Estudo de filmes poliméricos para aplicações em dispositivos fotônicos

Orientador: Hugo Luis FragnitoTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb WataghinResumo: Filmes de polímeros com cromóforos não lineares são promissores para aplicações em fotônica porque são materiais compatíveis com a tecnologia de fabricação de dispositivos opto-eletrônicos além de terem baixo custo de produção. Filmes de polímeros funcionalizados com corantes orgânicos e orientados sob campo elétrico, possuem resposta rápida e altas propriedades não lineares, fazendo deles ótimos materiais para moduladores e chaves eletro-ópticas (EO). Neste trabalho foram estudados polímeros de PMMA dopados com cromóforos de corantes com propriedades não lineares, confeccionados 1) por dopagem física, 2) sintetizados em cadeia lateral ramificada e 3) reticulados. Os filmes de polímeros foram fabricados por "spin coating" e caracterizados por técnicas Espectroscopía VIS-IV, interferometria, Raios-X e Calorimetria diferencial de varredura. O estudo das propriedades não lineares destes filmes orientados, foi feito através de medidas do coeficiente eletro-óptico e do índice de refração não linear. Valores típicos medidos do coeficiente EO r33 foram de até 18 rm/V. Observamos pela primeira vez que o coeficiente EO diminui com o tempo de irradiação para iluminação em comprimento de onda na região de absorção. Este efeito é irreversível e apresenta uma taxa de decaimento que é diretamente proporcional a intensidade da luz. A partir desta dependência estimamos a taxa de decaimento do coeficiente EO para os níveis de irradiância da luz ambiente, estimando-se assim a "vida útil" do material polado. Este efeito foi atribuído à fotoisomerização. Observamos efeitos novos da tensão do filme sobre o coeficiente EO e sobre seu decaimento. O coeficiente EO pode até duplicar quando a amostra é submetida a deformações e o tempo de decaimento do coeficiente EO quando a amostra é iluminada, mostrou-se muito mais rápido que em amostras sem tensão. Usando a técnica de "z-scan" medimos o índice de refração não linear. Nos polímeros fisicamente dopados obtivemos n2 = -5,3 x 10-12 cm2/W e nos sintetizados n2 = -1,1 x 10-11 cm2/W a 1,06 mm. Estes valores de n2 estão entre os mais altos reportados para materiais transparentes e mostram que estes polímeros são promissores para chaveamento totalmente óptico. Foi demonstrada a viabilidade de se construir guias planares e de canal usando técnicas litográficas. Observamos os modos de propagação dos guias usando a técnica de "M-Iine"Abstract: Opto-electronic materials for electro-opticaI modulators and switches for optical communications have attracted a great deaI of recent attention. Poled polymer films functionalized with organic dyes as non linear chromophore are promising materials due to their Iarge electro-optic coefficient, fast response, low dielectric constant, and Iow production cost. A serious limitation in these materials is the relaxation of the molecular orientation. However, as we demonstrate, by an appropriate heat treatment (physical aging) during the fabrication process, the orientational relaxation time of the poled films can be greatly improved. Thin films (1-2 mm thick) of functionalized DR1-PMMA (Disperse Red 1 by radical co-po1ymerization of MethyI Methacrylate) deposited on glass substrates by spin coating, and poled at 0.24 MV/cm through a gap of 25 mm between two gold coplanar electrodes. Precise measurements of the electro-optic coefficient, r33, were made by detecting the phase modulation in a Senarmont configuration. In all cases the relaxation dynamics could be fitted to a two exponential decay. In the non treated samples, r33 decayed do zero with time constants of 28 days (fast component of the molecular orientation decay) and 109 days (slow component). In the physically aged samples r33 decayed to 30 % of the fresh value. We demonstrate that physical aging significantly improves the stability of the oriented molecules. Passive planar and channel waveguides were fabricated with both type of polymers: side-chain and crosslinked, using lithographic techniques. The optical propagation inside the waveguides were confirmed by using the M-line technique. We report on the measurement of the nonlinear refractive index, n2, of films of polymethylmethacrylate (PMMA, 7 to 20 mm thick) functionalized with Disperse Red 1 (DR1). The Iarge nonlinear coefficient (n2 = -1.1 x 10-11 cm2/W, l = 1.06 mm), makes this material a promising candidate for all optical switching devicesDoutoradoFísicaDoutor em Ciência