L'étude porte sur les propriétés spectrales et spatiales de structures à réseaux résonants. Les réseaux résonants en cavité sont identifiés comme des structures permettant la réalisation de réflecteurs et de coupleurs efficaces sur de petites dimensions. Un modèle basé sur la théorie des modes couplés a été développé permettant la modélisation et la conception rapide de ce type de structures. La modélisation a contribué à la compréhension des propriétés spectrales et spatiales de réseaux résonants en cavité. Elle permet notamment de faire le lien entre les propriétés spectrales et spatiales des modes pouvant interagir efficacement avec les structures utilisées comme réflecteurs ou coupleurs. La conception de structures couplantes à fort facteur de qualité et aux profils spatiaux contrôlés sur des surfaces de l'ordre du cm a été étudiée. Deux axes de recherches sont présentés: des structures composées de plusieurs cavités et des structures possédant une seule grande cavité. Ce dernier axe permet une plus grande maîtrise des propriétés spatiales en intensité et en phase. Il est démontré que ces structures ont un fort potentiel en holographie. La conception de telles structures avec des matériaux de bas indice est également abordée, en particulier la conception et la réalisation de guides d'onde en polymères qui sont la base de ces structures. Les dimensionnements déterminés par la modélisation sont compatibles avec des matériaux présentant de faibles sauts d'indice. / The study is focused on the spectral and spatial properties of resonant grating structures. Resonant gratings in cavity are identified as structures allowing the fabrication of small-area and efficient reflectors and couplers. A model based on coupled mode theory has been developped, enabling fast modeling and design of this kind of structures. Thanks to this model we improved our understanding of the spectral and spatial properties of resonant gratings in cavity. In particular, we have established the relationship between the structure's geometry and the spectral and spatial properties of the modes which efficiently interact with the structures when used as reflectors or as couplers. The design of coupling structures with high-quality factor and controlled spatial profiles on cm-sized surfaces has been studied. Two axis of research are presented: structures composed of several cavities and structures composed by one large cavity. The later ones allow a better control of the spatial properties both in intensity and phase. We demonstrate that these structures have a high potential for holography. Design of such structures with low contrast index is also considered, particularly the design and fabrication of polymer-based waveguiding structures.

Imaging at the nanoscale and/or at remote locations holds great promise for studies in fields as disparate as the life sciences and materials sciences. One such microscopy technique, stimulated emission depletion (STED) microscopy, is one of several fluorescence based imaging techniques that offers resolution beyond the diffraction-limit. All current implementations of STED microscopy, however, involve the use of free-space beam shaping devices to achieve the Gaussian- and donut-shaped Orbital Angular Momentum (OAM) carrying beams at the desired colors –-- a challenging prospect from the standpoint of device assembly and mechanical stability during operation. A fiber-based solution could address these engineering challenges, and perhaps more interestingly, it may facilitate endoscopic implementation of in vivo STED imaging, a prospect that has thus far not been realized because optical fibers were previously considered to be incapable of transmitting the OAM beams that are necessary for STED. In this thesis, we investigate fiber-based STED systems to enable endoscopic nanoscale imaging. We discuss the design and characteristics of a novel class of fibers supporting and stably propagating Gaussian and OAM modes. Optimization of the design parameters leads to stable excitation and depletion beams propagating in the same fiber in the visible spectral range, for the first time, with high efficiency (>99%) and mode purity (>98%). Using the fabricated vortex fiber, we demonstrate an all-fiber STED system with modes that are tolerant to perturbations, and we obtain naturally self-aligned PSFs for the excitation and depletion beams. Initial experiments of STED imaging using our device yields a 4-fold improvement in lateral resolution compared to confocal imaging. In an experiment in parallel, we show the means of using q-plates as free-space mode converters that yield alignment tolerant STED microscopy systems at wavelengths covering the entire visible spectrum, and hence dyes of interest in such imaging schematics. Our study indicates that the vortex fiber is capable of providing an all-fiber platform for STED systems, and for other imaging systems where the exploitation of spatio-spectral beam shaping is required.

In this dissertation, the rate of the BFD during body armor impact is characterized with fiber Bragg gratings for the first time ever. The depth rate is characterized using a single fiber optic sensor, while the entire shape rate can be characterized using multiple fiber optic sensors. This is done with a final depth accuracy of less than 10% and a timing accuracy of 15% for BFDs as deep as 50 mm and impact event of less than 1 millisecond. The shape sensing method introduced in this dissertation is different from traditional fiber optic sensor shape reconstruction methods in the fact that strain from the kinetic friction regime is used rather than the static friction regime. In other words, information from the fiber optic sensors slipping is used to reconstruct the shape in this work, whereas strain from the fiber optic sensor remaining fixed to a reference is used for typical fiber optic shape sensing purposes.

Ultraluminous X-ray (ULX) sources are non-nuclear extragalactic accreting compact objects whose X-ray luminosities exceed the Eddington limit for stellar mass black hole binaries (BHB). Their high luminosities suggest they are either intermediate mass black holes, that their emission is beamed, or that they are emitting at super-Eddington rates. We observed the ULX IC 342 X-1 simultaneously in X-ray and radio with Chandra and the VLA to investigate previously reported unresolved radio emission coincident with the ULX. The Chandra spectrum appears to be consistent with an accretion disc-dominated thermal state and suggests a mass of the black hole using the modeled inner disc temperature to be 157Mʘ ≤ M √ (cosi) ≤ 200 Mʘ. No significant radio emission was observed, consistent with the source being in a thermal disc-dominated state. Reanalysis of previous X-ray observations of the source shows that high energy curvature often interpreted as evidence for supercritical accretion cannot confidently be identified using the 2-10 keV energy band. Black hole systems such as BHBs, ULXs, and AGN represent the greatest test labs in the universe for the study of extreme gravity. Emission from the accretion disk and scattering from the surrounding corona allow study of the ultra-strong gravity and magnetic fields very near the central BH engine. However, many of these effects are imprinted as polarization of the emission and are invisible to spectral and timing studies alone. The outflows from AGN are also thought to play a key role in galaxy shaping and cluster formation. High efficiency and spectral resolution are required to measure ionization-velocities and density parameters from these sources to constrain the outflow structure. Beamline studies and theoretical modeling were carried out to characterize the throughput and spectral resolving power of off-plane gratings for use in future x-ray observatories which will make these measurements. Additionally, synchrotron measurements were carried out to test theoretical predictions of strong polarization response for off-plane diffraction gratings. The empirical results of this study are the first to demonstrate a lack of polarization sensitivity for grazing-incidence off-plane gratings and support more complex modeling results than used previously.

<p>The aim of this master's thesis is to develop a method that fully automates a trimming step in the production of a fiber-optical power spectrometer, based on a unique Acusto-Optical Scanning Filter.</p><p>The filter is created by letting an ultrasonic mechanical pulse pass through a chirped Fiber Bragg Grating. The pulse introduces a disturbance in the grating, creating a thin optical transmission window in the otherwise reflective bandwidth. The high demands on the window requires a precise, unit dependent pulse form with unknown properties. Thus each unit needs to be trimmed to reach required performance.</p><p>The manual trimming is largely a trial and error process, that contains two performance tests. We redefine one, eliminating the need to reroute the optical path and reducing the number of fiber weldings. The tests are then quantified, allowing a figure of merit to be based on weighted performance values.</p><p>A brute force method, testing a large set of pulses, is implemented. The set is defined by the parameter space spanned by previously produced units. Due to the large space, the method is too time consuming. Instead it is used to measure the performance spaces of three units. An attempt to largely reduce the parameter space using PCA failed.</p><p>An alternating variables method that finds local performance optima in the parameter space is developed. By using a set of several starting points, the method tends to find several qualified pulses. The method is implemented and successfully verified by trimming new units.</p><p>Finally we propose where to focus improvements of the method in a production ramp up.</p>

The question of how shape is represented is of central interest to understanding visual processing in cortex. While tuning properties of the cells in early part of the ventral visual stream, thought to be responsible for object recognition in the primate, are comparatively well understood, several different theories have been proposed regarding tuning in higher visual areas, such as V4. We used the model of object recognition in cortex presented by Riesenhuber and Poggio (1999), where more complex shape tuning in higher layers is the result of combining afferent inputs tuned to simpler features, and compared the tuning properties of model units in intermediate layers to those of V4 neurons from the literature. In particular, we investigated the issue of shape representation in visual area V1 and V4 using oriented bars and various types of gratings (polar, hyperbolic, and Cartesian), as used in several physiology experiments. Our computational model was able to reproduce several physiological findings, such as the broadening distribution of the orientation bandwidths and the emergence of a bias toward non-Cartesian stimuli. Interestingly, the simulation results suggest that some V4 neurons receive input from afferents with spatially separated receptive fields, leading to experimentally testable predictions. However, the simulations also show that the stimulus set of Cartesian and non-Cartesian gratings is not sufficiently complex to probe shape tuning in higher areas, necessitating the use of more complex stimulus sets.

This dissertation introduces new technologies and techniques for low-cost phased arrays and scanning antennas. Special emphasis is placed on new approaches for low-cost millimeter-wave beam control. Several topics are covered. A novel reconfigurable grating antenna is presented for low-cost millimeter-wave beam steering. The versatility of the approach is proven by adapting the design to dual-beam and circular-polarized operation. In addition, a simple and accurate procedure is developed for analyzing these antennas. Designs are presented for low-cost microwave/millimeter-wave phased-array transceivers with extremely broad bandwidth. The target applications for these systems are mobile satellite communications and ultra-wideband radar. Monolithic PIN diodes are a useful technology, especially suited for building miniaturized control components in microwave and millimeter-wave phased arrays. This dissertation demonstrates a new strategy for extracting bias-dependent small-signal models for monolithic PIN diodes. The space solar-power satellite (SPS) is a visionary plan that involves beaming electrical power from outer space to the earth using a high-power microwave beam. Such a system must have retrodirective control so that the high-power beam always points on target. This dissertation presents a new phased-array architecture for the SPS system that could considerably reduce its overall cost and complexity. In short, this dissertation presents technologies and techniques that reduce the cost of beam steering at microwave and millimeter-wave frequencies. The results of this work should have a far-ranging impact on the future of wireless systems.

Un réseau de Bragg fibré est un tronçon de fibre optique dont le coeur présente une modification périodique et permanente de l’indice de réfraction. Dans sa structure la plus simple, il se comporte, en réflexion, comme un miroir sélectif en longueur d’onde, ne réfléchissant qu’une plage de longueurs d’onde autour de la longueur d’onde de Bragg. Le signal transmis est alors débarrassé des composantes spectrales réfléchies par le réseau de Bragg. Ce composant fibré correspond donc à un filtre optique pour lequel il est important de caractériser les évolutions, en fonction de la longueur d’onde, des réponses en amplitude et en phase. En pratique, les réseaux de Bragg fibrés sont largement utilisés pour la réalisation de différents composants utiles dans le domaine des télécommunications par fibres et des capteurs optiques. De manière générale, il s’avère de plus en plus important de caractériser les propriétés de polarisation induites par la présence de biréfringence des composants optiques ; il en est de même pour les réseaux de Bragg fibrés. En effet, avec l’augmentation des débits de transmission, les communications par fibres optiques sont de moins en moins tolérantes aux effets associés à la polarisation de la lumière. L’utilisation des réseaux de Bragg pour des applications de télécommunications requiert donc de connaître leurs propriétés de polarisation. De même, dans le domaine des capteurs, l’information offerte par l’évolution de ces propriétés en fonction des contraintes extérieures peut être utile pour améliorer les performances et les potentialités des capteurs à réseaux de Bragg. Dans le cadre de cette thèse de doctorat, nous présentons une étude des propriétés spectrales des réseaux de Bragg fibrés en y incluant l’analyse des propriétés de polarisation de la lumière causées par la présence de biréfringence au sein du réseau. Cette étude est menée pour deux catégories de réseaux de Bragg présentant de la biréfringence. Une première catégorie concerne les réseaux inscrits dans des fibres hautement biréfringentes. Pour ces fibres, étant donné les valeurs importantes de biréfringence considérées, ses effets sont directement visibles sur la réponse classique en amplitude. Dans ce cas, nous démontrons qu’il est possible de modéliser complètement les évolutions, en fonction de la longueur d’onde, des paramètres permettant de caractériser les propriétés de polarisation des réseaux de Bragg. Une étude théorique et expérimentale est présentée pour les paramètres de Stokes, le paramètre de PDL (Polarisation Dependent Loss - perte dépendante de la polarisation) et le paramètre de DGD (Differential Group Delay - délai de groupe différentiel). Une seconde étude est menée pour les réseaux de Bragg inscrits dans des fibres standards. Pour ces réseaux, la biréfringence est relativement faible si bien que ses effets sont difficilement perceptibles sur la réponse en amplitude du réseau. Elle n’est donc généralement pas prise en considération lors de l’analyse des propriétés spectrales des réseaux. Nous montrons cependant dans cette thèse de doctorat qu’elle conduit à des valeurs importantes des paramètres de polarisation (paramètres de Stokes, PDL et DGD). Compte tenu des différentes origines possibles de la biréfringence des réseaux, nous exposons deux modèles caractérisant la présence de la biréfringence. Les résultats théoriques obtenus pour ces deux modèles sont alors systématiquement comparés. Nous rapportons finalement des résultats expérimentaux en adéquation avec les résultats théoriques. Pour ces réseaux de Bragg faiblement biréfringents, nous établissons également la relation qui existe entre les paramètres utilisés pour caractériser les propriétés de phase du réseau (courbes de délai et de dispersion) et les paramètres de Stokes et de DGD. En particulier, nous démontrons théoriquement et expérimentalement que les évolutions en fonction de la longueur d’onde de la dispersion chromatique et du DGD ne diffèrent que dans leur valeur absolue, le rapport de ces valeurs étant proportionnel à la biréfringence. En outre, nous discutons la possibilité d’appliquer cette relation à d’autres types de réseaux fibrés et présentons des résultats expérimentaux dans le cas d’un réseau à longs pas. Une application intéressante de la connaissance des paramètres de polarisation des réseaux de Bragg est la détermination de la biréfringence. Nous considérons d’une part le cas d’une biréfringence causée par une contrainte transverse appliquée sur une fibre optique. Nous montrons qu’un réseau de Bragg est utilisable à l’endroit de la contrainte pour obtenir la quantité de biréfringence induite localement. D’autre part, les propriétés de polarisation sont utilisées pour étudier l’évolution de la biréfringence induite lors du processus d’inscription d’une série de réseaux de Bragg de caractéristiques différentes. La reconstruction de la biréfringence de cette série permet alors d’analyser l’impact des paramètres de l’inscription sur la biréfringence photoinduite. Nous proposons finalement une technique originale permettant de réduire les effets de la biréfringence des réseaux. Cette technique est basée sur l’application d’une torsion de la fibre lors de l’inscription, ce qui permet d’introduire du couplage de modes de polarisation au niveau du réseau de Bragg. L’analyse théorique des propriétés spectrales des réseaux menée dans le cas classique est alors adaptée pour tenir compte de l’effet du couplage de modes. Les résultats de simulation obtenus montrent qu’il est en effet possible de réduire la PDL et le DGD de cette manière, ce qui peut s’avérer intéressant dans le cadre d’applications de télécommunications à haut débit.

Das Strahlungsfeld in einem absorbierenden, periodischen Dielektrikum ist kanonisch quantisiert worden. Dabei wurde ein eindimensionales Modell mit punktförmigen Streuern betrachtet, deren Polarisierbarkeit den Kramers-Kronig Relationen gehorcht. Es wurde ein Quantisierungsverfahren nach Knöll, Scheel und Welsch [1] verwendet, das als eine Ergänzung zum mikroskopischen Huttner-Barnett Schema [2] aufgefaßt werden kann und in dem auf der Basis der phänomenologischen Maxwell Gleichungen eine bosonische Rauschpolarisation als die Quelle des Feldes auftritt. Das Problem reduziert sich dabei auf die Bestimmung der klassischenGreens Funktion. Die Kramers-Kronig Relationen der komplexen Polarisierbarkeit der Punktstreuer sichert die korrekte Verknüpfung zwischen Dispersion und Absorption. Der Punktstreuer ist dabei ein idealisiertes Modell, um periodische Hintergrundmedien, denen das Strahlungsfeld ausgesetzt ist, zu beschreiben. Er bedarf jedoch eines Kompromisses, um die entsprechenden Rauschquellen zu konstruieren. Es konnte gezeigt werden, daß der Punktstreuer dasselbe Streuverhalten wie eine dünne Potentialschwelle besitzt und damit die technischen Schwierigkeiten für den Fall eines absorptiven Punktstreuers überwunden werden können. An Hand dieses Beispiels konnte das Quantisierungsschema nach Knöll, Scheel und Welsch auf periodische und absorbierende Strukturen angewendet werden. Es ist bekannt, daß die Bestimmung der Modenstruktur für den Fall der Modenzerlegung des Strahlungsfeldes ein rein klassisches Problem darstellt. Mit Ausnahme des Vakuums ist eine zweckmäßige Modenzerlegung nur dann durchführbar, wenn mit einer reellen Polarisierbarkeit die Absorption vernachlässigt werden kann. Aus den Kramers-Kronig Relationen wird klar, daß solch eine Annahme nur in bestimmten Intervallen des Frequenzspektrums gerechtfertigt werden kann. Es wurde gezeigt, daß auch das quantisierte Strahlungsfeld in Anwesenheit der Punktstreuer in eben solchen Intervallen in Quasimoden entwickelt werden kann, wenn man neue Quasioperatoren als Erzeuger und Vernichter einführt. Die bosonischen Vertauschungsrelationen dieser Operatoren konnten bestätigt werden. Die allgemeine Vertauschungsrelation kanonisch konjugierter Variablen im Sinne der kanonischen Quantisierung kann für das elektrische Feld und das Vektorpotential beibehalten werden. In der Greens Funktion sind sämtliche Informationen über die dispersiven und absorptiven Eigenschaften des Dielektrikums sowie über die räumliche Struktur enthalten. Die wesentlichen Merkmale werden dabei durch den Reflexionskoeffizienten nach Boedecker und Henkel [3] bestimmt, der das Reflexionsverhalten an einem unendlich ausgedehnten Halbraum aus periodisch angeordneten Punktstreuern beschreibt. Mit Hilfe des Transfermatrixformalismus war es möglich einen allgemeinen Zugang zum Reflexionsverhalten zunächst endlicher Strukturen zu erhalten. Die Ausdehnung auf den Halbraum mit Hilfe der Klassifizierung in Untergruppen der Transfermatrizen nach ermöglichte es, den Reflexionskoeffizienten nach Boedecker und Henkel [3] auch geometrisch plausibel zu machen. Ein wesentlicher Aspekt von periodischen Systemen ist die Translationssymmetrie, die im Fall unendlich ausgedehnter, verlustfreier Systeme auf eine ideale Bandstruktur führt. Mit Hilfe der Untergruppenklassifizierung kann im verlustfreien Fall die Geometrie der Anordnung indirekt mit der Bandstruktur verknüpft werden. Es konnte nachgewiesen werden, daß auch der einzelne Punktstreuer immer in einer dieser Untergruppen zu finden ist. Dabei besitzt die Bandstruktur der unendlich periodischen Anordnung dieser Streuer immer eine von der Polarisierbarkeit abhängige Bandkante und eine von der Polarisierbarkeit unabhängige Bandkante. Die Bandstruktur, die mit den verlustbehafteten Feldern einhergeht, ist eine doppelt komplexe. Alternativ zu dieser nur schwer zu interpretierenden Bandstruktur wurden die Feldfluktuationen selektiv nach reellen Frequenzen und Wellenzahlen sondiert. Es zeigt sich, daß Absorption besonders in der Nähe der Bandkanten die Bänder verbreitert. Die Ergebnisse, die mit Hilfe der lokalen Zustandsdichtefunktion gewonnen wurden, konnten dabei bestätigt werden. [1] S. Scheel, L. Knöll and D. G. Welsch, Phys.Rev. A 58, 700 (1998). [2] B. Huttner and S. M. Barnett, Phys. Rev. A 46, 4306 (1992). [3] G. Boedecker and C. Henkel, OPTICS EXPRESS 11, 1590 (2003). / A canonical scheme based on the phenomenological Maxwell equations in the presence of dielectric matter is used to quantize the electromagnetic field in a periodic and lossy linear dielectric. We focus on a one-dimensional model of point scatterers with given frequency-dependent complex permittivity, and construct an expansion of the field operators that is based on the Green function and preserves the canonical equal-time commutation relations. Translation symmetry is secured by working with an infinite lattice. The impact of absorption is examined using the local density of states and the decay rate of a phase-coherent dipole chain located inside the structure. Incidentally the model is used to bring about a geometrical interpretation of the reflection from multilayers

The different topics of this thesis include high-temperaturestable fiber Bragg gratings, photosensitivity and fiber basedcomponents. Fiber Bragg gratings (FBG) are wavelength dispersiverefractive index structures manufactured through UV exposure ofoptical fibers. Their applications range from WDM filters,dispersion compensators and fiber laser resonators fortelecommunication applications to different types of point ordistributed sensors for a variety of applications. One aim of this thesis has been to study a new type of FBGreferred to as chemical composition grating. These gratingsdiffer from other types of FBG in that their refractive indexstructure is attributed to a change in the chemicalcomposition. Chemical composition gratings have shown to beextremely temperature stable surviving temperatures in excessof 1000 oC. Photosensitivity of pure silica and germanium-dopedcore fibers in the presence of hydroxyl groups has also beenstudied and different types of fiber based components have beendeveloped. The main result of the thesis is a better understanding ofthe underlying mechanism of the formation of chemicalcomposition gratings and their decay behavior at elevatedtemperatures. The refractive index modulation is caused by aperiodic change in the fluorine concentration, which has beenverified through time-of-flight secondary-ion-mass spectrometryand through studies of the decay behavior of chemicalcomposition gratings. A model based on diffusion of dopants hasbeen developed, which successfully predicts the thermal decayat elevated temperatures. Studies of the dynamics of chemicalcomposition grating formation have resulted in a manufacturingtechnique that allows for reproducible gratingfabrication. The main results regarding photosensitivity is a method tosignificantly increase the effect of UV radiation on standardtelecommunications fiber. The method, referred to asOH-flooding, has also been applied to pure-silica core fibersresulting in the first report of strong grating formation insuch fibers. Finally, research into different schemes for developingfiber-based components has resulted in two types of singlefiber integrated Mach-Zehnder interferometers; one passiveinterferometer that can be used as an optical filter and oneactive interferometer controlled with internal metalelectrodes. Keywords:optical fibers, fiber Bragg gratings,photosensitivity, thermal stability, fiber sensors, chemicalcomposition gratings, fiber components, Mach-Zehnderinterferometer, optical switch, optical modulator. / QC 20100607