Guias de onda pedestal dopados com íons de Nd3+ e nanopartículas de ouro para aplicaçÃµes na região do infravermelho próximo: processos de fabricação e caracterização óptica. - Kumada, Daniel Kendji (2025)
Nesta tese, foram investigados guias de onda do tipo pedestal retilíneos (larguras de 4- 40 m) e curvos ou S-bends, (larguras de 2- 10 m), com núcleo TeO2-ZnO (TZ) dopado com Nd3+, com e sem nanopartículas de ouro ( NPs de Au), utilizando tecnologia de Si em sala limpa. Também são mostrados resultados de eletrodos modificados com filmes finos de TeO2- ZnO e óxido de grafeno reduzido (OGr). As análises morfológicas revelaram espessuras de 500-540 nm para o núcleo, 600-650 nm para o pedestal de SiO2 e ~1,8 m para a camada de SiO2, além de rugosidade superficial inferior a 1 nm, confirmando a boa qualidade dos filmes. As medidas de perdas por propagação, realizadas pela técnica cut-back, mostraram que guias retilíneos e curvos mais estreitos apresentam maiores perdas ópticas (2.2 dB/cm para largura de 40 m para os retilíneos e 0,7 dB/cm para 10 m para os curvos). Guias retilíneos com menor concentração de Nd³ apresentaram os maiores ganhos. A presença de nanopartículas (NPs) de Au depositadas por sputtering sobre os guias aumentou de forma expressiva o ganho relativo (GR) em 1064 nm: guias retilíneos aumentaram em até 75 % atingindo 12,0 dB/cm (para 8 m) e os curvos, com raio de 1000 m e largura de 2 m, atingiram ~ 4 dB/cm, ou seja aumento de 100 %; para o primeiro caso foram obtidos ganhos internos positivos para guias com larguras a partir de 8 m e, para o segundo caso para aqueles a partir de 4 m. Em contrapartida, para guias de raio 500 m, o GR não foi beneficiado pela presença de NPs de Au; também apresentaram maiores perdas em relação aos de maior raio de curvatura. Nos sistemas híbridos com Au e OGr o ganho foi significativamente reduzido pela incorporação de OGr, mesmo em baixas concentrações. No estudo eletroquímico, a modificação de eletrodos com filmes finos de TeO2-ZnO e OGr resultou em maior área eletroativa e melhora da transferência de carga, com incremento das correntes de pico em filmes mais finos (~25 nm). Esses resultados demonstram a versatilidade dos filmes em aplicações optoeletrônicas, combinando fotônica integrada e sensores eletroquímicos. A combinação de geometria otimizada, dopagem com Nd3+ e incorporação de NPs de Au constituem a estratégia mais eficiente para maximizar o ganho óptico em guias de onda com estrutura pedestal. Do ponto de vista aplicado, os resultados indicam a viabilidade de amplificadores ópticos em 1064 nm e de sensores eletroquímicos baseados em filmes TZ + OGr, compatíveis com plataformas fotônicas integradas e dispositivos compactos. Além disso, os guias S-bends demonstraram viabilidade para aplicações compactas em circuitos fotônicos integrados, conciliando miniaturização e desempenho.