[pt] O bloqueio da abertura de um refletor pelo alimentador, estais ou subrefletor causam significante deteriorização de um feixe colimado de microondas: pela redução do ganho, pelos aumentos da polarização cruzada e de níveis de lóbulos laterais. Conseqüentemente, o emprego de estruturas de duplos refletores offset torna-se atraente pois permite a eliminação dos efeitos de bloqueio e, através de ajuste dos refletores, redução de polarização cruzada. Várias configurações foram consideradas, utilizando confocal cônicas e refletores modelados. Alternativamente, substancial redução nos custos pode ser obtida pelo emprego de um refletor principal com simetria axial. Utilizando os princípios da Ótica Geométrica, o subrefletor corretor de fase é modelado para obter fase uniforme sobre a abertura. Neste trabalho apresentamos uma extensão do estudo sobre o desempenho de duplos refletores que empregam um esferóide como refletor principal. Alterações nesta configuração são introduzidos resultando em geometrias mais compactas e eficientes. Para avaliar o desempenho e o diagrama de radiação, submete-se os sistemas projetados a uma análise difrativa baseada na ótica Física. / [en] The aperture blockage by feed, stalls, and subreflector generally causes degradation of gain and raising of crosspolarisation and sidelobe levels. Consequently, to attend recent recommendations for sidelobe envelope, the design of earth station antennas has employed offset-fed configurations to eliminate blocking effects. Several dual offset designs have been presented employing sections of confocal conic or shaped reflectors. A possible disadvantage of these designs is that their main reflector does not show circular symmetry and thus connot be manufactured by spinning. The use of spherical main reflector is particularly interesting from the point of view of fabrication process for mass production. This work extends the investigation of the design of dual offset antennas with a spherical main reflector. The phase correcting subreflector is shaped using Geometrical Optics meanings. A diffractive analysis based on Physical Optics approximations is used to predict the radiation pattern, the efficiency and the crosspolaristion.

[pt] Nesta dissertação descrevemos a preparação de nanopartículas (NPs) de ouro através do aquecimento de filmes finos de ouro depositados em substratos de soda-lime pela técnica Magnetron Sputtering. Foi realizado um estudo para cinco espessuras diferentes variando entre (6–20) nm. Descrevemos também a caracterização morfológica e óptica (linear e não-linear) das nanopartículas formadas. Os resultados indicaram que a temperatura é de fundamental importância na formação das NPs, tendo sido realizado um estudo para formação a diferentes temperaturas. As amostras foram caracterizadas estruturalmente pela microscopia de força atômica (AFM) e microscopia eletrônica de varredura de emissão de campo (FESEM). Para o processamento das imagens geradas pelas microscopias utilizou-se uma análise de imagem (IA) antes da extração dos atributos morfológicos envolvendo as etapas de pré-processamento, segmentação, pós-processamento e medida. Para o processamento e extração de atributos, utilizou-se o Software KS400. As partículas possuem dimensões nanométricas com forma aproximadamente esféricas e diâmetros médios em torno de 13 nm para NPs formadas pelo aquecimento de filmes finos de 6 nm de espessura à 600° C por 4 minutos. As caracterizações ópticas lineares e não-lineares das NPs em estudo foram realizadas através das técnicas de espectroscopia UV-Vis e varredura z (Z-SCAN) em 800 nm respectivamente. No estudo da não-linearidade óptica foram determinados os índices de refração não linear (n2) e a absorção não- linear (a2) das NPs de ouro. Os resultados revelaram altos índices de refração não- linear, assim como uma inversão de sinal na absorção não-linear e no índice de refração não-linear quando os filmes finos de ouro são submetidos a um aquecimento a 600°C por 4 minutos. / [en] In this dissertation we describe the preparation of gold nanoparticles (NPs) by heating gold thin films of thicknesses between (6-20) nm, previously deposited on soda-lime substrates by Magnetron Sputtering. Also described are the morphological and optical (linear and nonlinear) characterization of the NPs. The tempertature dependence of the formation process of the NPs was investigated. The samples were structurally characterized by Atomic Force Microscopy (AFM) and Scanning Electron Microscopy, High Resolution (FESEM). We used an image analysis (IA) before extraction of morphological features involving the steps of preprocessing, segmentation, post-processing and measurement. For the processing and extraction of attributes, we used the software KS400. The particles have nanometers dimensions with approximately spherical shape and diameters around 13 nm for NPs formed by heating 6 nm thick thin films at 600 ° C for 4 minutes. The linear and nonlinear optical characterization of the NPs were performed through the techniques of UV-Vis spectroscopy and (TM-EZ at 532 nm, respectively. The non-linear optical characterization yielded the nonlinear refractive index (n2) and nonlinear absorption (a2) of the gold NPs formed. The results revealed high linear refractive indices, as well as a sign inversion of the nonlinear absorption when the NPs were formed.

[pt] Um estudo completo da dispersão dos modos de polarização (PMD) em fibras ópticas foi apresentado. Uma nova proposição de Emuladores de PMD com comprimentos de acoplamento aleatóriamente gerados foram comparados, teórica e experimentalmente, com os comumente encontrados na literatura. Um novo método para a medida da freqüência óptica em função do tempo baseado na técnica da discriminação de freqüências ópticas através de um filtro foi apresentado, mostrando suas vantagens sobre outro método encontrado na literatura. Utilizando este novo método foram medidas as características espectrais de alguns lasers DFB modulados em alta freqüência. Os efeitos das PMDs de primeira e segunda ordem em transmissões digitais de alta capacidade foram avaliados, através de medidas da distorção temporal do pulso óptico, bem como pelas penalidades de potência induzidas. O tratamento estatístico das penalidades de potência foi discutido, mostrando que as distorções por PMD de segunda ordem podem levar a uma eventual melhora do desempenho do sistema. Foi proposto um modelamento teórico para a PMD em fibras ópticas, baseado no comportamento observado nos novos emuladores de PMD ccom comprimento de acoplamento aleatório. / [en] A complete study of polarization mode dispertion (PMD) in optical fibers is presented. A new class of PMD emulators with random mode coupling lengths is proposed and compared experimentally and theoretically with other emulators exinting measurements, based in a optical filter transfer function is also presented and compared with the preceding method.With this new method the time domain spectral characteristics of some high frequency modulated DFB lasers were measured. First and second order PMD effects in high speed digital transmission were evaluated through both temporal distortion and power penalties measurement. The statistical treatment of the power penalties was discussed, showing that signal distortion by PMD may eventually improve the performance of the system. A theoretical model of simulate the signal propagation along the fiber was porposed, based on the emulator conception with random coupling lengths.

[pt] Dois dispositivos de contagem de fótons únicos, sensíveis a comprimentos de onda no infravermelho próximo e médio, são propostos e experimentalmente investigados. Ambos utilizam uma técnica de dois estágios, composta de uma etapa inicial de conversão de freqüências em um cristal não-linear seguida de detecção por um fotodiodo avalanche de silício. Enquanto o primeiro projeto é voltado à detecção de fótons únicos a 1.55 μm para comunicações quânticas via fibra óptica, usando um processo intra-cavidade, o segundo projeto prevê o desenvolvimento de um contador de fótons operando a 4.65 μm para sistemas de espaço livre. Neste caso, um estudo de viabilidade para um sistema prático de criptografia quântica operando em um comprimento de onda no infravermelho médio é realizado. Os resultados mostram que, usando a tecnologia disponível na atualidade, tal sistema pode ser construído, embora sua utilidade se mostre restrita a enlaces possuindo certas condições meteorológicas específicas. / [en] Two single photon counting devices, operating at near- and mid-infrared wavelengths, are introduced and experimentally investigated. Both use a twostage technique, comprised of an initial frequency up-conversion procedure inside a nonlinear crystal followed by a silicon avalanche photodiode. Whereas the first project consists on detection of single photons at 1.55 ìm for fiber-optic-based quantum communications, using a cavity-enhanced procedure, the second project envisions the development of a single-photon counter operating at 4.65 ìm for free-space systems. In this case, a feasibility study for a practical quantum key distribution system operating in a mid-infrared wavelength is performed. The results show that, using present-day technology, such a system can be constructed, albeit its usefulness would be restricted to operation under very specific weather conditions.

[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] O presente trabalho propõe técnicas numéricas para a síntese de antenas refletoras que utilizando seções de cônicas ou superfícies quádricas confocais. Para tal, utilizando os princípios da Óptica Geométrica, foram desenvolvidos algoritmos capazes de sintetizar as superfícies refletoras desejadas. São analisadas duas geometrias distintas: a antena duplo-refletora com cobertura omnidirecional e a antena refletora offset com um único refletor. No primeiro problema, é apresentado um método alternativo para a síntese geométrica de antenas duplo-refletoras com cobertura omnidirecional e diagrama de radiação arbitrário no plano de elevação. O subrefletor é um corpo de revolução gerado por uma única seção cônica e o refletor principal modelado é gerado por uma série de seções cônicas locais sequencialmente concatenadas. Para ilustrar o método, duas configurações axialmente simétrica são sintetizadas para proporcionar diagramas de radiação uniforme ou cossecante ao quadrado no plano de elevação. Os resultados são validados por uma técnica híbrida baseada em Casamento de Modos e o Método de Momentos. No segundo problema, é investigado um procedimento numérico alternativo para a síntese geométrica de antenas refletoras offset com diagrama de radiação arbitrário na região de campo distante. O método usa superfícies quádricas confocais com eixos deslocados para representar localmente a superfície modelada. Nesta abordagem, um operador não linear deve ser resolvido como um problema de contorno. Para ilustrar o método, são apresentadas antenas modeladas para prover diagrama de radiação Gaussiano em contornos de cobertura circular, elíptico e super-elíptico. / [en] This work proposes numerical techniques for synthesis of reflector antennas, using conic sections or confocal quadric surfaces. Under Geometrical Optics principles, algorithms to shape desired reflective surfaces have been developed. Two different geometries have been considered: omnidirectional dual-reflector antenna and single offset reflector antennas. In the first problem, it was presented an alternative method for synthesis of omnidirectional dual-reflector antennas with an arbitrary radiation pattern in elevation plane. The body-of-revolution subreflector is generated by a single conic section, while the shaped main reflector is generated by a series of local conic sections, sequentially consecutively concatenated. In order to illustrate the method, omnidirectional axisdisplaced ellipse (OADE) and Cassegrain (OADC) configurations are synthesized to provide uniform or cosecant squared radiation pattern in the elevation plane. The GO shaping results are validated by a hybrid technique based on Mode Matching and Method of Moments. In the second problem, an alternative numerical procedure was investigated for the geometrical synthesis of offset reflector antennas with an arbitrary radiation pattern in the far-field region, according to geometrical optics. The method uses local axis-displaced confocal quadric surfaces to describe the shaped reflector. In this approach, a nonlinear operator must be solved as a boundary value problem. To illustrate the method, we have chosen several offset configurations with circular, elliptical and super-elliptical contour coverage and Gaussian power density. The results were validated by the physical optics approximation.

[pt] Detectores de fótons únicos baseados em fotodiodos de avalanche (SPADs) são essenciais em aplicações que requerem alta resolução, como comunicações quânticas e metrologia quântica. O efeito da largura de janela de detecção temporal de fótons é pouco explorado, e não há estudos para a faixa de comprimentos de onda de interesse em telecomunicações em torno de: 1550 nm. Neste trabalho, apresenta-se uma proposta para análise de impacto da largura de janela de detecção de um SPAD de InGaAs/InP, realizando uma análise da estatística entre detecções consecutivas e da probabilidade de detecção de 0 ou 1 evento em função da atenuação óptica. Variou-se o número médio de fótons por janela medido pelo SPAD, e os resultados foram avaliados para os valores de 4 ns, 8 ns, 12 ns, 16 ns e 20 ns de largura de janela de detecção, sendo estimada a Incerteza de Medição Expandida para cada ensaio. Os resultados obtidos indicam uma faixa adequada de potência óptica para calibração de um SPAD com eficiência de detecção de 15 porcento e um tempo morto de 1 microssegundo, no intervalo de 10 nW a 0,15 nW. Nesta faixa de potência, os respectivos produtos associados ao efetivo número médio de fótons por janela de detecção correspondem aos valores de 190 x 10-(4) a 0,32 x 10(-4) (para 4 ns) e 140 x 10(-4) a 2,9 x 10(-4) (para 8 ns). Foram obtidos comportamentos lineares para os ajustes das curvas de calibração para larguras de janela de 4 ns e 8 ns. / [en] Single photon detectors based on avalanche photodiodes (SPADs) are essential in applications that require high resolution, such as quantum communications and quantum metrology. The effect of the width of photon detection gate is little explored, and there are no studies for the wavelength range of interest in telecommunications around 1550 nm. In this work, a proposal is presented for analyzing the impact of the detection gate width of an InGaAs/InP SPAD, performing a statistical analysis of consecutive detections and the probability detection of 0 or 1 events depending on the optical attenuation. The average number of photons per gate measured by the SPAD was varied, and the results were evaluated for the values of 4 ns, 8 ns, 12 ns, 16 ns and 20 ns of detection gate widths, and Expanded Measurement Uncertainty was estimated for each test. The results obtained indicate an adequate optical power range for calibrating a SPAD with a detection efficiency of 15 percent and dead – time of 1 microssecond, in the range of 10 nW to 0,15 nW. In this power range, the respective products, which are associated with an effective average number of photons per gate window, correspond to the values of 190 x 10(-4) to 0,32 x 10(-4) (for 4 ns) e 140 x 10(-4) to 2,9 x 10(-4) (for 8 ns). Linear behaviors were obtained for the adjustment of the calibration curves for gate widths of 4 ns and 8 ns.

[pt] Materiais nanoestruturados tem um espaço proeminente nos avanços tecnológicos devido a suas propriedades físicas e químicas que podem ser bem diferentes das encontradas no mesmo material em forma de bulk. Na primeira parte desta tese foram investigados, como centros espalhadores em laser aleatório (RL) materiais nanoestruturados naturais, como exemplo disso são o quartzito e a celulose. Nesse contexto, usamos celulose e o quartzito como centros espalhadores de lasers aleatórios, em suspensão com etileno glicol, com o intuito de caracterizar esses sistemas como lasers aleatórios, definindo-se o limiar laser e a variação da largura a meia altura do espectro de emissão laser. São apresentadas também outras configurações do laser aleatório como o filme espesso de celulose e onda guiada com suspensão de quartzito. Uma outra área de pesquisa com grande impulso, após a descoberta do grafeno, é aquela associada aos materiais 2D, tais como os Dicalcogenetos de Metais de Transição (TMDs). Na segunda parte desta tese está relacionada com a caracterização de propriedades ópticas não lineares (ONL) que tem uma enorme importância para aplicações de materiais 2D em dispositivos optoeletrônicos e em nanofotônica. Já na segunda parte dessa tese foram caracterizadas as propriedades de ONL térmica e eletrônica de materiais do tipo TMDs, para a determinação dos valores do índice de refração não linear e o coeficiente de absorção não linear desses materiais, usando a técnica de varredura Z (Z-Scan). / [en] Nanostructured materials have a prominent place in technological advances due to their physical and chemical properties that can be quite different from those found in the same material in bulk form. In the first part of this thesis, random laser scattering centers (RL) were investigated. natural nanostructured materials such as quartzite and cellulose. In this context, we used cellulose and quartzite as scattering centers for random lasers, suspended with ethylene glycol, to characterize these systems defining the laser threshold and full width half maximum (FWHM) of these random lasers. Other random laser configurations are also presented, such as thick cellulose film and guided wave with quartzite suspension. Another area of research with great impetus, after the discovery of graphene, is that associated with 2D materials, such as Transition Metal Dichalcogenides (TMDs). The second part of this thesis is related to the characterization of nonlinear optical properties (NLO) which is of enormous importance for applications of 2D materials in optoelectronic devices and in nanophotonics. In the second part of this thesis, the thermal and electronic NLO properties of TMD-type materials were characterized, to determine the values of the nonlinear refractive index and the nonlinear absorption coefficient of these materials, using the Z- scan technique.

[pt] A conversão de comprimento de onda de sinais por meio de técnicas totalmente ópticas é um assunto inovador e de extrema necessidade para as redes com roteamento de comprimento de onda; a técnica de conversão de comprimentos de onda por modulação de ganho cruzado é uma das mais simples, em princípio, que atinge este objetivo. Duas modalidades são apresentadas neste trabalho: a clássica, também conhecida por pump & probe, e uma nova, a de modulação de ganho cruzado do espectro da ASE em um SOA. A técnica pump e probe é apresentada, assim como um experimento baseado nesta. A técnica de modulação de ganho cruzado da ASE é explorada como alternativa à técnicas de conversão de comprimento de onda que necessitam de outra fonte de luz, para a qual o sinal deve ser convertido. Na modulação de ganho cruzado da ASE, o sinal é convertido de luz coerente para incoerente; e, uma vez modulado o espectro da ASE do SOA, este é filtrado no comprimento de onda que se deseja obter a conversão. Assim, este conversor pode ser sintonizável, já que não é um parâmetro de entrada que define o comprimento de onda convertido, e sim um filtro passa-faixa ao fim do dispositivo. Para se avaliar os tempos de resposta da técnica, a conversão é feita utilizando-se pulsos elétricos ultracurtos (50 ps), o que não havia sido feito até então. / [en] Wavelength conversion of optical signals by all-optical techniques is an innovative and necessary technology for wavelength routed networks in the near future; the cross-gain modulation method is one of the simplest, in form, to attain this goal. Two categories of the main technique are presented: the classic, also known as pump and probe, and a novel one, named cross- gain modulation of the ASE spectrum of a SOA. The cross-gain modulation of the ASE spectrum is explored here as an alternative to previous all-optical wavelength conversion techniques that require another light source, to which the incoming signal is to be converted; the signal is converted from coherent to incoherent light; and, once modulated throughout the SOA`s ASE spectrum, the signal is then filtered at the central wavelength it is desired to be converted. Thus, this particular wavelength converter can be tunable, in the sense that it is reconfigurable, since a band pass filter located at the end of the device selects what wavelength the signal will be converted to. In order to assess the response times of the technique, the conversion is made for ultra short electrical pulses (50 ps), a feature unknown until now.

[pt] É possível criar uma não-linearidade de segunda ordem em amostras de sílica a partir do processo de polarização. Essas amostras vítreas com o X(2) induzido potencialmente podem ser utilizadas na fabricação de componentes como moduladores ópticos e dobradores de freqüência. O processo de polarização eletrotérmica utiliza alta tensão e alta temperatura e forma uma região de depleção de íons (camada de depleção) onde um campo elétrico intenso é gravado de forma permanente dentro da amostra. Neste trabalho, foram utilizadas diferentes técnicas de caracterização para medir a extensão dessa camada e os resultados foram comparados. As técnicas escolhidas foram: Ataque Químico Interferométrico (com ácido fluorídrico), Maker Fringe, Microscopia Óptica e de Força Atômica e Ataque Interferométrico com Medida de Segundo Harmônico em Tempo Real. Além disso, foram feitos alguns estudos paralelos visando à otimização e a reprodutibilidade do processo de polarização. Foram realizadas dessa forma análises sobre o material dos eletrodos utilizados e sobre a influência da condição inicial da superfície da amostra antes da polarização. / [en] It is possible to create a second order non linearity in silica samples with the poling process. The glass samples with an induced X(2) have a potential application on the fabrication of optical devices such as modulators and frequency converters. In the electrothermal poling process, high voltage and high temperature are applied to the samples forming an ion depleted region (depletion layer), where an intense electric field is permanently recorded. In this work, several characterization techniques have been utilized to measure the width of the depletion layer and compared the obtained results. The chosen techniques were: Interferometric Etching, Maker Fringe, Optical and Atomic Force Microscopy and the Interferometric Etching with Real Time Second Harmonic Measurement. In addition to this, we performed other studies aiming the optimization and reproducibility of the poling process. In this way, we analyzed the material used for the electrodes and the influence of the initial condition of the sample surface before poling.