Aqui apresentamos um modelo teórico para superfícies super-hidrofóbicas que são formadas por superfícies contendo padrões periódicos na forma de microcavidades. Com este modelo obtivemos a relação ideal entre profundidade e diâmetro das cavidades para que a superfície manifeste seu caráter super-hidrofóbico. Assim, fabricamos superfícies em PDMS (popular silicone) capazes de produzir ângulos de contato elevados. Produzimos amostras contendo microcavidades específicas (paralelepípedas, hexagonais e cilíndricas) as quais foram microfabricadas por litografia de feixes de elétrons e caracterizadas por Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV), Microscopia de Força Atômica (AFM), e medidas de ângulo de contato. Os padrões das microcavidades das superfícies produzidas seguiram as considerações da teoria e as medidas dos ângulos de contato de avanço e recesso mostram boa concordância com as previsões do modelo. Portanto, podemos afirmar que a teoria aqui descrita permite projetar superfícies altamente hidrofóbicas. / Here we present a theoretical model for super-hydrophobic surfaces formed by surfaces containing periodic patterns in the form of microcavities. With this model we obtained the ideal relationship between depth and diameter of the cavities so that the surface expresses a super-hydrophobic character. Thus manufacture of PDMS surfaces (with known silicone) is capable of producing high contact angles. We produced samples containing specific microcavities (parallelepipeds, hexagonal and cylindrical) which have been microfabricated by electron beam lithography and characterized by scanning electron microscopy (SEM), atomic force microscopy (AFM) and contact angle measurements. The patterns of the surfaces of the cavities produced following the considerations of theory and measurements of advancing and recending contact angles show good agreement with the model predictions. Therefore, we can attest that the theory described here allows the design of highly hydrophobic surfaces.

Aqui apresentamos um modelo teórico para superfícies super-hidrofóbicas que são formadas por superfícies contendo padrões periódicos na forma de microcavidades. Com este modelo obtivemos a relação ideal entre profundidade e diâmetro das cavidades para que a superfície manifeste seu caráter super-hidrofóbico. Assim, fabricamos superfícies em PDMS (popular silicone) capazes de produzir ângulos de contato elevados. Produzimos amostras contendo microcavidades específicas (paralelepípedas, hexagonais e cilíndricas) as quais foram microfabricadas por litografia de feixes de elétrons e caracterizadas por Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV), Microscopia de Força Atômica (AFM), e medidas de ângulo de contato. Os padrões das microcavidades das superfícies produzidas seguiram as considerações da teoria e as medidas dos ângulos de contato de avanço e recesso mostram boa concordância com as previsões do modelo. Portanto, podemos afirmar que a teoria aqui descrita permite projetar superfícies altamente hidrofóbicas. / Here we present a theoretical model for super-hydrophobic surfaces formed by surfaces containing periodic patterns in the form of microcavities. With this model we obtained the ideal relationship between depth and diameter of the cavities so that the surface expresses a super-hydrophobic character. Thus manufacture of PDMS surfaces (with known silicone) is capable of producing high contact angles. We produced samples containing specific microcavities (parallelepipeds, hexagonal and cylindrical) which have been microfabricated by electron beam lithography and characterized by scanning electron microscopy (SEM), atomic force microscopy (AFM) and contact angle measurements. The patterns of the surfaces of the cavities produced following the considerations of theory and measurements of advancing and recending contact angles show good agreement with the model predictions. Therefore, we can attest that the theory described here allows the design of highly hydrophobic surfaces.

Orientador: Newton Cesário Frateschi / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-24T10:26:52Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Barea_LuisAlbertoMijam_D.pdf: 8459370 bytes, checksum: 5dd565986711cb06cb24cf63d6d69372 (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: Sistemas fotônicos baseados em ressonadores na forma de anéis tem uma dependência fundamental dada pela relação estreita entre espaçamento espectral livre (Free Spectral Range, FSR), fator de qualidade total, Q, e o raio dos ressonadores, R. Nesta tese, nós quebramos esta dependência empregando moléculas fotônicas (Photonic Molecules, PMs) baseadas em múltiplos anéis internamente acoplados a um anel externo, que por sua vez está acoplado a um guia de onda. Aplicando o método de matriz de transferência (Transfer-Matrix Method, TMM) e programas robustos de simulação, nós projetamos três tipos de PMs baseada em uma plataforma de Silício-sobre-isolante (Silicon-on-Insulator, SOI). Este projeto mostrou que o acoplamento entre duas ou mais micro-cavidades ópticas, permite separações espectrais e hibridização dos modos quando as frequências ressonantes estão degeneradas nas cavidades, similar ao acoplamento fraco entre átomos. Estas PMs foram fabricadas com um processo convencional e compatível com a tecnologia CMOS, empregando uma Foundry, e suas caracterizações mostraram a emergência de dupletos, tripletos, quadrupletos e sextupletos de ressonâncias degeneradas, com alto Q e espaçamentos curtos, somente possíveis com anéis de algumas ordens de magnitude maiores em área. Estes resultados quebraram o paradigma da interdependência entre Q, FSR e R, evidenciando que é possível ter tempo de vida fotônico, espaçamento espectral e área independentes. As aplicações destas PMs em processamento de sinal óptico também foram demonstrados neste trabalho. Nós apresentamos o uso da molécula com dupleto de ressonâncias para extrair um sinal RF de 34.2 GHz, filtrando as bandas laterais de um sinal modulado. Também foi demonstrado que moduladores ópticos ultracompactos operando à 2.75 vezes acima do limite da largura de linha do ressonador pode ser obtido a partir da PM que apresenta um tripleto de ressonâncias, separadas de ~55 GHz. Finalmente, utilizando a molécula que permite obter um quadrupleto de ressonâncias, foi demonstrado a conversão de comprimento de onda totalmente óptico (multicasting) para quatro canais convertidos e separados de 40-60 GHz, utilizando apenas 1 mW de potência de controle / Abstract: Photonic systems based on microring resonators have a fundamental constraint given by the strict relationship among free spectral range (FSR), total quality factor (Q) and resonator size (R). In this thesis, we break this dependence employing CMOS compatible photonic molecules (PMs) based on multiple inner ring resonators coupled to an outer ring, which is coupled to a straight bus waveguide. Applying the transfer matrix method (TMM) and simulation robust programs, we project three types of PM based on scalable silicon-on-insulator (SOI) platform. This project shows that the coupling between two or more optical micro-cavities, allows spectral splitting and hybridization of the modes when the resonant frequencies are degenerated in the cavities, similar to weak coupling between atoms. These PMs were fabricated in a conventional CMOS Foundry and your characterization shows the emergence of doublet, triplet, quadruplet and sextuplet of degenerated resonances, with high-Q and close-spaced, only achievable with single-ring orders of magnitude larger in footprint. These results break the paradigm of the interdependence between Q, FSR and R, evidencing that is possible to have photonic lifetime, spectral spacing and footprint independents. The applications of these PMs in optical processing signal were also demonstrate in this work. We demonstrate the use of the doublet splitting for 34.2 GHz RF signal extraction by filtering the sidebands of a modulated optical signal. We also demonstrate that very compact optical modulators operating 2.75 times beyond its resonator linewidth limit may be obtained using the PM triplet splitting, with separation of ~ 55 GHz. Finally, using the quadruplet of resonances, we demonstrate four-channel all-optical wavelength multicasting using only 1 mW of control power, with converted channel spacing of 40-60 GHz / Doutorado / Física / Doutor em Ciências

[pt] Este trabalho descreve teoria, simulação e caracterização óptica de microcavidades semicondutoras utilizadas para a mudança de cor de pulsos de luz e geração de pulsos ultra-curtos. Amostras foram fabricadas por MBE com GaAs e AlAs em estruturas compostas de dois espelhos de Bragg e um espaçador de GaAs, formando cavidades de Fabry-Pérot. Espectros de refletância e transmitância foram simulados com o Método da Matriz de Transferência, considerando modelos realísticos para as propriedades ópticas dos materiais. A caracterização óptica foi realizada por FTIR e experimentos de Ring-Down utilizando uma streak camera. Fatores de qualidade maiores que 10(5) foram observados, correspondendo a tempos de armazenamento da luz maiores que 100 ps. Experimentos de troca de cor da luz em uma configuração de pump and probe foram realizados. A geração de pulsos ultra-curtos com cavidades em micropilar foi estudada. Para caracterizá-las, foram empregados o chaveamento óptico de cavidades e a microfotoluminescência resolvida no tempo. O processo completo, ultrarápido, de chaveamento dos modos ressonantes de uma cavidade semicondutora foi claramente observado de maneira inédita. / [en] This work describes the theory, simulation and optical characterization of semiconductor microcavities used to change the color of light and generate ultrashort pulses. Samples were fabricated by MBE with GaAs and AlAs in structures composed of two Bragg mirrors and a GaAs spacer, creating Fabry-Pérot cavities. Reflectance and transmittance spectra were simulated with the transfer-matrix method considering realistic models of the materials optical properties. Optical characterization was performed using FTIR spectroscopy and Ring-Down experiments with a streak camera. Quality factors in excess of 10(5) were observed, corresponding to storage times larger than 100 ps. Color-change experiments using a pump and probe optical setup were performed. The generation of ultra-short pulses with micropillar cavities was investigated. Time-resolved microphotoluminescence and optical cavity switching were employed to characterize the cavities. The complete ultrafast process of switching resonant modes of a semiconductor cavity using all-optical free carrier injection has been clearly observed for the first time.

Orientador: Odilon Divino Damasceno Couto Júnior / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-28T03:39:00Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Covacevice_AllanCassioTrevelin_M.pdf: 15137963 bytes, checksum: 6269264b01d872c4b40e0034a1575cf5 (MD5) Previous issue date: 2015 / Resumo: Neste trabalho, implementamos cálculos feitos através do método de elementos finitos no estudo de propriedades mecânicas e ópticas de microcavidades ópticas planares (POMCs) quando estas estão sob os efeitos de modulação induzidos por ondas acústicas de superfície (SAWs). Começamos resolvendo separadamente os problemas de modulação mecânica e caracterização de modos ópticos. Após isso, fundimos esses dois modelos em um terceiro, permitindo a caracterização da modulação acusto-óptica do sistema, o que nos permite também calcular as alterações induzidas nas propriedades ópticas das POMCs devido às SAWs. Concentramos nossa atenção em POMCs que possuem refletores de Bragg (DBRs) compostos por camadas de materiais fortemente piezoelétricos, como o ZnO e o LiNbO3. Mostramos que, usando em torno de 10 DBRs acima e abaixo da cavidade óptica, POMCs baseadas em ZnO/SiO2 e LiNbO3/SiO2 poderiam, em princípio, apresentar fatores de qualidade excedentes a 104. O alto confinamento de luz na cavidade permite-nos observar efeitos relacionados ao forte acoplamento fóton-fônon induzido pelas SAWs. Em particular, mostramos como a presença de SAWs confere a formação de super-redes ópticas dinâmicas induzidas acusticamente, as quais são caracterizadas pela dobradura ("folding") da dispersão dos fótons na cavidade, e pelo surgimento de "mini" zonas de Brillouin. Nossos resultados estão de acordo com resultados experimentais presentes na literatura. Eles abrem a possibilidade de caracterização de modulações acusticamente induzidas em sistemas de camadas arbitrários e criam uma plataforma muito boa para interpretação de resultados experimentais / Abstract: In this work, we implement finite element method calculations to study the mechanical and optical properties of planar optical microcavities (POMCs) under the strain modulation induced by surface acoustic waves (SAWs). We start by solving separately the problems of mechanical modulation and optical mode characterization. Afterwards, we merge the two models in a single one which enables the characterization of the acousto-optic modulation in the system and allows us to calculate the SAW induced modification in the optical properties of POMCs. We concentrate our attention in POMCs which have distributed Bragg reflectors (DBRs) composed of layers of highly piezoelectric materials like ZnO and LiNbO3. We show that, using around 10 DBRs on top and below the optical cavity layer, POMCs based on ZnO/SiO2 and LiNbO3/SiO2 could, in principle, have Q-factors exceeding 104. The strong light confinement in the cavity allows us to the observe effects related to the strong photon-phonon coupling induced by the SAW. In particular, we show how the presence of SAWs leads to the formation of acoustically induced dynamic optical superlattices, which are characterized by the folding of photon dispersion in the cavity and the appearance of "mini" Brillouin zones. Our results are in very good agreement with experimental results reported in literature. They open the possibility of characterization of acoustically induced modulation in arbitrary layered systems and create a very good platform for interpretation of experimental results / Mestrado / Física / Mestre em Física / 2013/118635-2 / 2012/11382-9 / CAPES / FAPESP

Estruturas fotônicas à base de silício têm despertado grande interesse por permitirem uma perfeita integração entre processos ópticos e eletrônicos em um único chip. Além de compatíveis com a atual indústria microeletrônica, acredita-se, que tais estruturas possam aumentar consideravelmente a velocidade de processamento de informações. Uma microcavidade óptica é um exemplo de estrutura fotônica simples. Feita à base de silício, e dopada com íons terra-rara, tal microcavidade pode intensificar a emissão gerada pelo íon e resultar em um dispositivo de importância tecnológica. O projeto-construção deste tipo de microcavidade deve considerar a sua região de funcionamento e os materiais a serem utilizados. Deve contemplar, ainda, algumas condições externas que, eventualmente, possam alterar o seu funcionamento. Uma dessas condições é descrita pelo chamado coeficiente termo-óptico que indica a dependência do índice de refração com a temperatura. Dentro desse contexto a presente Tese de Doutorado foi dedicada ao estudo de microcavidades ópticas com janelas de transmissão em 650 nm e em 1550 nm – correspondendo às regiões de menores perdas de fibras ópticas de plástico e de sílica. As microcavidades compreenderam espelhos de Bragg [camadas alternadas de silício amorfo (a-Si) e nitreto de silício amorfo (a-SiN)], um filme de a-SiN como espaçador, e foram depositadas sobre substratos de sílica pela técnica de sputtering. As cavidades MC-Er e MC-ErYb tiveram como espaçadores filmes de a-SiN dopados com Er e Er + Yb, respectivamente. Medidas de fotoluminescência da MC-ErYb na região do infravermelho próximo indicaram um aumento de 48 vezes na emissão dos íons Er3+ (em ~1535 nm) comparado a um filme de a-SiN dopado com érbio devido: (1) a presença do itérbio e, (2) às múltiplas reflexões sofridas pela luz nos espelhos de Bragg. As microcavidades cujos espaçadores eram a-SiN puro foram submetidas a medidas de transmissão óptica em função da temperatura de medida. O deslocamento da janela de transmissão devido às variações de temperatura permitiu determinar o valor do TOC do a-SiN como: (6.2±0.1)×10-5 ºC-1 (em ~ 620 nm) e, (4.7±0.1)×10-5 ºC -1 (em ~ 1510 nm). Até onde sabemos, o TOC do a-SiN no VIS foi determinado pela primeira vez neste trabalho. / Silicon photonic based structures have attracted great interest for allowing a perfect integration between optical and electronic process in a single chip. Besides being compatible with the actual microelectronic industry, it is believed that such structures can considerably increase the information processing speed. An optical microcavity is an example of a simple photonic structure. Made based on silicon, and doped with rare-earth ions, such microcavity may enhance the emission generated by the ion and become a device of technological importance. The project-construction of this kind of microcavity has to consider the operation region and the materials used. It still has to take into account external conditions that may, eventually, change its operation. One of these conditions is described by the thermo-optic coefficient (TOC) that shows the dependence of the refractive index with the temperature. Within this context the present PhD thesis was dedicated to the study of optical microcavities with transmission windows at 650 nm and at 1550 nm – corresponding to the low losses regions of the plastic and silica optical fibers. The microcavities comprised Bragg mirrors [alternated layers of amorphous silicon (a-Si) and amorphous silicon nitride (a-SiN)], one film of a-SiN as spacer, and were deposited on silica substrates by the sputtering technique. The MC-Er and MC-ErYb cavities had Er and Er+Yb-doped a-SiN films as spacers, respectively. Photoluminescence measurements of the MC-ErYb in the near infrared showed an enhancement of 48 times in the emission of the Er3+ ions (at ~ 1535 nm) compared with an Er-doped a-SiN film owing to: (1) the presence of ytterbium and, (2) the multiple reflections experienced by the light at the Bragg mirrors. The microcavities whose spacers were pure a-SiN were submitted to optical transmission measurements as a function of the measurement temperature. The shift of the transmission window due to variations in the temperature allowed determining the a-SiN TOC: (6.2±0.1)×10-5 ºC-1 (at ~ 620 nm) and, (4.7±0.1)×10-5 ºC -1 (at ~ 1510 nm). To the best of our knowledge, the a-SiN TOC in the visible was determined for the first time in this work.

Orientador: Newton Cesário Frateschi / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-17T01:57:53Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Barea_LuisAlbertoMijam_M.pdf: 3934128 bytes, checksum: 9cd5c7861ac2af0dc42057f7f99ef89b (MD5) Previous issue date: 2010 / Resumo: As micro-cavidades ópticas são componentes essenciais em sistemas ópticos integrados, pois elas permitem capturar seletivamente, liberar e armazenar fótons, além de promoverem suas interações. Como exemplo, os micro-discos e micro-anéis são elementos que proporcionam tempos de vidas fotônicos extremamente longos, que podem ser utilizados tanto para filtros espectrais quanto para interações de fótons com alta eficiência não linear. Seu pequeno volume e seu alto tempo de vida fotônico são importantes para promoção eficiente de efeitos ópticos não lineares e, especialmente, o processo de mistura de quatro ondas com uma única freqüência de bombeio. No entanto, acoplar luz em um ressonador ainda é realizado com integrações híbridas utilizando fibras estranguladas. Nesta dissertação, nós apresentamos uma nova técnica para a fabricação de estruturas com ressonadores integrados monoliticamente a guias de ondas planares estrangulados, baseados em camadas de Si3N4/SiO2 depositadas sobre silício. Para isto, foi utilizada uma técnica que combina a nano fabricação, baseada em corrosões com um feixe de íons focalizados (FIB), com a técnica convencional de micro fabricação. Utilizando esta combinação, foi possível fabricar ressonadores acoplados a guias de ondas estrangulados e caracterizá-los. Para finalizar, nós observamos a geração de fótons em uma ressonância de um micro-anel devido ao efeito não linear de mistura de quatro ondas gerada pelo bombeio em uma ressonância subseqüente do anel / Abstract: Optical microcavities are essential components in optical integrated systems for they provide selective capture, release, and storage of photons as well as interaction with matter and other photons. As an example, micro-disks and micro-rings are elements that provide extremely long photon lifetime that can be used for spectral filtering as well for highly efficient non-linear photon interaction. For instance, its small volume and the high photonic lifetime are very important for the efficient promotion of nonlinear effects and, specially, the four wave-mixing (FWM) process with a single pumping frequency. However, coupling light to and from the resonator is still achieved with hybrid integration using tapered silica fibers. But, in this dissertation, we present a new technique for the fabrication of structures with monolithically integrated resonators and planar tapered waveguides, all based in Si3N4/SiO2 layers deposited on silicon. We use an approach that combines nano fabrication techniques based on focused ion beam (FIB) milling and conventional micro fabrication techniques. Using this approach, we could fabricate resonators coupled to tapered waveguides and characterize them. Finally, we observed the photon generation at a micro-ring resonance due to four-wave mixing generated by pumping at a subsequent micro-ring resonance / Mestrado / Física da Matéria Condensada / Mestre em Física

Estruturas fotônicas à base de silício têm despertado grande interesse por permitirem uma perfeita integração entre processos ópticos e eletrônicos em um único chip. Além de compatíveis com a atual indústria microeletrônica, acredita-se, que tais estruturas possam aumentar consideravelmente a velocidade de processamento de informações. Uma microcavidade óptica é um exemplo de estrutura fotônica simples. Feita à base de silício, e dopada com íons terra-rara, tal microcavidade pode intensificar a emissão gerada pelo íon e resultar em um dispositivo de importância tecnológica. O projeto-construção deste tipo de microcavidade deve considerar a sua região de funcionamento e os materiais a serem utilizados. Deve contemplar, ainda, algumas condições externas que, eventualmente, possam alterar o seu funcionamento. Uma dessas condições é descrita pelo chamado coeficiente termo-óptico que indica a dependência do índice de refração com a temperatura. Dentro desse contexto a presente Tese de Doutorado foi dedicada ao estudo de microcavidades ópticas com janelas de transmissão em 650 nm e em 1550 nm – correspondendo às regiões de menores perdas de fibras ópticas de plástico e de sílica. As microcavidades compreenderam espelhos de Bragg [camadas alternadas de silício amorfo (a-Si) e nitreto de silício amorfo (a-SiN)], um filme de a-SiN como espaçador, e foram depositadas sobre substratos de sílica pela técnica de sputtering. As cavidades MC-Er e MC-ErYb tiveram como espaçadores filmes de a-SiN dopados com Er e Er + Yb, respectivamente. Medidas de fotoluminescência da MC-ErYb na região do infravermelho próximo indicaram um aumento de 48 vezes na emissão dos íons Er3+ (em ~1535 nm) comparado a um filme de a-SiN dopado com érbio devido: (1) a presença do itérbio e, (2) às múltiplas reflexões sofridas pela luz nos espelhos de Bragg. As microcavidades cujos espaçadores eram a-SiN puro foram submetidas a medidas de transmissão óptica em função da temperatura de medida. O deslocamento da janela de transmissão devido às variações de temperatura permitiu determinar o valor do TOC do a-SiN como: (6.2±0.1)×10-5 ºC-1 (em ~ 620 nm) e, (4.7±0.1)×10-5 ºC -1 (em ~ 1510 nm). Até onde sabemos, o TOC do a-SiN no VIS foi determinado pela primeira vez neste trabalho. / Silicon photonic based structures have attracted great interest for allowing a perfect integration between optical and electronic process in a single chip. Besides being compatible with the actual microelectronic industry, it is believed that such structures can considerably increase the information processing speed. An optical microcavity is an example of a simple photonic structure. Made based on silicon, and doped with rare-earth ions, such microcavity may enhance the emission generated by the ion and become a device of technological importance. The project-construction of this kind of microcavity has to consider the operation region and the materials used. It still has to take into account external conditions that may, eventually, change its operation. One of these conditions is described by the thermo-optic coefficient (TOC) that shows the dependence of the refractive index with the temperature. Within this context the present PhD thesis was dedicated to the study of optical microcavities with transmission windows at 650 nm and at 1550 nm – corresponding to the low losses regions of the plastic and silica optical fibers. The microcavities comprised Bragg mirrors [alternated layers of amorphous silicon (a-Si) and amorphous silicon nitride (a-SiN)], one film of a-SiN as spacer, and were deposited on silica substrates by the sputtering technique. The MC-Er and MC-ErYb cavities had Er and Er+Yb-doped a-SiN films as spacers, respectively. Photoluminescence measurements of the MC-ErYb in the near infrared showed an enhancement of 48 times in the emission of the Er3+ ions (at ~ 1535 nm) compared with an Er-doped a-SiN film owing to: (1) the presence of ytterbium and, (2) the multiple reflections experienced by the light at the Bragg mirrors. The microcavities whose spacers were pure a-SiN were submitted to optical transmission measurements as a function of the measurement temperature. The shift of the transmission window due to variations in the temperature allowed determining the a-SiN TOC: (6.2±0.1)×10-5 ºC-1 (at ~ 620 nm) and, (4.7±0.1)×10-5 ºC -1 (at ~ 1510 nm). To the best of our knowledge, the a-SiN TOC in the visible was determined for the first time in this work.