[pt] Um novo modelo de polarímetro, baseado em lâminas de birrefringência variável controladas por atuadores piezoelétricos, é apresentado e construído. O dispositivo é baseado na divisão no tempo do sinal luminoso e, comparado a outros modelos de sua categoria, apresenta uma série de atrativos, como baixo custo e simplicidade. É realizada uma comparação de resultados entre o polarímetro desenvolvido e um polarímetro comercial para luz polarizada e parcialmente polarizada. / [en] A new polarimeter model, based on time-varying birefringence caused by piezoelectric-controlled fiber- squeezing plates, is presented and constructed. The device is based on time division of the light signal and, in comparison with other polarimeters of its kind, features many advantages, like low cost and simplicity. The results given by the new polarimeter and a commercial one are compared, using polarized and partially polarized light.

L'utilisation récente des fibres optiques (FOs) à base de silice dans des environnements extrêmes, a incité les chercheurs à accélérer leurs études de vulnérabilité. De tels défis sont fortement liés à la bonne compréhension des effets à la fois macroscopiques et microscopiques des différents types de radiations sur la réponse des FOs. Cette thèse de doctorat présente une étude complémentaire aux études précédemment menées sur les différents défauts ponctuels dans les FOs à base de silice par Cathodoluminescence (CL). Cette technique offre la possibilité de détecter les centres luminescents mais aussi de suivre leurs distributions spatiales, leurs cinétiques de création et de guérison en fonction de l'irradiation électronique. Dans ce manuscrit, nous introduisons tout d'abord un résumé des connaissances actuelles sur les défauts liés à la silice pure et différemment dopée.Les détails de notre procédure expérimentale sont discutés dans le 2ème chapitre où nous montrons que les doses déposées lors des mesures CL sont très importantes. Dans le 3ème chapitre nous présentons une étude systématique de la réponse en CL des différentes classes de FOs, dans lesquelles différentes bandes d'émission sont discutées. Le 4ème chapitre traite l'impact d'une variation des conditions d'irradiation électronique sur les centres GLPC, l'un des défauts liés au Ge les plus importants. Enfin, dans le 5ème chapitre, nous avons montré la possibilité de produire des nanoparticules à base de silice par ablation laser, et la capacité de la technique CL de caractériser ce type de matériaux, ce qui ouvre la porte à d'autres utilisations de cette technique pour la caractérisation de nanoparticules. / The recent use of silica-based optical fibers (OFs) in harsh environments pushed the researchers to accelerate their vulnerability and hardening studies. Such challenges are strongly linked to the good understanding of the macroscopic as well as the microscopic effects of different types of radiations on the silica-based OF's response. This PhD thesis presents a complementary study to previous researches on the properties of different point defects in silica-based OFs by Cathodoluminescence (CL). Such technique offers the ability to both detect the luminescent centers and to follow their spatial distribution, their growth and decay kinetic as a function of the electron beam characteristics. ln the present manuscript we first summarize the current knowledge regarding point defects in pure silica or silica glass doped with Ge, P, Ce, N or Al. Details of the experimental procedure are discussed in the 2nd chapter in which we highlight that the equivalent dose deposited during the various configuration of CL measurements are very large. ln the 3rd chapter, we perform an overview study of the CL responses of different classes of OFs, in which many emission bands related to the different dopants were discussed. The 4th chapter focuses on the study of the effects of varying beam conditions on the signature of Germanium Lone Pair Center (GLPC), one of the most important Ge-related point defects. Finally, in chapter V, we demonstrate the possibility to produce silica-based nanoparticles by laser ablation process, and the ability of the CL technique to characterize such materials, which opens the door to other employments of this technique for future studies on nanoparticles.

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.

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

Fiber Bragg gratings (FBGs) are key elements in modern telecommunication and sensing applications. In optical communication, with the advancement of the Erbium doped fiber amplifier (EDFA), there is a great demand for devices with wavelength tunability over the Erbium gain bandwidth (in particular, for wavelength division multiplexing (WDM) networks). The center wavelength of a FBG can be shifted by means of change of temperature, pressure or mechanical axial strain. The axial strain approach is the best method among all other techniques because it allows relatively large wavelength shifts with high speed. Axial strain of up to 4% will be required to cover the whole EDFA region (more than 40 nm of central wavelength shift). The formation of Bragg grating results in significant reduction in mechanical strength of optical fibers especially in tension. As a result, axial strain of only about 1% can be achieved by mechanical stretching of FBGs. In order to achieve the remaining 3% strain compression of FBGs has to be applied. In this thesis, the design and analysis of a novel device for achieving central wavelength shift are presented. In particular, the device has achieved, for a fiber with 12 mm FBG, a shifting of 46 nm in compression and 10.5 nm in tension with a reflection power loss of less than 0.25 dB and a FWHM bandwidth variation of approximately 0.1 nm. Both variations are well below the Bellcore standards requirement of 0.5 dB for peak reflectivity variation and 0.1 nm for bandwidth variation. The device consists of two fixed and one guiding ferrules. The difficulties associated with compressing the FBG were handled by carefully selecting tolerances and adjustment procedures. The device allows both tension and compression of FBGs, and the use of different FBG lengths and actuators. The effects of glue deformation and bending of the FBG during compression were analyzed in detail. Further, using the piezoelectric transducer (PZT) actuator as a driver, tuning speed of around 1.5nm/ms was achieved.

In the last few years, interest in polymer optical fibers (POF) has increased because of their low cost, easy handling and good flexibility even at large diameters. Moreover, optical cables do not have the problem of electromagnetic interference, which gives, for instance, the problem of cross-talk in copper telephone cables. In the usage of current communication and computer systems the yield has gained a big importance and it has seen from studies that light scattering loss is the only loss, which cannot be eliminated entirely. Besides, this loss causes its attenuation loss intrinsically and determines the lower limit of loss in the POF. In this work, the importance and the dependencies of light scattering were studied, and calculations were done in order to find more appropriate polymer for using as core material of POFs. For this aim, a computer program that calculates the light scattering loss of several amorphous polymers and plots the graph of isotropic scattering loss versus isothermal compressibility and total attenuation loss versus wavelength was written.

Fiber Bragg gratings (FBGs) are key elements in modern telecommunication and sensing applications. In optical communication, with the advancement of the Erbium doped fiber amplifier (EDFA), there is a great demand for devices with wavelength tunability over the Erbium gain bandwidth (in particular, for wavelength division multiplexing (WDM) networks). The center wavelength of a FBG can be shifted by means of change of temperature, pressure or mechanical axial strain. The axial strain approach is the best method among all other techniques because it allows relatively large wavelength shifts with high speed. Axial strain of up to 4% will be required to cover the whole EDFA region (more than 40 nm of central wavelength shift). The formation of Bragg grating results in significant reduction in mechanical strength of optical fibers especially in tension. As a result, axial strain of only about 1% can be achieved by mechanical stretching of FBGs. In order to achieve the remaining 3% strain compression of FBGs has to be applied. In this thesis, the design and analysis of a novel device for achieving central wavelength shift are presented. In particular, the device has achieved, for a fiber with 12 mm FBG, a shifting of 46 nm in compression and 10.5 nm in tension with a reflection power loss of less than 0.25 dB and a FWHM bandwidth variation of approximately 0.1 nm. Both variations are well below the Bellcore standards requirement of 0.5 dB for peak reflectivity variation and 0.1 nm for bandwidth variation. The device consists of two fixed and one guiding ferrules. The difficulties associated with compressing the FBG were handled by carefully selecting tolerances and adjustment procedures. The device allows both tension and compression of FBGs, and the use of different FBG lengths and actuators. The effects of glue deformation and bending of the FBG during compression were analyzed in detail. Further, using the piezoelectric transducer (PZT) actuator as a driver, tuning speed of around 1.5nm/ms was achieved.

Optical amplifiers and lasers continue to play its crucial role and they have become an indispensable part of the every fiber optic communication systems being installed from optical network to ultra-long haul systems. It seems that they will keep on to be a promising future technology for high speed, long-distance fiber optic transmission systems. The numerical simulations of the model equations have been already commercialized by the photonic system designers to meet the future challenges. One of the challenging problems for designing Raman amplifiers or lasers is to develop a numerical method that meets all the requirements such as accuracy, robustness and speed. In the last few years, there have been much effort towards solving the coupled differential equations of Raman model with high accuracy and stability. The techniques applied in literature for solving propagation equations are mainly based on the finite differences, shooting or in some cases relaxation methods. We have described a new method to solve the nonlinear equations such as Newton-Krylov iteration and performed numerical simulations using spectral methods. A novel algorithm implementing spectral method (pseuodspectral) for solving the two-point boundary value problem of propagation equations is proposed, for the first time to the authors&#039 / knowledge in this thesis. Numerical results demonstrate that in a few iterations great accuracy is obtained using fewer grid points.

Thesis (M. Phil.)--University of Hong Kong, 2009. / Includes bibliographical references. Also available in print.

published_or_final_version / Electrical and Electronic Engineering / Master / Master of Philosophy