Este trabalho propõe uma extensão do método de propagação de feixe (BPM - Beam Propagation Method) para a análise de guias de ondas ópticos e acopladores baseados em materiais não-lineares do tipo Kerr. Este método se destina à investigação de estruturas onde a utilização da equação escalar de Helmholtz (EEH) em seu limite paraxial não mais se aplica. Os métodos desenvolvidos para este fim são denominados na literatura como métodos de propagação de feixe de ângulo largo. O formalismo aqui desenvolvido é baseado na técnica das diferenças finitas e nos esquemas de Crank-Nicholson (CN) e Douglas generalizado (GD). Estes esquemas apresentam como característica o fato de apresentarem um erro de truncamento em relação ao passo de discretização transversal, &#916x, proporcional a O(&#916x2) para o primeiro e O(&#916x4). A convergência do método em ambos esquemas é otimizada pela utilização de um algoritmo interativo para a correção do campo no meio não-linear. O formalismo de ângulo largo é obtido pela expansão da EEH para os esquemas CN e GD em termos de polinômios aproximantes de Padé de ordem (1,0) e (1,1) para CN e GD, e (2,2) e (3,3) para CN. Os aproximantes de ordem superior a (1,1) apresentam sérios problemas de estabilidade. Este problema é eliminado pela rotação dos aproximantes no plano complexo. Duas condições de contorno nos extremos da janela computacional são também investigadas: 1) (TBC - Transparent Boundary Condition) e 2) condição de contorno absorvente (TAB - Transparent Absorbing Boundary). Estas condições de contorno possuem a facilidade de evitar que reflexões indesejáveis sejam transmitidas para dentro da janela computacional. Um estudo comparativo da influência destas condições de contorno na solução de guias de ondas ópticos não-lineares é também abordada neste trabalho. / This work introduces an extension of the beam propagation method (BPM) for the analysis of optical waveguides and couplers based on Kerr-type nonlinear materials. This method is intended for the investigation of structures where the paraxial scalar Helmholtz equation (EEH) no longer holds. The numerical methods developed for this situation are known in the literature as wide-angle beam propagation methods. The formulation developed in this work is based on finite differences and on the Crank-Nicholson (CN) and Generalized Douglas (GD) schemes. These schemes are characterized by a truncation error with respect to the transverse discretization step, &#916x, proporcional to O(&#916x2) for the CN and to O(&#916x4) for the GD scheme. The convergence of the method for both schemes is optimized by the application of an iterative algorithm for the correction of the field in the nonlinear medium. The wide-angle formalism is obtained by the expansion of the EEH for the CN and GD schemes in terms of Padé approximant polynomials. The expansions addressed in this work utilize Padé approximants of order (1,0) and (1,1) for the CN and GD scheme, and (2,2) and (3,3) for the CN scheme. Approximants orders higher than (1,1) show serious stability problems. This problem is circumvented by rotating the approximants in the complex plane. Two boundary conditions on the edge of the computational window are also investigated: 1) transparent boundary condition (TBC) and 2) transparent absorbing boundary (TAB). These boundary conditions are necessary in order to avoid unwanted reflections back to computational domain. A comparative study of the influence of these boundary conditions on the solution of nonlinear optical waveguides is also addressed in this work.

Orientadores: Hugo Enrique Hernández-Figueroa, Marcos Sergio Gonçalves / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-25T09:52:57Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Isayama_YuriHayashi_M.pdf: 5833509 bytes, checksum: e1f49d9840e5dbbba44fd30da539d0bf (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: Neste trabalho, foi realizado um estudo abordando os guias de onda periodicamente segmentados, procurando estudar o comportamento de seus modos de propagação através de simulações numéricas baseadas no Método dos Elementos Finitos 3D. É apresentada uma formulação para a análise modal dos guias de onda, de maneira que se possa estudar a influência de variações na geometria dos mesmos (altura, largura e período do núcleo) em suas características de guiamento. É abordado, também, o efeito que os materiais que compõem o guia de onda segmentado tem na relação de dispersão do guia. A análise crítica dos resutados é realizada por meio da Teoria de Modos Acoplados, a qual permite não somente justificar os resultados, como também fazer previsões, ainda que um tanto qualitativas, a respeito do comportamento esperado para estes guias e dos resultados das variações em sua construção. Por fim, alguns exemplos de possíveis configurações de guias de onda segmentados, projetados para operação dentro da faixa das comunicações ópticas, são apresentados, com o intuito de facilitar o projeto destas estruturas / Abstract: In this work, a study concerning periodically segmented waveguides was conducted, where the study of the behavior of its propagating modes through numerical simulations based on the 3D Finite Element Method was intended. A formulation for modal analysis of the waveguide is presented, so that it is possible to study the influence of geometry variations (height, width, and period of the core) on its guiding characteristics. It is also addressed the effect of the materials composing the waveguide on its dispersion relation. The critical analysis of the results is developed by means of the Coupled Mode Theory, which allows us not only to explain the results, but also make predictions, even though qualitative, concerning the expected behavior of the waveguides, and about the results of variations on the waveguide's construction. Finally, some examples of possible configurations of segmented waveguides, designed for operation within the optical communication band, are presented, with the objective of facilitating the design of such structures / Mestrado / Telecomunicações e Telemática / Mestre em Engenharia Elétrica

Orientadores: Leandro Tiago Manera, Arismar Cerqueira Sodré Júnior / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-27T14:09:44Z (GMT). No. of bitstreams: 1 NascimentoJunior_AdrianoRicardo_M.pdf: 49523846 bytes, checksum: 938b4d8587e112835bf6e0988731ba04 (MD5) Previous issue date: 2015 / Resumo: Neste trabalho foram fabricados microrressonadores em anel com alto fator de qualidade utilizando filmes de nitreto de silício (SixNy) depositados a baixa temperatura (20 °C) utilizando a técnica de deposição ECR-CVD (Deposição em Fase Vapor por Resonância Ciclotrônica do Elétron). Graças à alta não linearidade do SixNy, tais filmes têm sido recentemente usados para aplicações em óptica não linear como a geração de pentes de frequência na banda C de telecomunicações. Para tais aplicações, o guia de onda do dispositivo deve possuir um ponto de dispersão nula no centro da banda C, necessitando de uma grande área. Infelizmente, filmes espessos de nitreto de silício (>400 nm) possuem um alto stress responsável pela ocorrência de rachaduras catastróficas no filme que reduzem drasticamente a eficiência do dispositivo. Utilizando simulações numéricas, demonstrou-se que para valores de índice de refração (n) maiores que 2, a área do guia de onda com zero dispersão em ? = 1,55 ?m é consideravelmente reduzida, necessitando assim de uma menor espessura de filme. Foi obtido um filme de SixNy rico em Si, com índice de refração igual a 2, alta taxa de deposição, baixa concentração de hidrogênio e uma rugosidade média de somente 0,52 nm (4,2 nm de desvio padrão). Devido à baixa temperatura da técnica de deposição empregada, não foi observado traços de stress no filme, permitindo a obtenção de uma espessura de 730 nm utilizando uma única etapa de deposição. Os microrressonadores ópticos fabricados com raios de 60 e 120 ?m apresentaram um FSR (Free Spectral Range) equidistante em toda a banda C e um fator de qualidade de 7,2x10^3 foi obtido experimentalmente. Tais resultados demonstraram a alta eficiência dos dispositivos fabricados com o filme de SixNy desenvolvido e sua promissora aplicação para óptica não linear na banda C de telecomunicações / Abstract: Silicon nitride (SixNy) films deposited by low-pressure electron cyclotron resonance plasma enhanced chemical vapor deposition (ECR-CVD) at room temperature are proposed for fabrication of microring resonators with high Q-factor. Due to the high silicon nitride nonlinearity, these films recently have also been used for nonlinear optics applications in the telecommunications C-band. For nonlinear applications such as the generation of frequency combs, the waveguide needs a zero dispersion point in the middle of C-band, requesting large waveguide area. Unfortunately, these thick SixNy films (>400 nm) have high stress and suffer from catastrophic cracking, which reduces the device efficiency. Using numerical simulations it was demonstrated that for refractive index (n) values greater than 2, the area of the waveguide with zero dispersion point at ? = 1.55 ?m is greatly reduced. A Si-rich silicon nitride layer with refractive index of 2, high deposition rate, low hydrogen concentration and roughness average of 0.52 nm with standard deviation of 4.2 nm was obtained. Due to the low temperature deposition, no thermal stress was observed in the SixNy film, allowing a thickness of 730 nm obtained with only one deposition step. After experimental measurements, microring resonators having a radius of 60 and 120 ?m, presented an equidistant Free Spectral Range and a Q-factor of 7.2x10^3 was achieved, showing the high efficiency of the device and their promising application in nonlinear effects in the telecommunication C-band / Mestrado / Eletrônica, Microeletrônica e Optoeletrônica / Mestre em Engenharia Elétrica

Esse trabalho de tese descreve a síntese e a caracterização de materiais amorfos e cristalinos na forma de pó e de filmes finos pertencentes ao sistema Er2O3-Y2O3-Al2O3-B2O3. O principal objetivo do trabalho foi o de obter filmes finos amorfos contendo íons Er3+ próximo à composição YAI3(BO3)4 (YAB), visando sua aplicação como amplificador em dispositivos ópticos integrados. Na síntese das amostras foi empregado o método dos precursores poliméricos e o método sol-gel. Uma vez estabelecida às condições de síntese das resinas e de sóis estáveis, diferentes parâmetros foram otimizados visando à deposição de filmes relativamente espessos e amorfos. As propriedades térmicas, estruturais e ópticas de amostras cristalinas ou amorfas, na forma de pó e na forma de filmes finos, foram caracterizadas através das técnicas de análise termogravimétrica, calorimetria exploratória diferencial, difração de raios X, espectroscopia vibracional na região do infravermelho com transformada de Fourier, espectroscopia Raman e microscopia eletrônica de varredura de alta resolução, microscopia de força atômica, espectroscopia \"m-line\", medidas de espectros de luminescência. Baseado na análise térmica e estrutural das amostras na forma de pó, foi possível realizar a síntese de amostras na forma de filmes finos de composição Y1-xErxAl3(BO3)4 que apresentaram características estruturais, microestruturais e ópticas adequadas à aplicação desejada. Através do estudo das propriedades térmicas e estruturais, foi observado que as amostras preparadas através do método dos precursores poliméricos e do método sol-gel apresentam respectivamente uma temperatura de transição vítrea (Tg) à 723 &#176C e à 746 &#176C e uma temperatura de cristalização (Tc) à 814 &#176C e à 830&#176C. O tratamento térmico à aproximadamente 1150 &#176C da amostra amorfa na forma de pó de composição Y0,9Er0,1Al3(BO3)4 contendo boro em excesso levou a obtenção de uma solução sólida cristalina de composição Y0,9Er0,1Al3(BO3)4. No que se refere às propriedades dos filmes finos, as melhores condições de densificação, homogeneidade, eficiência de guiamento, emissão luminescente e tempo de vida foram observadas quando os filmes de composição Y0,9Er0,1Al3(BO3)4 foram tratados entre as temperaturas de Tg e Tc. Os filmes amorfos de composição Y0,9Er0,1Al3(BO3)4 se comportam como guias monomodos, apresentando alta emissão luminescente e um tempo de vida comparável a outros sistemas amorfos a base de boro. Esse comportamento mostra a viabilidade de aplicação desses filmes amorfos como amplificadores ópticos planares. / This work specifies the synthesis and the characterization of amorphous and crystalline powder and thin films materials belonging to the Er2O3-Y2O3-Al2O3-B2O3 system. The main objective of this work was to develop amorphous thin film samples near the YAI3(BO3)4 composition with yttrium partially substituted by erbium Y1-xErxAl3(BO3)4 with the aim of applying these thin films as waveguide amplifiers in integrated optical systems. The polymeric precursor and the sol-gel methods were applied in order to produce such thin films. After the first step where the conditions to obtain very stable resins and sols was established, different parameters were adjusted aiming the deposition of thick and stable thin films. To well define the best conditions to obtain amorphous and dense thin films, the powder samples of the same compositions were first characterized by thermal analysis techniques, X-ray diffraction, IR and Raman spectroscopies, high resolution electron microscopy and atomic force microscopy. From thermal analysis and structural results, it was observed that the samples prepared from the polymeric precursor and sol-gel methods exhibit glass transition temperatures, Tg, at 723 and 746 &#176C and cristallisation temperatures, Tc, at 814 and 830 &#176C, respectively. The heat treatment at around 1150 &#176C of Y0,9Er0,1Al3(BO3)44 powder sample containing a smaller amount of boron in excess produced by both methods lead to the formation of a crystalline solid solution of the same composition without the presence of secondary phases. These results show that dense, free of cracks, thick and homogeneous thin films could be obtained when they were submitted at a heat treatment in temperatures between Tg and Tc. From the \"m-line\" spectroscopy technique and luminescence measurements we observed that the Y0,9Er0,1Al3(BO3)4 amorphous thin films can be considered as monomode waveguides showing a high luminescence intensities and a lifetime similar to other amorphous borate systems. These results show the potentiality to apply such amorphous thin films as optical planar amplifiers.

Submitted by Hellen Luz (hellencrisluz@gmail.com) on 2017-10-03T17:54:30Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_AplicacaoTeoriaGrupos.pdf: 1512597 bytes, checksum: 4ba8e54f1b41a8f2fc694f2cb5ab7715 (MD5) / Rejected by Edisangela Bastos (edisangela@ufpa.br), reason: on 2017-10-10T17:03:27Z (GMT) / Submitted by Hellen Luz (hellencrisluz@gmail.com) on 2017-10-16T14:22:18Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_AplicacaoTeoriaGrupos.pdf: 1512597 bytes, checksum: 4ba8e54f1b41a8f2fc694f2cb5ab7715 (MD5) / Approved for entry into archive by Edisangela Bastos (edisangela@ufpa.br) on 2017-11-13T16:10:01Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_AplicacaoTeoriaGrupos.pdf: 1512597 bytes, checksum: 4ba8e54f1b41a8f2fc694f2cb5ab7715 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-11-13T16:10:01Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_AplicacaoTeoriaGrupos.pdf: 1512597 bytes, checksum: 4ba8e54f1b41a8f2fc694f2cb5ab7715 (MD5) Previous issue date: 2014-08-27 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Neste trabalho aplicamos a teoria de grupos magnéticos em seções transversais de guias de ondas quadrado, retangular e circular preenchidos com ferrite ou material semicondutor com diferentes tipos de magnetização. Estes guias de ondas são estruturas usadas em tecnologia de microondas como phase shifters, cut-off switches e isoladores. Analogamente como feito em guias de ondas com diferentes simetrias, foram analisadas e classificadas também cavidades ressonantes com geometrias cúbica, paralelepípeda e cilíndrica utilizando teoria de grupos magnéticos. Considerando seções de guia de onda com quatro portas e usando métodos de teoria de grupo calculou-se a estrutura da matriz de espalhamento para estes guias com diferentes simetrias e são discutidas algumas de suas propriedades. Além disso, as matrizes de espalhamento obtidas para os modos TE0n são exatas e, a partir delas, foram calculados os autovalores e autovetores destas matrizes. Os resultados obtidos servem como referência teórica para checar a precisão de cálculos numéricos em estruturas de guias de ondas. / In this paper we apply the theory of magnetic groups in cross sections of waveguides square, rectangular and circular filled with ferrite or semiconductor material with different types of magnetization. These wave guides are structures used in microwave technology as phase shifters, cut-off switches and insulators. Similarly as done in waveguides with different symmetries, were analyzed and classified also resonant cavities with cubic and cylindrical paralelepípeda geometries using group theory magnetic. Considering waveguide sections with four doors and using group theory methods calculated to scattering matrix structure for these guides with different Symmetries and are discussed some of its properties. Furthermore, scattering matrices obtained TE0n modes are accurate and, from them, were calculated eigenvalues and eigenvectors of matrices. The results serve as theoretical reference to check the accuracy of numerical calculations in structures of waveguides.

Esse trabalho de tese descreve a síntese e a caracterização de materiais amorfos e cristalinos na forma de pó e de filmes finos pertencentes ao sistema Er2O3-Y2O3-Al2O3-B2O3. O principal objetivo do trabalho foi o de obter filmes finos amorfos contendo íons Er3+ próximo à composição YAI3(BO3)4 (YAB), visando sua aplicação como amplificador em dispositivos ópticos integrados. Na síntese das amostras foi empregado o método dos precursores poliméricos e o método sol-gel. Uma vez estabelecida às condições de síntese das resinas e de sóis estáveis, diferentes parâmetros foram otimizados visando à deposição de filmes relativamente espessos e amorfos. As propriedades térmicas, estruturais e ópticas de amostras cristalinas ou amorfas, na forma de pó e na forma de filmes finos, foram caracterizadas através das técnicas de análise termogravimétrica, calorimetria exploratória diferencial, difração de raios X, espectroscopia vibracional na região do infravermelho com transformada de Fourier, espectroscopia Raman e microscopia eletrônica de varredura de alta resolução, microscopia de força atômica, espectroscopia \"m-line\", medidas de espectros de luminescência. Baseado na análise térmica e estrutural das amostras na forma de pó, foi possível realizar a síntese de amostras na forma de filmes finos de composição Y1-xErxAl3(BO3)4 que apresentaram características estruturais, microestruturais e ópticas adequadas à aplicação desejada. Através do estudo das propriedades térmicas e estruturais, foi observado que as amostras preparadas através do método dos precursores poliméricos e do método sol-gel apresentam respectivamente uma temperatura de transição vítrea (Tg) à 723 &#176C e à 746 &#176C e uma temperatura de cristalização (Tc) à 814 &#176C e à 830&#176C. O tratamento térmico à aproximadamente 1150 &#176C da amostra amorfa na forma de pó de composição Y0,9Er0,1Al3(BO3)4 contendo boro em excesso levou a obtenção de uma solução sólida cristalina de composição Y0,9Er0,1Al3(BO3)4. No que se refere às propriedades dos filmes finos, as melhores condições de densificação, homogeneidade, eficiência de guiamento, emissão luminescente e tempo de vida foram observadas quando os filmes de composição Y0,9Er0,1Al3(BO3)4 foram tratados entre as temperaturas de Tg e Tc. Os filmes amorfos de composição Y0,9Er0,1Al3(BO3)4 se comportam como guias monomodos, apresentando alta emissão luminescente e um tempo de vida comparável a outros sistemas amorfos a base de boro. Esse comportamento mostra a viabilidade de aplicação desses filmes amorfos como amplificadores ópticos planares. / This work specifies the synthesis and the characterization of amorphous and crystalline powder and thin films materials belonging to the Er2O3-Y2O3-Al2O3-B2O3 system. The main objective of this work was to develop amorphous thin film samples near the YAI3(BO3)4 composition with yttrium partially substituted by erbium Y1-xErxAl3(BO3)4 with the aim of applying these thin films as waveguide amplifiers in integrated optical systems. The polymeric precursor and the sol-gel methods were applied in order to produce such thin films. After the first step where the conditions to obtain very stable resins and sols was established, different parameters were adjusted aiming the deposition of thick and stable thin films. To well define the best conditions to obtain amorphous and dense thin films, the powder samples of the same compositions were first characterized by thermal analysis techniques, X-ray diffraction, IR and Raman spectroscopies, high resolution electron microscopy and atomic force microscopy. From thermal analysis and structural results, it was observed that the samples prepared from the polymeric precursor and sol-gel methods exhibit glass transition temperatures, Tg, at 723 and 746 &#176C and cristallisation temperatures, Tc, at 814 and 830 &#176C, respectively. The heat treatment at around 1150 &#176C of Y0,9Er0,1Al3(BO3)44 powder sample containing a smaller amount of boron in excess produced by both methods lead to the formation of a crystalline solid solution of the same composition without the presence of secondary phases. These results show that dense, free of cracks, thick and homogeneous thin films could be obtained when they were submitted at a heat treatment in temperatures between Tg and Tc. From the \"m-line\" spectroscopy technique and luminescence measurements we observed that the Y0,9Er0,1Al3(BO3)4 amorphous thin films can be considered as monomode waveguides showing a high luminescence intensities and a lifetime similar to other amorphous borate systems. These results show the potentiality to apply such amorphous thin films as optical planar amplifiers.