Híbridos orgânicos-inorgânicos para aplicações de baixo custo em óptica integrada

O objectivo desta tese é a utilização de materiais híbridos orgânicos-inorgânicos, designados por di-ureiasis modificados pela adição de tetra-propóxido de zircónio (Zr(i-OPr)4) estabilizado com ácido metacrílico (CH2=C(CH3)COOH), obtidos pela via sol-gel, para aplicações em dispositivos ópticos integrados de baixo custo. A estrutura local dos di-ureiasis com diferentes concentrações de propóxido de zircónio (20 a 80 % mol) foi estudada por difracção de raios-X, espalhamento de raios X a baixos ângulos, microscopia de força atómica, ressonância magnética nuclear dos núcleos dos átomos de 29Si e 13C, espectroscopia no infravermelho por transformada de Fourier, espectroscopia de Raman por transformada de Fourier e termogravimetria. A influência dos parâmetros de síntese, concentração de tetra propóxido de zircónio e rácio tetra propóxido de zircónio: ácido metacrilico na estrutura e propriedades das amostras em monólito e filmes finos (depositados pela técnica de deposição por rotação do substrato) foram avaliadas, permitindo obter amostras transparentes, fotopolimerizáveis e estáveis termicamente até aos 100 ºC. Foram determinadas as propriedades dos guias planares em substratos de vidro borosilicato e silício oxidado (1<WSiO2< 5μm) relevantes para aplicação em óptica integrada tais como : índice de refracção (1,4774-1,5149 a 1550 nm), espessura (6-10 μm), perdas por propagação (~1,5 dB/cm) e rugosidade (~5,0 nm). Posteriormente o processo de escrita laser directa permitiu a gravação de dispositivos para óptica integrada de que são exemplos: guias de onda em canal com diâmetros modais de 2,5 μm (monomodo) e de 15-20 μm (multimodo) e contraste de valor do índice de refracção de 2x10-3; divisores de potência óptica com geometria em Y com rácios de divisão de ~50:50; filtros ópticos baseados em redes de Bragg com valores de rejeição do sinal óptico de 10 dB (monólitos) e 24 dB (filmes finos); cavidades ópticas do tipo Fabry-Perot com valores de rejeição de ~5 dB e gama espectral livre de 16,5 e 35,5 GHz. A actuação termo-óptica de uma estrutura do tipo Mach-Zhender simétrica conduziu a uma atenuação do sinal óptico de 7,5 dB.

The aim of this thesis is the use of organic-inorganic hybrid materials, called di-ureasils modified by the addition of zirconium tetra propoxide (Zr(i-OPr)4) stabilized with methacrylic acid (CH2=C(CH3)COOH) obtained by sol-gel, for applications in low cost integrated optics devices. The local structure of di-ureasils with different concentrations of zirconium tetra propoxide (20 to 80 mol%) was studied by X-ray diffraction, small angle X-ray scattering, nuclear magnetic resonance of the nucleus of atoms of 13C and 29Si,infrared spectroscopy by Fourier transform, Raman spectroscopy by Fourier transform and thermogravimetry. The influence of synthesis parameters (concentration of zirconium tetra propoxide and zirconium tetra propoxide: methacrylic acid ratio) in the structure and properties of both samples, monolith and thin films (deposited by spin-coating) were evaluated, which allowed to obtain transparent samples, photo-polymerizable and thermally stable up to 100 ° C. The relevant properties for application in integrated optics of planar waveguides were determined in borosilicate glass and oxidized silicon (1 <WSiO2 <5mm) substrates, such as: refractive index (1.4774 to 1.5149 at 1550 nm), thickness (6 -10 m), propagation losses (~ 1.5 dB / cm) and roughness (~ 5.0 nm). Later, the direct laser writing process allowed the recording of integrated optical devices that are examples: channel waveguides with modal diameters of 2.5 μm (singlemode) and 15-20 μm (multimode) and refractive index contrast value of 2x10-3, optical power splitters with Y geometry with division ratios of ~ 50:50; optical filters based on Bragg gratings with values of optical signal rejection of 10 dB (monoliths) and 24 dB ( thin films); optical Fabry-Perot cavities showed rejection values of ~ 5 dB and free spectral range of 16.5 and 35.5 GHz The thermo-optic actuation of an Mach-Zhender symmetric structure led to a optical signal attenuation of 7.5 dB.

Doutoramento em Física