[pt] A caracterização do campo próximo em guias de onda ópticos torna-se indispensável quando se deseja confeccionar guias monomodo. Neste trabalho utilizou-se um sistema de medidas baseado na medida do campo próximo, para caracterizar guias de onda quanto ao seu conteúdo modal. Foram realizadas medidas do campo próximo de onda em GaAs/AlGaAs, com estruturas diferentes, para se verificar as suas características modais. Analisou-se, também, alguns parâmetros importantes nesta medida, como os alinhamentos e o ajuste do foco do sistema óptico. Baseado nos dados medidos, calculou-se o spot size dos guias nas direções horizontal e vertical, verificando-se a eficiência de acoplamento com fibras monomodo. Para se averiguar a precisão do sistema de medidas, uma fibra monomodo calibrada foi medida, verificando-se um erro de aproximadamente 1.5% nas medidas de spot size. / [en] Near field characterization of optical waveguides is extremely important in monomode waveguides production. This work has use a measurement system based on the near field measurement, for characterizing the modal contents of waveguides. In order to verify the modal characteristics of two GaAS/AlGaAs waveguides, with different structures, near fiels measurements were made. Important parameters, such as the alignment and the focal adjustment of the aoptical systems, were also analyzed. Using the results from the measurements, it was calculated the spot size of the waveguides in the horizontal and vertical directions, verifying the coupling efficiency with monomode fibers. A calibrated monomode fiber was measured to analyze the system precision. On using this measurement as a reference parameter a high precision was observed

[pt] O desenvolvimento de moduladores externos é fundamental já que em decorrência do efeito de chirp em altas freqüências, a modulação direta de lasers fica prejudicada. Nesta tese projetamos uma estrutura de modulador de amplitude utilizando o efeito Stark em semicondutores para ser aplicado em sistemas de telecomunicação de altas taxas. Na estrutura semicondutora proposta utilizou-se a eletro-absorção em poços quânticos múltiplos de OnGaAs/InAlAs. Diferentes figuras de mérito do dispositivo passivo e ativo foram analisadas. Na simulação do comportamento do dispositivo como guia de onda foram utilizados os seguintes métodos: Método do Índice Efetivo e Método de Propagação de Feixe. A aplicabilidade desses métodos foi testada numa estrutura Rib de GaAs/AlGaAs e os resultados confrontados com medidas feitas em laboratório. Estando os resultados experimentais de acordo com os resultados obtidos através da simulação, os mesmos métodos foram utilizados na avaliação da estrutura do modulador de amplitude proposta. O comportamento resultante do guia correspondente às características almejadas. / [en] The development of external modulators is fundamental since the presence of chirping deteriotates the direct modulation of laseres ati high frequencies. In this work a project of an amplitude modulator for high bit-rate telecommunication systems using the Stark effect in semiconductors was undertaken. In the proposed semiconductor structure the electro-absorption in InGaAs/AnAlAs multiple quantum wells was used. Different figures of merit of the passive and active device were analysed. In the simulation of the device performance as a waveguide the following methods were applied: effective Index Method and Beam Propagation Method. The applicability of these methods were tested on a GaAs/AlGaAs rib structure and the results were compared with measurements done in the laboratory. The experimental results were in completed accord with the simulation. Therefore, the same methods were used to evaluate the proposed amplitude modulator structure. The resulting performance of the waveguide corresponds to the desired characteristics.

[pt] Reflectometria Ótica de Baixa Coerência (OLCR) é uma importante técnica não-destrutiva para a caracterização de guias de onda óticos. Este trabalho apresenta um estudo sobre a multiplicação de soluções que aparecem com uma nova configuração, que coloca o dispositivo fora dos braços do interferômetro. Duas técnicas foram desenvolvidas para resolver esse problema. Uma delas é baseada na correlação de medidas feitas com o dispositivo em duas posições diferentes. A outra técnica elimina a dualidade pela modulação da fase das reflexões provenientes do dispositivo. Ambas as técnicas eliminaram os picos indesejáveis satisfatoriamente, tornando mais fácil a observação das reflexões. A resolução não foi alterada pela modulação, e um elevada sensibilidade foi obtida. Um método para medidas de atenuação, baseado em sistemas de OLCR, foi apresentado. Se o coeficiente de reflexão for bem conhecido, o seu uso para medidas em guias de onda, tais como moduladores eletro-óticos, pode ser bastante interessante. / [en] Optical Low Coherence Reflectometry (OLCR) is na important non-destructive method for characterization of optical waveguides. This work presents a study of the plurality of solutions that appear with a new configuration, which places the device out of both arms of the interferometer. Two techniques were developed to solve this problem. One of them is based on the correlation of measurements made with the device in two different positions. The other technique removes the ambiguity by modulating the phase of the reflections from the interferometer. Both techniques have eliminated the undesirable peaks sucessfully, making the observation of the reflections more easy. The resolution was not changed by the modulation, and a high sensitivy was achieved. A method for attenuation measurements, based on OLCR systems, was presented. If the reflection coefficient is well know, its use for measurements of optical waveguides, such as modulators, could be very interesting.

[pt] Neste trabalho, o efeito de um obstáculo cilíndrico do tipo poste em guias de ondas retangulares e circulares é o objeto de estudo. Considerando-se um poste metálico em um guia de ondas retangular, utiliza-se o método dos momentos e diádicas de Green como técnica de obtenção de soluções. Utilizando a mesma metodologia, estada-se um poste metálico em um guia de ondas circular. A análise de um poste dielétrico em guias de ondas retangular e circular é feita através da técnica perturbacional. / [en] In this work, the effect of a cylindrical obstacle such as a post in rectangular and circular waveguides is the subject of study. Considering a metallic post in a rectangular waveguide, the Method of Moments and the Dyadic Green s Functions are applied to obtain the solutions. The same methodology is used to study a metallic post in a circular waveguide. A perturbational analysis is carried out to study a dielectric pos in retangular and circular waveguides.

[pt] Esta tese apresenta uma análise de uma estrutura de corneta cônica corrugada com dielétrico anisotrópico, com eixo óptico na direção axial da corneta. Esta configuração de corneta pode ser conseguida utilizando-se a estrutura de uma corneta corrugada com a adição de um cone dielétrico anisotrópico uniaxial. A anisotropia pode ser conseguida artificialmente dopando-se o material dielétrico isotrópico ou utilizando-se uma técnica de perfuração na direção axial do cone. Esta técnica de perfuração é sugerida e apresentada nesta Tese. Partindo-se da geometria definida, foram desenvolvidas as expressões dos campos transversais e o equacionamento para a obtenção das curvas características da estrutura. É apresentado ainda um estudo comparativo dos campos transversais com os casos degenerados já conhecidos de guias cilíndricos, entre eles, guia cilíndrico corrugado oco, guia cilíndrico metálico com bastão dielétrico, guia cilíndrico corrugado com bastão dielétrico isotrópico. As expressões para o cálculo dos campos radiados distantes foram obtidas para o guia cilíndrico corrugado com dielétrico anisotrópico. Em adição, expressões para o cálculo dos campos radiados distantes para a corneta cilíndrica corrugada com dielétrico anisotrópico com pequenos ângulos de abertura (flare angle) utilizando-se a aproximação por capa esférica foram obtidas e apresentadas. Estas expressões foram baseadas na terceira definição de Ludwig. Foram realizadas análises para estruturas já conhecidas geradas a partir da degeneração do caso mais geral apresentado nesta tese com o objetivo de validar a teoria desenvolvida e os resultados provaram a validade do material teórico desenvolvido. Finalmente, foi desenvolvida uma análise paramétrica da estrutura apresentada com o intuito de verificar o comportamento dos campos radiados e da polarização cruzada máxima em função da anisotropia e da frequência de operação. Verificou-se que a largura de feixe de meia potência foi pouco influenciada pela anisotropia do dielétrico e apresentou comportamento esperado em função da frequencia. A variação da máxima polarização cruzada em função da frequência foi estudada. Em determinados valores de permissividade e anisotropia, para a configuração considerada, foi alcançada a condição híbrida balanceada. Nesta condição a estrutura apresentou baixos níveis de máxima polarização cruzada em uma faixa larga de frequência. Comportamento este muito superior ao da corneta corrugada, corneta metálica com dielétrico e corneta corrugada com dielétrico isotrópico. / [en] This thesis presents an analysis of a corrugated conic horn structure with anisotropic dielectric. This dielectric cone is positioned inside the horn and has an optical axis in its longitudinal direction. This horn configuration can be obtained using the structure of corrugated horn and adding an anisotropic dielectric cone. The anisotropy can artificially be obtained by doping the isotropic dielectric or using a perforation technique. This perforation technique is suggested and presented in this Thesis. Expressions for the transverse fields and the propagation constant curves were developed considering this new geometry. It is also presented a comparative study of the degenerated transversal fields with well-known structures. These structures are: hollow cylindrical guide, corrugated cylindrical guide, cylindrical metallic guide with dielectric and corrugated cylindrical guide with dielectric. The expressions to calculate the radiated far fields were obtained for the corrugated cylindrical guide with anisotropic dielectric. In addition, expressions to calculate the radiated far fields for the corrugated cylindrical horn with anisotropic dielectric were developed and presented. These expressions considered horns with small flare angle and used the spherical cap approximation theory. All expressions considered the 3th Ludwig definition for the radiated far field. Far field analyses were conducted for well-known structures. These structures were obtained by degenerating the new configuration presented in this thesis and aimed to validate the theoretical developed theory. The results proved its validity. Finally, a parametric analysis was performed. This analysis considered, for a given structure configuration, the behavior of the radiated far fields and its maximum cross polar levels as a function of the anisotropy and frequency. It was verified that the dielectric anisotropy had very little effect on the half power beam width characteristic. The maximum cross polar level as a function of the frequency was analyzed. For some specific values of permittivity and anisotropy, for the considered configuration, the balanced hybrid condition was reached. In this condition the structure presented very low cross polar values in a large frequency band. This behavior is much more superior to the corrugated horn, dielectric horn and the isotropic dielectric corrugated horn.

[pt] No presente trabalho, diversos métodos de análise são aplicados ao problema de íris em guias de onda. É feita, inicialmente, uma análise da teoria de pequenas aberturas. Uma verificação, através de comparação de resultados teóricos com experimentais, determina a faixa de validade e precisão da teoria. A seguir, aplica-se o método dos momentos, em particular para íris circulares em guias circulares e íris retangulares em guias retangulares. Para o caso da íris retangular em guia retangular, problemas de convergência relativa e séries lentas, típicos do método dos momentos, são contornados pela escolha adequada das funções de base e pela transformação de séries auxiliares de correção. Resultados experimentais mostram boa concordância com valores teóricos, para diversos valores de freqüência e dimensões de íris considerados. / [en] In this work, different methods are applied to iris - type discontinuity problems in waveguides. At first, the diffraction theory by small holes is considered. Theoretical results are compared with experimental ones and the accuracy and application range of the theory are verified. Further, the moment method is applied particularly to circular irises in circular waveguides and retangular irises in retangular waveguides. In the case of retangular irises in retangular waveguides, an acceleration procedure besides an special kind of basis functions is used to circumvent problems associated with relative convergence problem and slow convergent series. Experimental results are compared with theoretical ones and good accuracy is achieved for different frequencies and irises dimensions.

[pt] Neste trabalho obtém-se a matriz de espalhamento de obstáculos cilíndricos em guias de ondas retangulares. O método de análise utilizado é o método dos momentos juntamente com o método das imagens. São analisadas descontinuidades formadas por um poste vertical inteiro, postes verticais contendo um gap central, postes horizontais contendo um gap central e postes localizados nas quatro paredes do guia de ondas retangular. Os resultados obtidos são comparados com valores experimentais para as 4 geometrias descritas acima. Além disso é feita a comparação dos resultados obtidos com os do método variacional para o caso do poste vertical inteiro. / [en] In this work the scattering matrix of cylindrical obstacles in rectangular wavwguides is obtained. The analysis method adopted is the moment method in junction with the image method. Discontinuities formed by a single vertivcal post, vetical posts with a central gap, horizontal posts with a central gap, and posts on the four waveguides walls are analyzed. The results are compared with experimental data for the four geometries described above. Moreover the results are also compared with those obtained by variational method in the case of the single vertical post.

[pt] O objetivo deste trabalho é o estudo das características de propagação de ondas eletromagnéticas em guias de onda dielétricos contendo materiais arbitrariamente não lineares representados por uma distribuição de índice de refração que depende da intensidade local do sinal. Os guias de onda considerados neste trabalho podem ser analisados por meio de uma equação de onda unidimensional. Devido à presença de materiais não lineares, esta equação admite solução analítica apenas para certos tipos de não linearidade. De modo a permitir um estudo mais abrangente, uma solução numérica é desenvolvida para a equação de onda não linear. Esta solução numérica é então utilizada no estudo das características de propagação de guias de onda dielétricos em diversas configurações e diferentes tipos de onda dielétricos em diversas configurações e diferentes tipos de distribuição de índice de refração não linear, tanto em polarização TE como TM. O estudo mostra que estes guias de onda apresentam propriedades de propagação de potencial aplicação em dispositivos para um processador ótico de sinais ou para um computador ótico, como por exemplo histerese e bi-estabilidade óticas. É feito ainda um estudo da estabilidade das soluções da equação de onda não linear, sendo verificado que certas porções das soluções são instáveis, isto é, sofrem alteração à medida em que se deslocam ao longo do guia de onda. Além disso, foi observado a possibilidade de ocorrência, nas soluções instáveis, de rotas para o caos quando a potência do sinal é aumentada gradativamente. Em todos as etapas deste trabalho, os resultados foram comparados com outros métodos existentes na literatura. / [en] In this work, the propagation characteristics of electromagnetics waves in dieletric waveguides with arbitarily non-linear materiais, represented by a distribution of refractive index that depends on the local intensity of the signal, is presented. The waveguides here considered are analysed by means of an unidimensional equation. Due to the non- linearity of the materials this equation has analytical solution only for few types of non-linearities. To permit a more abrangent study, a numerical solution for the non- linear wave equation was developed. This solution is applied to the study of propagation characteristics of dielectric waveguides with different distributions of refractive index, either for TE and TM polarization. It is shown that these waveguides have propagation properties, like hysteresis and optical bi-stability, that fine applications in optical devices and optical computers. It´s also made a study of the stability of the solution of non-linear wave equation, showing that some portions of the solutions are usntable that is, they are a function of the observation point in the waveguide. The possibility of CAOS for unstable solutions, when the power is gradually increased, was also observed. At each step of this work, all results are compared with those of other methods of the literature.

[pt] Transformadores de guia de onda são amplamente empregados no projeto de componentes em onda guiada e são encontrados em praticamente todas as cadeias alimentadoras de antenas e demais estruturas de onda guiada na faixa de microondas. Embora a teoria de transformadores seja conhecida, os requisitos de ordem sistêmica têm levado os projetos de transformadores de guia de onda ao seu limite. Para tal nível de exigência, e considerando o número de variáveis no projeto de transformadores, técnicas numéricas de análise (tais como FDTD e expansão modal dentre outros), e otimização têm sido obrigatoriamente empregadas. Por outro lado, o número de variáveis de um transformador, acaba sendo um processo de alto consumo de tempo computacional, incoerente com o porte e objetivo de custo desses transformadores. Este trabalho propõe uma possibilidade alternativa para a análise mais rápida para essas estruturas, através do emprego de formulações fechadas derivadas de métodos varacionais. Um modelo heurístico é proposto para o caso de descontinuidades em dois planos, sejam para o caso de descontinuidades homogêneas ou para não-homogêneas. / [en] Waveguide transformers are widely used on antenna’s feeder chains and other microwave devices. Although the theory of quarter wavelength transformers is well known, the current electrical performance of such microwave devices has been pushing the waveguide transformers design to its limit. For attending such level of requirements, and considering the number of existing variables on a waveguide transformer design, very accurate numerical techniques has been applied on its analyses, (such as FDTD, mode matching, etc), and optimization techniques as well. On the other hand, such numerical techniques are very memory and/or CPU/time consuming, which do not match with the cost objective of those simple concept transformers. This work proposes an alternative technique, based on close-form models derived from varational theory. A heuristic model is also proposed for attending the two plane transformer case, which can be easily applied for both homogeneous and inhomogeneous structures. Keywords Waveguide;

[pt] Guias de onda são amplamente utilizados na engenharia de telecomunicações para a transmissão de sinais e construção de filtros e outros dispositivos de micro-ondas. Neste trabalho, apresentamos uma formulação baseada na técnica de casamento de modos (MMT) para a análise de descontinuidades em guias de ondas cilíndricos causadas por curvaturas no eixo longitudinal da linha de transmissão. Apresentamos e validamos uma técnica para análise modal de guias de ondas curvos através da aproximação da curvatura por uma sucessão de superfícies oblíquas por meio de suas matrizes de espalhamento generalizadas (GSMs) extraídas do MMT. A presente abordagem é uma alternativa computacionalmente eficiente para modelar curvaturas em guias de ondas cilíndricos quando comparada às técnicas usuais de força bruta numérica (tais como soluções baseadas em elementos, volumes, ou diferenças finitas). Um algoritmo é apresentado para calcular os elementos da matriz GSM para diferentes configurações de junções de guias de onda. A novidade do presente método consiste em considerar a projeção dos campos eletromagnéticos em superfícies oblíquas para a aplicação do MMT. Apresentamos uma série de resultados numéricos que mostram que a técnica apresentada neste estudo pode garantir resultados com boa acurácia e precisão ao realizar a análise do comportamento modal dos campos eletromagnéticos em descontinuidades provocados por curvaturas. / [en] Waveguides are widely used in telecommunications engineering for transmitting signals and manufacturing filters and other devices in the microwave applications. In this work, we present a formulation based on the mode-matching technique (MMT) for the analysis of discontinuities in cylindrical waveguides caused by curvatures in the longitudinal axis of the transmission line. We present and validate a technique for modal analysis of curved waveguides by approximating the curvature in a succession of oblique surfaces by means of their generalized scattering matrices (GSMs) extracted from the MMT. The present approach is a computationally efficient alternative for modeling curvature in cylindrical waveguides when compared to usual numerical brute force techniques (such as element-based, volumebased, or finite difference solutions). An algorithm is presented to compute the GSM matrix elements for different configurations of waveguide junctions. The novelty of the present method consists in considering the projection of electromagnetic fields onto oblique surfaces for the application of MMT. We present a series of numerical results that show that the technique presented in this study can guarantee results with good accuracy and precision when performing the analysis of the modal behavior of electromagnetic fields at discontinuities caused by curvatures.