This thesis investigates the constancy of light speed with respect to the light age using an active fiber-based Mach-Zehnder interferometer (MZI) illuminated by sunlight. The original sunlight in one arm, which has the age of 8.3 minutes since it was emitted from the sun, interferes with the young light generated by stimulated emission from an optical amplifier in the other arm, which is coherent to the sunlight. The speed difference between the sunlight and the newly regenerated light is obtained by measuring the phase variations as the interference signal travels along a span of single-mode fiber. System error is eliminated by the self-calibration which is achieved by alternatively switching other two local amplified spontaneous emission light sources and the sunlight as the input to the MZI, and then comparing the measured phase differences of these three sources. The relative accuracy of light speed measurement is . Consider the 8.3 minutes age of the sunlight, for a possible variation of light speed of c with light age in optical fiber, we obtainĢc/c is less than 1.7 / Master of Science

<p> An optical temperature sensor and Fourier spectrometer, working in the 1550nm telecommunications wavelength range, were fabricated in silicon-on-insulator. Both devices were based on asymmetric Mach-Zehnder Interferometer waveguide geometries. The temperature sensor underwent a two phase design. The various asymmetry factors, due to different path length differences, of the Mach-Zehnder arms resulted in different levels of temperature sensitivity, which in turn was the driving mechanism behind the Fourier spectrometer. Due to the asymmetry of the Mach-Zehnder arms, there exists an inherent optical path length difference which is further changed with temperature variation due to the thermo-optic effect. The phase I temperature sensor showed an accuracy of 1-2°C and a sensitivity of 0.5°C for ΔL of 37.23μm and 23.46μm, respectively. The phase II temperature sensor design, which allowed for self normalization, resulted in a 1°C temperature accuracy and a 0.5°C sensitivity for a ΔL of 27.85μm. Both the phase I and II temperature sensors showed repeatable and stable results for the temperature range of 20-100°C, and agreed well with the theoretical design performance. Upon analysis of the highly asymmetric Mach-Zehnder designs it was found that both the 1.05cm and 3.05cm path length differences resulted in a temperature accuracy of 0.1°C, with a 0.05°C sensitivity over a small temperature range.</p> <p> The Fourier spectrometer exhibited decent agreeability with theoretical design performance and demonstrated proof of concept. A 1.05cm path length difference was insufficient to resolve two wavelengths at 1546.12nm and 1564.68nm, which agreed with the theoretical model. However, the 3.05cm ΔL was sufficient to resolve the two wavelengths in a repeatable manner.</p> / Thesis / Master of Applied Science (MASc)

Neste trabalho foram produzidos Interferômetros Mach-Zehnder (IMZ) a partir de guias de onda do tipo pedestal com filmes finos de Bi&#8322;O&#8323;-WO&#8323;-TeO&#8322; (BWT) como camada de núcleo para aplicações em sensores ópticos integrados. A influência dos parâmetros e dos materiais utilizados nas etapas de processo foi verificada. Os valores de índice de refração efetivo e coeficiente de absorção em função do comprimento de onda foram obtidos para os filmes finos BWT. Os guias de onda pedestais foram caracterizados por Microscopia Eletrônica de Varredura, medidas de perda por propagação e perfis de campo próximo em 633 nm e 1050 nm. Os valores mínimos obtidos nas perdas por propagação foram de ~1,5 dB/cm em 633 nm e 3,0 dB/cm em 1050 nm. As medidas de perfis de campo próximo mostraram que guias de onda com larguras superiores a 7 m apresentaram comportamento multimodo. Foram obtidos IMZs que apresentaram guiamento de luz por toda a estrutura, com comportamento multimodo. Sensores ópticos de pressão e temperatura foram produzidos. A fabricação de diafragmas através do processo de corrosão úmida do silício é apresentada no sensor de pressão. Sensores ópticos de temperatura foram produzidos com filamentos metálicos. As cavidades ópticas não foram obtidas nesse sensor. A potência de luz na saída dos sensores de temperatura foi medida em função da diferença de potencial aplicada no filamento metálico. Os resultados apresentados mostram que guias de onda do tipo pedestal produzidos com núcleo de BWT são promissores para aplicações em sensores ópticos integrados. / In this work Mach-Zehnder Interferometers (MZI) were produced from the pedestal-type waveguides with Bi&#8322;O&#8323;-WO&#8323;-TeO&#8322; (BWT) thin films as the core layer for applications in integrated optical sensors. The influence of the parameters and materials used in the process steps was verified. The values of the effective refractive index and absorption coefficient as a function of wavelength were obtained for the BWT thin films. The pedestal waveguides were characterized by Scanning Electron Microscopy, by propagation loss measurements and near-field profiles at 633 nm and 1050 nm. The minimum values obtained by propagation losses were ~ 1.5 dB/cm at 633 nm and 3.0 dB/cm at 1050 nm. The measures of near-field profiles showed that waveguides with widths larger than 7 m presented multimode behavior. The MZIs obtained presented guiding light through the structure, with multimode behavior. Optical pressure sensors and temperature sensors were produced. The production of diaphragms using the wet etching process of silicon is presented on the pressure sensor. Optical temperature sensors were made with metallic filaments. Optical cavities were not obtained in this sensor. The light power in the output of the temperature sensors was measured as the voltage applied to the metal filament. The results show that the waveguides produced with pedestal-type and BWT thin films as core layer are promising for applications in integrated optical sensors.

Este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de sensores químicos ópticos baseados no Interferômetro Mach-Zehnder (MZI) para aplicações em análises químicas e ambientais. Tais dispositivos foram implementados a partir da fabricação de guias de ondas sobre um substrato de silício monocristalino. Os guias de onda foram obtidos através da deposição de filmes finos de nitreto de silício (Si3N4) e óxido de silício (SiO2) obtidos por técnicas de deposição química a vapor (CVD) e pela oxidação térmica do substrato de silício. A definição destes guias de ondas para a implementação de sensores é feita por processos convencionais de litografia e corrosão. Os sensores químicos deste trabalho baseiam-se na interação do campo evanescente do modo que propaga-se no guia de onda exposto a algum composto químico na fase líquida ou gasosa. Tais sensores foram projetados, simulados e implementados para as seguintes aplicações: Medida da concentração de glicose em soluções; Medida de umidade por efeito de espalhamento; Detecção de vapores de compostos orgânicos voláteis (VOC\'s). As etapas de processo para a fabricação dos sensores químicos ópticos foram definidas a partir das simulações em óptica integrada e, após os processos de fabricação, os filmes obtidos foram caracterizados. Os filmes de Si3N4 SiO2 utilizados na fabricação do sensor óptico possuem uniformidade em espessura e homogeneidade quanto aos valores de índice de refração, baixa rugosidade superficial e baixos níveis de incorporação de água e ligações OH. No entanto, os valores de rugosidade e desuniformidade aumentaram significativamente após as etapas de corrosão úmida para a definição das estruturas dos sensores ópticos. Os guias de ondas implementados apresentaram um guiamento monomodo (TE0) e os valores de atenuação experimentais ficaram entre 2 e 20 dB/cm e dependem dos valores de rugosidade superficial e lateral dos guias de ondas e da desuniformidade dos filmes empregados. Com as medidas de concentração de glicose, verificou-se o funcionamento e a sensibilidade dos sensores químicos ópticos implementados, levantando-se curvas de variação da intensidade de saída do MZI em função do índice de refração de soluções de glicose padronizadas (dn/dc). Realizou-se medidas de umidade através da implementação de um sensor óptico simplificado que tem como princípio o efeito de espalhamento óptico. Como o espalhamento óptico depende da rugosidade e do contraste de índices de refração na interface exposta ao ambiente, foi possível detectar a quantidade de água presente no dispositivo. Posteriormente, analisou-se a aplicação de HMDS (Hexametildissilazana) como filme de adsorção de compostos orgânicos voláteis (VOC\'s). Os VOC\'s foram aplicados sobre os sensores químicos ópticos em forma de vapor e os resultados obtidos para n-Hexano e 2-Propanol mostraram uma boa reprodutibilidade e alta sensibilidade. / The aim of this work is the development of optical chemical sensors based on Mach-Zehnder Interferometer (MZI) for chemical and environmental analysis applications. Such devices were implemented with waveguides fabricated on a silicon substrate. The waveguides were obtained using silicon nitride (Si3N4) and silicon oxide (SiO2) films obtained by CVD (Chemical Vapor Deposition) and thermal oxidation of the silicon substrate. The waveguides and the optical sensors were fabricated using conventional lithograph and etching processes. The developed chemical sensors are based on the evanescent field interaction in a waveguide exposed to a liquid or gaseous phase of a chemical compound. Such optical sensor were designed, simulated and implemented for the following applications: Glucose concentration; Humidity measurement by scattering effect; Volatile organic compounds (VOC\'s) vapors detection. The process steps for the optical chemical sensor fabrication were defined during the integrated optical simulations and the films were characterized after the fabrication process steps. The Si3N4 and SiO2 films used in the optical sensor fabrication are uniform and homogenous (thickness and refractive index), with low surface roughness and low levels of water incorporation and OH bonds. However, the roughness values increased significantly after the etching process for the optical sensor structures definition. The implemented waveguides were singlemoded (TE0), with experimental attenuation values between 2 and 20 dB/cm, depending on the surface and sidewall roughness of the waveguide and of the films uniformity. The operation principle and the sensitivity of the optical chemical sensor were verified by glucose concentration measurements, by measuring the MZI output variation intensity as a function of the refractive index of the glucose standard solutions (dn/dc). As the light scattering depends of the roughness and the of refractive index difference between the exposed interface and the atmosphere, it\'s possible to measure the humidity or the amount of water in the interaction window. Afterwards, the detection of volatile organic compounds (VOC\'s) was done using a HMDS (Hexamethyldissilazane) layer to adsorb the VOC\'s. The VOC\'s vapor was applied on the optical chemical sensors and the results obtained for n-Hexane and 2-Propanol showed a good reproducibility and high sensitivity.

Neste trabalho apresentamos uma investigação sobre o ensino de física quântica na formação inicial de professores. Essa pesquisa foi desenvolvida junto a uma disciplina da sétima etapa do curso de Licenciatura em Física da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, durante o segundo semestre de 2007, através de uma atividade de ensino centrada na exploração de um software que simula o interferômetro de Mach-Zehnder. Inspirados nos trabalhos de Müller e Wiesner (2002) e Pessoa Jr. (2005), utilizamos o conceito de dualidade onda-partícula como o eixo central das discussões em sala de aula. O objetivo desse estudo consiste em analisar as tensões nos enunciados de estudantes, à luz do referencial sociocultural, e avaliar em que medida os enunciados dos estudantes se articulam à internalização de conceitos de física quântica no uso de instrumentos semióticos. Os resultados mostraram que as ações mediadas pelo uso do interferômetro virtual de Mach-Zehnder, como ferramenta cultural, auxiliaram os processos de compreensão, por parte dos alunos, viabilizando a negociação de significados em sala de aula que são aceitos e compartilhados pela comunidade científica. / In this paper, we present a research of quantum physics teaching in the context of a teachers preparation course. This investigation has been developed in a seventh level discipline of a Bachelor Degree Course in Physics Education, in the Federal University of Rio Grande do Sul, during the second semester of 2006, through a didatical activity based on the use of a computer program that simulate the Mach-Zehnder interferometer. Ispired by Müller and Wiesner (2002) and Pessoa Jr. (2005), we used the concept of wave-particle duality as the central espect of discussions in the classroom. The aim of the present study was to analyze the student’s utterences, in the light of sociocultural theories, and to investigate how the speech of the studants articulates it self to the internalization of quantum physics concepts, in the use of semiotics instruments. The results showed that the actions mediated by the use of virtual Mach-Zehnder interferometer, as a cultural tool, supported the comprehendig process in studants, feasing the negotiation of meanings that are accepted and shared in scientific community.

Neste trabalho apresentamos uma investigação sobre o ensino de física quântica na formação inicial de professores. Essa pesquisa foi desenvolvida junto a uma disciplina da sétima etapa do curso de Licenciatura em Física da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, durante o segundo semestre de 2007, através de uma atividade de ensino centrada na exploração de um software que simula o interferômetro de Mach-Zehnder. Inspirados nos trabalhos de Müller e Wiesner (2002) e Pessoa Jr. (2005), utilizamos o conceito de dualidade onda-partícula como o eixo central das discussões em sala de aula. O objetivo desse estudo consiste em analisar as tensões nos enunciados de estudantes, à luz do referencial sociocultural, e avaliar em que medida os enunciados dos estudantes se articulam à internalização de conceitos de física quântica no uso de instrumentos semióticos. Os resultados mostraram que as ações mediadas pelo uso do interferômetro virtual de Mach-Zehnder, como ferramenta cultural, auxiliaram os processos de compreensão, por parte dos alunos, viabilizando a negociação de significados em sala de aula que são aceitos e compartilhados pela comunidade científica. / In this paper, we present a research of quantum physics teaching in the context of a teachers preparation course. This investigation has been developed in a seventh level discipline of a Bachelor Degree Course in Physics Education, in the Federal University of Rio Grande do Sul, during the second semester of 2006, through a didatical activity based on the use of a computer program that simulate the Mach-Zehnder interferometer. Ispired by Müller and Wiesner (2002) and Pessoa Jr. (2005), we used the concept of wave-particle duality as the central espect of discussions in the classroom. The aim of the present study was to analyze the student’s utterences, in the light of sociocultural theories, and to investigate how the speech of the studants articulates it self to the internalization of quantum physics concepts, in the use of semiotics instruments. The results showed that the actions mediated by the use of virtual Mach-Zehnder interferometer, as a cultural tool, supported the comprehendig process in studants, feasing the negotiation of meanings that are accepted and shared in scientific community.

Este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de sensores químicos ópticos baseados no Interferômetro Mach-Zehnder (MZI) para aplicações em análises químicas e ambientais. Tais dispositivos foram implementados a partir da fabricação de guias de ondas sobre um substrato de silício monocristalino. Os guias de onda foram obtidos através da deposição de filmes finos de nitreto de silício (Si3N4) e óxido de silício (SiO2) obtidos por técnicas de deposição química a vapor (CVD) e pela oxidação térmica do substrato de silício. A definição destes guias de ondas para a implementação de sensores é feita por processos convencionais de litografia e corrosão. Os sensores químicos deste trabalho baseiam-se na interação do campo evanescente do modo que propaga-se no guia de onda exposto a algum composto químico na fase líquida ou gasosa. Tais sensores foram projetados, simulados e implementados para as seguintes aplicações: Medida da concentração de glicose em soluções; Medida de umidade por efeito de espalhamento; Detecção de vapores de compostos orgânicos voláteis (VOC\'s). As etapas de processo para a fabricação dos sensores químicos ópticos foram definidas a partir das simulações em óptica integrada e, após os processos de fabricação, os filmes obtidos foram caracterizados. Os filmes de Si3N4 SiO2 utilizados na fabricação do sensor óptico possuem uniformidade em espessura e homogeneidade quanto aos valores de índice de refração, baixa rugosidade superficial e baixos níveis de incorporação de água e ligações OH. No entanto, os valores de rugosidade e desuniformidade aumentaram significativamente após as etapas de corrosão úmida para a definição das estruturas dos sensores ópticos. Os guias de ondas implementados apresentaram um guiamento monomodo (TE0) e os valores de atenuação experimentais ficaram entre 2 e 20 dB/cm e dependem dos valores de rugosidade superficial e lateral dos guias de ondas e da desuniformidade dos filmes empregados. Com as medidas de concentração de glicose, verificou-se o funcionamento e a sensibilidade dos sensores químicos ópticos implementados, levantando-se curvas de variação da intensidade de saída do MZI em função do índice de refração de soluções de glicose padronizadas (dn/dc). Realizou-se medidas de umidade através da implementação de um sensor óptico simplificado que tem como princípio o efeito de espalhamento óptico. Como o espalhamento óptico depende da rugosidade e do contraste de índices de refração na interface exposta ao ambiente, foi possível detectar a quantidade de água presente no dispositivo. Posteriormente, analisou-se a aplicação de HMDS (Hexametildissilazana) como filme de adsorção de compostos orgânicos voláteis (VOC\'s). Os VOC\'s foram aplicados sobre os sensores químicos ópticos em forma de vapor e os resultados obtidos para n-Hexano e 2-Propanol mostraram uma boa reprodutibilidade e alta sensibilidade. / The aim of this work is the development of optical chemical sensors based on Mach-Zehnder Interferometer (MZI) for chemical and environmental analysis applications. Such devices were implemented with waveguides fabricated on a silicon substrate. The waveguides were obtained using silicon nitride (Si3N4) and silicon oxide (SiO2) films obtained by CVD (Chemical Vapor Deposition) and thermal oxidation of the silicon substrate. The waveguides and the optical sensors were fabricated using conventional lithograph and etching processes. The developed chemical sensors are based on the evanescent field interaction in a waveguide exposed to a liquid or gaseous phase of a chemical compound. Such optical sensor were designed, simulated and implemented for the following applications: Glucose concentration; Humidity measurement by scattering effect; Volatile organic compounds (VOC\'s) vapors detection. The process steps for the optical chemical sensor fabrication were defined during the integrated optical simulations and the films were characterized after the fabrication process steps. The Si3N4 and SiO2 films used in the optical sensor fabrication are uniform and homogenous (thickness and refractive index), with low surface roughness and low levels of water incorporation and OH bonds. However, the roughness values increased significantly after the etching process for the optical sensor structures definition. The implemented waveguides were singlemoded (TE0), with experimental attenuation values between 2 and 20 dB/cm, depending on the surface and sidewall roughness of the waveguide and of the films uniformity. The operation principle and the sensitivity of the optical chemical sensor were verified by glucose concentration measurements, by measuring the MZI output variation intensity as a function of the refractive index of the glucose standard solutions (dn/dc). As the light scattering depends of the roughness and the of refractive index difference between the exposed interface and the atmosphere, it\'s possible to measure the humidity or the amount of water in the interaction window. Afterwards, the detection of volatile organic compounds (VOC\'s) was done using a HMDS (Hexamethyldissilazane) layer to adsorb the VOC\'s. The VOC\'s vapor was applied on the optical chemical sensors and the results obtained for n-Hexane and 2-Propanol showed a good reproducibility and high sensitivity.

Neste trabalho foram produzidos Interferômetros Mach-Zehnder (IMZ) a partir de guias de onda do tipo pedestal com filmes finos de Bi&#8322;O&#8323;-WO&#8323;-TeO&#8322; (BWT) como camada de núcleo para aplicações em sensores ópticos integrados. A influência dos parâmetros e dos materiais utilizados nas etapas de processo foi verificada. Os valores de índice de refração efetivo e coeficiente de absorção em função do comprimento de onda foram obtidos para os filmes finos BWT. Os guias de onda pedestais foram caracterizados por Microscopia Eletrônica de Varredura, medidas de perda por propagação e perfis de campo próximo em 633 nm e 1050 nm. Os valores mínimos obtidos nas perdas por propagação foram de ~1,5 dB/cm em 633 nm e 3,0 dB/cm em 1050 nm. As medidas de perfis de campo próximo mostraram que guias de onda com larguras superiores a 7 m apresentaram comportamento multimodo. Foram obtidos IMZs que apresentaram guiamento de luz por toda a estrutura, com comportamento multimodo. Sensores ópticos de pressão e temperatura foram produzidos. A fabricação de diafragmas através do processo de corrosão úmida do silício é apresentada no sensor de pressão. Sensores ópticos de temperatura foram produzidos com filamentos metálicos. As cavidades ópticas não foram obtidas nesse sensor. A potência de luz na saída dos sensores de temperatura foi medida em função da diferença de potencial aplicada no filamento metálico. Os resultados apresentados mostram que guias de onda do tipo pedestal produzidos com núcleo de BWT são promissores para aplicações em sensores ópticos integrados. / In this work Mach-Zehnder Interferometers (MZI) were produced from the pedestal-type waveguides with Bi&#8322;O&#8323;-WO&#8323;-TeO&#8322; (BWT) thin films as the core layer for applications in integrated optical sensors. The influence of the parameters and materials used in the process steps was verified. The values of the effective refractive index and absorption coefficient as a function of wavelength were obtained for the BWT thin films. The pedestal waveguides were characterized by Scanning Electron Microscopy, by propagation loss measurements and near-field profiles at 633 nm and 1050 nm. The minimum values obtained by propagation losses were ~ 1.5 dB/cm at 633 nm and 3.0 dB/cm at 1050 nm. The measures of near-field profiles showed that waveguides with widths larger than 7 m presented multimode behavior. The MZIs obtained presented guiding light through the structure, with multimode behavior. Optical pressure sensors and temperature sensors were produced. The production of diaphragms using the wet etching process of silicon is presented on the pressure sensor. Optical temperature sensors were made with metallic filaments. Optical cavities were not obtained in this sensor. The light power in the output of the temperature sensors was measured as the voltage applied to the metal filament. The results show that the waveguides produced with pedestal-type and BWT thin films as core layer are promising for applications in integrated optical sensors.

Neste trabalho apresentamos uma investigação sobre o ensino de física quântica na formação inicial de professores. Essa pesquisa foi desenvolvida junto a uma disciplina da sétima etapa do curso de Licenciatura em Física da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, durante o segundo semestre de 2007, através de uma atividade de ensino centrada na exploração de um software que simula o interferômetro de Mach-Zehnder. Inspirados nos trabalhos de Müller e Wiesner (2002) e Pessoa Jr. (2005), utilizamos o conceito de dualidade onda-partícula como o eixo central das discussões em sala de aula. O objetivo desse estudo consiste em analisar as tensões nos enunciados de estudantes, à luz do referencial sociocultural, e avaliar em que medida os enunciados dos estudantes se articulam à internalização de conceitos de física quântica no uso de instrumentos semióticos. Os resultados mostraram que as ações mediadas pelo uso do interferômetro virtual de Mach-Zehnder, como ferramenta cultural, auxiliaram os processos de compreensão, por parte dos alunos, viabilizando a negociação de significados em sala de aula que são aceitos e compartilhados pela comunidade científica. / In this paper, we present a research of quantum physics teaching in the context of a teachers preparation course. This investigation has been developed in a seventh level discipline of a Bachelor Degree Course in Physics Education, in the Federal University of Rio Grande do Sul, during the second semester of 2006, through a didatical activity based on the use of a computer program that simulate the Mach-Zehnder interferometer. Ispired by Müller and Wiesner (2002) and Pessoa Jr. (2005), we used the concept of wave-particle duality as the central espect of discussions in the classroom. The aim of the present study was to analyze the student’s utterences, in the light of sociocultural theories, and to investigate how the speech of the studants articulates it self to the internalization of quantum physics concepts, in the use of semiotics instruments. The results showed that the actions mediated by the use of virtual Mach-Zehnder interferometer, as a cultural tool, supported the comprehendig process in studants, feasing the negotiation of meanings that are accepted and shared in scientific community.

Tato diplomová práce se zabývá konstrukcí interferenčních zařízení pro výzkum měření fáze světla na mikro-strukturách a fáze plazmonů na nano-strukturách. V první kapitole je vybudován teoretický základ pro optiku a nano-fotoniku používané v budoucích kapitolách. Následně je popsána interference vln a jejich praktické použití pro prolomení difrakčního limitu pomocí holografie plazmonů. Prvním experimentální sestavou je Machův-Zehnderův holografický mikroskop. Je popsán způsob, jak ho sestavit z běžně dostupných součástek a jak je navržen ovládací software k jeho používání. Následně jsou popsány výsledky naměřené pomocí tohoto zařízení. V poslední kapitole se zaměříme na sestavení holografického SNOM přístroje pro studování plazmonů a jejich interference. Nejdříve popíšeme základní princip a navržení softwaru pro automatizaci měření, pro zrychlení vědeckých postupů. Nakonec předložíme výsledky měření mikroskopu.