Na busca de um melhor entendimento das propriedades eletrônicas e magnéticas dos isolantes topológicos nos deparamos com uma das suas caraterísticas mais marcantes, a existência de estados de superfície metálicos com textura helicoidal de spin os quais são protegidos de impurezas não magnéticas. Na superfície estes canais de spin possuem um potencial enorme para aplicações em dispositivos spintrônicos. Muito há para se fazer e o tratamento via cálculos de primeiros princípios por simulações permite um caráter preditivo que corrobora na elucidação de fenômenos físicos via análises experimentais. Nesse trabalho analisamos as propriedades eletrônicas de isolantes topológicos tais como: (Bi,Sb)$_2$(Te,Se)$_3$, Germaneno e Germaneno funcionalizado. Cálculos baseados em DFT evidenciam a importância das separações entre as camadas de Van der Waals nos materiais Bi$_2$Se$_3$ e Bi$_2$Te$_3$. Mostramos que devido a falhas de empilhamento, pequenas oscilações no eixo de QLs (\\textit{Quintuple Layers}) podem gerar um desacoplamento dos cones de Dirac, além de criar estados metálicos na fase \\textit{bulk} de Bi$_2$Te$_3$. Em se tratando do Bi$_2$Se$_3$ um estudo sistemático dos efeitos de impurezas de metais de transição foi realizado. Observamos que há quebra de degenerescência do cone de Dirac se houver magnetização em quaisquer dos eixos. Além disso se a magnetização permanecer no plano, além de uma pequena quebra de degenerescência, há um deslocamento do mesmo para outro ponto da rede recíproca. No entanto, se a magnetização apontar para fora do plano a quebra ocorre no próprio ponto $\\Gamma$, porém de maneira mais intensa. Importante enfatizar que além de mapear os sítios com suas orientações magnéticas de menor energia observamos que a quebra da degenerescência está diretamente relacionada com a geometria local da impureza. Isso proporciona imagens de STM distintas para cada sítio possível, permitindo que um experimental localize cada situação no laboratório. Estudamos ainda a transição topológica na liga (Bi$_x$Sb$_{1-x}$)$_2$Se$_3$, onde identificamos um isolante trivial e topológico para $x=0$ e $x=1$. Apesar de óbvia a existência de tal transição, detalhes importantes ainda não estão esclarecidos. Concluímos que a dopagem com impurezas não magnéticas proporciona uma boa técnica para manipulação e engenharia de cone nesta família de materiais, de forma que dependendo da faixa de dopagem podemos eliminar a condutividade que advém do \\textit{bulk}. Finalmente estudamos superfícies de Germaneno e Germaneno funcionalizado com halogênios. Usando uma funcionalização assimétrica e com a avalição do invariante topológico $Z_2$ notamos que o material Ge-I-H é um isolante topológico podendo ser aplicado na elaboração de dispositivos baseados em spin. / In the search of a better understanding of the electronic and magnetic properties of topological insulators we are faced with one of its most striking features, the existence of metallic surface states with helical spin texture which are protected from non-magnetic impurities. On the surface these spin channels allows a huge potential for applications in spintronic devices. There is much to do and treating calculations via \\textit{Ab initio} simulations allows us a predictive character that corroborates the elucidation of physical phenomena through experimental analysis. In this work we analyze the electronic properties of topological insulators such as: (Bi, Sb)$_2$(Te, Se)$_3$, Germanene and functionalized Germanene. Calculations based on DFT show the importance of the separation from interlayers of Van der Waals in materials like Bi$_2$Se$_3$ and Bi$_2$Te$_3$. We show that due to stacking faults, small oscillations in the QLs axis (\\textit{Quintuple Layers}) can generate a decoupling of the Dirac cones and create metal states in the bulk phase Bi$_2$Te$_3$. Regarding the Bi$_2$Se$_3$ a systematic study of the effects of transition metal impurities was performed. We observed that there is a degeneracy lift of the Dirac cone if there is any magnetization on any axis. If the magnetization remains in plane, we observe a small shift to another reciprocal lattice point. However, if the magnetization is pointing out of the plane a lifting in energy occurs at the very $ \\Gamma $ point, but in a more intense way. It is important to emphasize that in addition to mapping the sites with their magnetic orientations of lower energy we saw that the lifting in energy is directly related to the local geometry of the impurity. This provides distinct STM images for each possible site, allowing an experimental to locate each situation in the laboratory. We also studied the topological transition in the alloy (Bi$_x$Sb$_{1-x}$)$_ 2$Se$_3$, where we identify a trivial and topological insulator for $x = 0$ and $x = 1$. Despite the obvious existence of such a transition, important details remain unclear. We conclude that doping with non-magnetic impurities provides a good technique for handling and cone engineering this family of materials so that depending on the range of doping we can eliminate conductivity channels coming from the bulk. Finally we studied a Germanene and functionalized Germanene with halogens. Using an asymmetrical functionalization and with the topological invariant $Z_2$ we noted that the Ge-I-H system is a topological insulator that could be applied in the development of spin-based devices.

O presente trabalho avaliou o efeito de tratamentos térmicos ou diferentes graus de deformação plástica na transformação da austenita do microconstituinte AM de uma chapa de aço alta resistência baixa liga (ARBL) classe API 5L X80 usada para gasodutos. A chapa tem espessura de 19 mm e passaria pelo processo de conformação UOE, mas a deformação foi realizada por laminação a frio, a temperatura ambiente, com reduções de 5 a 20%. O propósito foi compreender melhor o microconstituinte AM, explorar a transformação martensítica induzida por deformação (SIMT) e a decomposição austenítica por tratamento térmico, com ênfase em seu comportamento magnético. A transformação da austenita foi acompanhada através de medidas de polarização magnética, comparada com a densidade de massa e difração de raios X. A deformação plástica e os tratamentos térmicos alteraram a polarização magnética de saturação e a densidade de massa da amostra de aço de forma compatível com a eliminação da austenita retida metaestável. O método de densidade hidrostática foi considerado sensível para mensurar transformações de fase. Os dados obtidos revelam expansão volumétrica de aproximadamente 0,13%, correspondendo a 3,2% a quantidade de austenita retida original do material, enquanto os valores obtidos por polarização magnética de saturação são 2,8% pelo histeresígrafo e 2,1% por MAV. A difração de raios X nas amostras sob deformação ou tratamentos térmicos resultaram em queda nos primeiros picos da austenita quando comparadas com a amostra como recebida. / This study evaluated the effect of different degrees of plastic deformation or heat treatment on the transformation of austenite into martensite of an HSLA steel plate API 5L X80 for pipelines. A 19 mm thickness plate would be submitted to UOE forming process, but the cold work instead occurred by cold rolling at room temperature, with reductions of 5 up to 20%. The purpose was to better understand the MA constituent, explore the strain-induced martensitic transformation (SIMT) and austenitic decomposition by heat treatment with emphasis on its magnetic behavior. The transformation was accompanied by saturation magnetization measurements, compared with the mass density and X-ray diffraction. The plastic deformation or the heat treatment altered the saturation magnetization and the mass density in a manner consistent with the elimination of metastable retained austenite. The density method is sensible to measure phase transformations induced by strain. The data obtained shows a volumetric expansion of about 0.13%, corresponding to an amount of retained austenite of the original material of 3.2%, while the values obtained by magnetization saturation are 2.8% by hysteresigraph and 2.1% by VSM. By X-ray diffraction there is a clear drop in first peaks of austenite of the samples under deformation or heat treatment compared with the sample as-received.

Made available in DSpace on 2016-04-18T21:39:44Z (GMT). No. of bitstreams: 8 Valderez de Almeida Donzelli1.pdf: 2513417 bytes, checksum: 39732bb9cc22ff6c7d8b226a01c7fbb3 (MD5) Valderez de Almeida Donzelli2.pdf: 3170782 bytes, checksum: 5bec891551d4e67354a5cb930c33b44a (MD5) Valderez de Almeida Donzelli3.pdf: 3092150 bytes, checksum: d7f43803b4c7e0a2393cc4faa9f5db7f (MD5) Valderez de Almeida Donzelli4.pdf: 3808963 bytes, checksum: 80f16c085a45c26b9ee5aa087fecb887 (MD5) Valderez de Almeida Donzelli5.pdf: 2761540 bytes, checksum: 6b89bedf4c70eb288d052ad64721157d (MD5) Valderez de Almeida Donzelli6.pdf: 3455846 bytes, checksum: 29fde75066aafda6127105ade4238eca (MD5) Valderez de Almeida Donzelli7.pdf: 3390797 bytes, checksum: bea566456cc4e0ff6ddf3fffb614b78a (MD5) Valderez de Almeida Donzelli8.pdf: 2402725 bytes, checksum: 1447647552515388643c1d9896a3803b (MD5) Previous issue date: 2011-08-05 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The technology environment in the broadcast area using analog technology was defined and did not offer a great research interest, in specific topics related to development of the transmitting antenna for broadcast television. With the implementation of the transmission system employing digital technology, which adds as main news the possibility of mobility and portability of the receiving system, the interest in studies and researches returned, showing one of the main themes to be developed using circular polarization or elliptical compared with horizontal polarization, that was most used by broadcasters. Given this new scenario and the need for evaluation by a scientific methodology of the radiating system in the transmission station performance, goals were established that define the scope for this research: to analyze the influence of the radiating system depending on the desired coverage area and the reception possibilities internal fixed , external fixed, portable and mobile, considering the diversity specific propagation environment of the region studied due to topographical and environmental condition. The criteria to be used will be the theoretical propagation prediction and field survey of the signals received which will provide data for the analysis of variables that influence the behavior of the transmission system, considering the location and technical characteristics of the main transmission station installation and different polarization of the radiating system configurations in horizontal, vertical and elliptical. / O cenário tecnológico na área de transmissão empregando tecnologia analógica estava bem segmentado e não oferecia um ambiente de grande interesse em pesquisas específicas para desenvolvimentos de temas relacionados a antena de transmissão para televisão aberta. Com a implantação do sistema de transmissão empregando a tecnologia digital, que agrega como principal novidade a possibilidade de mobilidade e portabilidade do sistema de recepção , o interesse nos estudos e pesquisas retomou, apresentando como um dos principais temas a serem desenvolvidos a utilização de polarização circular ou elíptica comparada com a polarização horizontal, que era a mais utilizada pela emissoras. Tendo em vista este novo cenário e a necessidade de avaliação por meio de uma metodologia científica do comportamento do sistema irradiante de transmissão no resultado no desempenho da estação transmissora, foram estabelecidas as metas que definem o escopo para este trabalho: analisar a influência do tipo de sistema irradiante em função da área de cobertura desejada e das possibilidades de recepção fixa interna, fixa externa, portátil e móvel, frente às diversidades específicas do ambiente de propagação da região estudada devido às condições topográficas e ambientais. Os critérios a serem empregados serão os teóricos de predição de propagação e prático de levantamento de campo dos sinais recebidos os quais irão fornecer dados para a análise das variáveis que influenciam no comportamento do sistema de transmissão, considerando o local e as características técnicas de instalação da estação de transmissão principal e variando a polarização do sistema irradiante nas configurações horizontal, vertical e elíptica.

Em razão da crescente preocupação com a proteção ao meio ambiente e preservação da qualidade das águas superficiais e subterrâneas, as áreas de disposição de resíduos, tanto domésticos como industriais, têm merecido especial atenção das instituições de pesquisa ligadas à proteção ambiental. Atualmente o uso dos métodos geoelétricos vem se destacando como metodologia indireta de investigação de áreas afetadas pela disposição inadequada de resíduos sólidos urbanos e industriais pois fornecem, desde que adequadamente escolhidas as técnicas e os parâmetros de aquisição, informações importantes com respeito à localização e geometria dos depósitos de resíduos, extensão da pluma de contaminação, posição da zona saturada e sentido do fluxo subterrâneo, características litológicas e presença de estruturas geológicas. A integração de ferramentas como simulações e métodos de interpretação qualitativa e quantitativa também auxiliam na caracterização e monitoramento ambiental de áreas de disposição de resíduos sólidos. O objetivo principal deste trabalho foi a avaliação de alguns parâmetros de aquisição 2D (arranjos eletródicos, espaçamento entre eletrodos e níveis de investigação) com os métodos da Eletrorresistividade e da Polarização Induzida, para caracterização e monitoramento ambiental. Esta avaliação foi realizada através do uso de modelagens diretas bidimensionais e ensaios de campo, tendo como área de estudos o antigo lixão do município de Ribeirão Preto-SP. O uso das modelagens diretas permitiu escolher os melhores parâmetros de aquisição de acordo com as respostas obtidas pelo modelo geológico-geofísico simulado. Os parâmetros de aquisição testados em campo refletiram os resultados obtidos através das modelagens diretas. O arranjo Polo-dipolo (a= 5 metros e n= 10) apresentou os melhores resultados (melhor resolução lateral e maior profundidade de investigação). Os resultados obtidos com as investigações de campo comparados com resultados anteriores (1997), mostraram que ainda há contaminação, marcada por baixos valores de resistividade elétrica (1 à 30 Ohm.m) e altos valores de cargabilidade (15 à 50 mV/V). / Due to the increasing concern with the environmental protection and preservation of the shallow water and groundwater aquifers quality, the areas of disposal of residues, have been special attention of the environmental protection agency. Currently the geoelectrical methods have been largely used as an investigation non-evasive methodology in affected areas by inadequate disposal of urban solid and industrial residues, because it provides information of the localization and geometrical characteristics of the waste disposal, contamination plume extent, saturated zone position, underground flow direction and geologic characteristic, if the techniques and the acquisition parameters are adequately chosen. The simulations and interpretation methods also assists during the characterization and environmental monitoring of landfill areas. The objective of this research was the evaluation of the acquisition field parameters (electrodes arrays, electrodes spacing and number of the investigations levels) and 2D investigations with the resistivity and induced polarization methods for characterization and environmental monitoring. This evaluation was carried through the use of 2D forward modeling and field investigations in old landfill site at Ribeirão Preto city, São Paulo, Brazil. The use of the forward modeling allowed to choose the best field acquisition parameters in accordance with the answers for the geologic-geophysical simulated model. The comparison between our results and previous results showed contamination marked for low electric resistivity values (1 ? 30 Ohm.m) and high chargeability values (15 ? 50 mV/V) and also that the tested parameters of acquisition in agreement with the results of the forward modeling. The Pole-dipole array (a= 5 meters and n= 10) show the best result (resolution image and investigation depth), forward modelling and field acquisition.

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2017-05-03T13:18:17Z No. of bitstreams: 1 elisondafonsecaesilva.pdf: 5310395 bytes, checksum: c89f2c8b3846fc7ab92440accf66f534 (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2017-05-13T13:33:58Z (GMT) No. of bitstreams: 1 elisondafonsecaesilva.pdf: 5310395 bytes, checksum: c89f2c8b3846fc7ab92440accf66f534 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-05-13T13:33:58Z (GMT). No. of bitstreams: 1 elisondafonsecaesilva.pdf: 5310395 bytes, checksum: c89f2c8b3846fc7ab92440accf66f534 (MD5) Previous issue date: 2010-11-26 / Este trabalho estudou a composição química e metalográfica (microestrutura, tamanho de grão, teor de inclusões) de aços inoxidáveis austeníticos, desenvolvidos para aplicações como biomateriais, utilizados na fabricação de implantes ortopédicos, removidos de pacientes afetados por quadro inflamatório, e comparou as superfícies das amostras, através da Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) após ataque eletroquímico. Os resultados da análise química, por Espectrometria de Emissão Ótica e Microanálise por Dispersão de Energia (EDS), mostraram que todos os grupos apresentaram conformidade com as normas ASTM F138-92 e ABNT NBR ISO 5832-9:2008. O tamanho de grão foi determinado por Microscopia Ótica e Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV). As superfícies das amostras foram analisadas por Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV), depois de serem submetidos a ensaio de polarização cíclica potenciodinâmica em potencial de 50 mV após a região passiva em meio de solução de Ringer Lactato e solução de NaCl 0,9 mol.L-1na temperatura de 36,5 oC. Essas análises por MEV foram conduzidas nas amostras para identificar o tipo de corrosão apresentada. Concluiu-se que todos os implantes apresentavam tamanho de grão superior ao recomendado pela norma. Constatou-se também a presença de ferrita delta em oito dos doze implantes removidos, que de acordo com a norma ASTM 138-92, não deveria ser percebida microscopicamente com um aumento de 100 vezes. Verificou-se ainda que em meio de NaCl, o aço ISO 5832-9 ao contrário do aço F138, não apresentou nenhuma forma de corrosão localizada. Em solução de Ringer lactato, após ataque por 15 min. no potencial de 1000 mV/ECS foi notada a presença de pites no aço ISO 5832-9. O ensaio de polarização cíclica revelou que um dos aços, identificado como ISO 5832 9 apresentou resistência à corrosão localizada muito superior ao outro identificado como F 138, além de não liberar íons metálicos nas soluções eletrolíticas. Essa propriedade é principalmente atribuída ao aumento da estabilidade do filme passivo, que por sua vez, é favorecida pela presença do nitrogênio em solução sólida intersticial na austenita do aço ISO 5832-9. Os ensaios de polarização revelaram-se úteis para indicar a baixa resistência à corrosão por pites exibida “in-vitro” pelas próteses. As amostras do aço F 138 após serem submetidas ao ensaio eletroquímico em solução de Ringer lactato apresentaram perdas de 63% de níquel e 26% de ferro em relação à composição inicial. Tais elementos foram deslocados eletroquimicamente na forma iônica para a solução de Ringer lactato, onde formaram precipitados sendo, portanto, um forte indicador de que as reações sofridas pelos portadores das próteses foram motivadas por esses íons metálicos, que são posteriormente incorporados no organismo. Pretende-se com os resultados dessa pesquisa propor aos órgãos governamentais reguladores de normas técnicas e de vigilância sanitária, bem como a médicos e hospitais que exijam dos fabricantes de próteses de aços inoxidáveis laudos técnicos que atestem a qualidade dos implantes, onde cada lote de fabricação das peças seja acompanhado por certificados garantindo a composição química e as características metalográficas especificadas pelas norma existentes no Brasil. / This work has studied the chemical and metallographic composition (microstructure, grain size, inclusion rate) of austenitic stainless steels which were developed to be applied as biomaterials, and used in the production of orthopedical implants, removed from patients which had been affected by inflammation; it has also been compared the sample surfaces, by means of scanning electronic microscopy (SEM) after electrochemical attack. The results of chemical analysis, performed by optical emission spectroscopy and Energy Dispersive Spectroscopy (EDS) have shown that all samples are in agreement with the ASTM F138-92 e ABNT NBR ISO 5832-9:2008 regulations, whereas the grain size has been determined by optical microscopy and SEM. The surfaces of the samples were analyzed by SEM and EDS techniques; samples were submitted to potentiodynamic cyclic polarization tests in 50 mV potential after the passivation region in Ringer lactate and NaCl 0,9 mol.L-1 solutions at 36,5C; such SEM measurements were done to identify the type of corrosion over the samples. It has been concluded that all implants showed average grain sizes above the recommended by the regulations; also the presence of delta ferrite in eight of the twelve investigated implants has been seen, which according to the ASTM 138-92 regulation this would not been possible even with a 100-fold increase at the optical microscope. It has also been verified that in NaCl medium the ISO 5832-9 steel did not present any kind of localized corrosion, instead of F 138 steel; in Ringer lactate solution, after 15 minutes attack at 1000mV/SCE, has been noted the presence of pits for ISO 5832-9 steel. The cyclic polarization measurements have revealed that one of the investigated steels, named ISO 5832-9, presented a very high resistance to localized corrosion when compared to the F 138 samples, besides they did not release metallic ions to the electrolytic solutions. This characteristic can be mainly attributed to the increasing of the passivation film stability, which is also favored by the presence of nitrogen atoms in the solid solution composing the structure of ISO 5832-9 steel. The pit corrosion tests have shown very useful to indicate the low resistance to pit corrosion, present “in-vitro” in all the studied samples. The EDS mapping analysis of F 138 samples, submitted to electrochemical attack in Ringer lactate medium, have shown a loss of 63% of nickel and 26% of iron, when compared to the initial composition; such metals were electrochemically solubilized to the Ringer lactate solution, where they can probably precipitate from the solution, being a strong indication that the reactions taking place in the patients have been motivated by these metal ions, which can be incorporated by the human body. The obtained results of this work are the basis of a tentative proposition to the governmental organisms which are the responsible for the regulation of the technical specifications for the prosthesis producers, requiring from them technical reports assuring the quality for the implant pieces, i.e., for each manufacturing lot a description or a special certificate containing the chemical composition and the metallographic characteristics specified by the Brazilian laws.

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2017-10-02T19:31:50Z No. of bitstreams: 1 felipedesouzadelgado.pdf: 2621698 bytes, checksum: f2d2c40acc8fdf80a70c9f39aabc0cc9 (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2017-10-09T19:46:37Z (GMT) No. of bitstreams: 1 felipedesouzadelgado.pdf: 2621698 bytes, checksum: f2d2c40acc8fdf80a70c9f39aabc0cc9 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-10-09T19:46:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 felipedesouzadelgado.pdf: 2621698 bytes, checksum: f2d2c40acc8fdf80a70c9f39aabc0cc9 (MD5) Previous issue date: 2017-08-24 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Esta dissertação apresenta a produção de redes de período longo em fibras ópticas por descargas de arcos elétricos e o seu uso em aplicações de sensoriamento de corrente em veículos aéreos não tripulados. Os aspectos teóricos fundamentais para o entendimento das redes de período longo são apresentados. Além disso, discutiu-se os diferentes tipos de acoplamentos de energia que podem ocorrer em uma rede de período longo e também, os mecanismos responsáveis pela formação dessas redes produzidas por descargas de arco elétrico. A fabricação de redes de período longo utilizando a técnica de arco elétrico foi descrita e o comportamento da perda dependente da polarização das redes produzidas foi investigado. Além disso, é apresentado um novo método para a produção de redes de período longo com perda dependente da polarização reduzida. Constatou-se que por meio de alterações no ângulo de incidência das descargas elétricas na fibra óptica em relação à um ponto de referência, é possível promediar os efeitos induzidos pontualmente por cada descarga de arco elétrico e assim, reduzir a perda dependente da polarização intrínseca dessas redes. Por fim, é apresentada a aplicação de uma rede produzida por arco elétrico combinada a um ímã de neodímio, compondo um novo dispositivo de sensoriamento para medir a corrente elétrica exigida pelos motores elétricos de um veículo aéreo não tripulado. / This dissertation presents the fabrication of long-period fiber gratings through electric arc discharges and their application in current sensing in unmanned aerial vehicles. The theoretical aspects of long-period gratings are presented. Besides, we discussed the different types of coupling that could occur in a long-period fiber grating, as well as the mechanisms responsible for the formation of the gratings produced by electric arc discharges. The manufacture process of the long-period gratings using the electric arc technique was described and the behavior of the polarization dependent loss of these gratings was investigated. In addition, a new method for the production of long period gratings with reduced polarization dependent loss is introduced. It has been found that by changing the incidence angle of the electric discharges in the optical fiber in relation to a reference point, it is possible to average the effects induced by each electric arc discharge and, therefore, reducing the intrinsic polarization dependent loss of these gratings. Finally, the application of a grating produced by electric arc combined with a neodymium permanent magnet is presented. This combination allows us to measure the electric current required by a motor of an unmanned aerial vehicle.

The significant advances in fiber-optic technology have broadened the optical network\'s reach into end-user business premises and even homes, allowing new services and technologies to be delivered to the customers. The next wave of innovation will certainly generate numerous opportunities provided by the widespread popularity of emerging solutions and applications such as tactile Internet, telemedicine and real time 3-D content generation, making them part of everyday life. Nevertheless, to support such an unprecedented and insatiable demand of data traffic, higher capacity and security, flexible bandwidth allocation and cost-efficiency have become crucial requirements for technologies candidate for future optical access networks. To this aim, optical code-division multiple-access (OCDMA) technology is considered as a prospective candidate, particularly due to features like asynchronous transmissions, flexible as well as conscious bandwidth resource distribution and support to differentiated services at the physical layer, to name but a few. In this context, this thesis proposes new mathematical formalisms for bit error rate, packet throughput and packet delay to assess the performance of flexible OCDMA networks capable of providing multiservice multirate transmissions according to users\' requirements. The proposed analytical formalisms do not require the knowledge a priori of the users\' code sequences, which means that the network performance can be addressed in a simple and straightforward manner using the code parameters only. In addition, the developed analytical formalisms account for a general number of distinct users\' classes as well as general probability of interference among users. Hence, these formalisms can be successfully applied for performance evaluation of flexible OCDMA networks not only under any number of users\' classes in a network, but also for most spreading codes with good correlation properties. The packet throughput expression is derived assuming Poisson, binomial and Markov chain approaches for the composite packet arrivals with the latter defined as benchmark. Then, it is shown via numerical simulation the Poisson-based expression is not appropriate for a reliable throughput estimate when compared to the benchmark (Markov) results. The binomial-based throughput equation, by its turn, provides results as accurate as the benchmark. In addition, the binomial-based throughput is numerically more convenient and computationally more efficient than the Markov chain approach, whereas the Markov-based one is computationally expensive, particularly if the number of users is large. The bit error rate (BER) expressions are derived considering gaussian and binomial distributions for the multiple-access interference and it is shown via numerical simulations that accurate performance of flexible OCDMA networks is only obtained with the binomial-based BER expression. This thesis also proposes and investigates a network architecture for Internet protocol traffic over flexible OCDMA with support to multiservice multirate transmissions, which is independent of the employed spreading code and does not require any new optical processing technology. In addition, the network performance assumes users transmitting asynchronously using receptors based on intensity-modulation direct-detection schemes. Numerical simulations shown that the proposed network performs well when its users are defined with high-weight code or when the channel utilization is low. The BER and packet throughput performance of an OCDMA network that provides multirate transmissions via multicode technique with two codes assigned to each single user is also addressed. Numerical results show that this technique outperforms classical techniques based on multilength code. Finally, this thesis addresses a new breakthrough technology that might lead to higher levels of security at the physical layer of optical networks. This technology consists in the generation of deterministic chaos from a commercial free-running vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL). The chaotic dynamics is generated by means of mechanical strains loaded onto an off-the-shelf quantum-well VCSEL using a simple and easily replicable holder. Deterministic chaos is then achieved, for the first time, without any additional complexity of optical feedback, parameter modulation or optical injection. The simplicity of the proposed system, which is based entirely on low-cost and easily available components, opens the way to the widespread use of commercial and free-running VCSEL devices for chaos-based applications. This off-the-shelf and cost-effective optical chaos generator has the potential for not only paving the way towards new security platforms in optical networks like, for example, successfully hiding the user information in an unpredictable, random-like signal against eventual eavesdroppers, but also for influencing emerging chaos applications initially limited or infeasible due to the lack of low-cost solutions. Furthermore, it leads the way to future realization of emerging applications with high-integrability and -scalability such as two-dimensional arrays of chaotic devices comprising hundreds of individual sources to increase requirements for random bit generation, cryptography or large-scale quantum networks. / Os avanços relacionados a tecnologia fotônica ampliaram o alcance das redes de comunicação óptica tanto em instalações de estabelecimentos comerciais quanto em residências, permitindo que novos serviços e tecnologias fossem entregues aos clientes. A próxima onda de inovação certamente gerará inúmeras oportunidades proporcionadas pela popularidade de soluções emergentes e aplicações como a Internet tátil, a telemedicina e a geração de conteúdo 3-D em tempo real, tornando-os parte da vida cotidiana. No entanto, para suportar a crescente demanda de tráfego atual, uma maior capacidade e segurança, alocação flexível de largura de banda e custo-eficiência tornaram-se requisitos cruciais para as tecnologias candidatas a futuras redes de acesso óptico. Para este fim, a tecnologia de acesso múltiplo por divisão de código óptico (OCDMA) é considerada um candidato em potencial, particularmente devido a características como transmissões assíncronas, distribuição flexível de banda larga e suporte a serviços diferenciados na camada física, para citar apenas alguns. Neste contexto, esta tese propõe novos formalismos matemáticos para a taxa de erro de bits, taxa de transferência de pacotes e atraso de pacotes para avaliar o desempenho de redes OCDMA flexíveis capazes de fornecer transmissões em múltiplas qualidades de serviço (QoS) de acordo com as necessidades dos usuários. Os formalismos analíticos propostos não requerem o conhecimento a priori das sequências de código dos usuários, o que significa que o desempenho da rede pode ser abordado de forma simples e direta usando apenas os parâmetros de código. Além disso, os formalismos analíticos desenvolvidos representam um número geral de classes de usuários distintos, bem como a probabilidade geral de interferência entre os usuários. Portanto, esses formalismos podem ser aplicados com sucesso na avaliação de desempenho de redes OCDMA flexíveis não apenas em qualquer número de classes de usuários em uma rede, mas também para a maioria dos códigos de espalhamento com boas propriedades de correlação. A expressão de taxa de transferência de pacotes é derivada assumindo aproximações de Poisson, binomial e de cadeia de Markov para as chegadas de pacotes compostos, com a última definida como benchmark. Em seguida, é mostrado via simulação numérica que a expressão baseada em Poisson não é apropriada para uma estimativa confiável de taxa de transferência quando comparada aos resultados de benchmark (Markov). A equação de taxa de transferência binomial, por sua vez, fornece resultados tão precisos quanto o benchmark. Além disso, a taxa de transferência binomial é numericamente mais conveniente e computacionalmente eficiente quando comparada com abordagem de Markov, enquanto esta última é computacionalmente dispendiosa, particularmente se o número de usuários é grande. As expressões de taxa de erro de bit (BER) são derivadas considerando distribuições gaussianas e binomiais para a interferência de acesso múltiplo e é mostrado por meio de simulações numéricas que o desempenho exato de redes OCDMA flexíveis é obtido somente com a expressão binomial de BER. Esta tese também propõe e investiga uma arquitetura de rede para o tráfego de protocolo de Internet sobre OCDMA flexível com suporte a transmissões de QoS e de múltiplas taxas, que é independente do código de espalhamento empregado e não requer qualquer nova tecnologia de processamento óptico. Além disso, o desempenho da rede assume que os usuários transmitem de forma assíncrona usando receptores baseados em esquemas de detecção direta de modulação de intensidade. As simulações numéricas mostraram que a rede proposta possui melhor desempenho quando seus usuários são definidos com peso de código alto ou quando a utilização do canal é baixa. O desempenho da BER e da taxa de transferência de pacotes de uma rede OCDMA que fornece transmissões de múltiplas taxas por meio de uma técnica multi-código com dois códigos atribuídos a cada usuário é também abordado. Os resultados numéricos mostram que esta técnica supera as técnicas clássicas baseadas no código de comprimento múltiplo. Finalmente, esta tese aborda uma nova tecnologia que pode levar a níveis mais elevados de segurança na camada física de redes ópticas. Esta tecnologia consiste na geração de caos determinístico a partir de um laser de emissão superficial com cavidade vertical (VCSEL). A dinâmica caótica é gerada através da aplicação de forças mecânicas em um VCSEL comercial usando um suporte simples e facilmente replicável. O caos determinístico é então alcançado, pela primeira vez, sem qualquer complexidade adicional de realimentação óptica, modulação de parâmetros ou injeção óptica. A simplicidade do sistema proposto, o qual se baseia inteiramente em componentes de baixo custo e que são facilmente encontrados, abre o caminho para o uso de dispositivos VCSEL comerciais para aplicações baseadas em caos. Este gerador de caos óptico tem o potencial não só de pavimentar o caminho para novas plataformas de segurança em redes ópticas, como, por exemplo, ocultar com êxito as informações do usuário em um sinal imprevisível e aleatório contra eventuais invasores, como também tem o potencial de influenciar aplicações de caos emergentes inicialmente limitadas ou inviáveis devido à falta de soluções de baixo custo. Além disso, ele conduz o caminho para a realização futura de aplicações emergentes com alta integridade e escalabilidade, tais como matrizes bidimensionais de dispositivos caóticos que compreendem centenas de fontes individuais para aumentar as necessidades de geração de bit aleatória, criptografia ou redes quânticas de grande escala.

A maior parte das concessionárias de energia elétrica brasileiras normalmente não trata as falhas em transformadores de distribuição como um problema relevante sob ponto de vista financeiro, uma vez que qualquer ação preventiva para minimizar o problema dentro da realidade atual pode ser mais onerosa. Portanto, políticas adequadas para investigar as falhas de transformadores de distribuição são geralmente relegadas a segundo plano ou às vezes nem existem. Neste contexto, a informação existente em falhas de transformadores pode não conter dados importantes. No entanto, novas leis que afetam as concessionárias de energia estão mais severas e demandam por maior eficiência por parte delas. Neste novo cenário, uma metodologia forense, criada há muitos anos por várias concessionárias para analisar falhas em transformadores de distribuição, foi recentemente resgatada com a análise de 3159 equipamentos. Essa metodologia é conhecida como Metodologia Forense para Transformadores de Distribuição (MFTD) e será utilizada como ferramenta de diagnóstico para estudos de casos. Novos testes e ensaios como medição de resistência de isolamento, índice de absorção dielétrica e polarização, análise físico-química entre outros, serão agregados à metodologia forense para aprimorá-la. Além disso, os para-raios, sendo parte do sistema de proteção de transformadores de distribuição, também são estudados com o objetivo de verificar possíveis falhas de projeto e desafios a serem superados. / Most Brazilian utility companies normally do not treat failures in distribution transformers as a relevant problem in large financial point of view, since any preventive action to minimize them within the current reality can be more costly. Thus, proper policies for investigating faults in distribution transformers are usually disregarded by the power utilities and sometimes policies may not even exist. In this context, existing information on faulty distribution transformers may not contain important data. However, new laws affecting power distribution companies are becoming more severe and there are demands for greater efficiency. In this new scenario, a forensic methodology to analyse faults in distribution transformers, created some years ago by many utilities, has recently been resurrected with the analysis of 3,159 distribution transformers. This methodology is known as Forensic Analysis Applied to Distribution Transformers (FAADT). New tests and trials as measuring insulation resistance, polarization index and dielectric absorption, physical and chemical analysis among others, will be added to the forensic methodology to improve it. Moreover, the surge-arresters, being part of the system of protection of distribution transformers, are also studied in order to evaluate possible design flaws and challenges to overcome.

A maior parte das concessionárias de energia elétrica brasileiras normalmente não trata as falhas em transformadores de distribuição como um problema relevante sob ponto de vista financeiro, uma vez que qualquer ação preventiva para minimizar o problema dentro da realidade atual pode ser mais onerosa. Portanto, políticas adequadas para investigar as falhas de transformadores de distribuição são geralmente relegadas a segundo plano ou às vezes nem existem. Neste contexto, a informação existente em falhas de transformadores pode não conter dados importantes. No entanto, novas leis que afetam as concessionárias de energia estão mais severas e demandam por maior eficiência por parte delas. Neste novo cenário, uma metodologia forense, criada há muitos anos por várias concessionárias para analisar falhas em transformadores de distribuição, foi recentemente resgatada com a análise de 3159 equipamentos. Essa metodologia é conhecida como Metodologia Forense para Transformadores de Distribuição (MFTD) e será utilizada como ferramenta de diagnóstico para estudos de casos. Novos testes e ensaios como medição de resistência de isolamento, índice de absorção dielétrica e polarização, análise físico-química entre outros, serão agregados à metodologia forense para aprimorá-la. Além disso, os para-raios, sendo parte do sistema de proteção de transformadores de distribuição, também são estudados com o objetivo de verificar possíveis falhas de projeto e desafios a serem superados. / Most Brazilian utility companies normally do not treat failures in distribution transformers as a relevant problem in large financial point of view, since any preventive action to minimize them within the current reality can be more costly. Thus, proper policies for investigating faults in distribution transformers are usually disregarded by the power utilities and sometimes policies may not even exist. In this context, existing information on faulty distribution transformers may not contain important data. However, new laws affecting power distribution companies are becoming more severe and there are demands for greater efficiency. In this new scenario, a forensic methodology to analyse faults in distribution transformers, created some years ago by many utilities, has recently been resurrected with the analysis of 3,159 distribution transformers. This methodology is known as Forensic Analysis Applied to Distribution Transformers (FAADT). New tests and trials as measuring insulation resistance, polarization index and dielectric absorption, physical and chemical analysis among others, will be added to the forensic methodology to improve it. Moreover, the surge-arresters, being part of the system of protection of distribution transformers, are also studied in order to evaluate possible design flaws and challenges to overcome.

The significant advances in fiber-optic technology have broadened the optical network\'s reach into end-user business premises and even homes, allowing new services and technologies to be delivered to the customers. The next wave of innovation will certainly generate numerous opportunities provided by the widespread popularity of emerging solutions and applications such as tactile Internet, telemedicine and real time 3-D content generation, making them part of everyday life. Nevertheless, to support such an unprecedented and insatiable demand of data traffic, higher capacity and security, flexible bandwidth allocation and cost-efficiency have become crucial requirements for technologies candidate for future optical access networks. To this aim, optical code-division multiple-access (OCDMA) technology is considered as a prospective candidate, particularly due to features like asynchronous transmissions, flexible as well as conscious bandwidth resource distribution and support to differentiated services at the physical layer, to name but a few. In this context, this thesis proposes new mathematical formalisms for bit error rate, packet throughput and packet delay to assess the performance of flexible OCDMA networks capable of providing multiservice multirate transmissions according to users\' requirements. The proposed analytical formalisms do not require the knowledge a priori of the users\' code sequences, which means that the network performance can be addressed in a simple and straightforward manner using the code parameters only. In addition, the developed analytical formalisms account for a general number of distinct users\' classes as well as general probability of interference among users. Hence, these formalisms can be successfully applied for performance evaluation of flexible OCDMA networks not only under any number of users\' classes in a network, but also for most spreading codes with good correlation properties. The packet throughput expression is derived assuming Poisson, binomial and Markov chain approaches for the composite packet arrivals with the latter defined as benchmark. Then, it is shown via numerical simulation the Poisson-based expression is not appropriate for a reliable throughput estimate when compared to the benchmark (Markov) results. The binomial-based throughput equation, by its turn, provides results as accurate as the benchmark. In addition, the binomial-based throughput is numerically more convenient and computationally more efficient than the Markov chain approach, whereas the Markov-based one is computationally expensive, particularly if the number of users is large. The bit error rate (BER) expressions are derived considering gaussian and binomial distributions for the multiple-access interference and it is shown via numerical simulations that accurate performance of flexible OCDMA networks is only obtained with the binomial-based BER expression. This thesis also proposes and investigates a network architecture for Internet protocol traffic over flexible OCDMA with support to multiservice multirate transmissions, which is independent of the employed spreading code and does not require any new optical processing technology. In addition, the network performance assumes users transmitting asynchronously using receptors based on intensity-modulation direct-detection schemes. Numerical simulations shown that the proposed network performs well when its users are defined with high-weight code or when the channel utilization is low. The BER and packet throughput performance of an OCDMA network that provides multirate transmissions via multicode technique with two codes assigned to each single user is also addressed. Numerical results show that this technique outperforms classical techniques based on multilength code. Finally, this thesis addresses a new breakthrough technology that might lead to higher levels of security at the physical layer of optical networks. This technology consists in the generation of deterministic chaos from a commercial free-running vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL). The chaotic dynamics is generated by means of mechanical strains loaded onto an off-the-shelf quantum-well VCSEL using a simple and easily replicable holder. Deterministic chaos is then achieved, for the first time, without any additional complexity of optical feedback, parameter modulation or optical injection. The simplicity of the proposed system, which is based entirely on low-cost and easily available components, opens the way to the widespread use of commercial and free-running VCSEL devices for chaos-based applications. This off-the-shelf and cost-effective optical chaos generator has the potential for not only paving the way towards new security platforms in optical networks like, for example, successfully hiding the user information in an unpredictable, random-like signal against eventual eavesdroppers, but also for influencing emerging chaos applications initially limited or infeasible due to the lack of low-cost solutions. Furthermore, it leads the way to future realization of emerging applications with high-integrability and -scalability such as two-dimensional arrays of chaotic devices comprising hundreds of individual sources to increase requirements for random bit generation, cryptography or large-scale quantum networks. / Os avanços relacionados a tecnologia fotônica ampliaram o alcance das redes de comunicação óptica tanto em instalações de estabelecimentos comerciais quanto em residências, permitindo que novos serviços e tecnologias fossem entregues aos clientes. A próxima onda de inovação certamente gerará inúmeras oportunidades proporcionadas pela popularidade de soluções emergentes e aplicações como a Internet tátil, a telemedicina e a geração de conteúdo 3-D em tempo real, tornando-os parte da vida cotidiana. No entanto, para suportar a crescente demanda de tráfego atual, uma maior capacidade e segurança, alocação flexível de largura de banda e custo-eficiência tornaram-se requisitos cruciais para as tecnologias candidatas a futuras redes de acesso óptico. Para este fim, a tecnologia de acesso múltiplo por divisão de código óptico (OCDMA) é considerada um candidato em potencial, particularmente devido a características como transmissões assíncronas, distribuição flexível de banda larga e suporte a serviços diferenciados na camada física, para citar apenas alguns. Neste contexto, esta tese propõe novos formalismos matemáticos para a taxa de erro de bits, taxa de transferência de pacotes e atraso de pacotes para avaliar o desempenho de redes OCDMA flexíveis capazes de fornecer transmissões em múltiplas qualidades de serviço (QoS) de acordo com as necessidades dos usuários. Os formalismos analíticos propostos não requerem o conhecimento a priori das sequências de código dos usuários, o que significa que o desempenho da rede pode ser abordado de forma simples e direta usando apenas os parâmetros de código. Além disso, os formalismos analíticos desenvolvidos representam um número geral de classes de usuários distintos, bem como a probabilidade geral de interferência entre os usuários. Portanto, esses formalismos podem ser aplicados com sucesso na avaliação de desempenho de redes OCDMA flexíveis não apenas em qualquer número de classes de usuários em uma rede, mas também para a maioria dos códigos de espalhamento com boas propriedades de correlação. A expressão de taxa de transferência de pacotes é derivada assumindo aproximações de Poisson, binomial e de cadeia de Markov para as chegadas de pacotes compostos, com a última definida como benchmark. Em seguida, é mostrado via simulação numérica que a expressão baseada em Poisson não é apropriada para uma estimativa confiável de taxa de transferência quando comparada aos resultados de benchmark (Markov). A equação de taxa de transferência binomial, por sua vez, fornece resultados tão precisos quanto o benchmark. Além disso, a taxa de transferência binomial é numericamente mais conveniente e computacionalmente eficiente quando comparada com abordagem de Markov, enquanto esta última é computacionalmente dispendiosa, particularmente se o número de usuários é grande. As expressões de taxa de erro de bit (BER) são derivadas considerando distribuições gaussianas e binomiais para a interferência de acesso múltiplo e é mostrado por meio de simulações numéricas que o desempenho exato de redes OCDMA flexíveis é obtido somente com a expressão binomial de BER. Esta tese também propõe e investiga uma arquitetura de rede para o tráfego de protocolo de Internet sobre OCDMA flexível com suporte a transmissões de QoS e de múltiplas taxas, que é independente do código de espalhamento empregado e não requer qualquer nova tecnologia de processamento óptico. Além disso, o desempenho da rede assume que os usuários transmitem de forma assíncrona usando receptores baseados em esquemas de detecção direta de modulação de intensidade. As simulações numéricas mostraram que a rede proposta possui melhor desempenho quando seus usuários são definidos com peso de código alto ou quando a utilização do canal é baixa. O desempenho da BER e da taxa de transferência de pacotes de uma rede OCDMA que fornece transmissões de múltiplas taxas por meio de uma técnica multi-código com dois códigos atribuídos a cada usuário é também abordado. Os resultados numéricos mostram que esta técnica supera as técnicas clássicas baseadas no código de comprimento múltiplo. Finalmente, esta tese aborda uma nova tecnologia que pode levar a níveis mais elevados de segurança na camada física de redes ópticas. Esta tecnologia consiste na geração de caos determinístico a partir de um laser de emissão superficial com cavidade vertical (VCSEL). A dinâmica caótica é gerada através da aplicação de forças mecânicas em um VCSEL comercial usando um suporte simples e facilmente replicável. O caos determinístico é então alcançado, pela primeira vez, sem qualquer complexidade adicional de realimentação óptica, modulação de parâmetros ou injeção óptica. A simplicidade do sistema proposto, o qual se baseia inteiramente em componentes de baixo custo e que são facilmente encontrados, abre o caminho para o uso de dispositivos VCSEL comerciais para aplicações baseadas em caos. Este gerador de caos óptico tem o potencial não só de pavimentar o caminho para novas plataformas de segurança em redes ópticas, como, por exemplo, ocultar com êxito as informações do usuário em um sinal imprevisível e aleatório contra eventuais invasores, como também tem o potencial de influenciar aplicações de caos emergentes inicialmente limitadas ou inviáveis devido à falta de soluções de baixo custo. Além disso, ele conduz o caminho para a realização futura de aplicações emergentes com alta integridade e escalabilidade, tais como matrizes bidimensionais de dispositivos caóticos que compreendem centenas de fontes individuais para aumentar as necessidades de geração de bit aleatória, criptografia ou redes quânticas de grande escala.