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Nesse trabalho, propomos uma modificação da técnica de caracterização de filmes conhecida por m-line para o desenvolvimento de um refratômetro para gases e líquidos. O principio dessa técnica consiste no acoplamento de ondas evanescentes em guias de ondas planares obtidos via o fenômeno da reflexão total interna frustrada através de dispositivos acopladores. Observa-se experimentalmente, após incidir um feixe de laser contínuo na base do acoplador óptico, uma grande atenuação da radiação refletida para determinados ângulos de incidência, que é justamente a radiação acoplada nos modos permitidos pelo guia de onda. Medindo-se os valores desses ângulos e usando a teoria de acoplamento, é possível determinar as características desconhecidas do sistema. Esse sistema consiste de um acoplador óptico semicircular de alto índice de refração em cuja base foram depositados, via evaporação, um filme de dióxido de silício (SiO2) e outro de dióxido de zircônio (ZrO2). Ou seja, o sistema resume-se a dois meios finitos (filmes) prensados entre dois meios semi-infinitos (prisma e amostra). Como a espessura dos filmes e os índices de refração complexos dos filmes e do prisma são conhecidos, a única variável é o índice de refração do quarto meio, que é a amostra da qual se deseja medir o índice de refração. Estudamos a influência que cada um dos parâmetros externos exerce sobre o perfil refletido, tais como comprimento de onda e polarização da radiação incidente, espessuras e índices de refração dos filmes e o formato dos dispositivos acopladores. Descrevemos o comportamento do sistema quando o feixe incidente possui perfil gaussiano, que é perfil dos lasers usualmente usados em pesquisa. As espessuras das camadas de SiO2 e de ZrO2 foram otimizadas tendo em vista a faixa dos valores do índice de refração das amostras que se deseja medir. A otimização do sistema é obtida via teoria de guiamento de radiação em guias de ondas planares para o caso de quatro meios. Para a aquisição e tratamento dos dados desenvolvemos um programa na plataforma LabVIEW® que processa a imagem detectada por uma câmera CCD no visível, possibilitando o acompanhamento da variação do feixe refletido em função da variação do índice de refração da amostra. Assim, além de determinar ponto a ponto a variação do perfil refletido, é possível determinar a dinâmica em que esse efeito se realiza, gerando possibilidades de aplicação da técnica em áreas relacionadas à dinâmica química e bioquímica. Para confirmação da efetividade da técnica, realizamos medidas da variação do índice de refração do ar em função da umidade relativa, temperatura, pressão e para soluções de glicose. O sistema demonstrou sensitividade suficiente para acompanhar mudanças do índice de refração do ar da ordem de 10-6. / In this work, we propose a modification of the technique for characterization of films known as the m-line for the development of a refractometer for liquids and gases. The principle of this technique is coupling evanescent waves in planar waveguides obtained by the phenomenon of frustrated total internal reflection devices through devices couplers. It is experimentally observed, after focusing a continuous laser beam at the base of the coupler, a large attenuation of the reflected radiation for certain angles of incidence, which is precisely the radiation coupled in the modes allowed by the waveguide. Measuring the values of these angles and using the coupling theory, it is possible to determine the unknown characteristics of the system. This system consists of a semicircular optocoupler high refractive index which in the base was deposited, via evaporation, a film of silicon dioxide (SiO2) and a zirconium dioxide (ZrO2). In other words, the system is similar to a two finite media (films) pressed between two semi-infinite media (prism and sample). As the film thickness and complex refractive indices of the film and the prism are known, the only variable is the index of refraction of the fourth medium that is the sample from which it is aimed to measure the refractive index. We studied the influence that each of the external parameters has on the reflected profile, such as wavelength and polarization of the incident radiation, thicknesses and refractive indices of the films and the format of the devices couplers. We describe the system behavior when the incident beam has a Gaussian profile, which is usually the profile of the lasers usually used in researches. The thicknesses of the layers of SiO2 and ZrO2 were optimized in function of the range of the refractive index values of the samples to be measured. System optimization is obtained via the guiding theory of radiation in planar waveguides for the case of four mediums. For acquisition and data processing, a program were developed in LabVIEW® platform that processes the image detected by a CCD camera in visible light, allowing us to relate the variation of the reflected beam to the value of the refractive index of the sample. Thus, besides determining the variation of the profile reflected, it is possible to determine the dynamic in which this effect takes place, generating opportunities for application of the technique in areas related to the dynamic chemistry and biochemistry. To confirm the effectiveness of the technique, we performed measurements of the variation of the refractive index of air as a function of relative humidity, temperature, pressure and glucose solutions. The system shows sufficient sensitivity to follow changes in the refractive index of air in the order of 10-6.

The phenomenon of polarization interaction in certain nonlinear materials is presented, and the design of an all-optical logic device based on this concept is described. An efficient two-dimensional finite-difference time-domain code for studying third-order nonlinear optical phenomena is discussed, in which both the slowly varying and the rapidly varying components of the electromagnetic fields are considered. The algorithm solves the vector form Maxwell s equations for all field components and uses the nonlinear constitutive relation in matrix form as the equations required to describe the nonlinear system. The stability of the code is discussed and its accuracy demonstrated through the simulation of the self-phase modulation effect observed in Kerr media. Finally, the code is used to simulate polarization mixing in photonic crystal-based line defect and coupled resonator optical waveguides.

Nesse trabalho, propomos uma modificação da técnica de caracterização de filmes conhecida por m-line para o desenvolvimento de um refratômetro para gases e líquidos. O principio dessa técnica consiste no acoplamento de ondas evanescentes em guias de ondas planares obtidos via o fenômeno da reflexão total interna frustrada através de dispositivos acopladores. Observa-se experimentalmente, após incidir um feixe de laser contínuo na base do acoplador óptico, uma grande atenuação da radiação refletida para determinados ângulos de incidência, que é justamente a radiação acoplada nos modos permitidos pelo guia de onda. Medindo-se os valores desses ângulos e usando a teoria de acoplamento, é possível determinar as características desconhecidas do sistema. Esse sistema consiste de um acoplador óptico semicircular de alto índice de refração em cuja base foram depositados, via evaporação, um filme de dióxido de silício (SiO2) e outro de dióxido de zircônio (ZrO2). Ou seja, o sistema resume-se a dois meios finitos (filmes) prensados entre dois meios semi-infinitos (prisma e amostra). Como a espessura dos filmes e os índices de refração complexos dos filmes e do prisma são conhecidos, a única variável é o índice de refração do quarto meio, que é a amostra da qual se deseja medir o índice de refração. Estudamos a influência que cada um dos parâmetros externos exerce sobre o perfil refletido, tais como comprimento de onda e polarização da radiação incidente, espessuras e índices de refração dos filmes e o formato dos dispositivos acopladores. Descrevemos o comportamento do sistema quando o feixe incidente possui perfil gaussiano, que é perfil dos lasers usualmente usados em pesquisa. As espessuras das camadas de SiO2 e de ZrO2 foram otimizadas tendo em vista a faixa dos valores do índice de refração das amostras que se deseja medir. A otimização do sistema é obtida via teoria de guiamento de radiação em guias de ondas planares para o caso de quatro meios. Para a aquisição e tratamento dos dados desenvolvemos um programa na plataforma LabVIEW® que processa a imagem detectada por uma câmera CCD no visível, possibilitando o acompanhamento da variação do feixe refletido em função da variação do índice de refração da amostra. Assim, além de determinar ponto a ponto a variação do perfil refletido, é possível determinar a dinâmica em que esse efeito se realiza, gerando possibilidades de aplicação da técnica em áreas relacionadas à dinâmica química e bioquímica. Para confirmação da efetividade da técnica, realizamos medidas da variação do índice de refração do ar em função da umidade relativa, temperatura, pressão e para soluções de glicose. O sistema demonstrou sensitividade suficiente para acompanhar mudanças do índice de refração do ar da ordem de 10-6. / In this work, we propose a modification of the technique for characterization of films known as the m-line for the development of a refractometer for liquids and gases. The principle of this technique is coupling evanescent waves in planar waveguides obtained by the phenomenon of frustrated total internal reflection devices through devices couplers. It is experimentally observed, after focusing a continuous laser beam at the base of the coupler, a large attenuation of the reflected radiation for certain angles of incidence, which is precisely the radiation coupled in the modes allowed by the waveguide. Measuring the values of these angles and using the coupling theory, it is possible to determine the unknown characteristics of the system. This system consists of a semicircular optocoupler high refractive index which in the base was deposited, via evaporation, a film of silicon dioxide (SiO2) and a zirconium dioxide (ZrO2). In other words, the system is similar to a two finite media (films) pressed between two semi-infinite media (prism and sample). As the film thickness and complex refractive indices of the film and the prism are known, the only variable is the index of refraction of the fourth medium that is the sample from which it is aimed to measure the refractive index. We studied the influence that each of the external parameters has on the reflected profile, such as wavelength and polarization of the incident radiation, thicknesses and refractive indices of the films and the format of the devices couplers. We describe the system behavior when the incident beam has a Gaussian profile, which is usually the profile of the lasers usually used in researches. The thicknesses of the layers of SiO2 and ZrO2 were optimized in function of the range of the refractive index values of the samples to be measured. System optimization is obtained via the guiding theory of radiation in planar waveguides for the case of four mediums. For acquisition and data processing, a program were developed in LabVIEW® platform that processes the image detected by a CCD camera in visible light, allowing us to relate the variation of the reflected beam to the value of the refractive index of the sample. Thus, besides determining the variation of the profile reflected, it is possible to determine the dynamic in which this effect takes place, generating opportunities for application of the technique in areas related to the dynamic chemistry and biochemistry. To confirm the effectiveness of the technique, we performed measurements of the variation of the refractive index of air as a function of relative humidity, temperature, pressure and glucose solutions. The system shows sufficient sensitivity to follow changes in the refractive index of air in the order of 10-6.

<p>This thesis reports work targeting the integration of Si light emitters with optical waveguides. Such integrated devices would find utility in a number of applications including telecommunications, optical interconnects, and biological and chemical sensors. Much research has been directed by others on how to improve the emission efficiency and achieve lasing in VLSI (very large scale integration) compatible sources. Here, the focus is on how such devices can be integrated with planar waveguides. Two enhancement techniques were selected for potential integration; defect engineering (DE), and Si nanocrystals (Si-nc) embedded in Si02• Defect engineered light emitting diodes (LEDs) made on silicon-on-insulator (SOI) and emitting at 1.1 μm were successfully demonstrated. In addition, surface photoluminescence from SOI was analyzed to account for interference from the SOI cavity. However, it was determined that the emission efficiency of defect engineered LEDs studied during the course of this work is below that which was reported previously, and that the fabrication procedure thus suffers from irreproducibility. Barring an enormous advancement in the DE technique, it is concluded that the emission efficiency is too small to make use of its integration potential. </p><p>A more successful approach was obtained from the Si-nc system fabricated using electron-cyclotron resonance plasma enhanced chemical vapor deposition (ECR-PECVD). Optically pumped edge emitting devices were designed, fabricated and characterized. The devices are comprised of Si-ncs emitting at 800 nm, integrated with slab silicon nitride waveguides. This work is the first report of edge emission from Si-ncs integrated with silicon nitride waveguides. Edge emission and waveguide properties were characterized in the ~850 nm emission band of the Si-ncs. The edge emission was well described as a propagating mode, attenuated primarily by the Si-nc film. Propagation losses of a typical air/Si-nc/SiNx/Si02 waveguide were measured to be 11 ± 2 dB/cm and 20 ± 2 dB/cm at 850 nm in the TE and TM polarizations respectively. A wavelength dependent loss of -0.14 ± 0.03 dB/(cm*nm) was found to exist in the material loss of Si-nc films. In addition, the Si-nc films were found to undergo a partially recoverable photo-induced degradation of PL efficiency during exposure to pump light. Processing techniques compatible with both high efficiency Si-nc and low loss silicon nitride were developed and described. A two-sectioned photonic device was also designed, fabricated and characterized. The device contained an optically pumped Si-nc emitting waveguide section integrated with a low loss silicon nitride slab waveguide. The potential for optically pumped Si-nc emitters integrated with silicon nitride photonic circuits thus appears promising.</p> / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD)

No presente trabalho foram realizadas a síntese e caracterizações estruturais, ópticas e espectroscópicas de materiais nanocompósitos na forma de guias de onda planares e pós de (100-x)SiO2-xNb2O5 dopados com íons lantanídeos pelo método sol-gel, para aplicação em Fotônica. Foi observada separação de fase controlada e cristalização, com distribuição e tamanho de partículas, bem como a fase cristalina de Nb2O5 formada, dependentes da composição (%Nb) e temperatura de tratamento térmico. Caracterizações estruturais revelaram a formação de duas fases cristalinas de Nb2O5, ortorrômbica (fase T) e monoclínica (fase M), com distribuição de tamanhos de nanopartículas da ordem de 7 a 30 nm. Essas duas fases cristalinas apresentaram-se na forma de nanocristais dispersos em uma matriz amorfa, formando sistemas nanocompósitos transparentes. A formação dessas diferentes fases cristalinas influenciou diretamente nas propriedades luminescentes dos materiais que apresentaram uma intensa emissão na região do Infravermelho próximo (com máximo de emissão em 1530 nm) sob excitação em 980 nm, com valores de largura de banda variando de 48 a 84 nm. A dependência dos espectros de emissão (largura inomogênea e componentes Stark), valores de largura de banda e tempos de vida do estado excitado 4I13/2 em relação às diferentes fases cristalinas de Nb2O5 formadas, permitiram a conclusão de que os íons Er3+ estão ocupando preferencialmente ambientes de baixa energia de fônon à base de Nb2O5. Estudos espectroscópicos dos nanocompósitos dopados com íons Eu3+ possibilitaram maiores evidências da ocupação dos íons lantanídeos em diferentes sítios de simetria no Nb2O5. A co-dopagem dos nanocompósitos com íons Er3+ e Yb3+ permitiu uma intensificação na emissão na região do Infravermelho próximo, correspondente à transição 4I13/24I15/2, decorrente da maior seção de choque dos íons Yb3+ em 980 nm e um processo eficiente de transferência de energia entre os íons Yb3+ e os íons Er3+ distribuídos nas matrizes estudadas. Essa transferência de energia eficiente intensificou também as emissões tanto na região do verde como do vermelho, decorrente de processos de conversão ascendente. Um estudo detalhado da dinâmica do processo de conversão ascendente foi realizado para os pós e guias de onda. No presente trabalho também foram obtidos guias de onda planares (100-x)SiO2-xNb2O5 dopados com íons Er3+ e co-dopados com íons Er3+ e Yb3+, com excelentes propriedades estruturais, morfológicas, ópticas e espectroscópicas para aplicação como amplificadores ópticos, tais como, superfícies livres de trinca, distribuição uniforme dos valores de índice de refração através da superfície e em função da profundidade, baixa rugosidade, alta porcentagem de confinamento da luz, uma excelente transparência das matrizes no visível e infravermelho próximo, bem como emissão em região usada para transmissão de sinal óptico em telecomunicações. Os guias de onda apresentaram intensas emissões tanto na região do Infravermelho próximo quanto no visível, decorrente de processos de conversão ascendente, apresentando ainda uma interessante variação das cores verde e vermelha, dependendo-se da potência de excitação utilizada e da proporção em mol (%) de Nb adicionada. Após a constatação dos excelentes resultados obtidos nos guias dopados com íons Er3+ e Yb3+, foram preparados nanocompósitos co-dopados com Tm3+ e Yb3+ na forma de pós e guias de onda planares, que apresentaram uma largura de banda de 120 nm na região do infravermelho próximo (com máximo de emissão em 1650 nm) e emissões na região do azul (475 nm) e no infravermelho (785 nm), decorrentes de processos de conversão ascendente. Por fim, foi realizada inscrição bem sucedida de canais nos guias de onda planares utilizando um laser de Ti:safira de femtosegundos. Em suma, os materiais nanocompósitos (100-x)SiO2-xNb2O5 apresentam um grande potencial de aplicação, especialmente em fotônica como amplificadores ópticos (EDWA) em telecomunicações, em circuitos fotônicos, lasers na região do visível (explorando conversão ascendente de energia), marcadores ópticos, dependendo fundamentalmente dos íons lantanídeos utilizados na dopagem. No caso especifico de amplificadores ópticos para telecomunicações, pôde-se concluir que as propriedades mais adequadas foram observadas nos materiais nanocompósitos (100-x)SiO2-xNb2O5 guias de onda planares contendo as proporções 80Si-20Nb e 70Si-30Nb tratados termicamente a 900oC co-dopados com íons Er3+/Yb3+ e Tm3+/Yb3+ / In the present work are reported the synthesis and structural, optical and spectroscopic characterizations of lanthanide doped (100-x)SiO2-xNb2O5 nanocomposites materials as planar waveguides and powders prepared by the sol gel method for photonic applications. The controlled phase separation and crystallization observed, as well as the particle size and distribution depended on the composition (%Nb) and the annealing temperature. The structural characterization revealed the formation of two Nb2O5 crystalline phases, orthorhombic (T-phase) and monoclinic (M-phase), with nanoparticle size distribution from 7 to 30 nm. The two crystalline phases were observed as nanocrystals dispersed in an amorphous matrix, constituting transparent nanocomposite systems. The formation of the different crystalline phases affected directly the materials luminescent properties which showed an intense near infrared emission (with maximum peak at 1530 nm) under 980 nm excitation, with bandwidth values from 48 to 84 nm. The dependence of emission spectra (inhomogeneous broadening and Stark components), the bandwidth values and the 4I13/2 excited state lifetimes dependence upon the different Nb2O5 crystalline phases formation, led to the Er3+ ions preferential occupation on low phonon energy, Nb2O5-rich environment. Spectroscopic studies with Eu3+-doped nanocomposites provided additional evidences of the lanthanide occupation of different symmetry sites on the Nb2O5-rich environment. The nanocomposites co-doping with Er3+ and Yb3+ ions allowed intensification on the near infrared emission, corresponding to the 4I13/24I15/2 transition, which resulted from the higher cross section of Yb3+ ions at 980 nm and an efficient energy transfer process between the Yb3+ ions and the Er3+ ions. This efficient energy transfer process also intensified the emissions both in green and red range, deriving from upconversion processes. A detailed study on the upconversion processes was made for nanocomposites and waveguides. In the present work, Er3+-doped and Er3+ and Yb3+ co-doped planar waveguides (100-x)SiO2-xNb2O5 with excellent optical, morphological and spectroscopic properties were also obtained, such as, crack free surfaces, a uniform refractive index profile across the surface and the thickness, low rugosity, high light confinement, low optical losses, and an excellent infrared and visible range matrix transparency, as well as emission used on optical telecommunication transmission. The waveguides showed emission both on near infrared and visible range, resulting from upconversion processes, showing an interesting color tuning phenomena in the green and red ranges, dependent on the excitation power and Nb content (mol%). After the excellent results verified with Er3+ and Yb3+, Tm3+ and Yb3+ co-doped nanocomposites and planar waveguides were prepared, which showed a bandwidth of 120 nm in the infrared range (with maximum peak at 1650 nm) and blue (475 nm) and near infrared (785 nm) emissions deriving from upconversion processes. Finally, channel writing using a femtosecond Ti:sapphire laser was successfully performed on the planar waveguides. Therefore, the (100-x)SiO2-xNb2O5 nanocomposite materials have shown great potential application, especially in photonic, such as, optical amplifiers (EDWA), photonic circuits, visible range lasers (exploring upconversion processes), and optical markers, depending on the lanthanide doping. In the specific case of optical amplifiers for telecommunication application, it could be concluded that the most adequate properties were observed on the ions Er3+/Yb3+ and Tm3+/Yb3+ co-doped (100-x)SiO2-xNb2O5 nanocomposites at 80Si-20Nb and 70Si-30Nb ratios, annealed at 900°C

Orientador: Ervino Carlos Ziemath / Banca: Dimas Roberto Vollet / Banca: Eduardo Bellini Ferreira / Resumo: Superfícies de vidro plano comercial (flotado) e de vidros sintetizados no laboratório com diferentes concentrações em massa de SnO2 foram expostos aos "vapores" resultantes da decomposição de KNO3 fundido a uma temperatura um pouco abaixo da temperatura de transição vítrea. Medidas de EDS mostram um aumento da concentração dos íons K+ na superfície com o aumento do tempo de exposição aos vapores. Alguns destes íons migraram para o interior dos vidros, conforme mostram as medidas do perfil de concentração. Os coeficientes de difusão foram determinados utilizando a técnica de Bolztzman-Matano. Esta mudança na concentração de K+ provocou modificações estruturais na superfície, alterando algumas de suas propriedades físico-químicas. Espectros de reflexão no infravermelho foram realizadas nestas amostras e mostraram que as alterações mais pronunciadas ocorreram na banda em tono de 950 cm-1. A dureza Vickers aumenta com o tempo de exposição. O índice de refração foi determinado pelos métodos de Brewster e refratometria Abbe. Constatou-se que quanto maior o tempo de exposição aos vapores, maior o valor do índice de refração das amostras. Foi verificado se esta nova técnica de troca iônica, isto é, por exposição a vapores, é propicia na preparação de dispositivos baseados em guias de ondas planares, utilizando a técnica de acoplamento de prisma. Vidros sintetizados também foram submetidos a testes de dilatometria com o intuito de determinar a temperatura de transição vítrea e calcular o coeficiente de expansão térmica. Medidas de densidade foram realizadas utilizando o principio de Arquimedes. Há diversas evidências experimentais que o estanho incorporado à estrutura vítrea atua como cátion formador de vidros, e que inibe a difusão iônica. / Abstract: Surfaces of commercial plane glass (floated) and glasses synthesized in laboratory with different concentrations of SnO2 were exposed to "vapors" resulting from the decomposition of molten KNO3 at temperatures somewhat below the glass transitions. EDS measurements show an increase of the K+ concentration at the surfaces during the time of exposition to the vapors. Some of these ions migrate into the near surface layers of the samples, according to the measured concentration profiles. Diffusion coefficients were determined using the Bolztzman-Matano technique. The changes in concentration promote structural modifications at the surfaces, changing some of the physico-chemical properties of the glasses. Reflectance spectra in the infrared were carried out in these samples and one observe that the most pronounced change occurred around 950 cm-1. The Vickers hardness increases with the exposition time. The refractive index was determined by Brewster method and by Abbe refractometry. The longer the time of exposition to the vapors, the higher was the refractive index of the samples. This new technique of ionic exchange, that is, the exposition to vapors, was tested to verify if it is appropriate to prepare planar waveguide devices, and the coupling prism method was employed. Synthesized glasses were also subjected to dilatometric tests in order to determine the glass transition temperature, Tg, and the average thermal expansion coefficient, a. Density measurements were performed using Archimedes principle. There are several experimental evidences that tin is incorporated in the glass structure as a glass former cation, and it hinders ionic diffusion. / Mestre

No presente trabalho foram realizadas a síntese e caracterizações estruturais, ópticas e espectroscópicas de materiais nanocompósitos na forma de guias de onda planares e pós de (100-x)SiO2-xNb2O5 dopados com íons lantanídeos pelo método sol-gel, para aplicação em Fotônica. Foi observada separação de fase controlada e cristalização, com distribuição e tamanho de partículas, bem como a fase cristalina de Nb2O5 formada, dependentes da composição (%Nb) e temperatura de tratamento térmico. Caracterizações estruturais revelaram a formação de duas fases cristalinas de Nb2O5, ortorrômbica (fase T) e monoclínica (fase M), com distribuição de tamanhos de nanopartículas da ordem de 7 a 30 nm. Essas duas fases cristalinas apresentaram-se na forma de nanocristais dispersos em uma matriz amorfa, formando sistemas nanocompósitos transparentes. A formação dessas diferentes fases cristalinas influenciou diretamente nas propriedades luminescentes dos materiais que apresentaram uma intensa emissão na região do Infravermelho próximo (com máximo de emissão em 1530 nm) sob excitação em 980 nm, com valores de largura de banda variando de 48 a 84 nm. A dependência dos espectros de emissão (largura inomogênea e componentes Stark), valores de largura de banda e tempos de vida do estado excitado 4I13/2 em relação às diferentes fases cristalinas de Nb2O5 formadas, permitiram a conclusão de que os íons Er3+ estão ocupando preferencialmente ambientes de baixa energia de fônon à base de Nb2O5. Estudos espectroscópicos dos nanocompósitos dopados com íons Eu3+ possibilitaram maiores evidências da ocupação dos íons lantanídeos em diferentes sítios de simetria no Nb2O5. A co-dopagem dos nanocompósitos com íons Er3+ e Yb3+ permitiu uma intensificação na emissão na região do Infravermelho próximo, correspondente à transição 4I13/24I15/2, decorrente da maior seção de choque dos íons Yb3+ em 980 nm e um processo eficiente de transferência de energia entre os íons Yb3+ e os íons Er3+ distribuídos nas matrizes estudadas. Essa transferência de energia eficiente intensificou também as emissões tanto na região do verde como do vermelho, decorrente de processos de conversão ascendente. Um estudo detalhado da dinâmica do processo de conversão ascendente foi realizado para os pós e guias de onda. No presente trabalho também foram obtidos guias de onda planares (100-x)SiO2-xNb2O5 dopados com íons Er3+ e co-dopados com íons Er3+ e Yb3+, com excelentes propriedades estruturais, morfológicas, ópticas e espectroscópicas para aplicação como amplificadores ópticos, tais como, superfícies livres de trinca, distribuição uniforme dos valores de índice de refração através da superfície e em função da profundidade, baixa rugosidade, alta porcentagem de confinamento da luz, uma excelente transparência das matrizes no visível e infravermelho próximo, bem como emissão em região usada para transmissão de sinal óptico em telecomunicações. Os guias de onda apresentaram intensas emissões tanto na região do Infravermelho próximo quanto no visível, decorrente de processos de conversão ascendente, apresentando ainda uma interessante variação das cores verde e vermelha, dependendo-se da potência de excitação utilizada e da proporção em mol (%) de Nb adicionada. Após a constatação dos excelentes resultados obtidos nos guias dopados com íons Er3+ e Yb3+, foram preparados nanocompósitos co-dopados com Tm3+ e Yb3+ na forma de pós e guias de onda planares, que apresentaram uma largura de banda de 120 nm na região do infravermelho próximo (com máximo de emissão em 1650 nm) e emissões na região do azul (475 nm) e no infravermelho (785 nm), decorrentes de processos de conversão ascendente. Por fim, foi realizada inscrição bem sucedida de canais nos guias de onda planares utilizando um laser de Ti:safira de femtosegundos. Em suma, os materiais nanocompósitos (100-x)SiO2-xNb2O5 apresentam um grande potencial de aplicação, especialmente em fotônica como amplificadores ópticos (EDWA) em telecomunicações, em circuitos fotônicos, lasers na região do visível (explorando conversão ascendente de energia), marcadores ópticos, dependendo fundamentalmente dos íons lantanídeos utilizados na dopagem. No caso especifico de amplificadores ópticos para telecomunicações, pôde-se concluir que as propriedades mais adequadas foram observadas nos materiais nanocompósitos (100-x)SiO2-xNb2O5 guias de onda planares contendo as proporções 80Si-20Nb e 70Si-30Nb tratados termicamente a 900oC co-dopados com íons Er3+/Yb3+ e Tm3+/Yb3+ / In the present work are reported the synthesis and structural, optical and spectroscopic characterizations of lanthanide doped (100-x)SiO2-xNb2O5 nanocomposites materials as planar waveguides and powders prepared by the sol gel method for photonic applications. The controlled phase separation and crystallization observed, as well as the particle size and distribution depended on the composition (%Nb) and the annealing temperature. The structural characterization revealed the formation of two Nb2O5 crystalline phases, orthorhombic (T-phase) and monoclinic (M-phase), with nanoparticle size distribution from 7 to 30 nm. The two crystalline phases were observed as nanocrystals dispersed in an amorphous matrix, constituting transparent nanocomposite systems. The formation of the different crystalline phases affected directly the materials luminescent properties which showed an intense near infrared emission (with maximum peak at 1530 nm) under 980 nm excitation, with bandwidth values from 48 to 84 nm. The dependence of emission spectra (inhomogeneous broadening and Stark components), the bandwidth values and the 4I13/2 excited state lifetimes dependence upon the different Nb2O5 crystalline phases formation, led to the Er3+ ions preferential occupation on low phonon energy, Nb2O5-rich environment. Spectroscopic studies with Eu3+-doped nanocomposites provided additional evidences of the lanthanide occupation of different symmetry sites on the Nb2O5-rich environment. The nanocomposites co-doping with Er3+ and Yb3+ ions allowed intensification on the near infrared emission, corresponding to the 4I13/24I15/2 transition, which resulted from the higher cross section of Yb3+ ions at 980 nm and an efficient energy transfer process between the Yb3+ ions and the Er3+ ions. This efficient energy transfer process also intensified the emissions both in green and red range, deriving from upconversion processes. A detailed study on the upconversion processes was made for nanocomposites and waveguides. In the present work, Er3+-doped and Er3+ and Yb3+ co-doped planar waveguides (100-x)SiO2-xNb2O5 with excellent optical, morphological and spectroscopic properties were also obtained, such as, crack free surfaces, a uniform refractive index profile across the surface and the thickness, low rugosity, high light confinement, low optical losses, and an excellent infrared and visible range matrix transparency, as well as emission used on optical telecommunication transmission. The waveguides showed emission both on near infrared and visible range, resulting from upconversion processes, showing an interesting color tuning phenomena in the green and red ranges, dependent on the excitation power and Nb content (mol%). After the excellent results verified with Er3+ and Yb3+, Tm3+ and Yb3+ co-doped nanocomposites and planar waveguides were prepared, which showed a bandwidth of 120 nm in the infrared range (with maximum peak at 1650 nm) and blue (475 nm) and near infrared (785 nm) emissions deriving from upconversion processes. Finally, channel writing using a femtosecond Ti:sapphire laser was successfully performed on the planar waveguides. Therefore, the (100-x)SiO2-xNb2O5 nanocomposite materials have shown great potential application, especially in photonic, such as, optical amplifiers (EDWA), photonic circuits, visible range lasers (exploring upconversion processes), and optical markers, depending on the lanthanide doping. In the specific case of optical amplifiers for telecommunication application, it could be concluded that the most adequate properties were observed on the ions Er3+/Yb3+ and Tm3+/Yb3+ co-doped (100-x)SiO2-xNb2O5 nanocomposites at 80Si-20Nb and 70Si-30Nb ratios, annealed at 900°C

This thesis presents investigations on air-cooled air gap membrane distillation for desalination and the application of radial waveguides based on total internal reflection for solar thermal desalination. Using an air-cooled design for an air gap membrane distillation (AGMD) process may result in significantly lower energy requirements for desalination. Experiments were conducted on AGMD module to study the effect of air gap, support mesh conductivity and hydrophobicity, condensing surface hydrophobicity. A novel modular design was used in which modules could be used in a series configuration to increase the flux value for the distillate. The output from the series configuration was found to have about three times the production from a single pass water-cooled system with the same temperature difference between the saline and clear water streams. The results also indicated that the mesh conductivity had a favorable effect on the flux value whereas the hydrophobicity of the mesh had no significant effect. The hydrophobicity of the condensing surface was favorable on two accounts: first, it led to an increase in the flux of the distillate at temperatures below 60 °C and second, the temperature difference of the saline feed when it enters and leaves the module is lower which can lead to energy savings and higher yields when used in a series configuration. The second part of the thesis considers use of low-cost radial waveguides to collect and concentrate solar energy for use in thermal desalination processes. The optical-waveguide-based solar energy concentrators are based on total internal reflection and minimize/eliminate moving parts, tracking structures and cost. The use of optical waveguides for thermal desalination is explored using an analytical closed-form solution for the coupled optical and thermal transport of solar irradiation through a radial planar waveguide concentrator integrated with a central receiver. The analytical model is verified against and supported by computational optical ray tracing simulations. The effects of various design and operating parameters are systematically investigated on the system performance, which is quantified in terms of net thermal power delivered, aperture area required and collection efficiency. Design constraints like thermal stress, maximum continuous operation temperature and structural constraints have been considered to identify realistic waveguide configurations which are suitable for real world applications. The study provides realistic estimates for the performance achievable with radial planar waveguide concentrator-receiver configuration. In addition to this, a cost analysis has been conducted to determine the preferred design configurations that minimize the cost per unit area of the planar waveguide concentrator coupled to the receiver. Considering applications to thermal desalination which is a low temperature application, optimal design configuration of waveguide concentrator-receiver system is identified that result in the minimum levelized cost of power (LCOP). / Master of Science

Photonic crystals (PhCs) are periodic dielectric structures that exhibit a photonic band gap; a range of wavelengths for which light propagation is forbidden. 2D PhCs exhibit most of the properties as their three dimension counterparts with a compatibility with standard semiconductor processing techniques such as epitaxial growth, electron beam lithography, Plasma deposition/etching and electromechanical lapping/polishing. Indium Phosphide (InP) is the material of choice for photonic devices especially when it comes to realization of coherent light source at 1.55 μm wavelength. Precise engineering of the nanostructures in the PhC lattice offers novel ways to confine, guide and control light in phonic integrated circuits (PICs). Strong confinement of light in PhCs offer novel opportunities in many areas of physics and engineering. Dry etching, a necessary process step in PhC device manufacturing, is known to introduce damage in the etched material. Process induced damage and its impact on the electrical and optical properties of PhCs depends on the etched material, the etching technique and process parameters. We have demonstrated a novel post-etch process based on so-called mass-transport (MT) technology for the first time on InP-based PhCs that has significantly improved side-wall verticality of etched PhC holes. A statistical analysis performed on several devices fabricated by MT process technology shows a great deal of improvement in the reliability of optical transmission characteristics which is very promising for achieving high optical quality in PhC components. Several PhC devices were manufactured using MT technology. Broad enough PhC waveguides that operate in the mono/multi-mode regime are interesting for coarse wavelength de-multiplexing. The fundamental mode and higher order mode interaction creates mini-stop band (MSB) in the dispersion diagram where the higher order mode has a lower group velocity which can be considered as slow light regime. In this thesis work, the phenomena of MSBs and its impact on transmission properties have been evaluated. We have proposed and demonstrated a method that enables spectral tuning with sub-nanometer accuracy which is based on the transmission MSB. Along the same lines most of the thesis work relates to broad enough PhC guides that operated in the multimode regime. Temperature tuning experiments on these waveguides reveals a clear red-shift with a gradient of dλ/dT=0.1 nm/˚C. MSBs in these waveguides have been studied by varying the width in incremental amounts. Analogous to semiconductors heterostructures, photonic heterostructures are composed of two photonic crystals with different band-gaps obtained either by changing the air-fill factor or by the lattice constant. Juxtaposing two PhC and the use of heterostructures in waveguide geometry has been experimentally investigated in this thesis work. In particular, in multimode line defect waveguides the “internal” MSB effect brings a new dimension in single junction-type photonic crystal waveguide (JPCW) and heterostructure W3 (HW3) for fundamental physics and applications. We have also fabricated an ultra-compact polarization beam splitter (PBS) realized by combining a multimode waveguide with internal PhC. MSBs in heterostructure waveguides have shown interesting applications such as designable band-pass flat-top filters, and resonance-like filters with high transmission. In the course of this work, InGaAsP suspended membrane technology was developed. An H2 cavity with a linewidth of ~0.4 nm, corresponding to a Q value of ~3675 has been shown. InGaAsP PhC membrane is an ideal platform to study coupled quantum well/dot-nanocavity system. / <p>QC 20120831</p>