DISPOSITIVOS ELETRO-ÓPTICOS À ÓPTICA INTEGRADA PARA GIROSCÓPIOS

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1 DISPOSITIVOS ELETRO-ÓPTICOS À ÓPTICA INTEGRADA PARA GIROSCÓPIOS Laurentino Corrêa de Vasconcellos Neto Marcos Antônio Ruggieri Franco Angelo Pássaro Ricardo Teixeira de Carvalho Osny Lisboa José Roberto Cardoso* José Kléber da Cunha Pinto* Centro Técnico Aeroespacial - CTA -IEAv - Rod. Tamoios, Km 5,5 - CEP São José dos Campos/SP- Brasil *Escola Politécnica da Universidade de São Paulo -EPUSP - CEP São Paulo/SP -Brasil vasko@ieav.cta.br RESUMO Visando a obtenção de um giroscópio a fibra óptica (GFO) para controle de atitude e navegação inercial, foi projetado e implementado em Ti:LiNbO 3 um chip de Óptica Integrada (OI), com modulador de fase, e um guia com acopladores ópticos em forma de Y. Os guias são conectados a fibras ópticas altamente birrefringentes. São abordados neste trabalho os seguintes tópicos: estudo numérico da variação da impedância e constante dielétrica efetiva em função da configuração geométrica dos eletrodos do modulador e estudo dos modos de propagação para o guia óptico integrado de Ti:LiNbO 3. Foram obtidos dispositivos com dimensões geométricas do substrato de 9 x x 1 mm 3 destinados a equipar giroscópios numa central inercial a fibra óptica. 1. INTRODUÇÃO Sensores eletro-ópticos de precisão necessitam de componentes confeccionados segundo técnicas de óptica integrada, tais como moduladores de fase e de amplitude [1-]. Esses dispositivos são construídos usualmente em substratos dopados espacialmente, como por exemplo; Ti:LiNbO 3, H + :LiNbO 3, ou em outros substratos eletro-ópticos, e têm sido objeto de estudo e desenvolvimento para processamento do sinal nas áreas de sensores em geral, telecomunicações e computação óptica, com possibilidades de uso na área médica. Além disso, moduladores e processadores ópticos de sinal são cruciais para a miniaturização de giroscópios a fibra óptica de precisão []. Figura 1- Esquema da configuração de eletrodos e do guia óptico de Ti:LiNbO 3 em forma de Y. Neste trabalho sobre dispositivos Eletro-Ópticos à Óptica Integrada (EO/OI) serão abordados os aspectos de projeto e construção do chip de óptica integrada. O chip tem guias em forma de Y sobre os quais são depositados os eletrodos coplanares (CPW) como mostra a figura 1. No item 2 serão descritos os processos e fenômenos físicos que atualmente podem ser simulados no Instituto de Estudos Avançados (IEAv) para determinação dos melhores parâmetros deste desenvolvimento. No item 3 serão apresentadas as características

2 gerais de construção e operação dos dispositivos já confeccionados e em fase de teste. O sistema EO/OI em estudo é destinado à montagem de um modulador de fase visando ser empregado numa central inercial a fibra óptica. 2. SIMULAÇÃO Algumas ferramentas de simulação computacional foram desenvolvidas em um trabalho conjunto entre o IEAv e o LMAG (Laboratório de Eletromagnetismo Aplicado da EPUSP) para o projeto de dispositivos à óptica integrada. Na fase atual é possível simular [5-7]: o processo de difusão de titânio em substrato de LiNbO 3; o campo elétrico definido por uma configuração arbitrária de eletrodos e buffers para modulação eletroóptica, na aproximação quase-estática; o efeito eletro-óptico em cristais de LiNbO 3; o perfil de índices de refração, considerando a difusão, o efeito eletro-óptico e a dispersão em freqüência e os modos de propagação de onda óptica em guias anisotrópicos e difusos, nas aproximações TE e TM. As simulações computacionais são efetuadas utilizando o Método dos Elementos Finitos bidimensional, partindo diretamente das equações diferenciais que descrevem o comportamento de cada um dos fenômenos, sem a imposição de hipóteses simplificadoras adicionais. Estas simulações permitem o cálculo de parâmetros importantes para o projeto de moduladores eletro-ópticos, tais como: impedância característica do dispositivo, constante dielétrica efetiva da onda elétrica, curvas de dispersão e freqüência de corte para cada modo de propagação possível e as dimensões transversais ( spot size ) das ondas guiadas, dentre outros. A seguir são apresentados resultados das simulações computacionais de uma estrutura de dois eletrodos simétricos sobre um substrato de LiNbO 3 com camada buffer de SiO 2 e guia Ti:LiNbO 3 (Fig. 1). Estes resultados mostram como variam as características elétricas do dispositivo com a configuração geométrica dos eletrodos e camadas dielétricas. Os índices efetivos dos modos de propagação ópticos e os perfis de campos podem ser calculados em função de parâmetros do processo de difusão da camada de titânio. Na figura 2 é apresentada a variação da impedância característica (Z m) e da constante dielétrica efetiva (ε eff) em função da espessura do buffer (B) para eletrodos de 1 µm de espessura (E), largura (X) de 10 µm e espaçamentos (G) de 6 a 10 µm. A figura 3 apresenta a variação de Z m e ε eff versus a espessura do buffer para eletrodos de espessura muito fina (aproximação E = 0 µm), espaçamento de 10 µm e larguras de a µm. Destas curvas, observa-se uma grande variação nos parâmetros elétricos em função da variação do espaçamento e largura dos eletrodos. A figura apresenta a variação de ε eff e Z m em função de B para eletrodos de espessuras entre 0 e 2 µm, largura de 10 µm e espaçamento de 6 µm. As características desejadas para modulação e largura de banda do modulador devem definir qual a melhor configuração do dispositivo, ou seja, a definição da espessura do buffer, espessura e espaçamento dos eletrodos de forma a melhorar o casamento entre a velocidade de propagação das ondas elétrica e óptica. Na figura 5 é apresentado o comportamento do índice efetivo e da dimensão transversal dos modos E x (TE) nas direções x e y (Wx e Wy, largura a meia altura da intensidade do campo elétrico E x) em função da largura da camada inicial de titânio. As simulações foram realizadas considerando um guia de Ti:LiNbO 3 em um cristal com corte X, espessura inicial da camada de Ti de 100 nm, difundido a T=1050 ºC por,5 horas para o comprimento de onda (λ o) de 1,523 µm.

3 Constante Dielétrica Efetiva 16 G = 6 microns G = G = Espessura da camada de "buffer" (microns) Impedância Característica [Ohm] Constante Dielétrica Efetiva 16 X = microns X = 10 X = Espessura da Camada de "buffer" (microns) Impedância Característica [Ohm] Figura 2 - Constante dielétrica efetiva e impedância característica em função da espessura da camada buffer, para eletrodos de 1 µm de espessura e espaçamento entre eletrodos (G) de 6 a 10 µm. Figura 3 - Constante dielétrica efetiva e impedância característica em função da espessura da camada buffer, para eletrodos finos com larguras de a µm e espaçamento de 10 µm. Constante Dielétrica Efetiva 16 E = 0 microns E = 1 E = Espessura da Camada de "buffer" (microns) Figura - Constante dielétrica efetiva e impedância característica em função da espessura da camada buffer, para eletrodos com largura de 10 µm e espaçamento de 6 µm e espessuras entre 0 e 2 µm Impedância Característica [Ohm] Índice Efetivo (neff) Largura Inicial de Ti (micron) Figura 5 - Índice de refração efetivo e dimensão transversal ( spot size ) dos modos E x 11 para um guia Ti:LiNbO 3 em função da largura inicial da camada de Ti depositada para difusão. Wx Wy Dimensão Transversal (microns) 3. DISPOSITIVO EO/OI Com o apoio do IEAv e do Laboratório de Microeletrônica (LME) da EPUSP, os trabalhos foram iniciados com a construção de um chip composto de guias ópticos em forma de Y em Ti:LiNbO 3, mostrado na figura 6, onde as linhas finas indicam os guias, e as marcas em forma de L servem para alinhar os eletrodos com os guias ópticos, conforme figura 1. O dispositivo EO/OI para aplicação em GFO, em desenvolvimento, é constituído basicamente das seguintes peças: base mecânica, tampa, parafusos de fixação, conectores, placa de cerâmica, pontos de solda, fios de ouro, substrato de LiNbO 3, guias ópticos difusos de Ti:LiNbO 3, eletrodos, fibras ópticas e tubos termoretráteis, conforme apresentado na figura 7. Sobre os substratos de LiNbO 3 com dimensões de x 9 x 1 mm 3, corte cristalográfico X ou Z, e propagação na direção Y, foi depositado um filme fino de Ti pela técnica de deposição por feixe de elétrons. O filme fino de titânio foi difundido na temperatura de 1050 ºC, na presença de oxigênio e nitrogênio, durante horas para obtenção dos guias de Ti:LiNbO 3. Após o processo de difusão os substratos são trabalhados para que as arestas da face de 9 x 1 mm 2 sejam polidas nos pontos onde serão conectadas às fibras ópticas [].

4 Sobre a superfície dos substratos polidos e com os guias ópticos integrados é depositada uma película dielétrica de SiO 2 com espessura de 3000 nm. Em seguida, é depositado sobre a superfície da película dielétrica, 100 nm de ouro, definindo os eletrodos que são espessados até 3000 nm. A base mecânica, tampa e parafusos de fixação montados têm as dimensões de 0 x 30 x 15 mm 3 e servem como fixação e proteção para o conjunto. A placa de cerâmica serve como base para fixação do LiNbO 3 também tem sobre sua superfície linhas de ouro. Os conectores são soldados às linhas de ouro e estas soldadas a fios de ouro responsáveis por transmitirem a tensão de modulação entre -V e V para os eletrodos em função da resposta esperada do modulador de fase de 100 MHz. As fibras ópticas altamente birrefringentes com diâmetro do núcleo de µm, são conectadas nas pontas dos guias ópticos, para acoplar o feixe de luz entre a fibra e o guia. Os tubos termo-retráteis juntam e protegem as fibras ópticas na entrada e na saída da caixa do dispositivo EO/OI, evitando que elas apresentem fraturas (Fig. 7). Figura 6. Forma geométrica do Chip de OI. Figura 7- Arranjo para montagem e testes do dispositivo EO/OI.. CONCLUSÕES FINAIS O comportamento das características elétricas de uma estrutura de dois eletrodos simétricos com a variação dos parâmetros geométricos foi apresentado. Foram consideradas diferentes camadas de buffer e a espessura finita dos eletrodos. Os resultados mostram a possibilidade de variação nos parâmetros elétricos visando: o melhor casamento da impedância entre dispositivo e fonte do sinal de modulação e, simultaneamente, o melhor ajuste entre as velocidades de propagação das ondas elétrica e óptica. A determinação da defasagem máxima possível em um modulador de fase, construído com estas configurações de eletrodos, pode ser obtida utilizando-se os perfis de campos elétricos das ondas elétrica e óptica calculados na avaliação do fator de overlap. Os perfis de campos permitem ainda avaliar o efeito eletro-óptico na região do guia difuso (Ti:LiNbO 3) e quantificar a mudança na constante de propagação da onda óptica, em relação ao guia não submetido aos efeitos dos campos de modulação. O emprego sistemático das ferramentas de simulação, em desenvolvimento no IEAv, na etapa do projeto, aliado à construção e avaliação experimental do dispositivo à óptica integrada, é um passo fundamental para a construção de componentes úteis para o GFO. O estudo conjunto dos vários fenômenos físicos envolvidos no projeto de moduladores eletro-ópticos, aferidos em função dos resultados experimentais, permite definir os melhores parâmetros de construção do guia óptico e a melhor configuração de eletrodos para obtenção dos parâmetros desejados, reduzindo o número de protótipos físicos construídos. Os guias com corte X construídos a partir de uma largura inicial de Ti, W, de µm e λ o = 1,523 µm (Fig. 5) apresentaram na simulação propagação monomodo E x (TE). Por outro lado, os guias construídos nas

5 mesmas condições em um cristal de LiNbO 3 com corte Z apresentam propagação monomodo E y fundamental (TM) [2,3]. Foram confeccionados cerca de 30 guias ópticos de Ti:LiNbO 3, sendo substratos com corte cristalográfico em Z e os demais com corte na direção X. Os guias ópticos foram testados e apresentaram continuidade em relação a luz incidente espalhada de forma difusa (Fig. ). Na construção do dispositivo EO/OI, o guia óptico é a parte do processo experimental que apresenta os maiores desafios tecnológicos a serem dominados [9]. As outras etapas tais como: usinagem mecânica, deposição da camada dielétrica de SiO 2, deposição dos eletrodos e seus pontos de solda são itens já dominados no campo da microeletrônica, embora exijam extremo cuidado. Os dispositivos à óptica integrada-eletro-óptica, em desenvolvimento, com guias em forma de Y visam substituir os acopladores direcionais a fibra óptica utilizados nos GFO [10], aumentando a precisão e facilitando a miniaturização dos giroscópios a fibra óptica. Figura. Foto do feixe de luz guiada no guia de OI. O Instituto de Estudos Avançados do CTA, desenvolveu um protótipo de giroscópio a fibra óptica para fins aeroembarcados. O próximo passo é a miniaturização do protótipo e sua reconfiguração, para equipar centrais de navegação inercial em veiculos aeroespaciais, marítimos e terrestres. Giroscópios a fibra óptica aeroembarcados necessitam ter carga e volume minimizados e para que isto ocorra é necessário empregar dispositivos eletro-ópticos à óptica integrada. AGRADECIMENTOS Este trabalho foi financiado pelo Instituto de Estudos Avançados (IEAv) no Centro Técnico Aeroespacial (CTA) e pelo Laboratório de Microeletrônica (LME) na Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (EPUSP). REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] LAWRENCE, A., Modern Inertial Technology, Springer-Verlag, New York, pag , [2] ZHANG, D.; DING, G.; CHEN CAIHE, Theoretical Analysis of Guided Mode and Effective Refractive Index at 1.53 µm in Ti:LiNbO 3 Strip Waveguides, IEEE-Journal of Lightwave Technology, vol. 16, n.3, pag. 59-6, march 199. [3] ZHANG, D.; CHEN C.; Li Jiang; DING, G.; Chen, X.; Cui Y., A Theoretical Study of a Ti-Diffused Er:LiNbO 3 Waveguide Laser, IEEE-Journal of Quantum Electronics, vol.32, n.10, pag , October [] CASTRO, F. A., e outros A Pesquisa de Giroscópios e Acelerômetros a Fibra Óptica no IEAv, tr10, pag. 1-6, I Simpósio Brasileiro de Engenharia Inercial, CTA/IEAv, a 2 Nov 1995.

6 [5] FRANCO, M. A. R.; PASSARO, A.; SIRCILLI F. N.; CARDOSO J. R.; MACHADO J. M., Modal Analysis of Diffused Anisotropic Channel Waveguide by a Scalar Finite Element Method, IEEE Transactions on Magnetics, Sept 199, em fase de publicação. [6] FRANCO, M. A. R.; PASSARO, A.; CARDOSO J. R.; MACHADO J. M., Finite Element Analysis of Anisotropic Channel Waveguide with Arbitrary Index Profile, Proceedings of the Eighth Biennial IEEE Conference on Electromagnetic Field Computation, June 1-3, 199, Tucson, USA. [7] FRANCO, M. A. R.; PASSARO, A.; ABE, N. M.; CARDOSO J. R., Análise de Configuração de eletrodos e efeito eletroóptico em dispositivos de Óptica Integrada pelo Método dos Elementos Finitos, Anais do 3 o.congresso Brasileiro de Eletromagnetismo, 25-2 Outubro, São Paulo, 199. [] VASCONCELLOS NETO, L. C de; A. M. M. LISBOA; M. A. VALLE; R.T. de CARVALHO; J. KLÉBER, da C. PINTO, Comparison of surface polishing Techniques for LiNbO 3 Integrated Optics Devices, Symposium on Lasers and Their Applications, pag. 55-5, Campinas-SP, [9] VASCONCELLOS NETO, L. C de; EKNOYAN, O.; CARVALHO R.T. de; LISBOA, O.; M. A. VALLE; KLÉBER, da C. P. J., Fabrication of Integrated Optics Chips for Signal Processing in Fiber-Optic Gyroscopes, Revista de Física Aplicada e Instrumentação, São Paulo-SP, 199, em fase de publicação. [10] VASCONCELLOS NETO, L. C de; BRENNAND, A.L.R.; ADRIANO, V. F.; da SILVA, A. C.; LISBOA, A. M. M., Processo para Fabricação de Meio-Acopladores em Fibras Ópticas de 0 µm de Diâmetro, Revista de Física Aplicada e Instrumentação, Vol., n o 1, pag. 1-21, São Paulo-SP, 1997.