Photonic links have been proposed to transport radio frequency (RF) signals over optical fiber. External optical modulation is commonly used in high performance RF-photonic links. The practical use of optical fiber to transport RF signals is still limited due to high RF signal loss. In order to reduce the RF signal loss, highly efficient modulators are needed. For many applications, modulators with broad bandwidths are required. However, there are applications that require only a narrow bandwidth. For these narrow-band applications, the modulation efficiency can be improved through the resonant enhancement technique at the expense of reduced bandwidth. The aim of this thesis is to investigate highly efficient Mach-Zehnder optical modulators (MZMs) on Lithium Niobate (LiNbO3) with resonant enhancement techniques for narrow-band RF-photonic applications. This work focuses in particular on analyzing the factors that affect the modulation efficiency through resonant enhancement so that the modulator electrode structure can be optimized for maximum modulation efficiency. A parameter study of the effects of the electrode characteristics on the modulation efficiency of resonantly enhanced modulators (RE-MZM) is provided. From this study, optimum design objectives are identified. Numerical optimization is employed to explore the design trade-offs so that optimal configurations can be found. A sensitivity analysis is carried out to assess the performance of optimal RE-MZMs with respect to the variations of fabrication conditions. The results of these investigations indicate that the RE-MZM with a large electrode gap is the optimal design since it provides high modulation efficiency although the inherent switching voltage is high, and is the most tolerant to the fabrication fluctuations. A highly efficient RE-MZM on X-cut LiNbO3 is practically demonstrated with the resonant enhancement factor of 5 dB when comparing to the unenhanced modulator with the same electrode structure and effective switching voltage of 2 V at 1.8 GHz. The performance of the RF-photonic link using the fabr icated RE-MZM is evaluated. Optimization of RE-MZMs for operating at millimeter-wave frequencies is also reported. Factors that limit the modulation efficiency of an RE-MZM at millimeter-wave frequencies are identified. Novel resonant structures that can overcome these limitations are proposed. Preliminary designs indicate that greatly improved modulation efficiency could be expected.

L'objectif de la thèse était d'utiliser les développements de la manipulation d'atomes par lasers pour réaliser un appareil capable de mesurer les vitesses de rotation avec une sensibilité équivalente à celle des meilleurs gyromètres optiques. Les gyromètres atomiques, comme les gyromètres optiques sont fondés sur l'effet Sagnac. Cet effet est l'apparition d'un déphasage à la sortie d'un interféromètre d'aire non nulle, lorsque le dispositif est en rotation. On montre que l'effet Sagnac appliqué aux ondes de matière associées à des atomes de césium par exemple, est 1011 fois plus sensible que lorsqu'il est appliqué aux ondes lumineuses. La principale difficulté du dispositif est de séparer et de recombiner de façon cohérente les ondes atomiques. Dans notre dispositif, ceci est réalisé dans la zone d'interaction, grâce à des transitions à deux photons appelées transitions Raman stimulées. C'est l'impulsion des deux photons qui, une fois transférée à l'atome au cours de la transition, va provoquer la séparation angulaire des deux paquets d'ondes atomiques. La réalisation du dispositif s'appuie sur un grand nombre de nouvelles solutions techniques qui ont été validées au cours de la thèse. L'un des soucis principal a été de réaliser un appareil compact et suffisamment insensible aux paramètres extérieurs (champ magnétique, température, ?) pour qu'il puisse être transportable. Notre source atomique est une source à atomes refroidis par lasers, permettant ainsi d'avoir une zone d'interaction réduite tout en conservant un très bon niveau de performance. L'appareil est également sensible aux accélérations ; une technique de double jets atomiques contra-propageant a donc été mise en ?uvre pour discriminer les déphasages liés à la rotation et à l'accélération.

Depuis maintenant 15 ans, le domaine de la détection d'exoplanètes s'est largement développé. L'utilisation de méthodes de détection, indirectes d'abord, a permis de découvrir pas moins de 420 nouveaux "mondes", parfois surprenants. Forts de cela, les scientifiques cherchent maintenant à caractériser ces exoplanètes. Ainsi des projets spatiaux, se basant sur la méthode de l'interférométrie annulante, ont pour but de réaliser des spectres de planètes géantes et telluriques. Compte tenu de la complexité de ces missions, la nécessité de tester, d'abord en laboratoire, certains aspects technologiques comme le principe de l'interférométrie annulante, est rapidement apparue. En 2006, le CNES a décidé de mener une étude R&D de la charge utile d'un interféromètre annulant a deux télescopes (typiquement l'instrument PEGASE). Ainsi, le banc de test PERSEE (Pegase Experiment for Research and Stabilization of Extreme Extinction) est né. Ce banc est le premier banc de test couplant un interféromètre annulant avec un système permettant d'introduire des perturbations calibrées typiques du vol en formation et de les corriger grâce a des boucles actives. Cette thèse s'inscrit dans le cadre de la conception, de l'étude et du développement d'un des sous-systèmes du banc : le module de recombinaison interférométrique. Ce module est dérivé du concept de l'interféromètre de "Mach-Zehnder Modifié" proposé par Serabyn et al. (2001). Il a la particularité de combiner à la fois les faisceaux scientifiques permettant de faire de l'interférométrie annulante et les faisceaux du système de métrologie, ceci afin de minimiser les chemins différentiels entre les deux voies.

Multimode devices play an increasingly important role in both communication and sensing systems. Mode division multiplexing (MDM) in multimode fiber (MMF) is becoming a promising method to further increase the capacity of optical transmission link with a controllable mode coupler. Similarly, optic sensors based on core-cladding-mode interference can be widely used in measurement of refractive index (RI), temperature and strain. Fiber Bragg gratings (FBGs) in single mode operation have been extensively studied as in-line optical components for both communication and sensing applications. In recent years, research has been extended to FBGs in few-mode operation as mode couplers in MDM applications. Experimentally, mode conversion from fundamental linear polarization (LP) mode LP01 to higher order LP11 mode in two-mode FBG (TMFBG) has been observed. Index asymmetry and electric field distortion induced by ultraviolet (UV) side illumination in fabrication of FBG make the two modes no longer orthogonal. However, its spectrum analysis mainly depends on experimental data and software simulation using the complex finite element method (FEM). Here a simpler theoretical model based on coupled mode theory (CMT) and Runge-Kutta method (RKM) is proposed. An analytical expression of the mode coupling coefficient is derived and the modeling results match very well with experimental data. Abrupt fiber tapers allow power transfer between core and cladding modes and show promise as RI sensing components when two abrupt tapers are cascaded into an in-line Mach-Zehnder interferometer (MZI). The main advantage of the MZI taper sensor is its low manufacturing cost. However, the optical spectrum analyzer (OSA) used as the receiver and demodulation device in the conventional setup is still expensive. Three simplified schemes of fiber taper MZI RI sensor systems are designed and demonstrated experimentally. The transmitter and the demodulation devices for the three schemes are a single wavelength laser and a photodetector (PD), two modulated lasers and a PD together with data acquisition and processing module, and a broadband source (BBS) and a PD together with matched MZI, respectively. In all those implementations OSA is not required, which significantly lowers the cost and leads to easy integration. Although extra modulation/demodulation devices are required, the second implementation has the best performance. Automatic operation is realized by LabVIEW programming. High sensitivity (2371 mV/RI unit (RIU)) and high stability are achieved experimentally. Those new schemes have great potential to be applied to other interferometric optic sensor systems. / Thesis (Master, Electrical & Computer Engineering) -- Queen's University, 2014-05-09 11:44:44.837

The main objective of this research is to fabricate and characterize an optically integrated interferometric sensor on standard silicon and silicon CMOS circuitry. An optical sensor system of this nature would provide the high sensitivity and immunity to electromagnetic interference found in interferometric based sensors in a lightweight, compact package capable of being deployed in a multitude of situations inappropriate for standard sensor configurations. There are several challenges involved in implementing this system. These include the development of a suitable optical emitter for the sensor system, the interface between the various optically embedded components, and the compatibility of the Si CMOS with heterogeneous integration techniques. The research reported outlines a process for integrating an integrated sensor on Si CMOS circuitry using CMOS compatible materials, integration techniques, and emitter components.

The study presented in this dissertation concerns the evaporation, in normal ambient conditions, of sessile droplets (pinned and freely receding) of various HFE liquids (instead of the widely used water), which are considered so far as environmentally friendly and are often used as heat-transfer fluids in thermal management applications. They are pure perfectly-wetting and volatile liquids with low thermal conductivity and high vapor density. These properties affect in their own way many aspects concerning droplet evaporation such as the evaporation-induced contact angles, evaporation rate of a droplet, contact line pinning and Marangoni flow, all of which are treated in the present dissertation.<p>In general, the thesis starts with a general introduction including but not limited to sessile droplets (Chapter 1). In Chapter 2 we provide a general overview of capillarity-related concepts. Then, in Chapter 3 we present the interferometric setup, along with the liquids and the substrate that is used in the experiments, and also explain the reasons why this particular method is chosen. In Chapter 4 we address, among others, the issue of evaporation-induced contact angles under complete wetting conditions. The behavior of the global evaporation rate is also examined here, whereas in Chapter 5 we discuss the influence of thermocapillary stresses on the shape of strongly evaporating droplets. Finally, before concluding in Chapter 7, we address in Chapter 6 the still open question of the influence of non-equilibrium effects, such as evaporation, on the contact-line pinning at a sharp edge, a phenomenon usually described in the framework of equilibrium thermodynamics. The experimental results obtained are also compared with the predictions of existing theoretical models giving rise to interesting conclusions and promising perspectives for future research.<p> / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

This work deals with the transmission of optical radiation modulated by a radio frequency signal through an optical fiber. Furthermore, it describes the principles of communication and area coverage. It points out the practical use of components located in the communication chain of this system. Explains the functionality of the properties and the division of individual components. It introduces the benefits and limitations of this system. It further describes the creation of a topology suitable for laboratory measurement of RoF technology. Provides experimental measurement of C-band parameters. Indicates the possible use of RoF technology using a wireless optical link. A part of the work is also a sample laboratory protocol.

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Cette étude porte sur la conception, la réalisation et la caractérisation de modulateurs de cohérence intégrés sur substrats semiconducteurs III-V. Nous expliquons tout d'abord le principe de la modulation de cohérence, technique particulière de codage optique appliquée à la transmission et au multiplexage de signaux, qui repose sur l'introduction dans un interféromètre à deux ondes d'un retard optique supérieur à la longueur de cohérence de la source optique. Nous avons réalisé un premier modulateur de cohérence, interféromètre à polarisation à base de guide d'onde optique ruban fortement biréfrigent. Les semiconducteurs III-V n'étant pas biréfringents nous avons développé une structure originale permettant le guidage des seuls modes fondamentaux TE0 et TM0 avec une forte biréfringence de forme résultant de l'empilement de nombreuses couches de GaAlAs de faible épaisseur. Les deux modes présentent en sortie du guide une différence de chemin optique de 230 mm, modulable par effet électro-optique et supérieure à la longueur de cohérence d'une diode superluminescente à 1.3 mm. Nous avons ensuite réalisé un second modulateur sous la forme d'un interféromètre de Mach-Zehnder fortement déséquilibré. Cet interféromètre à deux ondes entièrement intégré en GaAlAs/GaAs introduit un retard optique de 100 mm, par différence de longueur de ses bras. Afin de minimiser les pertes dans cette structure de géométrie complexe nous avons gravé des tranchées situées à l'extérieur des zones courbées. Cette solution a été choisie aprés simulation du dispositif par la méthode des faisceaux propagés (BPM). Les performances du composant sont comparables à celles du précédent. Nous avons donc réalisé les premiers modulateurs de cohérence intégrés en semiconducteurs III-V qui ouvrent la voie à de nouvelles applications en filtrage, contrôle de polarisation... dans les réseaux de télécommunications optiques.