Submitted by Lara Oliveira (lara@ufersa.edu.br) on 2017-07-13T22:58:20Z No. of bitstreams: 1 JoãoMC_DISSERT.pdf: 1741418 bytes, checksum: 13c15c64738df641ff1a1cadad54fa09 (MD5) / Approved for entry into archive by Vanessa Christiane (referencia@ufersa.edu.br) on 2017-07-18T15:08:39Z (GMT) No. of bitstreams: 1 JoãoMC_DISSERT.pdf: 1741418 bytes, checksum: 13c15c64738df641ff1a1cadad54fa09 (MD5) / Approved for entry into archive by Vanessa Christiane (referencia@ufersa.edu.br) on 2017-07-18T15:09:03Z (GMT) No. of bitstreams: 1 JoãoMC_DISSERT.pdf: 1741418 bytes, checksum: 13c15c64738df641ff1a1cadad54fa09 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-07-18T15:10:18Z (GMT). No. of bitstreams: 1 JoãoMC_DISSERT.pdf: 1741418 bytes, checksum: 13c15c64738df641ff1a1cadad54fa09 (MD5) Previous issue date: 2014-11-07 / In this work, it is analyzed two applications involving optical fiber. In the first application, a new design of an optical fiber coupler composed by two and three cores from a fiber with step index is proposed and analyzed using a vector formulation based on finite element applied in conjunction with genetic algorithm (GA). The fiber is made with pure silica and silica doped with germanium and it is composed by two and three identical cores separated by distance d. The proposed structure has a very simple geometry, and each fiber that composed the coupler is obtained by inclusion of a very small air hole at the core of each conventional step index fibers. Next, optical fiber composed by photonic quasi-crystals, through a quasi-periodic and symmetric matrix, is analyzed using the finite element method, applied in conjunction with perfectly matched layers of type cylindrical. The structure is composed of germanium-doped silica and it is originates from twelve distributions of air holes arranged symmetrically with a defect caused by the absence of central air hole / Neste trabalho, serão analizadas duas aplicações envolvendo fibra óptica. Na primeira aplicação um novo projeto de um acoplador de fibra óptica constituída por dois e três núcleos a partir de uma fibra com índice degrau é proposta e analisada através de uma formulação vetorial baseada em elementos finitos aplicada em conjunto com o Algoritmo Genético (GA).A fibra é feita desílica pura e sílica dopada com germânio e contém dois e três núcleos idênticosseparados por umadistância d. A estrutura proposta apresenta uma geometria bastante simples, ecada fibra que compõe o acoplador é obtida através da inclusão de um buraco de ar muito pequeno no núcleo de cada uma das fibras de índice degrau convencional. Na segunda aplicação, fibras ópticas constituídas por quase cristais fotônicos, através de uma matriz quase periódica e simétrica é analisada através do método dos elementos finitos, aplicado em conjunto com camadas perfeitamente casadas do tipo cilíndricas. A estrutura é composta por sílica dopada com germânio e é originada a partir de doze distribuições de buracos de ar organizados simetricamente com um defeito provocado pela ausência do buraco de ar central / 2017-07-13

In this work we investigate how to control the optical and mechanical properties of photonic materials. Firstly we investigated the highly efficient 480 and 800 nm upconversion emissions from Tm3+/Yb3+ co-doped water-free low silica calcium aluminosilicate and tellurite glasses under resonant (976 nm) and anti-Stokes (1064 nm) excitations. As a result of these efficient upconversion processes, luminescent switches with the pump intensity and temperature (the latter under anti-Stokes excitation) have been observed. These switches were explained and discussed using rate equations analysis and saturation effects. Fitting the experimental data point provided the value of the energy transfer parameter related to the 2F5/2, 3H4->2F7/2, 1G4 transition. This switching mechanism could be used in the development of sensors and networks for optical processing and optical communications. Following the study of optical control of mechanical and optical proprieties, we investigated how to use femtosecond laser to write waveguides in Nd3+ doped YAG ceramics by multiple inscriptions of filaments, and if they are resistant to annealing temperatures. We studied two types of structures: “double-filament” and “square-filament” in Nd:YAG samples. We also reported, for the first time to our knowledge, on the fabrication of channel-buried optical waveguides in a Nd:YVO4 crystal by femtosecond laser inscription showing both TM and TE confinements. The optical waveguides obtained in this material emerge as promising candidates for highly efficient self-Raman integrated laser sources. And finalizing, we show the improvement of ultrafast laser written optical waveguides in Yb:YAG ceramics by tailoring the presence of heat accumulation effects. We showed how laser annealing can strongly reduce the concentration of defects and also reduce compressive estresse, leading to an effective 50% reduction in the propagation losses and to more extended and symmetric propagation modes. Micro-luminescence and micro-Raman imaging experiments have been carried out to elucidate the potential application of the obtained waveguides as integrated laser sources as well as to elucidate the waveguiding mechanisms. / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Neste trabalho investigamos como controlar as propriedades ópticas e mecânicas de materiais fotônicos. Primeiramente investigamos as emissões por conversão ascendente de energia (CAE) em 480 e 800 nm altamente eficientes de vidros LSCAS (Low Silica Calcium Aluminosilicate) e TL (telurito) co-dopados com Yb3+/Tm3+ sob excitações ressonante (976 nm) e anti-Stokes (1064 nm). Como resultados desses processos eficientes de CAE, foram obtidos switches de luminescência com a intensidade de excitação e a temperatura (este último sob excitação anti-Stokes). Estes switches foram explicados e discutidos usando análises com equações de taxas e efeitos de saturação. Ajustes dos dados experimentais forneceram o valor do parâmetro de transferência de energia associado à transição 2F5/2, 3H4->2F7/2, 1G4. Este mecanismo de switching pode ser usado no desenvolvimento de sensores e redes para processamento óptico e comunicação óptica. Continuando o estudo de controle de propriedades ópticas e mecânicas, investigamos como é possível usar laser de femtosegundo para fabricar guias de ondas em cerâmica de YAG dopada com Nd3+ por meio da inscrição de filamentos, e se eles são resistentes a temperaturas de annealing altas. Estudamos dois tipos de estruturas na amostra de Nd:YAG: “filamento-duplo” e “filamento-quadrado”. Apresentamos também, pela primeira vez para nosso conhecimento, a fabricação de guias de ondas usando inscrição direta com laser de femtosegundo em amostra cristalina de Nd:YVO4, nas quais mostramos confinamentos de ambos os modos TM e TE. Os guias de ondas ópticos obtidos nesse material surgem como candidatos promissores para a fabricação de lasers de auto-Raman integrados com alta eficiência. Por fim, mostramos o aperfeiçoamento de guia de ondas fabricado com lasers de femtosegundos em cerâmica de Yb:YAG controlando a presença de defeitos por meio da acumulação de calor. Mostramos como annealing térmico produzido pelo laser pode fortemente reduzir a concentração de defeitos e o estresse compressivo da rede, resultando numa redução efetiva de 50% das perdas na propagação e modos mais estendidos e simétricos. Experimentos de micro-luminescência e micro-Raman foram utilizados para elucidar a aplicação potencial dos guias de ondas obtidos, como fontes lasers integradas bem como para possibilitar o entendimento das mudanças ocorridas nos guias de ondas.

Orientador: Hugo Enrique Hernández Figueroa / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-16T13:53:46Z (GMT). No. of bitstreams: 1 MalheirosSilveira_GilliardNardel_M.pdf: 3128908 bytes, checksum: 81e325450d7a5eff14ab074c7716b862 (MD5) Previous issue date: 2010 / Resumo: Esta dissertação aborda a modelagem e análise de Dispositivos Fotônicos e de RF via códigos home-made e comerciais baseados no método dos elementos finitos (MEF) e, em alguns casos, resolução de problemas inversos com auxílio de AG. Primeiramente é feita uma breve revisão sobre elementos finitos e AG, bem como alguns fenômenos eletromagnéticos voltados às aplicações estudadas. Os estudos de problemas fotônicos abordaram dois problemas gerais: Otimização da banda fotônica proibida absoluta em cristais fotônicos bidimensionais e propostas de fibras de cristais fotônicos (PCFs, Photonic Crystal Fibers) voltadas para aplicações não-lineares e compensação de dispersão. Algumas dessas análises envolveram a resolução de problemas inversos via AG; em que foi proposta uma codificação com certa generalização para problemas envolvendo PCF. As propostas envolvendo RF abordaram antenas para etiquetas RFID (Radio Frequency Identification). Foi explorado o comportamento dual-band a partir de uma antena do tipo dipolo modificada. / Abstract: This dissertation addresses the modeling and analysis of photonic and RF devices by home-made and commercial codes based on the finite element method (FEM). In some cases, inverse problems have been solved with the aid of genetic algorithms (GA). In the introduction a brief review of finite elements and GA are presented as well as some electromagnetic phenomena related with the applications here analyzed. Concerning the photonic problems, our studies were restricted to two general problems: Optimization of absolute photonic band gap in two-dimensional photonic crystals and the proposal of photonic crystal fibers (PCFs) aimed for non-linear and dispersion compensation applications. Some of the analysis involved the solution of inverse problems by means of GA, where, a codification with some generalization to problems involving PCFs was proposed. The proposals involving RF antennas for RFID (radio frequency identification) tags included the study of modified dipole antennas with dual-band operation. / Mestrado / Telecomunicações e Telemática / Mestre em Engenharia Elétrica

The spatial evolution of a pair of resonant Bragg modes through a medium characterized by a complex one-dimensional PT -symmetric periodic relative electric permittivity is thoroughly investigated. By using the two wave model, analytic solutions of Maxwell’s equations are derived in the nonparaxial regime in order to investigate the periodic energy exchange between the Bragg modes for the Hermitian optical lattices as well as for complex lattices and also to investigate the spatial evolution of the real part of the electric field that propagates through this medium. Three regimes defined by the symmetry breaking point are discussed: below it, above it and at it. These regimes are determined by the existence of four complex eigenvalues below the symmetry breaking point, which collide and coalesce into a pair of complex doubly degenerate eigenvalues at the breaking point. Above the critical value each member of the pair bifurcates into a pair of complex values and now they have a nonzero real part. In the Hermitian case, it is demonstrated that a complete reciprocal energy transfer between the pair of Bragg modes, in a manner similiar to the Pendellösung effect known from X-ray diffraction by a crystal, takes place. When the optical lattice is complex, the dynamics of the energy transfer is completely different from the Hermitian case: below the symmetry breaking point there exist a very nonreciprocal beating-like oscillatory behavior of the energy transfer between the Bragg modes; above the symmetry breaking point the spatial evolution of the energy transfer grows unlimited but an oscillatory evolution still takes place; and at the symmetry breaking point the phenomenon of mode trapping does not occur in this nonparaxial regime (previously seen in PT -symmetric optical lattices in the paraxial regime). For the complex lattice, all these regimes share the common features: existence of a preferable mode for which the energy is transferred and a spatial evolution of this transfer in a nonreciprocal fashion, some of the characteristics very well known of PT -symmetric optical systems. / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / A evolução espacial de um par de modos de Bragg ressonantes através de um meio descrito por uma permissividade elétrica relativa PT -simétrica é completamente investigada. Usando o modelo de duas ondas, soluções analíticas para as equações de Maxwell são derivadas no regime não-paraxial a fim de investigar a transferência de energia entre esses modos de Bragg para uma rede ótica Hermitiana bem como para uma rede ótica complexa e também estudar a evolução espacial da parte real do campo elétrico que se propaga através desse meio. Três regimes definidos pela quebra de simetria são discutidos: abaixo, acima e no ponto de quebra de simetria. Estes regimes são determinados pela existência de quatro autovalores complexos distintos abaixo da quebra de simetria, que colidem e coalescem num par de autovalores valores complexos duplamente degenerados no ponto de quebra de simetria. Acima do ponto de quebra, quatro autovalores complexos distintos voltam a existir e agora cada um possui uma parte real não-nula. No caso Hermitiano, é demonstrado que uma transferência de energia completamente recíproca entre o par de modos de Bragg, numa maneira similiar ao efeito Pendellösung conhecido da difração de raios X por cristais, ocorre. Quando a rede ótica é complexa, a dinâmica da transferência de energia é completamente diferente do caso Hermitiano: abaixo do ponto de quebra de simetria existe um comportamento oscilatório do tipo batimento muito não-recíproco para a transferência de energia entre os modos de Bragg; acima do ponto de quebra de simetria a evolução espacial da transferência de energia cresce ilimitadamente mas um evolução oscilatória ainda ocorre; no ponto de quebra o fenômeno do aprisionamento de modo não ocorre nesse regime não-paraxial (anteriormente visto em redes óticas PT -simétricas no regime paraxial). Para a rede ótica complexa, todos estes regimes compartilham características em comum: existência de um modo preferencial para o qual a energia é transferida e uma evolução espacial dessa transferência de maneira não-recíproca, algumas das características muito bem conhecidas de sistemas óticos PT simétricos.

Made available in DSpace on 2016-03-15T19:38:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Rafael Euzebio Pereira de Oliveira.pdf: 2811606 bytes, checksum: 24b62fb14019ae86cc9e69acbf481604 (MD5) Previous issue date: 2014-08-18 / Nonlinear effects are essential for the construction of photonic devices such as modulators, optical switches and frequency converters. Aiming at the development of devices for optical frequency conversion and the generation of nonclassical states of light in photonic chips, this thesis presents the design and simulation of a frequency converter based on second harmonic generation controlled by static electric field in a silicon nitride ring resonator. The developed simulation appraises conversion efficiencies up to -8.25 dB with the advantage to provide an electrical interface to control the conversion. Optical fiber based devices are also within the scope of the thesis and a new technique is presented for manufacturing optical fibers with enhanced nonlinear response by the presence of metallic gold nanoparticles. The manufactured fibers are based on silica that is doped with aluminum and gold in the core, offering full compatibility and integration with conventional optical fibers. The nanoparticles were created by annealing in an oven or by heating with a CO2 laser beam, which offers unprecedented control over particle size and density in optical fibers. Compared to previously reported fibers with gold nanoparticles, higher concentration of nanoparticles were obtained which was estimated by the plasmonic absorption peak exceeding 800 dB/m and by a consequent increasing in the nonlinear refractive index of at least 50x under continuous wave excitation, achieving values of n2=(6,75±0,55)×10-15 m²/W. The development of these fibers and the design of the on chip frequency converter provide platforms for the development of efficient and integrated devices in fiber based optical systems and in photonic chips. / Efeitos não lineares são essenciais para construção de dispositivos fotônicos como moduladores, chaves ópticas e conversores de frequências. Esta tese apresenta o projeto e a simulação de um conversor de frequências baseado na geração de segundo harmônico controlado por campo elétrico estático em um ressonador em anel de nitreto de silício, visando o desenvolvimento de dispositivos para conversão de frequências ópticas e geração de estados não clássicos da luz em chips fotônicos. A simulação desenvolvida prevê eficiência de conversão de até -8,25 dB com o diferencial de oferecer uma interface elétrica no controle de conversão. Dispositivos baseados em fibras ópticas também são visados nesta tese e uma nova técnica para fabricação de fibras ópticas com resposta não linear aumentada pela presença de nanopartículas metálicas de ouro é apresentada. As fibras fabricadas são baseadas em sílica com dopagem de alumínio e ouro no núcleo, possuindo total compatibilidade de integração com fibras ópticas convencionais. As nanopartículas foram sintetizadas através de tratamentos térmicos em forno ou aquecimento com feixe laser de CO2, obtendo-se um controle sem precedentes das dimensões e densidade de nanopartículas em fibras ópticas. Comparadas às fibras previamente reportadas na literatura, foram obtidas maiores concentrações de nanopartículas estimadas por picos de absorções plasmônicas maiores que 800 dB/m e por um consequente aumento no índice de refração não linear de pelo menos 50x no regime de onda contínua, obtendo-se valores de n2=(6,75±0,55)×10-15 m²/W. O desenvolvimento dessas fibras e o projeto do ressonador em anel para conversão de frequências oferecem plataformas para o desenvolvimento de dispositivos eficientes e integrados para sistemas ópticos baseados em fibras ópticas e em chips fotônicos.