luz de controlo cria electrões móveis no material, afectando temporariamente as suas propriedades. A mesma pode alterar fortemente o índice de refracção e deslocar também o intervalo energético entre bandas devido ao efeito de Stark. A criação de electrões móveis por meio de calor pode mesmo induzir uma mudança no índice de refracção.

Assim, são geralmente utilizados materiais, cujas propriedades ópticas para um comprimento de onda particular, isto é, o da luz de sinal, são alteradas, quando os materiais interactuam de alguma maneira com a luz de controlo, por exemplo, como acima, pela absorção de fotões que gera pares de vazios electrónicos, por absorção que cria calor no material, aumentando a sua temperatura. Os materiais preferidos são opticamente homogéneos, por exemplo, amorfos, que resultam em estruturas que podem ser fabricadas de maneira fácil e não dispendiosa.

Interferómetro

Uma mudança no índice de refracção do material de revestimento pode ser explorada para entre outras coisas, por comutação, por modulação e por laseres de modo bloqueado. Pode ser vantajoso utilizar uma disposição interferométrica como a descrita na patente US 4 973 122 e também na patente US 4 962 987. Nestas é descrito um interferómetro óptico de acoplamento cruzado, no qual a luz de controlo é alimentada para um dos acessos do acoplador e dois acessos paralelos são unidos por um circuito fechado. A luz que entra é dividida em duas

85 389 ΕΡ Ο 664 894/ΡΤ 13 partes, geralmente com a mesma potência, que sofrem diferentes deslocamentos de fase, que dependem da presença da luz de controlo. Quando as mesmas são recombinadas, mesmo uma pequena influencia da luz de controlo pode afectar grandemente a amplitude da luz de sinal emergente.

Um exemplo das disposições que podem ser utilizadas está representada na Fig. 2, na qual é utilizada a configuração denominada de espelho em circuito fechado não linear. Um acoplador 9 tem dois acessos A e D paralelos num lado e dois acessos paralelos B e C no outro lado. A luz de sinal Ps está ligada ao acesso A do acoplador 9, que divide a luz de sinal Ps em duas componentes com potência aproximadamente igual, para os acessos B e C no outro lado do acoplador. Um dispositivo 11, do género representado na Fig. 1, está ligado numa extremidade a um destes acessos tal como B. A outra extremidade do dispositivo 11 é depois unida ao outro acesso paralelo C no mesmo lado. Desta maneira, metade da luz de sinal, que sai do acoplador 9, desloca-se através do primeiro acesso B, através do dispositivo 11 e então para o acesso C. A outra metade desloca-se, em primeiro lugar, através do acesso C e depois através do dispositivo 11 e para de novo para o acesso B. Ambas as componentes de luz recombinam-se então no acoplador 9. Pode ser proporcionado um jogo de passadores de fibra 13, tais como os denominados controladores manuais de polarização, fabricados pela companhia BT & D, ao longo de um dos percursos, por exemplo, como está representado no percurso que une o dispositivo 11 ao acesso C.

Na ausência da luz de controlo, os passadores de fibra 13 podem ser ajustados de modo que toda a luz de sinal se recombine no acoplador 9 e retorne através do acesso de entrada A. Neste estado nenhum sinal sai através do acesso D, que é o acesso paralelo ao acesso A e no mesmo lado do acoplador. Porém na presença de luz de controlo Pc obtida, por exemplo, a partir de uma fonte de luz, que compreende um laser 13 e um sistema de lente 15 e que ilumina a superfície da película do dispositivo 11, é alterado o índice de refracção do material depositado na película de revestimento no dispositivo 11. Para uma dada potência da luz dc controlo, o deslocamento do fase relativo introduzido entre as componentes da luz de sinal pode dar lugar a que toda a luz de sinal se recombine no acoplador 9, sendo dirigida para o acesso D. A posição exacta do dispositivo 11 no circuito fechado que une os acessos B e C pode ser importante, particularmente, se a luz de controlo é contínua e não pulsada.

85 389 ΕΡ Ο 664 894/ΡΤ 14 A luz de controlo também pode ser injectada pelos acessos A e D, produzindo a mesma mudança de índice de refracção do revestimento no dispositivo 11.

Acoplador-modulador não linear

Os dispositivos acima descritos empregam uma única FRS. Duas fibras 1 de secção em forma de D também podem ser colocadas com as superfícies planas numa disposição costas com costas, ficando a película semicondutora 7 entre os dois núcleos 3 como mostra a Fig. 3a. Chamar-se-á a isto uma FRS de estrutura dupla. A fim de posicionar as fibras como está representado, com os dois núcleos paralelos entre si e a uma distância mínima, podem ser utilizados dois acessórios cada um com uma fibra. Os acessórios podem ser feitos de um material mais macio do que o vidro, tal como um material plástico ou metal macio. Uma maneira possível de fazer os acessórios consiste em utilizar uma fibra em forma de D como um molde para uma solução na fase líquida do acessório. A fibra em forma de D deve ser mantida direita. Depois da solução solidificar, o acessório fica pronto para receber uma das fibras em forma de D utilizadas na FRS de estrutura dupla. Logo que as fibras estão posicionadas como representado a Fig. 3a, com os núcleos 3 paralelos, os acessórios podem ser colados enter si. A não linearidade da película semicondutora 7 pode, neste caso, ser explorada pelo envio de luz de controlo Pc com um comprimento de onda apropriado, através de um acesso de entrada de controlo D do dispositivo, como representado na Fig. 3a, utilizado como um acoplador controlado 17, veja-se a Fig. 3b, que tem acessos A e D numa sua extremidade e acessos B e C na outra extremidade. A luz de sinal Ps que entra no acesso A, paralelamente à referida luz de controlo Pc, pode ser efectuada peia luz de controlo Pc, que entra pelo acesso A. Na ausência da luz de controlo Pc, a luz de sinal Ps sai do dispositivo 17 quer pelo acesso B quer pelo C como num acoplador convencional, ver “Optical Waveguide Theory”, A.W. Snyder, J.D. Love, Chapman & Hall, Londres 1983, págs. 387 a 399, 568 a 574. Na presença da luz de controlo Pc a fracção da luz que sai dos acossos B e C pode ser controlada. Mesmo um sinal de Pc fraco pode modificar substancialmente a função de transferência do acoplador e, portanto, um sinal de Pc fraco pode controlar um sinal de Ps mais forte num transístor.

85 389 ΕΡ Ο 664 894/ΡΤ 15 Ο acoplador não linear acima descrito pode também ser utilizado como um modulador óptico de alta velocidade. Um sinal de onda contínuo (luz de sinal) PS) ligado dentro do acesso A do dispositivo, pode ser ligado ou desligado nos acessos B e C por meio de um impulso de luz de controlo Pc, ligado dentro do acesso D. Quando a profundidade de modulação é suficientemente grande, o dispositivo funciona como um comutador. Como o dispositivo é relativamente insensível ao comprimento de onda da luz de controlo Pr, mesmo impulsos de luz com grandes alterações de frequência podem ser utilizados para controlar o sinal espectralmente puro Ps, ligado dentro do acesso A. A alta velocidade do dispositivo é baseada no facto de que os portadores livres foto-induzidos no semicondutor da película 7 no dispositivo 17 pela absorção do impulso de luz de controlo, podem relaxar rapidamente, de modo que as velocidades de bits de vários Gbit/s podem ser atingidas. O sinal óptico que sai do dispositivo através dos acessos B e C pode, por conseguinte, ter uma largura de banda estreita e modulação de alta velocidade.

Estruturas integradas de núcleos gémeos

Embora a geometria específica acima descrita seja conveniente para muitas aplicações, podem ser utilizadas outras disposições dentro do mesmo espírito. Por exemplo, uma fibra de secção em forma de D de núcleos gémeos pode ter características de ligação controladas pela activação de uma película semicondutora, como mostra a Fig. 4a. A fibra 19 em forma de D tem dois núcleos 3’, 3”, os quais estão dispostos em paralelo simétrica e centralmente perto da linha central da superfície exterior cilíndrica e circular da fibra 19 e, como anteriormente, perto da superfície plana. Também aqui, o campo evanescente da luz de controlo que se propaga num dos núcleos de fibra 3’, 3" penetra na película semicondutora 7, que reveste a superfície plana, alterando as suas propriedades e, assim, as características de propagação da luz de sinal, que se desloca no outro núcleo. A estrutura de núcleo geminado da Fig. 4a pode ser utilizada como a fibra dupla em forma de D da Fig. 3a, por exemplo, no acoplador representado na Fig. 3b.

Estruturas planas

Mesmo os componentes discretos com base num substrato de vidro com guias de onda embebidos podem ser utilizados para ligação, comutação e modulação controladas. Como está representado na Fig. 4b, pode ser fabricado um 85 389 ΕΡ Ο 664 894/ΡΤ 16

par de guias de onda 21 num substrato de vidro 23 por implantação iónica ou difusão térmica penetrante. A evaporação adicional de uma camada 25 de óxidos de silício SiO/Si02 pode ser conveniente, deixando os guias de onda 21 imersos na matriz de vidro. Uma película 7 de material semicondutor é então depositada sobre a superfície superior dos guias de onda 21 embebidos, de modo que o campo evanescente da luz nos guias de onda 21 se prolonga para dentro do material semicondutor 7. Deve ser possível a comutação de um para vários canais e a fracção do sinal comutada pode ser controlada pela luz, que se desloca ao longo de um guia de ondas ou que incide sobre o dispositivo a partir do exterior (por exemplo, perpendicularmente). A estrutura de guia de ondas embebida da Fig. 4b pode ser utilizada como a fibra em forma de D dupla da Fig. 3a.

Uma ideia semelhante foi sugerida por Kawachi em “Sílica Waveguides on Silicon and their Application to Integrated-Optic Components”, Optical and Quantum Electronics 22 (1990), págs. 391 a 416, mas neste caso o guia de ondas era fabricado no topo de um material semicondutor, por exemplo, silício.

Laser

Os dispositivos que compreendem uma FRS, descritos até agora utilizam uma entrada de luz de controlo, que altera eficazmente a atenuação e o índice de refracção do material. Os semicondutores, por outro lado, são largamente utilizados como materiais de laser. Geralmente, a bombagem de laser é eléctrica mas tem sido também utilizada luz para bombear estruturas de laser. A luz de bombagem deve ter suficiente energia fotónica para ser absorvida pela película, criando um excesso de electrões no estado excitado e um excesso de vazios na banda energética mais baixa. Após a recombinação irradiante, o semicondutor torna-se luminescente. Desde que a luz de bombagem seja suficientemente intensa, a mesma provocará a emissão estimulada e a acção de laser na película semicondutora. O elevado índice de refracção do material semicondutor favorece o guiamento da luz no plano da película semicondutora. O guiamento de ganho é muitas vezes suficiente para assegurar que o dispositivo opere do liminar de laser. Como o campo de bombagem se sobrepõe à película semicondutora apenas na região vizinha do núcloo da fibra, a largura da película, cm que a operação de laser

85 389 ΕΡ Ο 664 894/ΡΤ 17 tem lugar, é limitada a menos do que, aproximadamente, 10 pm. Pode ser utilizada uma estrutura semelhante à representada na Fig. 1, como mostra a Fig. 5a. A fim de confinar mais o campo à região bombeada, adjacente ao núcleo da fibra, pode ser eliminada a região não bombeada do semicondutor por processos litográficos, como representado na Fig. 5c. Sobre a superfície plana da fibra 1 em forma de D ficará portanto apenas uma estreita banda ou tira 7' de um material semicondutor, que se prolonga centralmente sobre a superfície e paralelamente ao núcleo 3 da fibra. Alternativamente, a fibra em forma de D pode ter o seu perfil em secção transversal alterado, como mostra a Fig. 5b. Sobre a superfície plana da fibra 1’ em forma de D existe um sulco pouco profundo 27 próximo do núcleo 3 da fibra e paralelo ao mesmo e a película semicondutora 7” é depositada no sulco 27. Isto assegurará que apenas a tira estreita 7’ ou 7” do material semicondutor guia a luz.

As estruturas das Figs. 5b e 5c serão capazes de proporcionar a operação laser mesmo na ausência de espelhos de extremidade, desde que o ganho seja suficiente. Os espelhos de extremidade podem ser, por outro lado, proporcionados pela utilização de superfícies de extremidade da fibra revestidas ou não revestidas ou por reflexão de Bragg. O comprimento activo do laser pode atingir vários centímetros, correspondendo ao comprimento longitudinal do revestimento 7 (Fig. 5a). Os materiais típicos, que podem ser empregues podem são os que têm uma elevada eficácia quântica para luminescência. Podem ser utilizados, por exemplo, semicondutores lll-V, tais como GaAs, depositados por técnicas de MOVCD ou MBE, bem como compostos ternários. O comprimento de onda para operação de laser será o associado ao intervalo energético entre bandas do material (por exemplo, 0,85 pm para o GaAs). Outros materiais de interesse serão as películas de halogeneto alcalino com centros de cor tal como o centro fotónico do LiF ou Lil. Tais materiais têm um certo número de picos de luminescência no infravermelho visivel e no infravermelho próximo. A luz gerada num tal laser é guiada ao longo da película, mas a presença próxima do núcleo também pode levar ao guiamento da luz no núcleo. 18 85 389 ΕΡ Ο 664 894/ΡΤ

Na Fig. 6 está representada esquematicamente uma disposição de laser. A luz de bombagem 20, vinda de uma fonte apropriada 31, focada por um sistema de lente como o representado em 33 é injectada numa extremidade da fibra 1 em forma de D. Com uma escolha apropriada de componentes e parâmetros de luz de laser 35 é emitida a partir da outra extremidade da fibra em forma de D e pode ser tornada paralela por um sistema de lente como o representado em 37. A geometria com dois núcleos de guia de ondas paralelos, representada nas Figs. 3a e 3b e também nas Figs. 4a e 4b também pode ser utilizada como um dispositivo de laser, em que a saída de laser deve ser recolhida ao longo dos acessos de saída B e D da Fig. 7, sendo a luz de bombagem injectada ao longo do acesso A. Quando a luz de bombagem Pp é absorvida pela película semicondutora 7 no acoplador 17’ pode, como anteriormente por meio de uma escolha apropriada de parâmetros e materiais dar origem a um excesso de electrões no estado excitado e a um excesso de vazios na banda energética mais baixa. Após recombinação de irradiação, o material semicondutor tornar-se-á luminescente.

Embora as disposições acima mencionadas sejam convenientes do ponto de vista de um dispositivo prático, outras geometrias de bombagem podem ser consideradas, tais como a bombagem exterior de uma fibra revestida de semicondutor do género descrito com referência às Figs. 1 e 2.

Lisboa, .-4. '«'! ?v.:l

Por TELEFONAKTIEBOLAGET LM ERICSSON - O AGENTE OFICIAL -

Ru· das Flores, 74 - 4·* ieoo LISBOA

Claims

85 389 ΕΡ Ο 664 894/ΡΤ 1/4 REIVINDICAÇÕES 1 - Dispositivo óptico que compreende um guia de ondas interno, disposto para interactuar com a luz (Ps), que tem um primeiro comprimento de onda definido, emitida por uma primeira fonte de luz opticamente acoplada ao guia de ondas e com a luz (Pc), que tem um segundo comprimento de onda definido, emitida por uma segunda fonte de luz opticamente acoplada ao guia de ondas, em que o guia de ondas interno tem um primeiro núcleo cilíndrico (3, 3’, 21) e se destina e está disposto para receber luz da primeira fonte de luz, e uma camada opticamente não linear (7), que tem uma espessura uniforme, está situada paralelamente ao primeiro núcleo e a uma distância uniforme (d) do mesmo, sendo a distância tal que um campo electromagnético evanescente da luz, que tem o primeiro comprimento de onda e que se propaga ao longo do guia de ondas interno se prolonga para dentro da camada, caracterizado por a camada ser constituída por um material semicondutor, que tem propriedades ópticas não lineares e tem um intervalo energético entre bandas, sendo o material semicondutor na camada destinado e estando disposto para interactuar com a luz emitida pela segunda fonte de luz, sendo o material semicondutor adicionalmente escolhido de modo que o segundo comprimento de onda corresponde a um valor de energia que excede bem o intervalo energético entre bandas, para fazer com que os fotões de luz, que interactuam com a camada e que têm o segundo comprimento de onda, sejam absorvidos no material semicondutor, criando pares de vazios electrónicos, e de modo que o primeiro comprimento de onda corresponde a um valor de energia significativamente abaixo do intervalo energético entre bandas, para fazer que não sejam substancialmente criados pares de vazios electrónicos pela luz, que interactuam com a camada e que têm o primeiro comprimento de onda.
2 - Dispositivo óptico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o guia de ondas interno ser monomodal, construído para propagação da luz apenas com um comprimento de onda.
3 - Dispositivo óptico de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 2, caracterizado por a espessura da camada (7) ser uma pequena fracção do diâmetro do primeiro núcleo (3, 3’, 21) do guia de ondas interno.

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4 - Dispositivo óptico de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 3, caracterizado por a espessura da camada (7) ser da ordem de 1/8 a 1/80, de preferência, da ordem de 1/16 a 1/80 do diâmetro do primeiro núcleo (3, 3’, 21) do guia de ondas interno.
5 - Dispositivo óptico de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 4, caracterizado por a camada (7) ter uma superfície livre destinada e disposta para receber luz emitida pela segunda fonte de luz.
6 - Dispositivo óptico de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 5, caracterizado por compreender um acoplador óptico (9), que tem primeiro e segundo acessos (A, D) num primeiro lado do acoplador óptico e uns primeiro e segundo acessos (B, C) num segundo lado do acoplador óptico, estando os primeiro e segundo acessos (B, C) no segundo lado do acoplador óptico, unidos por um guia de ondas de junção, sendo um (A) dos primeiro e segundo acessos no primeiro lado destinado e estando disposto para receber a luz (Ps), emitida pela primeira fonte de luz, estando o guia de ondas interno ligado ao guia de ondas de junção (7) como um segmento do mesmo.
7 - Dispositivo óptico de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por, pelo menos, um (A, D) dos primeiro e segundo acessos no primeiro lado ser destinado e estar disposto para receber luz (P0) emitida pela segunda fonte de luz.
8 - Dispositivo óptico de acordo com qualquer das reivindicações 6 a 7, caracterizado por compreender um dispositivo retardador de fase (13), ligado ao guia de ondas de junção, sendo o dispositivo retardador de fase destinado e estando disposto para retardar a luz (Pc) emitida pela primeira fonte de luz e propagando-se ao longo do guia de ondas de junção.
9 - Dispositivo óptico de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 8, caracterizado por o guia de ondas interno compreender uma primeira fibra óptica em forma de D (1), que tem uma forma substancialmente semicilíndrica e uma superfície plana, estando a superfície plana situada paralelamente a um núcleo (3) da fibra em forma de D e a uma pequena distância do mesmo e estando a camada (7) disposta sobre a superfície plana.

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10 - Dispositivo óptico de acordo com a reivindicação 11, caracterizado por compreender uma segunda fibra óptica em forma de D (1) que tem uma forma substancialmente semícilíndrica e uma superfície plana, estando a superfície plana disposta numa superfície da camada (7), a qual está oposta à primeira fibra óptica em forma de D (1).
11 - Dispositivo óptico de acordo com a reivindicação 10, caracterizado por: uma primeira extremidade (A) da primeira fibra em forma de D (1) ser destinada e estar disposta para receber a luz (Ps) da primeira fonte de luz, e por a primeira extremidade da primeira fibra em forma de D e/ou uma primeira extremidade (D) da segunda fibra em forma de D (1) ser destinada e estar disposta para receber a luz (Pc) da segunda fonte de luz, estando as segundas extremidades (B, C) das fibras em forma de D opostas às respectivas primeiras extremidades ligadas a meios para receberem e/ou transmitirem a luz com o primeiro comprimento de onda.
12 - Dispositivo óptico de acordo com a reivindicação 9, caracterizado por a primeira fibra em forma de D (1) ter dois núcleos (3’, 3”), que se prolongam paralelamente um ao outro e à superfície plana e dois núcleos estarem situados simetricamente na primeira fibra em forma de D à mesma distância da superfície plana.
13 - Dispositivo óptico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o guia de ondas interno compreender ainda um segundo núcleo (3”, 21), que se prolonga paralelamente ao primeiro núcleo (3’, 21) e a camada (7) estar situada à mesma distância uniforme dos primeiro e segundo núcleos, de modo que os campos electromagnéticos evanescentes de luz, que têm o primeiro comprimento de onda e que se propagam ao longo dos primeiro e segundo núcleos, prolongam-so para dentro da camada.
14 - Dispositivo óptico de acordo com a reivindicação 13, caracterizado por o dispositivo óptico ter uma estrutura plana, por os primeiro e segundo núcleos (21) estarem dispostos numa superfície plana de um substrato (23) e por a superfície plana estar coberta por uma camada de cobertura (27), a qual tem um índice de 85 889 ΕΡ Ο 664 894/ΡΤ 4/4 refracção que é essencialmente o mesmo que o índice de refracção do substrato e a qual está revestida pela camada (7) de um material semicondutor.
15 - Dispositivo óptico de acordo com qualquer das reivindicação 12 a 14, caracterizado por: o guia de ondas interno ser destinado e estar disposto para receber na primeira extremidade do primeiro núcleo (3’, 21) a luz (Pc), emitida pela primeira fonte de luz para fazer com que a luz se propague ao longo do primeiro núcleo a partir da primeira extremidade, e o guia de ondas interno ser destinado e estar disposto para receber na primeira extremidade do primeiro núcleo e/ou numa primeira extremidade do segundo núcleo (3”, 21) a luz (Pc), emitida pela segunda fonte de luz, para fazer com que a luz se propague ao longo do primeiro núcleo e/ou do segundo núcleo a partir da respectiva primeira extremidade, estando as segundas extremidades dos núcleos, opostas às primeiras extremidades, ligadas a meios para recepção e/ou transmissão de luz do primeiro comprimento de onda. Lisboa, "!l Por TELEFONAKTIEBOLAGET LM ERICSSON - O AGENTE OFICIAL -

£nG.· ANTÓNIO lolò DA CUNHA FERREIRA A9. 0|. Pr. Ind. Jtw dos Flores, 74 - 4.* 1B@0 LISBOA