Thesis (MSc (Physics))--University of Stellenbosch, 2010. / ENGLISH ABSTRACT: See abstract in full text / AFRIKAANSE OPSOMMING: Sien opsomming in volteks

Dans ce manuscrit, les effets émergeant de la modulation de phase croisée entredeux signaux polarisés orthogonalement dans des fibres optiques à dispersionnormale sont étudiés et leurs applications approfondies.En premier lieu, un générateur d’impulsions cadencées à 40-GHz a été développéen injectant deux ondes sinusoïdales en opposition de phase polariséesorthogonalement au sein d’une fibre optique à dispersion normale. Une grandedifférence de puissance entre les deux ondes induit un potentiel de phasepériodique pour la réplique de plus faible énergie, induisant ainsi dans régimede dispersion normale une dynamique de compression, comprimant ainsi l'ondesinusoïdale en impulsions courtes et correctement séparées.Un échantillonneur et amplificateur est ensuite démontré en utilisant le mêmePrincipe. Une pompe sinusoïdale de forte puissance et à haute fréquence estinjectée dans une fibre optique sur un axe de polarisation, orthogonalement àun long pulse de forme arbitraire et de faible énergie. Nous avons alorsdémontré un échantillonnage à 40-GHz ainsi qu'une amplification jusqu'à unfacteur 4.Nous rapportons ensuite la première observation de solitons en parois dedomaine de polarisation dans des fibres à dispersion normale en transmettanttout d'abord des trains d’impulsions périodiques anticorrélés et polarisésorthogonalement dans une fibre de 10 km, puis en encodant le mot 'PETAL' enASCII sur les ondes lumineuses et le transmettant dans une fibre de 2x25km.L'information encodée est correctement décodée après propagation.L'apparition spontanée de ces parois de domaine en polarisation est ensuiteétudiée en observant le processus de ségrégation de polarisation entre deuxondes incohérentes et décorrélées. Une approche thermodynamique est ensuiteutilisée afin d'expliquer le comportement observé. L'origine de ces parois dedomaine, liée théoriquement à l'instabilité de modulation de polarisationisotrope est ensuite étudiée. En injectant des impulsions de fortes puissancesdans de courts segments de fibre de très faible biréfringence, nous avonsobservé l'apparition des bandes théoriques d'instabilité modulationnellejusqu'à des longueurs de 200m, et mettons en avant leur extinction dans de pluslongues fibres. Enfin, une extension au modèle de Manakov est apportée enprenant en compte le processus de fabrication (spun) pour les fibres utiliséespour les expériences précédentes. / In this Ph.D., physical effects arising from cross-phase modulation between twoorthogonally polarized signals propagating in normal dispersion fibers arestudied and some of their applications investigated.First, a 40-GHz pulse generator is designed by sending two orthogonallypolarized out-of-phase sinusoidal waves in a normally dispersive optical fiber.A large power imbalance between the two waves induces a periodic phasepotential for the weak replica which turns the normal dispersive defocusingregime into a focusing dynamics, thus compressing the sinusoidal wave intoshort and well-separated pulses.A signal sampler and magnifier was then designed using the same principle,sending a high power high frequency sinusoidal pump on one axis ofpolarization, orthogonally to a long arbitrary shaped pulse with low power. Wethen report a 40-GHz sampling as well as a magnification factor up to 4.We then report the first observation of polarization domain walls in normaldispersion fibers by first transmitting anticorrelated orthogonally polarizedperiodic signals in a 10-km long fiber, and then encoding the word 'PETAL' asASCII on the light waves and transmitting the signal in 2x25km fibers. Theinformation encoded was properly decoded after propagation.Spontaneous apparition of such polarization domain walls was then studied byobserving a polarization segregation process of two incoherent and uncorrelatedsignal. A thermodynamic approach was then used to explain the observedbehaviour. The origin of those domain walls, which was theoretically relatedto isotropic polarization modulation instability, was then investigated.Injecting high power pulses in short segments of very low birefringence fibers,we were able to observe the growth of the theoretical bands in a up to200m-long fibers, and highlight their extinction for longer strands, while newand unexplained side-bands appeared. Finally, an extension to the Manakovmodel is explicited taking into account the manufacturing process for thefibers used in the previous experiments.

Des méthodes de modulation et de détection de la lumière originales ont été étudiées afin d’améliorer la performance des systèmes de transmission optique longue distance. Des formats de modulation multiplexés en polarisation, utilisant plusieurs niveaux de phase ont été étudiés en particulier. La détection cohérente associée à un traitement numérique du signal a également été choisie au niveau de la réception afin d’optimiser la performance du système. Cela permet notamment de compenser de façon très efficace les distorsions linéaires introduites par la propagation dans le fibre optique, telles que la dispersion chromatique et la dispersion modales de polarisation. Après propagation sur grande distance, le rapport signal à bruit devient une limitation importante. L’autre limitation provient des interactions non linéaire entre la lumière et la fibre optique qui limitent la puissance maximale que l’on peut injecter dans la fibre optique.La première transmission multiplexée en longueur d’onde sur grandes distances (>1000km) utilisant la détection cohérente a notamment été démontrée.Afin de minimiser l’impact de ces effets non linéaires, différentes stratégies ont été proposées et investiguées. L’impact du multiplexage de polarisation a notamment été quantifié dans des configuration où la dispersion chromatique de la fibre est compensée régulièrement dans la liaison et dans le cas où elle n’est compensée qu’en fin de liaison de façon numérique.La proposition d’utiliser un format de modulation à 2 niveaux de phase ainsi que les algorithmes permettant de le détecter ont été fait. Le gain de performance obtenu par rapport à la solution conventionnelle à 4 niveaux de phase a été montré.Au débit de 100Gb/s, la démonstration de la première transmission sur des distances transocéanique a également été faite.Ces travaux de recherche ont été notamment utilisés pour définir puis développer des produits Alcatel-Lucent qui sont maintenant commercialisés, à 40Gb/s en utilisant un format de modulation multiplexé en polarisation à deux niveaux de phase, et à 100Gb/s en utilisant un format multiplexé en polarisation à quatre niveaux de phase. / Modulation and detection methods have been studied to improve the performance of optical long distance communication systems. Polarization division multiplexed modulation and multilevel phase modulation format have been evaluated. Coherent detection associated with digital signal processing has been selected at the receiver side to optimize system performance. This receiver design allows especially to compensate linear distortions induced by fiber optics propagation very efficiently. After long distance propagation, optical signal to noise ratio is a major limitation. The other main limitation comes from non linear interactions of light and fiber optics which put a limit on the maximum power to be injected within fiber optics.The first wavelength division multiplexed transmission over long distances (>1000km) using coherent detection has been demonstrated.Various strategies have been proposed to minimize the impact of non linear effect. The impact of polarisation multiplexing has been quantified in configuration where chromatic dispersion is either regularly optically compensated within the line or digitally compensated at the receiver end.The proposition to use a polarization multiplexed format using only 2 phase levels as well as the algorithms capable to detect them has been done. The performance gain obtained compared to the convention solution using 4 phase levels has been demonstrated.At 100Gb/s bit rate, the demonstration of the first transmission over trans-oceanic distance has also been done.These research work have been used to define and then develop Alcatel-Lucent products which are now commercialized, at 40Gb/s by using a polarization multiplexed and 2 phase levels modulation format, and at 100Gb/s by using a polarization multiplexed 4 phase levels format.

Diploma thesis focuses on simultaneous transmission of selected photonic services by one single-mode optical fiber. The thesis deals with the problem of common transmission of multiple photonic services by one optical fiber using the wavelength division multiplex technology. Furthermore, the origin and influence of nonlinear phenomena accompanying the simultaneous transmission of photonic services are described. Except common data transmission with a bitrate of 10 Gbit/s, a common high-speed data signal transmission with a bitrate of 200 Gbit/s, accurate time transmission and high-power sensor signal are considered. During the aimultaneous transmission of selected photonic services, the measurement of the transmission parameters was performed for various variants of the simultaneous transmission arrangement. In particular, the influence of nonlinear phenomena and possible mutual interference of individual transmission channels at 50 and 100 GHz between signals was analyzed.

This thesis discusses the aero-acoustic characterisation of a perforate sample using a three-port technique. A rectangular T-junction with a flush mounted perforated sample at the intersection form the acoustical three-port. Under acoustic excitation from three different directions a direct method of impedance determination is incorporated to experimentally determine the passive acoustic properties of the perforate. The three-port scattering matrix and the normalised transfer impedance are calculated in the presence of grazing flow and for high-level excitation and the behaviour of these characteristics is studied. Validation of the determined results in the linear range is carried out by comparing it with existing models. Moreover, based on the experimental results for low grazing flow velocities the dependence of the real part of the transfer impedance on the grazing flow parameters as well as dimensionless numbers is described, and a semi-empirical model quantifying the behaviour is proposed. Furthermore, the thesis explains some experimental errors pertaining to standing wave patterns and operating conditions, and corrections are suggested to reduce the errors. / <p>QC 221007</p>

Avec l’évolution rapide des techniques de nanofabrication et les besoins croissants d’intégration et d’utilisation à moindre cout énergétique, l’étude et la manipulation de résonances électromagnétiques d’objets de faibles dimensions représentent des enjeux cruciaux. Un des objectifs de ce travail de thèse a donc été d’approfondir nos connaissances de l’interaction entre le champ électromagnétique et la matière. Dans ce but la réalisation conjointe d’expériences en champ proche optique et le développement numérique de modèles associés nous ont permis d’étudier différentes résonances électromagnétiques basées sur l’interaction lumière-matière au sein d’objets de dimensions sub-micrométriques. Dans une première partie, ce manuscrit présente les phénomènes mis en jeu en microscopie champ proche optique et décrit le fonctionnement du microscope SNOM utilise. La seconde partie est dédiée à l’étude de l’interaction d’une sonde champ proche avec une nano-cavité Fabry-Perot en régime non-linéaire. Dans un premier temps, on présente l’étude des non-linéarités de nano-cavités en Silicium à grand facteur de qualité et faible volume modal, démontrant ainsi l’obtention d’un régime de fonctionnement bistable pour de très faibles puissances. Dans un deuxième temps, on démontre la modulation possible via la sonde champ proche de ce régime de bistabilité. Enfin, on étudie dans la troisième partie de ce manuscrit les résonances de films minces métalliques. L’étude complète des modes propres et de l’excitation optique de cette structure a permis de connaitre avec précision les modes résonants et les angles de Brewster du film mince. Cette étude a été prolongée expérimentalement par l’étude en champ proche optique des modes résonants de demi-films minces métalliques. Lors de ces deux études, les mesures expérimentales ont été systématiquement accompagnées par l’analyse théorique et le développement numérique de modèles que les expériences réalisées ont permis de valider et de discuter. / Within the quick nano-fabrication techniques evolution and the increasing needs in low space and energy opto-electronic functions on-chip integration, studies and control of electromagnetic resonances of sub-micrometric objects are crucial issues. One aim of this work was then to improve our knowledge of the light-matter interaction. To this end, optical near-field experiments and complementary numerical development of models have been performed to study electromagnetic resonances due to light-matter interaction in sub-micrometric resonators. As an introduction, the first part of the manuscript presents the main phenomena involved in near-field optical microscopy and the used SNOM operation. The second part is dedicated to nearfield tip/Fabry-Perot micro-resonator interaction in the non-linear regime. In this part, we first present the study of high-Q/small volume Silicon nano-cavity non-linearities, showing possible bistable operation at very low incident power. We then demonstrate the cavity stability modulation obtain with the near-field tip. In the third part of the manuscript, we consider thin metallic film resonances. As a beginning, we realize an exhaustive study of the film eigenmodes and then discuss the resonant optical excitation of the film as well as precise determination of Brewster angle. These theoretical studies have been extended experimentally with the optical near-field determination of the resonant modes of semi-infinite thin films. For the different studies, experimental measures have been systematically associated with theoretical analyses and numerical developments of models, which have then been confirmed or discussed in light of the experimental results.

Les résonateurs à modes de galerie sont des cavités diélectriques qui supportent des modes à très haut facteur de qualité et à faible volume qui demeurent confinés à l'interface air-diélectrique pour des durées pouvant atteindre voire dépasser la microseconde. L'intérêt de ce fort confinement des modes pour de longues durées est l'accentuation de l'interaction lumière-matière. Par conséquent, de nombreuses interactions non-linéaires telles que l'effet Kerr ou encore l'effet Brillouin à des puissances seuil inversement proportionnelles au carré voire au cube du facteur de qualité du résonateur ont lieu en son sein. Ces propriétés donnent accès à de nombreuses applications dans des domaines divers et variés tels que la spectroscopie, les télécommunications ou encore les micro-ondes. Les travaux de cette thèse ont pour but d'exploiter les non-linéarités Kerr et Brillouin dans les résonateurs à mode galerie à la longueur d'onde de 1550 nm afin de générer des micro-ondes ultra-stables à des fréquences comprises entre 5 et 30 GHz. Le premier chapitre introduit la théorie, la fabrication, le couplage et la caractérisation de résonateurs à des modes de galerie. Le second chapitre concerne la génération de micro-ondes. Nous y présentons nos résultats expérimentaux, la modélisation numérique de peignes de Kerr, ainsi que l'analyse d'instabilités oscillatoires d'origine thermique observées lors de nos travaux expérimentaux, puis nous concluons. Le dernier chapitre traite de l'interaction photons-phonons via le processus de diffusion Brillouin stimulée dans ces mêmes expérimentaux ainsi que le modèle temporel que nous avons développé pour suivre la dynamique de l'onde transmise et de celle rétrodiffusée. Le dernier chapitre conclue nos travaux. Les travaux présentés dans ce manuscrit ont été financé par l'European Research Council dans le cadre du projet NextPhase. / Whispering galery mode resonators are dielectric cavities that support modes with ultra-high quality factor and small volume that remain confined in their inner periphery for time duratioons that can be as long as few microseconds. The strong confinement of these modes for such long durations strongly enhances nonlinear effect suchs as Kerr effect or Brillouin effect. These resonators can therefore be used for several applications such as spectroscopy, telecommunications or microwave generation. The objective of this thesis is to use Kerr and Brillouin nonlinearities in these resonators at the laser wavelength of 1550 nm, in order to generate high spectral purity microwave signals with frequencies rangong fros 5 to 30 GHz. The first chapter oh the thesis intriduces the theory, fabrication, coupling and characterisation of whispering gallery mode resonators. The second chapter is about the generation of Kerr optical frequency combs in these resonators and their application to the generation of microwave signals. We present our experimental resuktsdn the numerical modelling of Kerr combs, the analysis of oscillatory instabilities (due to thermal effect) observed during our experiments, and conclue. The third chapter concerns photon-phonon interactions via stimulated Brillouin scattering in these resonators and their application to the generation of microwave signals. We present our experimental results and the temporal model that we developed to track the dynamics of the forward and backscattered fields. The last chapter conclude the thesis. The research presented in this thesis has benne funded by the European Research Council through the project Nextphase.

Cette thèse s’intéresse d’une part aux effets macroéconomiques des régimes de change, et d’autre part, aux récentes évolutions sur la politique budgétaire et la décentralisation. La partie I met essentiellement l’accent sur l’interaction entre les régimes de change (RC) et la politique budgétaire, monétaire et fiscale. Tout d’abord, nous mettons en évidence que les RC peuvent avoir un effet stabilisateur sur la politique budgétaire (chapitre 1). Cependant, cet effet stabilisateur des RC n’est pas automatique mais dépendrait plutôt des conséquences d’une politique budgétaire laxiste. Le chapitre 2 s’intéresse quant à lui à la causalité entre RC et crises (bancaire/financière, de change et de dette) et remet en cause la vision bipolaire qui prétendait que les RC intermédiaires sont plus vulnérables aux crises que les solutions en coin (RC fixes/flexibles). Il ressort de notre analyse que les fondamentaux macroéconomiques (la volatilité du crédit au secteur privé, le financement du déficit, et le ratio dette sur PIB) jouent un rôle considérable. Le chapitre 3 met en évidence un lien entre les RC et la politique fiscale. Les pays à RC fixes montrent une plus grande dépendance aux recettes domestiques –telles que la TVA-, comparativement aux pays en change intermédiaires/flexibles pour compenser les pertes de recettes de seigneuriage (effet de substitution). De plus, ces pays avec RC fixes collectent plus de recettes domestiques en compensation de la perte de recettes douanières, suite à la libéralisation commerciale (effet de compétitivité). Dans les trois derniers chapitres (partie II), nous mettons le focus sur la politique budgétaire et les effets de la décentralisation. Le chapitre 4 révèle une relation non-linéaire entre la politique budgétaire et le cycle économique, qui dépend du niveau de la dette publique. Lorsque celle-ci dépasse un certain seuil (87%), la politique budgétaire perd toute propriété contra-cyclique. Nous montrons par ailleurs que l’effet disciplinaire ex-ante des règles budgétaires aide à restaurer la contra-cyclicité de la politique budgétaire. A travers le chapitre 5, nous montrons que la décentralisation budgétaire, dans un cadre politico-institutionnel sein et dépourvu de corruption, améliore l’offre de biens et services publics. Le chapitre 6 conclut que la décentralisation impacte positivement le solde structurel. Cependant une asymétrie entre la décentralisation des dépenses et celle des recettes accroit la dépendance des gouvernements locaux vis-à-vis du gouvernement central en termes de transferts, et amoindrirait considérablement à l’effet positif de la décentralisation. / This thesis explored, in two parts, the macroeconomic impacts of exchange rate regimes (ERR), as well as the recent developments in fiscal policy and fiscal decentralization. Part I has reconsidered the role of ERR and its interplay with fiscal, monetary and tax policy. The first result that emerges (Chapter 1) is that fixed ERR can serve as a credible policy tool for stabilizing fiscal policy. However, this stabilizing effect is conditional upon the inter-temporal distribution of the costs of loose fiscal policy. In assessing the linkage between ERR and crises (banking/financial, currency and debt), Chapter 2 evidenced that the bipolar view is no longer valid, and that, crisis proneness rather depends on the macroeconomic fundamentals (the volatility of private sector credit, the deficit-financing mechanism, and the debt-to-GDP ratio). In Chapter 3, we unveiled a strong relationship between ERR and tax policy. Countries with pegged regimes have greater reliance on domestic taxation -such as the VAT- to make up for the loss of seigniorage revenue (substitution effect). Moreover, peggers tend to collect more VAT revenue to offset the shortfall in cross border taxes following the trade liberalization reform (competitiveness effect). Part II discussed the cyclical response of fiscal policy in high debt periods, and focused on fiscal decentralization issues. In Chapter 4, we showed that the reaction of fiscal policy to the business cycle is non-linear and conditional to the level of public debt. When the debt-to-GDP ratio goes beyond a certain threshold (87%), fiscal policy loses its counter-cyclical properties. Further, we highlighted that carefully-designed fiscal rules help maintaining counter-cyclicality through an ex ante disciplinary effect. Chapters 5 and 6 analyzed the impact of fiscal decentralization on the efficiency of public service delivery and fiscal policy performance, respectively. Chapter 5 revealed that a sufficient level of expenditure decentralization, coupled with revenue decentralization, improves the efficiency of public service delivery. However, the political and institutional environment is critical for reaping decentralization-led benefits. Lastly, Chapter 6 concluded that fiscal decentralization has destabilizing effect by reducing the counter-cyclicality of fiscal policy. In addition, we found that decentralization strengthens the structural fiscal balance; however, vertical fiscal imbalances reduce the benefits of decentralization. It is therefore critical to limit asymmetries between expenditure and revenue decentralization, so as to reduce the transfer-dependency of local governments to the central level, and thus prevent decentralization from weakening the fiscal stance at the general government level.

[pt] Neste trabalho é apresentado um estudo sobre a determinação matemática dos valores da dispersão cromática total, do zero de dispersão distribuído e efeitos não lineares em fibras ópticas de dispersão deslocada (DS). Uma metodologia para caracterização das dispersões cromáticas e para os zeros de dispersão local das fibras estudadas é elaborada com a utilização do modelo de fibra degrau equivalente e de aproximações entre as fibras ópticas dos enlaces trabalhados. A relação entre o diâmetro do campo modal e o zero de dispersão cromática distribuído segundo A. Rossaro [6] é discutida e comprovada através da realização de uma série de medidas práticas para a determinação dos efeitos não lineares das fibras de dispersão deslocada dos enlaces da Petrobrás. O objetivo deste trabalho é analisar estes efeitos prejudiciais a transmissão de sinais ópticos de alta velocidade apresentados nos cabos submarinos da Petrobrás entre o Porto de Imbetiba e as plataformas de Pargo I e Pampo I na Bacia de Campos, analisando os resultados obtidos e caracterizando as possibilidades de upgrade destes enlaces. / [en] This work presents a study on the mathematical determination of the total chromatic dispersion, zero dispersion wavelength and nonlinear optical effects in dispersion shifted (DS) fiber optic system. A methodology to determine the chromatic dispersion and zero dispersion wavelength is proposed using the equivalent step index model and the similarity of the total chromatic dispersion measured in fibers of the links under study. The relationship between the mode field diameter and the zero dispersion wavelength according to A. Rossaro [6] is discussed and proven with a series of practical measurements for the determination of the nonlinear effects of the dispersion shifted optical fibers of Petrobras links Imbetiba - Pargo and Imbetiba - Pampo of the Campos Basin. / [es] En este trabajo se presenta un estudio sobre la determinación matemática de los valores de dispersión cromática total, del cero de dispersión distribuido y los efectos no lineales en fibras ópticas de dispersión desplazada (DS). Se elabora una metodología para la caracterización de las dispersiones cromáticas y para los ceros de dispersión local de las fibras estudiadas; utililizando el modelo de fibra escalón equivalente y de aproximaciones entre las fibras ópticas de los enlace. Se discute la relación entre el diámetro del campo modal y el cero de dispersión cromática distribuido según A. Rosaro [6] se comprueba a través de la realización de una serie de medidas prácticas para la determinación de los efectos no lineales de las fibras de dispersión desplazada de los enlaces de la Petrobrás. EL objetivo de este trabajo es analizar los efectos perjudiciales a la transmisión de señales ópticos de alta velocidad que se presentan en los cables submarinos de la Petrobrás entre el Puerto de Imbetiba y las plataformas de Pargo I y Pampo I en la Bacia de Campos, analizando los resultados obtenidos y caracterizando las posibilidades de upgrade de estos enlaces.