Amplificadores ópticos paramétricos em nitreto de silício

Resumo

Amplificadores ópticos paramétricos (optical parametric amplifiers - OPAs) baseiam o seu princípio de operação no efeito de mistura de quatro ondas four-wave-mixing - FWM), um processo não linear ultra-rápido, dependente do termo de terceira-ordem da susceptibilidade e, portanto, da terceira-ordem da polarização elétrica. Por outro lado, os amplificadores ópticos correntemente utilizados nos sistemas de telecomunicações funcionam a partir de mecanismos de emissão estimulada, o que faz com que os seus tempos de resposta sejam muito maiores do que os dos OPAs. A emissão estimulada também impõe limites intrínsecos às bandas destes amplificadores, enquanto a banda de um OPA é determinada pela dispersão de seu meio não linear que pode ser projetada. Desta forma, OPAs são extremamente atrativos para o processamento óptico de sinais em sistemas de telecomunicações, visto que são transparentes tanto ao formato como à taxa de modulação e suas bandas podem ser convenientemente ajustadas. Adicionalmente, ao não dependerem de transições eletrônicas para operarem, não acrescentam ruído de emissões espontâneas amplificadas (amplified spontaneous emission - ASE) aos sinais. Tal efeito deletério é acumulativo ao longo de uma rede óptica, pois os sinais são amplificados em cada nó da rede. Além da aplicação dos OPAs como amplificadores ópticos propriamente ditos, eles são promissores como conversores de comprimento de onda, dispositivos que permitem mitigar a fragmentação espectral e eliminar a restrição de continuidade de comprimento de onda (wavelength continuity constraint) em redes ópticas. Atualmente, a única opção comercial para a conversão de comprimentos de onda são os conversores óptico-elétrico-ópticos, dispositivos eletrônicos custosos e específicos para formatos e taxas de modulação. Nesta proposta, delineiam-se as etapas de uma investigação numérica para o projeto de OPAs integrados (integrated optical parametric amplifier - iOPA) em aplicações como amplificador e conversor de comprimentos de onda em banda-larga e o teste sistêmico conjunto destes dispositivos com sinais WDM, modulados como DP-QPSK e DP-16QAM, nas bandas C e L. Para o projeto do iOPA, propõe-se a plataforma Si3N4/SiO2/Si em vista de sua compatibilidade com os processos da indústria microeletrônica para dispositivos CMOS (complementary metal-oxide semiconductor). O material da camada de guiamento é o Si3N4, que apresenta baixas perdas, alto confinamento (devido ao seu contraste de índice com o SiO2) e é altamente transparente na faixa de telecomunicações. Para o teste sistêmico, amplificadores e conversores de comprimento de onda de banda larga, os primeiros projetados como iOPAs de dois bombeios e os segundos como iOPAs de um bombeio, serão colocados em nós que se conectam a enlaces ópticos que se estendem por distâncias típicas encontradas em sistemas de comunicações de alcance longo e ultralongo. Os desempenhos destes dispositivos serão, então, avaliados pela estimativa da taxa de erro de bit (bit error rate - BER) e comparados com os desempenhos das tecnologias atualmente correspondentes. A presente proposta é inédita, especialmente, se se considera que envolve a avaliação conjunta de amplificadores e conversores integrados, com sinais WDM de dupla polarização, em um sistema de telecomunicação com cenários de mundo real. Finalmente, tem-se a expectativa que os resultados desta investigação fornecerão informações relevantes para a fabricação de dispositivos paramétricos integrados para redes ópticas (AU)