Integrated Silicon Photonics has emerged as a powerful platform in the last two decades amongst high-bandwidth technologies, particularly since the adop- tion of CMOS compatible silicon-on-insulator(SOI) substrates. Microring res- onators are one of the fundamental blocks on a photonic integrated circuit chip o ering versatility in varied applications like sensing, optical bu ering, ltering, loss measurements, lasing, nonlinear e ects, understanding cavity optomechanics etc. This thesis covers the design and modeling of microring resonators for biosensing applications. The two applications considered are : homogeneous biosensing and wrist pulse pressure monitoring. Also, the designs have been used to fabricate ring resonator device using three different techniques. The results obtained through characterization of these devices are presented. Following are the observations made in lieu of this: 1) Design modeling and analysis - The analysis of ring resonator requires the study of both the straight and bent waveguide sections. Both rib and strip waveguide geometries have been considered for constructing the device as a building block by computing their respective eigen modes for both quasi-TE and quasi-TM polarizations. The non-uniform evanescent coupling between the straight and curved waveguide has been estimated using coupled mode theory. This method provided in estimating the quality-factor and free spec- tral range (FSR) of the ring-resonator. A case for optimizing the waveguide gap in the directional coupler section of a ring resonator has been presented for homogeneous biosensing application. On similar lines, a model of applying ring resonator for arterial pulse-pressure measurement has been analyzed. The results have been obtained by employing FD-BPM and FDTD including semi- vectorial eigen mode solutions to evaluate the spectral characteristics of ring resonator. The modeling and analytical results are supported by commercial software tools (RSoft). 2) Fabrication and Characterization - For the fabrication, we employ the design of ring resonator of radius 20 m on SOI substrate with two different waveguide gaps of 350 and 700 nm. Three different process sows have been used for fabricating the same device. The rst technique involved using negative e-beam resist HSQ which after exposure becomes SiO2, acts as a mask for Reactive-Ion Etching (RIE); helping in eliminating an additional step. The second technique involved the use of positive e-beam resist, PMMA for device patterning followed by metal deposition with lift-o . The third tech- nique employed was Focussed Ion-beam (FIB) which is resist-less patterning by bombarding Ga+ ions directly onto the top surface of the wafer with the help of a GDS le. The characterization process involved estimation of loss and observing the be- havior of optical elds in the device around the wavelength of 1550 nm using near-field scanning optical microscopy (NSOM) measurement. The estimation of roughness-induced losses has been made by performing Atomic Force Microscopy (AFM) measurements. In summary, the thesis presents novel design and analysis of SOI based microring resonators for homogeneous biosensing and wrist pulse pressure sensing applications. Also, the fabrication and characterization of 20 m radius ring- resonator with 500 500 nm rib cross-section is presented. Hence, this study brings forth several practical issues concerning application of ring resonators to biosensing applications.

This thesis has two parts: In the first part, we study the dispersion characteristics of structural-acoustic waveguides by obtaining closed-form solutions for the coupled wave numbers. Two representative systems are considered for the above study: an infinite two-dimensional rectangular waveguide and an infinite fluid- filled orthotropic circular cylindrical shell. In the second part, these asymptotic expressions are used to study the nonlinear wave propagation in the same two systems. The first part involves obtaining asymptotic expansions for the fluid-structure coupled wave numbers in both the systems. Certain expansions are already available in the literature. Hence, the gaps in the literature are filled. Thus, for cylindrical shells even in vacuo wavenumbers are obtained as part of the objective. Here, singular and regular perturbation methods are used by taking the thickness parameter as the asymptotic parameter. Valid wavenumber expressions are obtained at all the frequencies. A transition in the behavior of the flexural wavenumbers occurs in the neighborhood of the ring frequency. This frequency of transition is identified for the orthotropic shells also. The closed-form expressions for the orthotropic shells are obtained in the limit of slight orthotropy for the circumferential orders n > 0 at all the frequency ranges. Following this, we derive the coupled wavenumber expressions for the two systems for an arbitrary fluid loading. Here, the two-dimensional rectangular waveguide is considered first. This rectangular waveguide has a one-dimensional plate and a rigid surface as its lateral boundaries. The effects due to the structural boundary are studied by analyzing the phase change due to the structure on an incident plane wave. The complications due to the cross-sectional modes are eliminated by ignoring the presence of the other rigid boundary. Dispersion characteristics are predicted at various regions of the dispersion diagram based on the phase change. Moreover, the also identified. Next, the rigid boundary is considered and the coupled dispersion relation for the waveguide is solved for the wavenumber expressions. The coupled wavenumbers are obtained as the coupled rigid-duct, the coupled structural and the coupled pressure-release wavenumbers. Next, based on the above asymptotic analysis on a two-dimensional rectangular waveguide, the asymptotic expansions are obtained for the coupled wavenumbers in isotropic and orthotropic fluid- filled cylindrical shells. The asymptotic expansions of the wavenumbers are obtained without any restriction on the fluid loading. They are compared with the numerical solutions and a good match is obtained. In the second part or the nonlinear section of the thesis, the coupled wavenumber expressions are used to study the propagation of small but a finite amplitude acoustic potential in the above structural-acoustic waveguides. It must be mentioned here that for the rst time in the literature, for a structural-acoustic system having a contained fluid, both the structure and the acoustic fluid are nonlinear. Standard nonlinear equations are used. The focus is restricted to non-planar modes. The study of the cylindrical shell parallels that of the 2-D rectangular waveguide, except in that the former is more practical and complicated due to the curvature. Thus, with regard to both systems, a narrow-band wavepacket of the acoustic potential centered around a frequency is considered. The approximate solution of the acoustic velocity potential is found using the method of multiple scales (MMS) involving both space and time. The calculations are presented up to the third order of the small parameter. It is found that the amplitude modulation is governed by the Nonlinear Schr•odinger equation (NLSE). The nonlinear term in the NLSE is analyzed, since the sign of the nonlinear term in the NLSE plays a role in determining the stability of the amplitude modulation. This sign change is predicted using the coupled wavenumber expressions. Secondly, at specific frequencies, the primary pulse interacts with its higher harmonics, as do two or more primary pulses with their resultant higher harmonic. This happens when the phase speeds of the waves match. The frequencies of such interactions are identified, again using the coupled wavenumber expressions. The novelty of this work lies firstly in considering nonlinear acoustic wave prop-agation in nonlinear structural waveguides. Secondly, in deriving the asymptotic expansions for the coupled wavenumbers for both the two-dimensional rectangular waveguide and the fluid- filled circular cylindrical shell. Then in using the same to study the behavior of the nonlinear term in NLSE. And lastly in identifying the frequencies of nonlinear interactions in the respective waveguides.

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Um Luminescent Solar Concentrators (LSC) é basicamente uma base plástica transparente ou vidro contendo centros luminescentes.Enquanto o recente avanço dos conversores de comprimento de onda tenha aberto novas possibilidades para o desenvolvimento de células solares mais eficientes, estes também abriram novas frentes de pesquisa.Uma destas frentes envolve os problemas encontrados com o uso de novos materiais. Como por exemplo, transferência de energia em polímeros. Surgem propriedades interessantes a respeito dos processos luminescentes ao longo destes sistemas planares.Por estes motivos esses sistemas podem ser aplicados como dispositivos optoeletrônicos, sensores e também em conversores de comprimento de onda. Este estudo descreve a fabricação de guias de onda planares multipoliméricos baseados em uma matrix acrílica (PMMA) dopada com polímeros emissores de luz. A função desta blenda polimérica é absorver um largo espectro de luz e re-emitir ao longo do guia de onda. Os dispositivos foram estudados em termos de suas características de absorção, emissão e excitação.Os polímeros emissores utilizados neste trabalho foram: MEH-PPV, Super Yellow, ADS-108GE, ADS-329BE, e LAPS-16. Estes materiais foram dissolvidos em tolueno e depositados pela técnica casting sobre substratos de vidro contendo filmes metálicos de alumínio.Usando esta configuração, a luz de excitação incidente é acoplada ao guia de onda por absorção e re-emissão através dos polímeros luminescentes. O estudo dos LSCs é realizado por medidas das emissões laterais e normais dos guias. Estes guias apresentam um espectro de emissão com características típicas de uma cavidade do tipo Fabri-Perot, com linhas extremamente estreitas (3 nm) e altamente polarizadas na direção paralela (modo TE) e perpendicular (TM) ao plano do guia de onda.A emissão destes guias é fortemente dependente de sua geometria e do índice de refração efetivo. Os mesmos filmes poliméricos, porém mais espessos (30 m), foram utilizados como conversores de comprimento de onda visando aplicação em conversores solares luminescentes (Luminescence Solar Converters, ou LSCs). O uso de baixas concentrações das moléculas utilizadas foi necessário para evitar possíveis formações de agregados quando altas concentrações de PMMA são utilizadas na preparação dos filmes. A metalização de uma das faces planares possibilitou o aumento da eficiência de conversão dos comprimentos de onda nos LSCs. A luminescência total dos polímeros é completamente convertida em luz de alto comprimento de onda na emissão lateral.Este processo não depende do comprimento de onda de excitação. A metalização de uma das faces planares possibilitou o aumento da eficiência de conversão dos LSCs. Neste sistema, a luz absorvida é convertida em luz de alto comprimento de onda e alta pureza espectral através de processos de reabsorção, relaxação interna e re-emissão que ocorrem ao longo do plano do LSC. A eficiência de conversão e as perdas em função da concentração polimérica na matriz foram estudadas para os LSCs.O escape dos fótons nas interfaces para ângulos menores que o ângulo crítico (c=arcsen(1/n)) e processos de transferência de energia em LSCs com alta concentração polimérica devem ser otimizados para sua aplicação como dispositivos. / Luminescent Solar Concentrators (LSC) are basically composed of a transparent plastic or glass substrate containing luminescent centers.While the recent advance in wavelength converters has opened up many new possibilities for development of more efficient photovoltaic cells, they have also raised new issues. A number of these issues involve problems of dealing with new materials and the understanding of physical process like energy transfer in polymers. Interesting features arise from the luminescent process along these planar systems. Therefore this system can be applied as optoelectronics devices, sensors and also in wavelength converters. This study describes the fabrication of planar multi-polymeric optical waveguides based on acrylic matrix (PMMA) doped with a light emitting polymers. The function of thispolymeric blendis to absorb a broad spectrum of light and re-emit it along the waveguide. The devices were studied in terms of its absorption, emission and excitation characteristics.The emitting polymers used in this research are: poly[2-methoxy-5-(2-ethyl-hexyloxy)-1,4-phenylenevinylene] (MEH-PPV), Super Yellow, Poly[(9,9-dioctyl-2,7-divinylenefluorenylene)-alt-co-{2-methoxy-5-(2-ethyl-hexyloxy)-1,4-phenylene}] called ADS108GE, Poly(9,9-dioctylfluorenyl-2,7-diyl) called ADS239BE, and poli-(9,9-n-dihexil-2,7-fluorenodilvinilene-alt-1,4-fenilenovinileno) or Laps16. Films of these materials dissolved in toluene were deposited by casting the polymethacrylate solution on top of a glass substrate containing a reflective aluminum layer. Using this configuration, the incident excitation light is coupled to the wave guide by its absorption and then re-emitted by the luminescent polymers. The LSCs characterization was carried out by measuring the lateral and the normal emissions of the guide. These waveguides show a light emission spectrum with characteristics similar to the Fabri-Perot cavity, where very narrow peaks (3 nm) and highly polarized emission in both TE and TM modes were observed. In addition, the emission is strongly dependent on its geometry and the effective refraction index. In other hand, thicker polymeric guides (30 m) were used as luminescence solar converters (LSCs). The optimal concentration of conjugated polymers solutions has to be very low in order to avoid the formation of aggregates since high PMMA concentrations have to be used in the LSC preparation.The total polymeric luminescence is fully converted to light of high wavelength for the case of lateral emission. This process does not depend on the excitation wavelength. The conversion efficiency was increased by evaporating metals on one planar face of the LSC. In this structure, light is absorbed and then converted to a higher wavelength with high spectral pureness through re-absorption, relaxation and re-emission processes occurring along the LSC plane. The conversion efficiency and the losses along the converter were studied as a function of the polymeric concentration, in order to optimize these structures. A better understanding of the process of energy transfer and photon leakage through the interfaces for angles smaller than the critical angle (c=arcsen(1/n)) is necessary for using LSCs as applied devices.

Os objetivos desta tese são: o estudo e aprimoramento dos diferentes parâmetros geométricos e de processo de fabricação de guias de onda ARROW (Anti-Resonant Reflecting Optical Waveguides), visando reduzir as perdas por propagação; e o projeto, fabricação e caracterização de sensores óptico integrados utilizando os processos aprimorados. Os parâmetros estudados foram: os materiais utilizados nas camadas antirresonantes, as espessuras destas camadas, a profundidade de corrosão para definição do rib e a rugosidade nas paredes laterais, que considera-se o parâmetro mais crítico no que diz respeito às perdas por propagação obtidas com o processo de fabricação utilizado neste trabalho. Os materiais utilizados na fabricação dos guias de onda ARROW sobre substrato de silício foram filmes de oxinitreto de silício (SiOxNy) depositados por PECVD à temperatura de 320°C, filmes de SiO2 crescidos em forno de oxidação em ambiente úmido a 1200°C e filmes de TiOxNy depositados pela técnica de Magnetron Sputtering Reativo. A definição das paredes laterais dessas estruturas foi feita através da Corrosão por Plasma Reativo (RIE) e técnicas fotolitográficas convencionais. Para o aprimoramento dos processos, as técnicas de caracterização utilizadas foram: medidas de perdas por propagação, utilizando a técnica de vista superior e a análise modal dos guias de onda. A principal contribuição deste trabalho foi a proposição de um processo de fabricação alternativo, onde pedestais são utilizados para a definição das paredes laterais antes da deposição do núcleo dos guias de onda. Este processo permitiu a redução significativa das perdas e o corte dos modos superiores para guias com larguras menores ou iguais a 6 µm. Finalmente, com os guias e os processos aperfeiçoados foram fabricados dois diferentes tipos de sensores ópticos: sensores refratométricos baseados em interferômetro de Mach-Zehnder (IMZ) e sensores de umidade baseados em absorção utilizando o polímero polipirrol (PPy). A caracterização dos sensores baseados em IMZ permitiu concluir que, embora se tenha observado uma resposta do sensor em termos de variação da potência na saída do dispositivo com a variação do índice de refração, esta variação possivelmente está sendo influenciada pela interferência multimodo resultante de limitações do processo de fabricação, o que reduz significativamente a sensibilidade com relação a valores projetados. Os sensores de umidade apresentaram uma variação significativa da potência de saída para umidades relativas ao redor de 70%, permitindo sua utilização em diferentes aplicações, como na indústria alimentícia e no monitoramento da qualidade do ar. / The main goals of this thesis are: the study and improvement of different geometrical and fabrication process parameters of Anti-Resonant Reflecting Optical Waveguides (ARROWs), aiming at reducing the propagation losses; and the design, fabrication and characterization of integrated optics sensors using the improved processes. The studied parameters were: the materials used as anti-resonant layers, the thickness of these layers, the rib height and the sidewall roughness (SWR), which is considered the most critical parameter with respect to propagation losses in the fabrication process used in this work. The materials used in the fabrication of ARROW waveguides over silicon substrate were silicon oxynitride (SiOxNy) films deposited by PECVD at 320°C, SiO2 films, thermally grown at 1200°C and TiOxNy films deposited by the reactive magnetron sputtering technique. The definition of the sidewalls of these waveguides was performed by Reactive Ion Etching (RIE) and conventional photolithographic techniques. The characterization techniques used were: propagation loss measurements, using the top view technique and modal analysis. The main contribution of this work was the proposition of an alternative fabrication process where pedestals are used in order to define the sidewalls before deposition of the core of the ARROW waveguides. This process allowed significant reduction of losses and cutoff of higher modes at widths of 6 µm. Finally, with the waveguides and improved processes two different types of optical sensors were fabricated: refractometric sensors based on Mach-Zehnder interferometer (IMZ) and humidity sensors based on evanescent field absorption using polypyrrole polymer (PPy). The characterization results of IMZ based sensors showed that, although a sensor response has been observed in terms of change of output power with variation of the external medium\'s refractive index, this variation is possibly being influenced by multimode interference resulting from limitations in the fabrication process. This significantly reduces the sensitivity with respect to designed values. The humidity sensors show a significant variation in output power for relative humidity values around 70%, allowing its use in different applications, such as in food industry and in air quality monitoring.

O presente trabalho apresenta a produção e a investigação das propriedades ópticas de guias de onda vítreos baseados no sistema PbO-GeO2, codopados com íons de érbio de itérbio e contendo nanopartículas metálicas de ouro e prata, para aplicações como dispositivos fotônicos na terceira janela de telecomunicações (1530 nm). Os guias de onda foram obtidos por meio de processos convencionais utilizados em microeletrônica usando a técnica RF Magnetron Sputtering para deposição do material sobre uma estrutura do tipo PEDESTAL. Os primeiros guias produzidos apresentaram irregularidades laterais próximas ao núcleo que contribuíram para o aumento das perdas. Mudanças no processo de fabricação como a diminuição da espessura da máscara de cromo usada para a corrosão do SiO2, etapa adicional para a corrosão e a diminuição da espessura do guia de onda proporcionaram redução das perdas por propagação e aumento do ganho óptico em ~50% estimado em 6,0 dB/cm, em 1530 nm, para um guia de onda de 80 µm de largura. Entretanto, as dificuldades para medir guias com menores larguras levaram-nos a produzir guia de onda PEDESTAL utilizando SiO2 como máscara de corrosão do silício que permitiram redução significativa das irregularidades lateral; neste caso foi possível medir a perda e o ganho em guias com largura de até 1 µm. Acrescenta-se que guias de 6 µm tiveram aumento do ganho em 50% na presença de nanopartículas de ouro, atingindo 7,5 dB/cm para potência de bombeamento de 60 mW, portanto inferior à utilizada para o caso do guia sem nanopartículas de ouro, cuja saturação do ganho ocorreu em 100 mW. Guias com nanopartículas de prata foram também produzidos, obtendo-se ganho máximo de 4,0 dB/cm para um guia de 80 µm. Os resultados obtidos nos guias de onda PbO-GeO2 codopados com Er3+ e Yb3+ são promissores e mostram possibilidade de aplicação dos guias de onda como amplificadores ópticos na terceira janela de telecomunicações. / This work presents the production and investigation of optical properties of erbium and ytterbium ions codoped PbO-GeO2 waveguides, containing metallic nanoparticles (NPs), for applications as photonic devices in the third window Telecommunications (1530 nm). The waveguides were obtained by microelectronics conventional processes and by RF Magnetron Sputtering technique using a pedestal type structure. The first pedestal waveguides presented irregulaties, in the lateral region, that contributed to the propagations losses enhancement. Changes in the fabrication process, as the decrease of the chromium used for SiO2 corrosion, additional step for the etching and decrease of the waveguide thickness provided reduction of the propagation losses and enhancement of the optical gain of about 50%; so we obtained 6.0 dB/ cm, at 1530 nm, for 80 µm waveguide width. The difficulty to measure waveguides with smaller width lead us to develop PEDESTAL waveguides using SiO2 as silicon mask for corrosion enabled the decrease of the roughness nearby the core. In this case it was possible to measure propagation losses and gain for waveguides width of 1 µm. It was obtained enhancement of 50 % for the waveguides with 6 µm width in the presence of gold NPs and the result was 7.5 dB/cm at 60 mW pumping power; for the case of the waveguide without gold NPs gain saturation occurred at 100 mW. Waveguides with silver NPs were also produced and the maximum gain was of 4.0 dB/cm for 80 µm. These results show the possibility of using Er3+and Yb3+ codoped PbO-GeO2 pedestal type waveguides as optical amplifiers in the third telecommunications window.

O presente trabalho tem como objetivo principal a produção e estudo de filmes de nitreto de alumínio (AlN) depositados por pulverização catódica (sputtering) reativa e a fabricação e caracterização de guias de onda tipo pedestal utilizando o AlN como núcleo. Inicialmente, filmes de AlN foram fabricados por pulverização catódica reativa (sputtering) de rádio frequência (RF) utilizando um alvo de alumínio (Al) com 99,999% de pureza, e nitrogênio (N2) como gás reativo. Subsequentemente, os filmes foram caracterizados mediante as técnicas de elipsometria, difração de raios X (DRX), espectroscopia de absorção por transformada de fourier na região do infravermelho (FTIR) e espectroscopia de absorção na região do ultravioleta e do visível (UV-VIS). Tendo as melhores condições ópticas e físicas para a deposição de filmes de AlN, foram fabricados neste trabalho guias de onda tipo pedestal utilizando estes filmes como núcleo. O guia de onda pedestal traz um processo de fabricação alternativo, em que a geometria do guia de onda determina-se na camada anterior ao do núcleo, assim já não é necessário delinear as paredes laterais da camada de núcleo facilitando desta forma, o processo de fabricação do dispositivo. Os guias de tipo pedestal fabricados neste trabalho foram definidos através da corrosão parcial do óxido de silício (SiO2) mediante a técnica de RIE (Reactive Ion Etching) usando gases trifluorometano (CHF3) e oxigênio (O2) como gases reativos. Uma vez definido o pedestal, um filme de nitreto de alumínio é depositado sobre o SiO2 com a finalidade de constituir o núcleo do guia de onda. O ar foi utilizado como revestimento superior, cujo índice de refração (n = 1) aumenta o confinamento da luz no núcleo e também para poder possibilitar a caracterização das perdas ópticas do dispositivo. Para esta caracterização usamos a técnica de vista superior que permitiu a análises das perdas ópticas de propagação para diferentes alturas de pedestal e diferentes espessuras de núcleo tanto para filmes de AlN orientado no plano cristalino (002) quanto para filmes de AlN amorfos. / The main objective of this work is the production and study of Aluminum Nitride (AlN) films deposited by reactive sputtering and the fabrication and characterization of pedestal optical waveguides using AlN as core. Initially, aluminum nitride films were produced by reactive sputtering using a 99.999% aluminum (Al) purity target, and nitrogen (N2) as the reactive gas. Subsequently, the films were characterized by ellipsometry, X-ray Diffraction, Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) and Ultraviolet-visible spectroscopy (UV-VIS). Once the best optical and physical conditions for the deposition of AlN films were obtained, pedestal waveguides using these films as a nucleus were fabricated in this work. The pedestal waveguide provides an alternative manufacturing process where the geometry of the waveguide is determined in the pre-core layer, so it is no longer necessary to delineate the side walls of the core layer thereby facilitating the device fabrication process. The pedestal waveguides fabricated in this work were defined by the partial corrosion of SiO2 by the RIE (Reactive Ion Etching) technique using CHF3 and O2 gases as reactive gases. Once the pedestal is completed, an aluminum nitride film is deposited onto the SiO2 layer as the waveguide core. The air was used as an upper cladding, whose refractive index (n ? 1) increases the confinement of the light in the core and also allows the optical loss characterization. For this characterization, we used the superior view technique that allowed the analysis of optical propagation losses for different pedestal heights and different core thicknesses for both highly (002) oriented and amorphous AlN films.

[pt] Esta tese apresenta uma análise de uma estrutura de corneta cônica corrugada com dielétrico anisotrópico, com eixo óptico na direção axial da corneta. Esta configuração de corneta pode ser conseguida utilizando-se a estrutura de uma corneta corrugada com a adição de um cone dielétrico anisotrópico uniaxial. A anisotropia pode ser conseguida artificialmente dopando-se o material dielétrico isotrópico ou utilizando-se uma técnica de perfuração na direção axial do cone. Esta técnica de perfuração é sugerida e apresentada nesta Tese. Partindo-se da geometria definida, foram desenvolvidas as expressões dos campos transversais e o equacionamento para a obtenção das curvas características da estrutura. É apresentado ainda um estudo comparativo dos campos transversais com os casos degenerados já conhecidos de guias cilíndricos, entre eles, guia cilíndrico corrugado oco, guia cilíndrico metálico com bastão dielétrico, guia cilíndrico corrugado com bastão dielétrico isotrópico. As expressões para o cálculo dos campos radiados distantes foram obtidas para o guia cilíndrico corrugado com dielétrico anisotrópico. Em adição, expressões para o cálculo dos campos radiados distantes para a corneta cilíndrica corrugada com dielétrico anisotrópico com pequenos ângulos de abertura (flare angle) utilizando-se a aproximação por capa esférica foram obtidas e apresentadas. Estas expressões foram baseadas na terceira definição de Ludwig. Foram realizadas análises para estruturas já conhecidas geradas a partir da degeneração do caso mais geral apresentado nesta tese com o objetivo de validar a teoria desenvolvida e os resultados provaram a validade do material teórico desenvolvido. Finalmente, foi desenvolvida uma análise paramétrica da estrutura apresentada com o intuito de verificar o comportamento dos campos radiados e da polarização cruzada máxima em função da anisotropia e da frequência de operação. Verificou-se que a largura de feixe de meia potência foi pouco influenciada pela anisotropia do dielétrico e apresentou comportamento esperado em função da frequencia. A variação da máxima polarização cruzada em função da frequência foi estudada. Em determinados valores de permissividade e anisotropia, para a configuração considerada, foi alcançada a condição híbrida balanceada. Nesta condição a estrutura apresentou baixos níveis de máxima polarização cruzada em uma faixa larga de frequência. Comportamento este muito superior ao da corneta corrugada, corneta metálica com dielétrico e corneta corrugada com dielétrico isotrópico. / [en] This thesis presents an analysis of a corrugated conic horn structure with anisotropic dielectric. This dielectric cone is positioned inside the horn and has an optical axis in its longitudinal direction. This horn configuration can be obtained using the structure of corrugated horn and adding an anisotropic dielectric cone. The anisotropy can artificially be obtained by doping the isotropic dielectric or using a perforation technique. This perforation technique is suggested and presented in this Thesis. Expressions for the transverse fields and the propagation constant curves were developed considering this new geometry. It is also presented a comparative study of the degenerated transversal fields with well-known structures. These structures are: hollow cylindrical guide, corrugated cylindrical guide, cylindrical metallic guide with dielectric and corrugated cylindrical guide with dielectric. The expressions to calculate the radiated far fields were obtained for the corrugated cylindrical guide with anisotropic dielectric. In addition, expressions to calculate the radiated far fields for the corrugated cylindrical horn with anisotropic dielectric were developed and presented. These expressions considered horns with small flare angle and used the spherical cap approximation theory. All expressions considered the 3th Ludwig definition for the radiated far field. Far field analyses were conducted for well-known structures. These structures were obtained by degenerating the new configuration presented in this thesis and aimed to validate the theoretical developed theory. The results proved its validity. Finally, a parametric analysis was performed. This analysis considered, for a given structure configuration, the behavior of the radiated far fields and its maximum cross polar levels as a function of the anisotropy and frequency. It was verified that the dielectric anisotropy had very little effect on the half power beam width characteristic. The maximum cross polar level as a function of the frequency was analyzed. For some specific values of permittivity and anisotropy, for the considered configuration, the balanced hybrid condition was reached. In this condition the structure presented very low cross polar values in a large frequency band. This behavior is much more superior to the corrugated horn, dielectric horn and the isotropic dielectric corrugated horn.

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.