O trabalho de doutorado teve como objetivo desenvolver um modulador óptico baseado em filme magnetostrictivo para aplicação como magnetômetro. A modelagem e simulação do dispositivo foi realizada utilizando software com cálculo por método dos elementos finitos (MEF) e teve como finalidade auxiliar iterativamente os processos de projeto e fabricação do modulador. A originalidade da proposta baseia-se na construção de um guia de onda em óptica integrada recoberto por um filme magnetostrictivo para permitir a modulação , via efeito elasto-óptico, da onda guiada pela aplicação de campos magnéticos externos. O campo magnético aplicado provoca a deformação o material magnetostrictivo que induz uma modificação no perfil de esforço aplicado ao substrato. O substrato tem suas propriedades ópticas alteradas devido ao efeito elasto-óptico, o que provoca mudanças nas propriedades da luz transmitida. O trabalho tem seu início com o estudo e a caracterização de filmes magnetostrictivos de Tb25F275 e Tb23Co77 depositados por sputtering sobre substratos de silício. Uma técnica para preparação das amostras e medição da magnetostricção foi estabelecida e os coeficientes de magnetostrição dos filmes foram determinados a partir das medições diretas dos deslocamentos das amostras, em função dos campos magnéticos aplicados, utilizando a técnica de Atomic Force Microscopy (AFM). Os resultados experimentais obtidos permitiram a realização de simulações por MEF para verificação dos modos de guiamento da luz gerados pelo perfil de esforços induzidos termicamente no processo de deposição do filme magnetostrictivo sobre substrato de B12GeO4 (BGO). Foi modelado e simulado também o efeito da aplicação do campo magnético sobre o guia óptico obtido inicialmente pelo efeito de esforço térmico. No resultado das simulações foi possível verificar as alterações do índice de refração efetivo e da intensidade óptica do modo guiado em função de campos magnéticos aplicados ao modulador. Ao final do trabalho realizaram-se a fabricação de alguns protótipos. Os resultados das caracterizações dos moduladores construídos permitirão, no futuro, ajustar os modelos de simulação elaborados. / The doctoral work aims are the development and simulation of an optical modulator based on the effect of magnetostriction for application as magnetometer. The multiphysics simulations were performed using the Finite Elements Method (FEM). In the manufacturing process of optical modulator integrated optics techniques were applied. The originality of the proposal is based on the construction of an integrated optical waveguide covered by a magnetostrictive film to allow the modulation of the guided wave, through the elasto-optical effect, by the application of external magnetic fields. The applied magnetic field causes deformation of the magnetostrictive material that induces a modification of the stress profile produced in substrate. The substrate has its optical properties altered due to the elasto-optical effect, which causes changes in the properties of transmitted light. The work begins with the study and characterization of TbFe and TbCo2 magnetostrictive films deposited by sputtering on silicon substrates. A method for sample preparation and measurement of magnetostriction was established. The magnetostrictive coefficient of the films was determined from the direct measurement of displacements of samples by AFM technique for magnetic fields applied. The experimental results obtained allowed to perform MEF simulations to verify the light guided modes generated by the profile of thermally induced stress created by deposition process of magnetostrictive film on B12GeO4 (BGO) substrate. It was also modeled and simulated the effect of the application of magnetic field on the optical guide obtained initially by the effect of thermal stress. In simulation results, it was possible to verify the changes of effective refractive index and optical intensity of guided modes as functions of magnetic fields applied to the modulator. At the end of the work, some prototypes were fabricated. The results of characterizations of the built modulators will allow, in the future, adjustments in simulation models.

Neste trabalho apresentamos uma nova técnica para a medida da rotação da polarização da luz por uma substância que possui atividade óptica. O sistema utiliza um LED, dois polarizadores, um prisma de vidro semicilíndrico, uma cubeta, uma CCD e um computador para análise de dados. Luz proveniente do LED passa pelo primeiro polarizador, cujo eixo de transmissão se encontra a 45°, e incide no prisma pelo lado semicilíndrico, ocorrendo reflexão na sua base, num ângulo próximo do ângulo crítico. Devido ao tamanho finito do feixe e o formato curvo da superfície do prisma, vários ângulos de incidência são observados na base da lente semicilíndrica. A luz refletida passa então pela cubeta e depois por um analisador, cujo eixo se encontra paralelo ao primeiro polarizador, e então o sinal é captado pela CCD. De forma alternativa, a cubeta pode ser posicionada após o primeiro polarizador, antes do prisma. Quando a cubeta é preenchida com água, observa-se na CCD uma interferência destrutiva exatamente no ângulo crítico caracterizado por um mínimo de intensidade nesse ângulo. Se uma substância opticamente ativa é utilizada para preencher a cubeta, a posição desse mínimo é alterada dependendo do ângulo de rotação da polarização imposto pela substância. Uma calibração é necessária e pode ser feita utilizando-se soluções de concentração conhecida de sacarose ou frutose, por exemplo. O aparato obtido foi utilizado para medir a rotação causada por uma amostra normal (0,26 g/ml) de soluções de sacarose e frutose e apresenta uma precisão de 0,04°. Equivalentemente, a precisão em concentração é de 0,001 g/ml ou aproximadamente 0,1% (m/m). Isso corresponde a uma precisão que é uma ordem de grandeza acima dos aparelhos comerciais e técnicas mais comuns utilizadas atualmente. Em contrapartida, o custo da montagem experimental é duas ordens de grandeza menor que os mesmos aparelhos comerciais. A produção de uma gama de ângulos de incidência devido à focalização na superfície cilíndrica do prisma substitui a necessidade de se produzir rotação no eixo de polarização do analisador após a passagem da luz pela amostra opticamente ativa, como ocorre em alguns aparelhos comercializados. Este dispositivo, por ser de baixo custo, compacto e de fácil manuseio, é de grande importância porque pode ser utilizado na indústria sucroalcooleira para a medida da quantidade de sacarose em cana e também na indústria farmacêutica para a identificação de substâncias opticamente ativas dextrogiras ou levógiras. / In this thesis we present a novel technique for measuring light polarization rotation caused by an optically active substance. The system is composed by a LED, two polarizers, a semi cylindrical glass prism, a cuvette, a linear CCD camera and a computer for data analysis. Light from the LED passes through the first polarizer, whose transmission axis is set at 45°. After that, the linear polarized light enters the prism by the semi cylindrical face, occurring reflection in the flat face at critical angle approximately. Several incidence angles are accessed due to the beams finite size and the shape of the semi cylindrical lens. The reflected light passes through the cuvette and then through the analyzer, whose transmission axis is set parallel to the first polarizer. Finally, the light is detected by the CCD. When the cuvette is filled up with water, a destructive interference at the critical angle is observed, characterized by a narrow valley centered at this angle. If the cuvette is filled up with an optically active substance, the center of this valley is shifted depending on the substance, its concentration and the optical path travelled by the light in the substance. A calibration is needed and is performed using a set of solutions of known concentrations. Our apparatus was used to measure the angle rotation caused by a normal solution (0,26 g/ml) of sucrose and fructose solutions and has a precision of 0,04°. It corresponds to a precision that is one order of magnitude above most used commercial apparatus and developed techniques. In contrast, the cost of our experimental setup is two orders of magnitude less than the same commercial devices. The production of a range of angles of incidence due to focusing on the cylindrical surface of the prism replaces the need of producing a rotation of the analyzer polarization axis after the light passes through the optically active sample, as it happens in some commercial devices. Since this device has a low cost, is compact and easy to handle, it may be of great importance for applications in the pharmaceutical industry to identify enantiomers, and in the sugar industry for measuring sugar content in sugar cane juice.

Dispositivos fotônicos têm estado continuamente no foco das pesquisas científicas, particularmente em aplicações para comunicações ópticas e sensoriamento. Por outro lado, as dimensões desses dispositivos são restringidas pelo limite de difração de Abbe. Esse limite tem se mostrado como o grande gargalo no desenvolvimento de novas tecnologias em microscopia óptica, litografia de projeção óptica, óptica integrada, e armazenamento óptico de dados, por limitar as dimensões e a capacidade de integração destes dispositivos. Felizmente, a \"plasmônica\" surgiu como um novo campo de estudo, possibilitando a superação dessa limitação por meio da propagação da luz em modos de plasmon-poláritons de superfície - SPP (Surface Plasmon Polariton). De maneira simplificada, SPPs são campos eletromagnéticos confinados em regiões menores que o comprimento de onda da luz. A geração de SPP ocorre por meio da excitação coletiva de elétrons na interface entre dois meios, metal-dielétrico, que se acoplam com a onda eletromagnética incidente. Pesquisadores logo perceberam que guias de onda baseados em SPP poderiam transportar a mesma banda de informação que um dispositivo fotônico convencional e serem tão localizados quanto dispositivos eletrônicos (elétrons têm maior capacidade de confinamento que fótons). Dessa maneira, alterando a estrutura da superfície de um metal, as propriedades dos SPPs - em particular sua interação com a luz - podem ser manipuladas, oferecendo potencial para o desenvolvimento de novos tipos de dispositivos fotônicos. Com isso, nanoestruturas capazes de guiar, dividir ou mesmo sintonizar a luz tornaram-se realidade. No presente trabalho, o fenômeno de geração de SPPs é estudado teoricamente e aplicado na modelagem de diversas estruturas de interesse científico e tecnológico, tais como filtros de cavidade ressonante e ressoadores em anel. O objetivo principal é a obtenção de estruturas capazes de filtrar ou sintonizar comprimentos de onda, minimizando as perdas ao máximo. Com isso, espera-se estender e explorar ainda mais o leque de possíveis aplicações. / Photonic devices have continuously been in the focus of scientific research, particularly for optical communications and sensing applications. On the other hand, the dimensions of these devices are well known to be limited by the Abbe\'s diffraction limit. This limit has been the major bottleneck in developing new technologies in optical microscopy, lithography projection optics, integrated optics, and optical data storage, as it limits the size and ability to integrate these devices. Fortunately, the field of \"Plasmonics\" has emerged and devices whose dimensions overcome the difraction limit have now become reality. This is possible with the propagation of light in the form of Surface Plasmon Polariton - SPP that, in a simplified way, is an electromagnetic field confined in regions smaller than the wavelength of light. SPP occurs via collective excitation of electrons at the interface between two media, metal-dielectric, as a result of the coupling with an incident electromagnetic wave. Researchers soon realized that waveguides based on SPP could carry the same band of information as that of a conventional photonic device and yet be as localized as electronic devices (electrons have a greater capacity for confinement than photons). Thus, changing the structure of the surface of a metal, the properties of SPPs - in particular its interaction with light - can be manipulated, offering potential for the development of new types of photonic devices. Thus, nanostructures capable of transferring, guiding, splitting, or even tuning the light have now become reality. In this work, the phenomenon of generation of SPPs is theoretically investigated and applied to various structures of scientific and technological interest, such as filters and cavity resonators. The main objective is to obtain structures that are able to filter or tune wavelengths, minimizing losses as much as possible. As a result, we expect to extend and explore even further the range of possible applications.

O presente trabalho, realizado junto ao Grupo de Novos Materiais e Dispositivos (GNMD), no Laboratório de Microeletrônica do Departamento de Sistemas Eletrônicos da Escola Politécnica da USP, visou determinar algumas das propriedades termo-mecânicas de materiais depositados pela técnica de plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) que são importantes para o desenvolvimento de sistemas microeletromecânicos (MEMS). O módulo de elasticidade, a tensão mecânica residual, o coeficiente de expansão térmica e a condutividade térmica de filmes finos de carbeto de silício amorfo hidrogenado (a-SiC:H) e de oxinitreto de silício (SiOxNy) foram estudados. Medidas de nanoindentação e ressonância de cantilevers foram utilizadas para a obtenção do módulo de elasticidade e os resultados obtidos foram similares (75 e 91 GPa) pelos dois métodos e compatíveis com valores encontrados na literatura. Além disso, obteve-se o módulo de elasticidade de filmes de cromo (285 GPa). A tensão mecânica residual dos filmes utilizados neste trabalho foi medida através da curvatura do substrato induzida pela deposição dos filmes e pela deformação de cantilevers. O valor médio da tensão mecânica, obtido pela curvatura do substrato, variou de -69 MPa até -1750 MPa, mostrando grande dependência das condições de deposição dos filmes. O método que utiliza a deformação de cantilevers possibilitou a obtenção do gradiente de tensão mecânica, que também mostrou uma dependência das condições de deposição, sendo sempre o a-SiC:H quase estequiométrico o menos tensionado. O coeficiente de expansão térmica foi medido utilizando a técnica do gradiente de temperatura e o valor obtido foi similar a valores reportados na literatura para o carbeto de silício cristalino. Para um a-SiC:H quase estequiométrico foi obtido um coeficiente de expansão térmica de 3,41 m/oC, enquanto para um a-SiC:H rico em carbono o valor foi de 4,36 m/oC. Também foi verificado que a variação da resistência do cromo em função da temperatura é pequena, não permitindo sua utilização como sensor de temperatura e inviabilizando a obtenção da condutividade térmica dos filmes estudados. Além disso, foram apresentados trabalhos promissores, mostrando o potencial dos materiais estudados para o desenvolvimento de MEMS. Nesses trabalhos, demonstrou-se a viabilidade de integrar microestruturas atuadas termicamente e guias de onda ópticos, utilizando os materiais estudados neste trabalho. Foram fabricados chaves ópticas, portas lógicas ópticas, fontes de luz integradas e acoplamento das fontes de luz com guias de onda. / This work, realized at the New Materials and Devices Group (GNMD) at the Microelectronics Laboratory of the Department of Electronic Systems of the Polytechnic School of the University of São Paulo, focused at the determination of thermo-mechanical properties of materials deposited by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) that are important for the development of microelectromechanical systems (MEMS). The Youngs modulus, the residual stress, the coefficient of thermal expansion and the thermal conductivity of amorphous hydrogenated silicon carbide (a-SiC:H) and silicon oxynitride (SiOxNy) thin films were studied. Nanoindentation and the resonance of cantilevers were used to obtain the Youngs modulus. The results were similar (75 and 91 GPa) with both methods and compatible with literature values. Further, the Youngs modulus of chromium films was also obtained (285 GPa). The residual stress of thin films was obtained through the substrate curvature induced by the film deposition and through the deformation of cantilever beams. The residual stress, obtained through the substrate curvature, varied between -69 MPa and -1750 MPa, showing great dependence on the deposition conditions of these materials. The deformation of cantilevers allowed the determination of the stress gradient and it was also affected by the deposition conditions. In all stress measurements the near stoichiometry a-SiC:H film was less stressed. The coefficient of thermal expansion was measured using the temperature gradient technique and the obtain values were similar to those reported in the literature for crystalline silicon carbide. For a near stoichiometry a-SiC:H film, a value of 3.41 m/oC was obtained, while a carbon rich film showed a thermal expansion coefficient of 4.36 m/oC. It was also verified that the variation of the chromium resistance as a function of temperature is small. This did not allow the utilization of chromium as a temperature sensor, which prevented the obtention of the thermal conductivity of the studied films. Also, some promising works were presented, showing potential applications of the studied materials for the development of MEMS. In these works, the viability of integration of thermal actuated microstructures and optical waveguides was demonstrated. In these works, optical switches, optical logic gates, integrated light sources and coupling of integrated light sources with optical waveguides were presented.

La denominada sociedad de la información en la que nos encontramos actualmente ha sido posible gracias a la revolución tecnológica derivada del desarrollo espectacular de la microelectrónica desde hace poco más de medio siglo. Desde la aparición del transistor como componente básico la evolución tecnológica ha seguido una trayectoria de miniaturización considerable. El número de componentes que pueden ser insertados en un chip se ha doblado cada 18 meses según las predicciones que en los años setenta realizó G. Moore. En la actualidad se ha llegado a una frontera tecnológica de escala nanométrica donde se han originado graves problemas, derivados de la alta integración, que han frenado este ritmo de evolución. Con vistas a la superación de los problemas surgidos en la microelectrónica se ha venido proponiendo el empleo de los fotones, más rápidos y con menos disipación de energía, para continuar el desarrollo tecnológico. Avances en esta dirección favorecerían el desarrollo de las redes ópticas dentro del campo de las telecomunicaciones al dotarlas de funcionalidades que permitan eliminar los "cuellos de botella" generados en los conversores optoelectrónicos. Además hay otros campos de investigación que se verían beneficiados como por ejemplo la computación o los sensores fotónicos. Surge un complejo y vasto campo conocido como la Nanofotónica. En esta tesis se estudian los cristales fotónicos planares como una de las tecnologías incluidas dentro del campo de la Nanofotónica. Concretamente se estudia la implementación de un acoplador direccional en cristales fotónicos. Esta estructura es básica en todo tipo de aplicaciones ya que permite la implementación de funcionalidades básicas tan importantes como son los divisores de potencia, multiplexores y demultiplexores, interferómetros Mach-Zehnder o incluso conmutadores. A lo largo de toda la tesis se abordan temas que van desde el modelado de las estructuras de cristal fotónico y el diseño teórico del acoplador direcci / Cuesta Soto, F. (2007). El acoplador direccional en cristales fotónicos planares [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/2004

[ES] La fotónica de microondas, la cual une los mundos de la ingeniería de radiofrecuencia y la optoelectrónica, ha generado un gran interés en las últimas décadas. Su valor añadido se deriva del hecho de que, por un lado, permite la realización de funcionalidades clave en los sistemas de microondas que son complejas o directamente imposibles en el dominio de la radiofrecuencia. Por otro lado, crea nuevas oportunidades para los sistemas y redes de información y comunicación. Por lo tanto, la fotónica de microondas se utiliza para habilitar funciones especializadas como generación de señales de alta frecuencia, modulación, procesamiento de señales, particularmente en aplicaciones de comunicación, radar y detección. En el contexto de la fotónica programable, la versatilidad surge al permitir la manipulación dinámica de las señales de luz, haciéndolas adaptables para propósitos genéricos a través de redes ópticas, computación óptica, óptica adaptativa, investigación y desarrollo y fotónica cuántica. Por lo que, proporciona una plataforma flexible para aplicaciones ópticas, mostrando funciones complementarias a la tecnología fotónica moderna. Por lo tanto, los circuitos integrados fotónicos programables proponen y prometen ser una solución para competir con diseños específicos de aplicaciones. Sin embargo, las demostraciones actuales y las pruebas de concepto solo han integrado un número limitado de componentes y representan circuitos de complejidad pequeña y moderada. Este trabajo tiene como objetivo responder a las preguntas relacionadas con la escalabilidad del sistema y la evolución de futuros circuitos integrados fotónicos programables. El análisis y propuesta de soluciones constará de dos partes principales: la primera estudiará la escalabilidad de los circuitos programables en términos de integración de sistemas, incluyendo un estudio exhaustivo de las interfaces ópticas. En segundo lugar, debido a la necesidad de compensación de pérdidas que surge al utilizar fotónica integrada, consideraremos el rendimiento de modelos analíticos de fotónica de microondas de extremo a extremo con enlaces amplificados (balance de potencia óptica, ruido de señal, indicadores clave de rendimiento de enlaces fotónicos de microondas y consumo de energía). Una vez completado, utilizaremos diseños de complejidad moderada para evaluar nuestros estimadores de rendimiento tanto para el procesamiento de señales ópticas como para aplicaciones fotónicas de microondas. / [CA] La fotònica de micrones, la qual uneix els mons de l'enginyeria de radiofreqüència i l'optoelectrònica, ha generat un gran interés en les últimes dècades. El seu valor afegit es deriva del fet que, d'una banda, permet la realització de funcionalitats clau en els sistemes de microones que són complexes o directament impossibles en el domini de la radiofreqüència. D'altra banda, crea noves oportunitats per als sistemes i xarxes d'informació i comunicació. Per tant, la fotònica de microones s'utilitza per a habilitar funcions especialitzades com a generació de senyals d'alta freqüència, modulació, processament de senyals, particularment en aplicacions de comunicació, radar i detecció. En el context de la fotònica programable, la versatilitat sorgeix en permetre la manipulació dinàmica dels senyals de llum, fent-les adaptables per a propòsits genèrics a través de xarxes òptiques, computació òptica, òptica adaptativa, recerca i desenvolupament i fotònica quàntica. Pel que, proporciona una plataforma flexible per a aplicacions òptiques, mostrant funcions complementàries a la tecnologia fotònica moderna. Per tant, els circuits integrats fotònics programables proposen i prometen ser una solució per a competir amb dissenys específics d'aplicacions. No obstant això, les demostracions actuals i les proves de concepte sol han integrat un nombre limitat de components i representen circuits de complexitat xicoteta i moderada. Aquest treball té com a objectiu respondre a les preguntes relacionades amb l'escalabilitat del sistema i l'evolució de futurs circuits integrats fotònics programables. L'anàlisi i proposta de solucions constarà de dues parts principals: la primera estudiarà l'escalabilitat dels circuits programables en termes d'integració de sistemes, incloent-hi un estudi exhaustiu de les interfícies òptiques. En segon lloc, a causa de la necessitat de compensació de pèrdues que sorgeix quan s'utilitza fotònica integrada, considerarem el rendiment de models analítics de fotònica de microones d'extrem a extrem amb enllaços amplificats (balanç de potència òptica, soroll de senyal, indicadors clau de rendiment d'enllaços fotònics de microones i consum d'energia). Una vegada completat, utilitzarem dissenys de complexitat moderada per a avaluar els nostres estimadors de rendiment tant per al processament de senyals òptics com per a aplicacions fotòniques de microones. / [EN] Microwave photonics brings together the worlds of radiofrequency engineering and optoelectronics and it has attracted great interest in the last few decades. It added value stems from the fact that, on one hand, it enables the realization of key functionalities in microwave systems that either are complex or even not directly possible in the radiofrequency domain. On the other hand, it creates new opportunities for information and communication systems and networks. Hence, microwave photonics is used to enable specialized functions such as high-frequency signal generation, modulation, and signal processing, particularly in communication, radar, and sensing applications. In the context of programmable photonics, versatility emerges by allowing dynamic manipulation of light signals, making them adaptable for generic purposes across optical networks, optical computing, adaptive optics, research and development, and quantum photonics. Then, it provides a flexible platform for optical applications, showcasing their complementary roles in modern photonics technology. Hence, programmable photonic integrated circuits have been recently proposed and promise to be a solution to compete with application-specific designs. However, current demonstrations and proof-of-concepts have only integrated a limited number of components and represent small and moderate-complex circuits. This work aims to answer the questions dealing with the system scalability and evolution of future programmable photonic integrated circuits. The analysis and proposal of solutions will include two main parts: the first one will study the scalability of programmable circuits in terms of system integration, including a comprehensive study of optical interfacing. Secondly, due to the need for loss compensation that arises when using integrated photonics, we will consider the performance of end-to-end analytical microwave photonics models with amplified links (optical power budget, signal noise, microwave photonic links key performance indicators, and power consumption). Once completed, we will make use of moderate complexity designs to evaluate our performance estimators for both optical signal processing and microwave photonic applications. / Sánchez Gomariz, E. (2024). Scalability Analysis and Designs for Large-Scale Programmable RF-Photonic Integrated Circuits: Modelling, Design and Implementation [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/202894

Este trabalho tem por objetivo a extensão de métodos numéricos baseados em diferenças finitas no domínio do tempo (FDTD) e no domínio da freqüência (FD-BPM) para a simulação da propagação de ondas eletromagnéticas em materiais com propriedades ópticas diversas, por exemplo, isotrópicos, anisotrópicos, lineares, não-lineares, bem como a combinação destes em uma mesma estrutura. Inicialmente foram elaborados formalismos bidimensionais (FDTD e FD-BPM), dos quais foram investigados modos com polarização TM (Magnético Transversal) que se propagam em estruturas planares magnetoópticas/não-lineares/lineares. Esta polarização foi escolhida tendo em vista o campo magnetostático dc adotado, o qual possibilitou a observação do fenômeno não-recíproco associado ao não-linear simultaneamente. Por outro lado, é bem sabido que o método FDTD é computacionalmente muito intensivo. Portanto, um grande esforço foi dedicado aos formalismos no domínio da freqüência, os quais foram implementados em duas e três dimensões. Este último foi estendido para um formalismo totalmente vetorial, capaz de simular modos híbridos ou até mesmo a transferência de energia entre modos de polarizações ortogonais. Isto nos permitiu investigar geometrias ainda mais complexas, tais como um isolador óptico baseado em um guia de onda tip rib utilizando material magnetooptico. Adicionalmente, fenômenos de natureza complexa, tais como a dinâmica dos condensados de luz em materiais com não-lineares do tipo Kerr com saturação, também conhecidos como meios não-lineares cúbico-qüínticos, foram investigados pela primeira vez com um formalismo vetorial. Finalmente, métodos numéricos capazes de considerar qualquer combinação de materiais com propriedades ópticas distintas (linear e/ou não-linear e/ou magnetoóptico) são uma ferramenta extraordinária para a comunidade científica para o projeto de novos dispositivos ópticos, bem como a investigação de novos efeitos físicos com vistas à aplicações em computação óptica, que podem resultar em um menor e mais eficiente número de componentes para sistemas de comunicações ópticos. / This work introduces three improved formalisms for the analysis of electromagnetic wave propagation through materials with distinct optical properties, i.e., isotropic, anisotropic, linear, nonlinear, or any combination of them. Two finite difference approaches were extensively investigated in this work for this purpose, namely the finite difference in time domain (FDTD), and the finite difference beam propagation method (2D and 3D FD-BPM), these in frequency domain. Initially, a TM (transverse magnetic) mode propagating through a planar magnetooptic/nonlinear/linear waveguide was investigated by way of a two-dimensional formalism (FDTD and FD-BPM). This mode polarization was chosen based on the orientation of the external magnetostatic field adopted, which favored the observation of non-reciprocal and nonlinear effects simultaneously. On the other hand, it is well known that FDTD formalisms are computationally intensives. Therefore, a great effort was dedicated to its frequency domain counterpart (FD-BPM), which was implemented in two and three dimensions. The later was further extended to a fully vectorial formalism, which is capable of simulating hybrid modes or even the energy transfer between orthogonal modes. This enabled us to investigate more complex geometries, such as an optical isolator based on magnetooptic rib waveguide. Additionally, complex phenomena, such as the dynamic of light condensates in bulk nonlinear Kerr media with saturation, also known as cubic-quintic nonlinear media, were investigated for the first time with a 3D vectorial formalism. Finally, numerical methods capable of handling any combination of materials with distinct optical properties (linear and/or nonlinear and/or magnetooptic) are an extraordinary tool for the scientific community for the design of new optical devices, as well as the investigation of new physical effects aimed for optical computing, that may result in fewer and more efficient components for optical communication systems.

Made available in DSpace on 2016-04-26T18:15:36Z (GMT). No. of bitstreams: 1 MARIA CRISTINA MIRANDA DA SILVA.pdf: 4794309 bytes, checksum: 8dfdb518bb29415945268f68c53f3068 (MD5) Previous issue date: 2006-05-09 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / The study investigates the presence of optical apparatus and optical devices in Brazil of century XIX, in special in the city of Rio de Janeiro, objectifying examining its users and diffusers, as well as the forms of comment and social contexts of the use the same ones The research is based on the studies of the early cinema, especially in Tom Gunning and Charles Musser, and in the workmanship of the historian of the art Jonathan Crary, the authors that help us, respectively, in the process of the recontextualizing of the use of optical devices and the dimensionality of the observer of modernity. The empirical work consists of the analysis of the orders of license to the city council of Rio de Janeiro for the exhibition of the devices in the period of 1830 the1890, and in the systematic study of the announcements published in newspapers in that period like Jornal do Commercio from 1850 to 1870. The organization and the categorization of the findings of the research prove that the popularization of the devices mentioned, over all in the street parties. Special emphasis was conferred on the arrival of the photograph in Brazil and the precocity with that the photographer Revert Henrique Klumb developed the Stereoscopy. Thematic that they had been the reference for the Brazilian visuality had been mapped and the Brazilian photographers who had developed this technique had been inventoried. From the announcements published in the Almanak Laemmert, between 1844 and 1889, we have done a survey of the establishments that imported and commercialized the apparatus and devices in the period in question. Taking into account all the information provided, the study questioned the presence of the optical apparatus and devices in the city of Rio de Janeiro in the 19th century, considering the particularities of them in the historical, economical and social context of the time / O estudo investiga a presença dos aparelhos e dispositivos ópticos no Brasil do século XIX, em especial na cidade do Rio de Janeiro, objetivando examinar os seus usuários e difusores, bem como as formas de observação e os contextos sociais de utilização dos mesmos. A pesquisa é fundamentada nos estudos do primeiro cinema, especialmente em Tom Gunning e Charles Musser, e na obra do historiador da arte Jonathan Crary, autores que nos ajudam a analisar, respectivamente, o processo de recontextualização do uso dos dispositivos ópticos e do redimensionamento do observador da modernidade. O trabalho empírico consiste na análise dos pedidos de licença à Câmara Municipal do Rio de Janeiro para a exibição dos dispositivos, no período de 1830 a 1890, e no estudo sistemático de anúncios publicados nos periódicos do período, em especial no Jornal do Commercio, entre as décadas de 1850 e 1870. A organização e categorização dos achados da pesquisa comprovam a popularização dos referidos dispositivos e aparelhos, sobretudo nas festas de rua. Especial ênfase foi conferida a chegada da fotografia no Brasil e a precocidade com que a estereoscopia foi aqui desenvolvida pelo fotógrafo Revert Henrique Klumb. As temáticas que foram referência para a visualidade brasileira foram mapeadas e os fotógrafos brasileiros que desenvolveram esta técnica em seus trabalhos foram inventariados. A partir dos anúncios publicados no Almanak Laemmert, entre os anos de 1844 e 1889, realizamos um levantamento dos estabelecimentos que importavam e comercializavam os aparelhos e dispositivos no período referido. A partir das informações coligidas, a investigação problematiza a presença dos dispositivos e aparelhos ópticos na cidade do Rio de Janeiro no século XIX, considerando as particularidades dos aparelhos e dispositivos no contexto histórico, econômico e social da época

Forças aplicadas no corpo humano são essenciais para o crescimento tecidual, a postura e a locomoção. Entretanto, na postura sentada, altos níveis de pressão por tempo prolongado podem ocasionar graves danos à pele e aos tecidos subjacentes, podendo levar o indivíduo à morte devido às complicações decorrentes das úlceras de pressão. Pessoas com deficiência que apresentam impossibilidade, temporária ou definitiva, de deslocar-se, adotam a postura sentada em sua cadeira de rodas. Cadeirantes que apresentam diminuição ou perda de funções sensitivas estão mais predispostos a serem acometidos por úlceras por não perceberem os incômodos dos altos níveis de pressão na posição sentada. A engenharia biomecânica tem estudado novas tecnologias em ergômetros e em equipamentos de monitoramento da pressão no assento da cadeira de rodas, com diferentes sensores de medição da pressão, considerando o custo e a constituição do equipamento. Diante disso, foi desenvolvido um novo dispositivo óptico de baixo custo e constituição simples para monitoramento da pressão, utilizando o processamento de imagens da intensidade luminosa gerada pela deformação de semiesferas de elastômeros contra uma superfície transparente rígida iluminada lateralmente sem o uso de líquidos sensores. Foi projetado e desenvolvido um programa de aquisição e processamento, de calibração, de análise das imagens e um módulo de sensores elásticos adaptado ao assento de um ergômetro para cadeirantes. Para entender o funcionamento do dispositivo e avaliar o projeto do novo sistema de monitoramento da pressão foi realizado uma modelagem numérica por elementos finitos, uma análise experimental, uma estimativa da pressão por meio de modelo analítico e um experimento que visa avaliar o efeito do apoio do pé na distribuição da pressão no assento em repouso e com propulsão manual. Por meio, do novo dispositivo de pressão no assento de ergômetro ajustável, foi desenvolvido um novo método de monitoramento da pressão no assento de ergômetro para cadeirantes utilizando um princípio óptico de captação da imagem processada da deformação de semiesferas de elastômeros utilizando aplicativos em ambiente LabVIEW. O dispositivo possibilitou a aquisição, a análise e o monitoramento da imagem do mapeamento dos níveis de pressão no assento de lesados medulares que realizam propulsão manual. Os resultados dos experimentos demonstraram que a elevação do apoio do pé aumenta significativamente (p<0,05) a pressão média e máxima na região isquiática em lesados medulares. O mapeamento óptico com semiesferas de elastômeros para monitoramento da pressão por imagem no assento do ergômetro, mostrou ser uma ferramenta importante na avaliação adequação postural e na ergonomia da configuração de uma cadeira de rodas com potencial para desenvolver novas pesquisas na área da pessoa com deficiência com usuários de cadeira de rodas. / Forces applied to the human body is essential for tissue growth, posture and locomotion. However, in the sitting position, high-pressure levels for long periods can cause serious damage to the skin and underlying tissues, may lead the individual to death due to complications of pressure ulcers. People with disabilities who have not possible, temporary or permanent, to move, adopt a sitting posture with the use of a wheelchair. Wheelchair presenting decrease or loss of sensory functions are more likely to be affected by ulcers do not realize the discomfort of high levels of pressure in the sitting position. Biomechanics Engineering has studied new technologies ergometers and pressure monitoring equipment on the seat of the wheelchair, with different pressure measuring sensors, considering the cost and the setting up of the equipment. Therefore, a new optical device of low cost and simple constitution for pressure monitoring was developed using image processing of the light intensity generated by the deformation of elastomeric hemispheres against a rigid surface transparent illuminated laterally without the use of liquid sensors. For this, it designed and developed an acquisition program, calibration, processing, image analysis and elastic sensor module that is adapted to seat an ergometer for wheelchair users. To understand the device operation and evaluate the design of the new pressure monitoring system was carried out a numerical modeling for finite element, an experimental analysis, an estimate of the pressure by means of analytical model and an experiment designed to assess the effect of support standing on the pressure distribution on the seat at rest and with manual propulsion. By means of the new pressure device on the seat adjustable ergometer it was developed a new pressure monitoring method in ergometer seat for wheelchair users using an optical principle processed image capture of elastomeric hemispheres deformation using applications in LabVIEW environment. The device enabled the acquisition, analysis and monitoring of pressure levels of mapping image on spinal cord injuries seat performing manual propulsion. The results of the experiments with spinal cord injury, demonstrated that the rise foot support increases significantly (p <0.05) and the average maximum pressure in the ischial region. The optical mapping elastomeric hemispheres for monitoring image by pressing the ergometer seat, was an important tool in assessing the ergonomics of the configuration of a wheelchair and postural adjustment with the potential to develop further research in the area of disabled wheelchair users. / Tese (Doutorado)

Este trabalho tem por objetivo a extensão de métodos numéricos baseados em diferenças finitas no domínio do tempo (FDTD) e no domínio da freqüência (FD-BPM) para a simulação da propagação de ondas eletromagnéticas em materiais com propriedades ópticas diversas, por exemplo, isotrópicos, anisotrópicos, lineares, não-lineares, bem como a combinação destes em uma mesma estrutura. Inicialmente foram elaborados formalismos bidimensionais (FDTD e FD-BPM), dos quais foram investigados modos com polarização TM (Magnético Transversal) que se propagam em estruturas planares magnetoópticas/não-lineares/lineares. Esta polarização foi escolhida tendo em vista o campo magnetostático dc adotado, o qual possibilitou a observação do fenômeno não-recíproco associado ao não-linear simultaneamente. Por outro lado, é bem sabido que o método FDTD é computacionalmente muito intensivo. Portanto, um grande esforço foi dedicado aos formalismos no domínio da freqüência, os quais foram implementados em duas e três dimensões. Este último foi estendido para um formalismo totalmente vetorial, capaz de simular modos híbridos ou até mesmo a transferência de energia entre modos de polarizações ortogonais. Isto nos permitiu investigar geometrias ainda mais complexas, tais como um isolador óptico baseado em um guia de onda tip rib utilizando material magnetooptico. Adicionalmente, fenômenos de natureza complexa, tais como a dinâmica dos condensados de luz em materiais com não-lineares do tipo Kerr com saturação, também conhecidos como meios não-lineares cúbico-qüínticos, foram investigados pela primeira vez com um formalismo vetorial. Finalmente, métodos numéricos capazes de considerar qualquer combinação de materiais com propriedades ópticas distintas (linear e/ou não-linear e/ou magnetoóptico) são uma ferramenta extraordinária para a comunidade científica para o projeto de novos dispositivos ópticos, bem como a investigação de novos efeitos físicos com vistas à aplicações em computação óptica, que podem resultar em um menor e mais eficiente número de componentes para sistemas de comunicações ópticos. / This work introduces three improved formalisms for the analysis of electromagnetic wave propagation through materials with distinct optical properties, i.e., isotropic, anisotropic, linear, nonlinear, or any combination of them. Two finite difference approaches were extensively investigated in this work for this purpose, namely the finite difference in time domain (FDTD), and the finite difference beam propagation method (2D and 3D FD-BPM), these in frequency domain. Initially, a TM (transverse magnetic) mode propagating through a planar magnetooptic/nonlinear/linear waveguide was investigated by way of a two-dimensional formalism (FDTD and FD-BPM). This mode polarization was chosen based on the orientation of the external magnetostatic field adopted, which favored the observation of non-reciprocal and nonlinear effects simultaneously. On the other hand, it is well known that FDTD formalisms are computationally intensives. Therefore, a great effort was dedicated to its frequency domain counterpart (FD-BPM), which was implemented in two and three dimensions. The later was further extended to a fully vectorial formalism, which is capable of simulating hybrid modes or even the energy transfer between orthogonal modes. This enabled us to investigate more complex geometries, such as an optical isolator based on magnetooptic rib waveguide. Additionally, complex phenomena, such as the dynamic of light condensates in bulk nonlinear Kerr media with saturation, also known as cubic-quintic nonlinear media, were investigated for the first time with a 3D vectorial formalism. Finally, numerical methods capable of handling any combination of materials with distinct optical properties (linear and/or nonlinear and/or magnetooptic) are an extraordinary tool for the scientific community for the design of new optical devices, as well as the investigation of new physical effects aimed for optical computing, that may result in fewer and more efficient components for optical communication systems.