Glaucoma is a blinding disease characterized by damage to the optic nerve and often caused by an increase in the intra-ocular pressure. Glaucoma affects from 2% to 8% of the South African population, depending on race and age. Primary Open-angle Glaucoma (POAG) is found mostly in patients above the age of 40 years. POAG is more prevalent in black people, with the number of black persons contracting the disease double that of persons of European origin. In South Africa, the prevalence of blindness is estimated to be 0,6%, thus 240 000 out of a total of 40 million. Glaucoma is responsible for an estimated 20% of the total number of blind people, thus approximately 48 000. The treatment of glaucoma in Africa, and particularly in rural areas, presents many unresolved problems. Conventional conservative treatment with eye drops is difficult, due to the following reasons: -- Logistical problems of providing patients with a supply of medication. -- Appropriate use of drops requires education, together with a high degree of personal compliance. -- Cost of medical treatment. Patients require life-long treatment. Eye drops cost approximately R100,00 per person per month. Thus, over a ten-year period, the cost would be R12 000,00 per person and R576 million for the estimated 48 000 sufferers. Conventional surgery is not very effective, due to the following reasons: -- Scarring takes place at the surgical site. -- Can be performed only in main centres with microsurgical facilities and competent staff. -- Requires travelling expenses, not only for surgery, but also for periodical follow-up examinations. -- Surgical complications are not uncommon. Conventional laser surgery is not effective, for the following reasons: -- Can be performed only in main centres with laser surgery facilities and competent staff. -- Requires travelling expenses, not only for surgery, but also for periodical follow-up examinations. -- Complications of surgery are not uncommon. This dissertation describes an investigation concerning treatment of glaucoma, with specific reference to the use of optical energy sources. The spectral transmission of the human sclera is investigated. Alternative methods of sourcing optical energy to the ciliary processes are presented and compared. Results obtained can be summarized as follows: -- The spectral transmission of the sclera was measured. -- Trans-scleral transmission was measured to be very low (less than 5%). The result was confirmed by means of histological investigation, where high scleral absorption was found. -- Since no well-defined transmission window could be found, the application source need not be monochromatic. -- Results published in literature were found to be inconsistent. / Dissertation (MEng (Bio-engineering))--University of Pretoria, 2006. / Electrical, Electronic and Computer Engineering / unrestricted

Systematic measurements of the magnetic moment in dependence on temperature and magnetic field of hexagonal 6H-BaTiO3 + 0.04 BaO + x/2 Fe 2 O 3 (0.005 x 0.05) ceramics were performed to study the influence of Fe ions on the magnetic properties. While the samples show Curie–Weiss paramagnetism for Fe concentrations 1.0 mol%, antiferromagnetic interactions become manifest for 2.0 and 5.0 mol% iron. With increasing Fe content the antiferromagnetic interaction, which is assumed to be caused by a superexchange mechanism Fe 3+ Ti(1) − O 2− O(2) − Fe3+ Ti(2) , becomes stronger. At external magnetic fields smaller than 1 T a further, ferromagnetic interaction between Fe 3+ ions is detected below 200 K. The interactions between Fe 3+ ions in the samples with 2.0 and 5.0 mol% iron are also manifest in the EPR spectra by numerous lines with low intensity. Q-band EPR investigations of 5.0 mol% Fe doped single crystals confirm the existence of only one type of Fe 3+ –V O associates in the samples.

Les réseaux de nanotrous sont des structures plasmoniques ayant un énorme potentiel en tant que transducteurs pour la conception de biocapteurs. De telles structures sont prometteuses pour l’élaboration de biocapteurs capable d’effectuer du criblage à haut débit. L’intérêt de travailler avec des réseaux de nanotrous est dû à la simplicité d’excitation des polaritons de plasmons de surface en transmission directe, à la sensibilité et à la facilité de fabrication de ces senseurs. L’architecture de tels réseaux métalliques permet la conception de nanostructures ayant de multiples propriétés plasmoniques. L’intensité, la signature spectrale et la sensibilité du signal plasmonique sont grandement affectées par l’aspect physique du réseau de nanotrous. L’optimisation du signal plasmonique nécessite ainsi un ajustement du diamètre des trous, de la périodicité et de la composition métallique du réseau. L'agencement de l'ensemble de ces paramètres permet d'identifier une structure optimale possédant une périodicité de 1000 nm, un diamètre des nanotrous de 600-650 nm et un film métallique ayant une épaisseur de 125 nm d'or. Ce type de transducteur a une sensibilité en solution de 500-600 nm/RIU pour des bandes plasmoniques situées entre 600-700 nm. L'intérêt de travailler avec cette structure est la possibilité d'exciter les plasmons de polaritons de surface (SPPs) selon deux modes d'excitation : en transmission exaltée (EOT) ou en réflexion totale interne par résonance des plasmons de surface (SPR). Une comparaison entre les propriétés plasmoniques des senseurs selon les modes d'excitation permet de déterminer expérimentalement que le couplage de la lumière avec les ondes de SPP de Bloch (BW-SPPs) en transmission directe résulte en un champ électromagnétique davantage propagatif que localisé. D'un point de vue analytique, la biodétection de l'IgG en SPR est 6 fois plus sensible par rapport au mode EOT pour une même structure. Une étude du signal plasmonique associé au BW-SPP pour un certain mode de diffraction démontre que la distance de pénétration de ces structures en EOT est d'environ 140 nm. La limite de détection de l'IgG humain pour un réseau de nanotrous de 1000 nm de périodicité est d'environ 50 nM en EOT. Ce mémoire démontre la viabilité des réseaux de nanotrous pour effectuer de la biodétection par criblage à haut débit lors de prochaines recherches. L'investigation de l'effet de l'angle d'excitation en transmission exaltée par rapport au signal plasmonique associé au mode (1,0) d'un réseau de nanotrous de 820 nm d'or démontre que la sensibilité en solution n'est pas proportionnelle à la sensibilité en surface du senseur. En fait, une optimisation de l'angle d'incidence pour le mode (1,0) de diffraction des BW-SPP permet d'amplifier la sensibilité en surface du senseur jusqu'à 3-fois pour un angle de 13,3°. Ce mémoire démontre ainsi la nécessité d'optimiser l'angle d'excitation et les propriétés physiques du senseur afin de développer un transducteur de grande sensibilité basé sur l'excitation en transmission de réseaux de nanotrous. / This research aims at developing a multiplexed biosensor for protein detection based on the nanohole array technology. Gold nanohole arrays exhibit distinct plasmonics properties depending on the excitation mode of the surface plasmon polaritons (SPPs). The interest of working with nanohole arrays is related to their high sensitivity, ease of fabrication and simple setup of excitation in transmission. The architecture of nanohole arrays leads to a nanostructure having multiple plasmonics properties. The intensity, the spectral signature and the sensitivity of the plasmonic signal were highly affected by the shape of the nanohole arrays. Varying the diameter of the holes, the periodicity and the metallic composition of the array were used to optimize the plasmonic signal. The optimal structure was found to have a periodicity of 1000 nm, a diameter of 600-650 nm and a metallic film with a thickness of 125 nm of gold. Such a transducer exhibits a bulk refractive index sensitivity of 500-600 nm/RIU for plasmonic bands absorbing around 600-700 nm. Surface plasmon resonance (SPR) in the Kretschmann configuration and enhanced optical transmission (EOT) mode were compared using large gold nanohole arrays (1000 nm periodicity, 600 nm diameter and 125 nm depth) in order to assess their relative analytical performance. Biodetection of IgG was found to be 6 times more sensitive with SPR in the Kretschmann configuration than in EOT mode for the same structure. The decay length of the electromagnetic field in EOT mode was determined experimentally to be around 140 nm with a layer-by-layer polyelectrolyte deposition. This results suggests that the plasmonic properties of EOT for nanohole arrays is much more associated to a Bloch wave SPPs mode rather than a localized SPR. Variation of the incident angle of excitation of the BW-SPPs in transmission leads to a higher surface sensitivity for the (1,0) diffraction mode for gold nanohole arrays of 820 nm periodicity. Optimization of the physical properties and the excitation angle of the nanohole arrays is essential in order to develop a transducer having a potential towards multiplexed biosensors.

Les systèmes de transmission optiques (STOs) déployés actuellement utilisent la détection cohérente pour les débits de 40 Gb/s et 100 Gb/s. Une modulation QPSK ( « Quadrature Phase Shift Keying »), c’est à dire avec 4 niveaux de phase, associée à un multiplexage de polarisation (« PDM » pour « Polarization Division Multiplexing ») permet de transporter 4 bits par symbole. L’utilisation des formats de modulation plus complexes, tels que le 16QAM (pour « Quadrature Amplitude Modulation »), avec 16 états possibles, permet d’augmenter le débit transmis. Cependant, cette méthode réduit fortement la portée de transmission. Par exemple, si on passe de 100 Gb/s PDM-QPSK à 200 Gb/s PDM-16QAM, la portée est réduite par un facteur cinq. Une approche nouvelle et en rupture afin d’augmenter la capacité est le multiplexage en mode (MDM, pour « Mode Division Multiplexing »). Cette approche est investiguée dans le cadre de ma thèse. Je commence ma thèse avec des généralités sur les STOs, suivi d’une présentation de leur évolution historique dans le contexte de la demande de capacité croissante dans les réseaux de télécommunications. Ensuite je montre plusieurs options pour continuer la croissance de capacité dans les STOs avant de me focaliser sur le MDM. Je décris tous les nouveaux éléments clés d’un système MDM typique, notamment la fibre et l’amplificateur légèrement multimodaux, le multiplexeur / démultiplexeur de modes et le nouveau système de réception, en me fondant sur des résultats théoriques, numériques et expérimentaux. Je termine avec une présentation des expériences de transmission MDM, où nous étions parmi les premières équipes mondiales à réaliser une telle démonstration / Currently deployed optical transmission systems use coherent detection for data rates of 40 Gb/s and 100 Gb/s. Quadrature phase shift keying (QPSK) modulation using four phase levels in combination with polarization division multiplexing (PDM) allows transmitting four bits per symbol. The use of more complex modulation formats, such as 16 level quadrature amplitude modulation (16QAM) allows increasing the data rate. However, this method reduces dramatically the transmission reach. For example, when passing from 100 Gb/s PDM-QPSK to 200 Gb/s PDM-16QAM, the reach is reduced by a factor of five. A new and disruptive approach in order to increase the capacity is mode division multiplexing (MDM), and this approach is investigated in the frame of my thesis. I start my thesis with some generalities on optical transmission systems followed by a presentation of their historical evolution against the background of the increasing capacity demand in the worldwide telecommunication networks. Afterwards I show some ways to continue the capacity growth in optical transmission systems before focusing on MDM. I describe the new key elements, notably the few-mode fiber and the few-mode amplifier, the mode-multiplexer / -demultiplexer and the new receiver system. I finish with a presentation of some experiments using entire MDM systems, which allowed us to be among the first research teams worldwide to realize a successful MDM transmission

Silver (Ag) is an ideal low-loss platform for plasmonic applications, but from a materials standpoint it presents challenges. Development of plasmonic devices based on Ag thin film has been hindered both by the dificulty of fabricating such film and by its fragility out of vacuum. Silver is non-wetting on semiconducting and insulating substrates, but on certain semiconductors and insulators can adopt a metastable atomically at epitaxial film morphology if it is deposited using the "two-step" growth method. This method consists of deposition at low temperature and annealing to room temperature. However, epitaxial Ag is metastable, and dewets out of vacuum. The mechanisms of dewetting in this system remain little understood. The fragility of Ag film presents a particular problem for the engineering of plasmonic devices, which are predicted to have important industrial applications if robust low-loss platforms can be developed. This dissertation presents two sets of experiments. In the first set, scanning probe techniques and low energy electron microscopy have been used to characterize Ag(111) growth and dewetting on two orientations of silicon (Si), Si(111) and Si(100). These studies reveal that multiple mechanisms contribute to Ag film dewetting. Film stability is observed to increase with thickness, and thickness to play a decisive role in determining dewetting processes. A method has been developed to cap Ag film with germanium (Ge) to stabilize it against dewetting. The second set of experiments consists of optical studies that focus on the plasmonic properties of epitaxial Ag film. Because of the problems posed until now by epitaxial Ag growth and stabilization, research and development in the area of plasmonics has been limited to devices based on rough, thermally evaporated Ag film, which is robust and simple to produce. However, plasmonic damping in such film is higher than in epitaxial film. The optical studies presented here establish that Ag film can now be stabilized sufficiently to allow optical probing and device applications out of vacuum. Furthermore, they demonstrate the superiority of epitaxial Ag film relative to thermally evaporated film as a low-loss platform for plasmonic devices spanning the visible and infrared regimes. / text

A metallic hole array of a rectangular converging-diverging channel (RCDC) shape exhibits extraordinary transmission for wavelengths larger than the periodicity of the holes. We use a three-dimensional (3D) finite element method to analyze the transmission characteristics of two-dimensional metallic hole arrays (2D-MHA) with RCDC. For a straight channel MHA, when the aperture size is reduced, the transmission peaks have a blue-shift. The same result is observed for a smaller gap throat for the RCDC structure. For the rectangular holes with a high length-width ratio, a similar blue-shift in the transmission peaks as well as a narrower full width at half maximum (FWHM) are observed. The asymmetry from the rectangular shape gives this structure high selectivity for light with different polarizations. Furthermore, the RCDC shape gives extra degrees of geometrical variables to 2D-MHA for tuning the location of the transmission peak and the FWHM. Tunable extraordinary transmission via changing temperature of a porous metallic layer on top of a thin layer of dielectric strontium titanate (STO) is then studied. The metallic layer has a through-hole array and each hole has a circular converging-diverging channel (CDC) shape, which induces the excitation of surface plasmon polaritons (SPPs) and then results in a controllable extraordinary optical transmission in the terahertz (THz) frequency range. We use a three-dimensional (3D) finite element method to analyze the transmission characteristics of the structure. Location and magnitude of the transmission peaks can be adjusted by the hole size, converging angle, and thicknesses of metal and STO layers. Remarkably, the suggested structure presents a strong transmission dependency on temperature, which offers a new approach to actively and externally tune the transmission. Currently, the performances of thin film solar cells are limited by poor light absorption and carrier collection. In this research, large, broadband, and polarization-insensitive light absorption enhancement is realized via integrating with unique metallic nanogratings. Through simulation, three possible mechanisms are identified to be responsible for such an enormous enhancement. A test for totaling the absorption over the solar spectrum shows an up to ~30% broadband absorption enhancement when comparing to bare thin film cells. Overall performance of a thin film solar cell is determined by the efficiency of conversing photons to electrons that include light absorption, carrier generation and carrier collection processes. Photon management via hybrid designing has been emerging as a powerful means to further boost the conversion efficiency. Here a new nanograting solar cell design, which can be universal and a new solar cell platform technology, is proposed with goals to achieve large enhancement on broadband light absorption and carrier generation, most importantly, under the much reduced usage of active and non-earth-abundant materials. A test for the short circuit current density in CuIn[subscript x]Ga([subscript 1-x])Se₂ (CIGS) thin film solar cells shows an up to ~250% enhancement when comparing to the corresponding bare thin film cells. Besides that, by placing metal strips on top of the nanograting, which act as the top electrode, this design is able to reduce the use of non-earth-abundant materials such as indium that is normally used in both active and transparent conducting materials. / text

Les réseaux de nanotrous sont des structures plasmoniques ayant un énorme potentiel en tant que transducteurs pour la conception de biocapteurs. De telles structures sont prometteuses pour l’élaboration de biocapteurs capable d’effectuer du criblage à haut débit. L’intérêt de travailler avec des réseaux de nanotrous est dû à la simplicité d’excitation des polaritons de plasmons de surface en transmission directe, à la sensibilité et à la facilité de fabrication de ces senseurs. L’architecture de tels réseaux métalliques permet la conception de nanostructures ayant de multiples propriétés plasmoniques. L’intensité, la signature spectrale et la sensibilité du signal plasmonique sont grandement affectées par l’aspect physique du réseau de nanotrous. L’optimisation du signal plasmonique nécessite ainsi un ajustement du diamètre des trous, de la périodicité et de la composition métallique du réseau. L'agencement de l'ensemble de ces paramètres permet d'identifier une structure optimale possédant une périodicité de 1000 nm, un diamètre des nanotrous de 600-650 nm et un film métallique ayant une épaisseur de 125 nm d'or. Ce type de transducteur a une sensibilité en solution de 500-600 nm/RIU pour des bandes plasmoniques situées entre 600-700 nm. L'intérêt de travailler avec cette structure est la possibilité d'exciter les plasmons de polaritons de surface (SPPs) selon deux modes d'excitation : en transmission exaltée (EOT) ou en réflexion totale interne par résonance des plasmons de surface (SPR). Une comparaison entre les propriétés plasmoniques des senseurs selon les modes d'excitation permet de déterminer expérimentalement que le couplage de la lumière avec les ondes de SPP de Bloch (BW-SPPs) en transmission directe résulte en un champ électromagnétique davantage propagatif que localisé. D'un point de vue analytique, la biodétection de l'IgG en SPR est 6 fois plus sensible par rapport au mode EOT pour une même structure. Une étude du signal plasmonique associé au BW-SPP pour un certain mode de diffraction démontre que la distance de pénétration de ces structures en EOT est d'environ 140 nm. La limite de détection de l'IgG humain pour un réseau de nanotrous de 1000 nm de périodicité est d'environ 50 nM en EOT. Ce mémoire démontre la viabilité des réseaux de nanotrous pour effectuer de la biodétection par criblage à haut débit lors de prochaines recherches. L'investigation de l'effet de l'angle d'excitation en transmission exaltée par rapport au signal plasmonique associé au mode (1,0) d'un réseau de nanotrous de 820 nm d'or démontre que la sensibilité en solution n'est pas proportionnelle à la sensibilité en surface du senseur. En fait, une optimisation de l'angle d'incidence pour le mode (1,0) de diffraction des BW-SPP permet d'amplifier la sensibilité en surface du senseur jusqu'à 3-fois pour un angle de 13,3°. Ce mémoire démontre ainsi la nécessité d'optimiser l'angle d'excitation et les propriétés physiques du senseur afin de développer un transducteur de grande sensibilité basé sur l'excitation en transmission de réseaux de nanotrous. / This research aims at developing a multiplexed biosensor for protein detection based on the nanohole array technology. Gold nanohole arrays exhibit distinct plasmonics properties depending on the excitation mode of the surface plasmon polaritons (SPPs). The interest of working with nanohole arrays is related to their high sensitivity, ease of fabrication and simple setup of excitation in transmission. The architecture of nanohole arrays leads to a nanostructure having multiple plasmonics properties. The intensity, the spectral signature and the sensitivity of the plasmonic signal were highly affected by the shape of the nanohole arrays. Varying the diameter of the holes, the periodicity and the metallic composition of the array were used to optimize the plasmonic signal. The optimal structure was found to have a periodicity of 1000 nm, a diameter of 600-650 nm and a metallic film with a thickness of 125 nm of gold. Such a transducer exhibits a bulk refractive index sensitivity of 500-600 nm/RIU for plasmonic bands absorbing around 600-700 nm. Surface plasmon resonance (SPR) in the Kretschmann configuration and enhanced optical transmission (EOT) mode were compared using large gold nanohole arrays (1000 nm periodicity, 600 nm diameter and 125 nm depth) in order to assess their relative analytical performance. Biodetection of IgG was found to be 6 times more sensitive with SPR in the Kretschmann configuration than in EOT mode for the same structure. The decay length of the electromagnetic field in EOT mode was determined experimentally to be around 140 nm with a layer-by-layer polyelectrolyte deposition. This results suggests that the plasmonic properties of EOT for nanohole arrays is much more associated to a Bloch wave SPPs mode rather than a localized SPR. Variation of the incident angle of excitation of the BW-SPPs in transmission leads to a higher surface sensitivity for the (1,0) diffraction mode for gold nanohole arrays of 820 nm periodicity. Optimization of the physical properties and the excitation angle of the nanohole arrays is essential in order to develop a transducer having a potential towards multiplexed biosensors.

Tato diplomová práce se zabývá rigorózními simulacemi plazmonických biosenzorů založených na jevu zvýšené optické transmise. První část je věnována popisu fyzikálních jevů a poznatků, které tvoří základ pro studium vlastností plazmonických senzorů, a popisu výpočetní metody konečných prvků v časové oblasti, která je využita v této práci. Vlastní výsledky jsou uvedeny v další části, která se zabývá výzkumem citlivosti, rozlišení a dalších charakteristik zvoleného typu plazmonického sensoru, tvořeného sítí kruhových nanoděr v tenké zlaté vrstvě na substrátě nitridu křemíku, v závislosti na řadě jeho geometrických parametrů. Tyto závislosti jsou sledovány ve třech různých případech, a to senzoru umístěného ve vakuu, ponořeného ve vodě a v případě kdy je na zlatém povrchu umístěna tenká dielektrická vrstva, která reprezentuje přítomnost biomolekul uchycených na povrchu senzoru.

Au cours des dernières décennies, le monde a subi une révolution majeure qui a profondément affecté comment on utilise les réseaux de communication. De nouveaux services et applications ont été apparus, tels que les réseaux sociaux, les jeux en ligne ou le streaming en direct, qui exigent une augmentation constante de la capacité des systèmes optiques. La motivation de ce travail est donc d'étudier la mise en œuvre d'un nouvel amplificateur SOA à très large bande avec une bande passante de plus de 100 nm afin d’étendre la capacité du système. L'utilisation de l'amplification SOA change complètement le paradigme dans la conception d'un système optique puisque toutes les dégradations ajoutées par la SOA doivent être considérées. Ainsi, la recherche d'un modèle analytique ou numérique capable de caractériser la nature non linéaire de ce dispositif est d'abord étudiée. Ensuite, on montre comment un SOA bien conçu peut non seulement amplifier un signal à large bande, mais également surmonter certains des principaux inconvénients du SOA devant EDFA. Finalement, on évalue la capacité de ce nouveau UWB SOA pour les applications d'interconnexion de centres de données avec deux expériences en transmettant jusqu'à 115 Tbps de données dans une liaison à bande passante continue de 100 nm sur 100 km de fibre et en testant la stabilité du système avec cartes de ligne en temps réelle entre deux points de présence (POP) de Facebook déployés dans la région parisienne / Over the last few decades the world has undergone a major revolution that has deeply affected the way we use communication networks. New services and applications have appeared demanding a constant increase of the channel capacity. In this period, optical systems have been upgraded at pair with advanced signal processing techniques which have permitted the increase of the spectral efficiency approaching the system capacity to the fundamental limit. It is because is becoming extremely challenging to keep growing the system capacity by this means. In this work, an orthogonal direction is studied to further increase the fibre capacity: extending the optical bandwidth. With this purpose, the use of semiconductor optical amplifiers (SOA) is investigated to be implemented in future ultra-wideband (UWB) systems. The use of SOA amplification changes completely the paradigm in the design of an optical system since all the impairments added by the SOA must be considered. In this work, we assess the reservoir model, a simple yet powerful model, to analyze numerically the nonlinear regime of the SOA for WDM systems. We also show for the first that the linewidth enhancement factor of an SOA can be estimated with a coherent receiver. Finally, it is also studied how the correlation between channels degrades significantly the performance of the SOA and the inclusion of a decorrelation fibre is investigated. The conception of a UWB system is then studied. We characterize a novel ultra-wideband SOA developed by the French project CALIPSO which presents high gain in a 100-nm optical bandwidth with high output saturation power and 6-8 dB of noise figure. We analyze its nonlinear regime for WDM systems and we show for QPSK and 16 QAM modulation formats that the input saturation power can be overtaken by serveral dBs without important nonlinear penalty. On the other hand, a novel technique is studied to compensate fibre nonlinearities in UWB systems: the multicarrier multiplexing, which tries to exploit the concept of symbol rate optimization. Finally, we assess the capabilities of this novel UWB SOA for data-centre interconnection applications with two experiments transmitting up to 113 Tbps data troughput in a 100-nm continuous bandwidth link over 100 km of fibre and then testings is stability with real-time line cards between two points of presence (POP)of Facebook deployed in the Paris area

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