GOP Software Manual

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GOP Software Manual

  1. 1. Software para Análise de Guias Ópticos Planares - GOP O programa GOP permite a análise modal de guias ópticos planares pelo método dos elementos finitos em uma dimensão. O programa foi desenvolvido em ambiente Matlab e conta com uma interface gráfica simplificada para entrada de dados, que definem o caso de estudo, e um campo especial para visualização gráfica dos resultados das análises numéricas. O programa GOP é fruto de um trabalho de Iniciação Científica.
  2. 2. Fluxograma do Programa GOP Montagem do sistema de equações Montagem do sistema de equações Imposição das condições de contorno Imposição das condições de contorno Atribuição das propriedades físicas Atribuição das propriedades físicas Geração da malha inicial (sem interferência do usuário) Geração da malha inicial (sem interferência do usuário) Cálculo das matrizes de elementos finitos Cálculo das matrizes de elementos finitos Definição dos parâmetros para o processo de difusão Definição dos parâmetros para o processo de difusão Guia Homogên eo ou Difuso ? Guia Homogên eo ou Difuso ? Entrada de dados via Interface Gráfica Entrada de dados via Interface Gráfica Solução do sistema de autovalores e autovetores (neff e campos) Solução do sistema de autovalores e autovetores (neff e campos) neff < Critério de estabilização neff < Critério de estabilização Apresentaç ão de resultados via Interface Apresentaç ão de resultados via Interface Constrói lista de elementos a serem refinados baseando-se no critério de refinamento auto-adaptativo. Constrói lista de elementos a serem refinados baseando-se no critério de refinamento auto-adaptativo. Refina malha a partir dos elementos da lista Refina malha a partir dos elementos da lista Atribuição das propriedades físicas na malha refinada Atribuição das propriedades físicas na malha refinada Guia  Difuso: Ti:LiNbO3 Guia Homogêneo Sim Não
  3. 3. Interface Gráfica do do Programa GOP Especificação dos parâmetros que definem o processo de difusão em guias Ti:LiNbO3. Atribuição das propriedades físicas para cada camada do guia (Índices de Refração). Especificação da espessura de cada camada do guia. Escolha da camada para atribuição de dados. Definição do modo óptico em estudo. Entrada do comprimento de onda para a análise. Dados do processo de solução com refinamento auto-adaptativo. Definição do arquivo de projeto e sua respectiva descrição Opções para apresentação gráfica de resultados. Apresentação de dados do processo de difusão, maiores detalhes do aplicativo e o propósito do projeto. Determinação do tipo de guia óptico em estudo. Escolha do Modo óptico para apresentação de resultados. Escolha do passo de iteração para apresentação gráfica dos resultados. Área de Visualização dos resultados e apresentação do valor de índice efetivo para o modo escolhido.
  4. 4. 1 1 3 3 2 2 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 10 10 11 11 Interface Gráfica: Entrada de Dados
  5. 5. 12 12 13 13 14 14 16 16 22 22 15 15 17 17 18 18 19 19 20 20 21 21 Interface Gráfica: Opções para Visualização de Resultados
  6. 6. 12a 12b Interface Gráfica: Visualização de Resultados
  7. 7. Interface Gráfica: Visualização de Resultados
  8. 8. 16a 16b 16c 16d 16e 16f 16g 16h 16i 16j 16k 16l Perfis de Campo Óptico para cada Passo de Iteração do Processo Auto-adaptativo da Malha Modo Fundamental
  9. 9. Segundo Modo 1o passo 7o passo 12o passo Perfis de Campo Óptico para cada Passo de Iteração do Processo Auto-adaptativo da Malha
  10. 10. 18a 18b Distribuição de Erros Relativos para o Passo de Iteração do Processo Auto-adaptativo da Malha
  11. 11. 19a 19b Variação do Índice Efetivo em Função do Passo de Iteração do Processo Auto-adaptativo da Malha
  12. 12. Variação do Tempo de Processamento para cada Passo de Iteração do Processo Auto-adaptativo da Malha Mensagem para modo não guiado
  13. 13. Informações sobre o Processo Difusivo
  14. 14. Informações sobre o Processo Difusivo O programa GOP permite a análise das características de propagação de onda óptica dos modos Ex e Ey em guias planares de três camadas. São tratados casos de guias homogêneos e guias difusos, em especial os guias formados por difusão de Titânio (Ti) em substratos de Niobato de Lítio (LiNbO3), visando a análise dos três primeiros modos de propagação nos guias planares. O programa foi desenvolvido utilizando o Método dos Elementos Finitos escalar unidimensional (1D). São utilizados elementos finitos tipo linha com funções de base de Lagrange em primeira ordem de aproximação. O processo de simulação possui uma rotina de auto- adaptatividade, visando o refinamento da malha de elementos finitos. O processo auto-adaptativo utiliza o gradiente do campo e o comprimento do elemento finito para estimativa do “erro” em cada elemento finito. A inclusão desta rotina isenta o usuário da definição da melhor discretização para bem representar as grandezas físicas envolvidas na resolução do problema. O programa de análise numérica de guias ópticos utiliza o Método dos Elementos Finitos (MEF) e faz parte do trabalho de Iniciação Científica de Marco Antonio Hidalgo Cunha, sob a orientação do Dr. Marcos Antonio Ruggieri Franco. O trabalho de IC conta com o apoio financeiro da FAPESP (proc. 02/12344-1 – Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo) e está sendo desenvolvido no âmbito do Laboratório de Engenharia Virtual (LEV) da Divisão de Física Aplicada (EFA-E) do Instituto de Estudos Avançados (IEAv) que pertence ao Centro Técnico Aeroespacial (CTA) de São José dos Campos – SP, Brasil. Contatos Marcos Antonio Hidalgo Cunha Marcos Antonio Ruggieri Franco (bolsista) agnys@iconet.com.br (orientador) marcos@ieav.cta.br
  15. 15. Análise Modal de Guias Ópticos Planares Não-Homogêneos e Anisotrópicos pelo Método dos Elementos Finitos Marcos A. R. Franco, Nancy Mieko Abe,Marcos A. R. Franco, Nancy Mieko Abe, Valdir A. Serrão, Francisco SircilliValdir A. Serrão, Francisco Sircilli Neto.Neto. Angelo Passaro,Angelo Passaro, Centro Técnico AeroespacialCentro Técnico Aeroespacial (CTA/IEAv) - BRASIL(CTA/IEAv) - BRASIL Parcialmente financiado pelaParcialmente financiado pela (processo: 98/07789-7(processo: 98/07789-7))
  16. 16. Guias Ópticos PLANARESGuias Ópticos PLANARES Componente básico de dispositivos de ópticaComponente básico de dispositivos de óptica integradaintegrada  Aplicações:Aplicações: Moduladores eletroópticos, Sensores,Moduladores eletroópticos, Sensores, Acopladores, Chaves,Acopladores, Chaves, Polarizadores DefletoresPolarizadores Defletores. Analítica é limitada a perfis particulares dosAnalítica é limitada a perfis particulares dos índices de refração,índices de refração, Solução por métodos numéricos (MEF)Solução por métodos numéricos (MEF)  Análise:Análise:
  17. 17. Guias Ópticos PlanaresGuias Ópticos Planares Substrato Guia Planar Difuso: n(y) Cobertura         x y z
  18. 18.            )y(n )y(n )y(n z y x r 2 2 2 00 00 00  nn é o índice deé o índice de refraçãorefração Meios Anisotrópicos e Não-HomogêneosMeios Anisotrópicos e Não-Homogêneos Anisotrópico e Não homogêneo Anisotrópico e homogêneo Anisotrópico e homogêneo
  19. 19. Equação de onda para os modos EEquação de onda para os modos Exx e Ee Eyy ::      2 0 2 kCB y A y       Modo Ex  = Ex A = 1 B = 1 C = xx  = Hx A = zz -1 B = yy -1 C = 1 Equação de OndaEquação de Onda Modo Ex
  20. 20.  Equação MatricialEquação Matricial      T eff T MnF  2  ondeonde nneffeff é o índice efetivo, dado por:é o índice efetivo, dado por: nneffeff ==  // kk00 Método dos Elementos Finitos (MEF)Método dos Elementos Finitos (MEF)
  21. 21.  As matrizes [As matrizes [FF] e [] e [MM] são dadas por:] são dadas por:         1 0 1 2 0 1 dNNCLkF T     1 2 1 1 01    d NN AbbL jj,i i T ji                1 0 1 2 0 1 dNNBLkM T LL é o comprimento do elemento 1Dé o comprimento do elemento 1D Matrizes em Coordenadas HomogêneasMatrizes em Coordenadas Homogêneas
  22. 22. Aplicação do MEF ao Estudo de GuiaAplicação do MEF ao Estudo de Guia PlanaresPlanares Guias Ópticos DifusosGuias Ópticos Difusos ( Ti:LiNbO( Ti:LiNbO33 )) Guias Ópticos com ModosGuias Ópticos com Modos Quase-GuiadosQuase-Guiados
  23. 23. Guia Planar - Ti:LiNbO3  t,T,,y,2 oe, Hfn   Parâmetros: Espessura do filme de Ti (H) Temperatura de Difusão (T) Tempo de Difusão (t) Comprimento de Onda () Guia Planar tipo Ti:LiNbOGuia Planar tipo Ti:LiNbO33 - 6 - 4 - 2 0 y(m) Ín d ic e d e r e f r a ç ã o  y
  24. 24. - 1 2 - 8 - 4 0 E ix o y ( m ) UnidadesArbitrárias M o d o E x 1 M o d o E x 2 M o d o E x 3 Exemplo de Modos GuiadosExemplo de Modos Guiados Modo FundamentalModo Fundamental Primeiro ModoPrimeiro Modo SuperiorSuperior Segundo ModoSegundo Modo SuperiorSuperior
  25. 25. Características deCaracterísticas de propagação do guia planarpropagação do guia planar Resultados : Guia Ti:LiNbOResultados : Guia Ti:LiNbO33 T = 1050 o C  = 1,523 m Variação da espessuraVariação da espessura do filme de Ti (H)do filme de Ti (H) 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 E s p e s s u r a d o f ilm e d e T i, H (n m ) 2 .1 3 5 2 .1 4 0 2 .1 4 5 2 .1 5 0 2 .1 5 5 2 .1 4 0 2 .1 4 5 2 .1 5 0 2 .1 5 5 2 .1 4 0 2 .1 4 5 2 .1 5 0 2 .1 5 5 2 .1 4 0 2 .1 4 5 2 .1 5 0 2 .1 5 5 t = 3 h t = 6 h t = 9 h t = 1 2 h IndiceEfetivo,neff M o d o E x M o d o E y monomodo monomodo monomodo
  26. 26. Resultados : Guia Ti:LiNbOResultados : Guia Ti:LiNbO33 H = 80 nm  = 1,523 m Variação daVariação da Temperatura de DifusãoTemperatura de Difusão (T)(T) monomodo monomodo monomodo 9 0 0 9 5 0 1 0 0 0 1 0 5 0 1 1 0 0 1 1 5 0 T e m p e r a t u r a d e D if u s ã o , T ( C ) 2 .1 4 2 .1 5 2 .1 6 2 .1 7 2 .1 8 2 .1 5 2 .1 6 2 .1 7 2 .1 8 2 .1 5 2 .1 6 2 .1 7 2 .1 8 2 .1 5 2 .1 6 2 .1 7 2 .1 8 t = 3 h t = 6 h t = 9 h t = 1 2 h IndiceEfetivo,neff M o d o E x M o d o E y o
  27. 27. Resultados : Guia Ti:LiNbOResultados : Guia Ti:LiNbO33 H = 80 nm T = 1050 o C Variação doVariação do Comprimento de OndaComprimento de Onda (()) 0 .6 0 .8 1 .0 1 .2 1 .4 1 .6 C o m p r im e n t o d e O n d a , ( m ) 2 .1 3 2 .1 5 2 .1 7 2 .1 9 2 .2 1 2 .2 3 2 .1 5 2 .1 7 2 .1 9 2 .2 1 2 .2 3 2 .1 5 2 .1 7 2 .1 9 2 .2 1 2 .2 3 2 .1 5 2 .1 7 2 .1 9 2 .2 1 2 .2 3 t = 3 h t = 6 h t = 9 h t = 1 2 h IndiceEfetivo,neff M o d o E x M o d o E y monomodo monomodo monomodo monomodo
  28. 28. ConclusõesConclusões  O MEF 1D foi aplicado no estudo de guias ópticos planares anisotrópicos e não-homogêneos,  Uma técnica especial de truncamento, para o estudo de problemas de domínio aberto, foi associada ao MEF (Transformação EspacialTransformação Espacial). Como resultado, guias com modos muito fracamente guiados e freqüências de corte podem ser analisados.  Casos estudados :  guias ópticos formados por difusão de Ti em LiNbO3 e  guia óptico com modos quase-guiados.

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