Avaliação de dispositivos de fotônica de silício para o projeto de filtros ópticos de banda estreita

Abstract

O uso intensivo de aplicações de alta densidade de dados tem impulsionado a busca constante por redes capazes de prover elevada capacidade de tráfego. As redes ópticas transparentes são capazes de atender a estas demandas e cumprem um papel relevante no núcleo da infraestrutura de telecomunicações. As novas tecnologias para redes de terabits por segundo criaram uma nova etapa do desenvolvimento das comunicações ópticas e novos componentes com capacidade não só de transporte, mas também de processamento do sinal óptico tornaram-se necessários. A abrangência destas redes estende-se do núcleo da infraestrutura até o usuário final, chegando à última milha e, mais recentemente, também aos dispositivos finais, tais como computadores, televisores e Internet. Neste contexto, a Fotônica de Silício ganhou impulso, na última década, como uma alternativa à necessidade de levar o processamento dos sinais ópticos a níveis semelhantes aos já realizados pela tecnologia de semicondutores no processamento de sinais elétricos. Em nosso trabalho, pesquisamos de forma sistemática, utilizando simulações, para o projeto de filtros com anéis ressoantes, construídos em Fotônica de Silício, para desenvolvimento de dispositivos miniaturizados capazes de tratar sinais ópticos. Em particular, investigou-se o projeto de filtros ópticos passa-faixa, de banda inferior à utilizada, para separação de canais em sistemas de multiplexação por divisão de comprimento de onda, para aplicação em diversas áreas das redes ópticas, tais como rádio sobre fibra, multiplexadores, moduladores e codificadores totalmente ópticos. Neste trabalho, utiliza-se estrutura de anéis ressonantes para construção destes filtros, de ordem elevada e de tamanho reduzido, em um substrato de alguns micrômetros de área. Tais filtros poderão ser construídos em microchips e integrados com outros componentes ópticos e óptico-eletrônicos, dando origem a sistemas mais complexos no futuro próximo. O principal resultado obtido foi um filtro óptico passa banda com 8,6 GHz de largura de banda, baseado em anéis ressoantes assimétricos, composto de duas estruturas de três anéis de raios 5 μm, 2,5 μm e 5 μm, utilizando uma área de substrato de 6840 μm2 ou 57 μm x 120 μm.

The intensive use of high-density data applications has driven the relentless pursuit of networks capable to provide high traffic capacity. The transparent optical networks plays an important role in the telecommunications infrastructure core, being able to meet these demands. New technologies to terabits per second networks have created a new stage of development for optical communications. New optical components that allows signal process in addition to just transportation, are needed. The scope of these networks extends from the core of the infrastructure to the end user, reaching the last mile, and recently also end devices such as computers, televisions and Internet. In this context, Silicon Photonics gained momentum in the last decade, as an alternative to the need to take the processing of optical signals to levels similar to those already made by semiconductor technology, in processing electrical signals. In our work, we studied systematically using simulations, ring resonators structure in Silicon Photonics, as technology to build miniaturized devices capable of handling optical signals. In particular, we investigated optical band-pass filter design narrowed than such filters used to the separation channel in wavelength division multiplexing systems, for application in various areas of optical networks such as radio over fiber, multiplexers, all optical encoders and modulators. In this work uses ring resonators structure for construction of these high order filters with reduced size, with a substrate of some micrometers area. Such filters could be built into microchips and integrated with other optical and optical-electronic components, resulting in more complex systems, in the near future. The main result was an optical band-pass filter with 8.6 GHz bandwidth based on asymmetric ring resonators with two sets of three rings, with following radii 5 μm, 2.5 μm and 5 μm using a substrate area of 1840 μm2 or, 57 μm x 120 μm.