Tese de mestrado. Engenharia Electrotécnica e de Computadores. 2006. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto, Faculdade de Ciências

Tese de mestrado. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 1998

Zugl.: Dresden, Techn. Univ., Habil.-Schr., 2007

Thesis (M.S.)--University of Wisconsin--Madison, 1960. / Typescript. eContent provider-neutral record in process. Description based on print version record. Includes bibliographical references (leaves 285-292).

M.Ing. / Bragg gratings written in polymer optical fibres are much more sensitive to temperature and strain measurements than silica fibre with a lower Young's modules and higher temperature coefficient. The good biocompatibility of polymer fibres makes them ideal medical sensors for in vivo strain and temperature measurements as well as excellent chemical sensors that can easily be doped with organic compounds. Most of the Bragg gratings in polymer optical fibres are inscribed around 1550 nm where the attenuation is as large as 1 dB/em. Grating fabrication was investigated at 980 nm where the attenuation was discovered to be optimal (less than 0.1 dB/em). The polymer optical fibre was spliced to silica optical fibre through butt-coupling and affixed with optical adhesive to produce transmission loss of between 7 and 25 dB (at 980 nm). Preliminary results show that it may be possible to create fibre Bragg gratings in polymer optical fibre at 980 nm. Gratings inscribed in fibre with an energy density of between 80 and 150 mJ/cm2 supplied by Paradigm Optics (MORFOP3) had a repeatability of 25%. With the fibres supplied by Prof. Peng (PBzMA- PEMA- PMMA co-polymer) a success rate of more than 90% was achieved when using energy densities around 70 mJ/cm2 • However, these gratings were weak and disappeared within 48 hours. The strength of these gratings varied from grating to grating. The reason of this instability is unknown and should be further investigated. The temperature sensitivity of polymer optical fibre at 976 nm was found to be -100 ±17 pm;oc corresponding with the reported value of -94 pm;oc at 976 nm.

Récemment, de nouvelles techniques ont été développées pour la fabrication des réseaux de Bragg à profil complexe. Ces composants photoniques sont utilisés dans plusieurs applications émergentes telles que la compensation de la dispersion pour les systèmes de communication de longue portée, les lasers à fibre, multiplexeurs et détecteurs optiques. Le diagnostic après inscription devrait fournir les informations nécessaires pour l’amélioration de la fabrication des réseaux de Bragg. Nous savons que les propriétés spectrales du réseau de Bragg sont liées au profil d’indice Δn. Les techniques de mesure directes, telles que la diffraction latérale de Krug, permettent de retrouver l’amplitude de modulation d’indice le long du réseau. Cependant, ces techniques sont insensibles aux fluctuations de phase. Une méthode alternative de caractérisation indirecte fondée sur l’algorithme de Layer-Peeling (LP) a été proposée. Toutefois elle ne peut pas être appliquée à la caractérisation des réseaux longs en raison de la propagation du bruit de calcul. Dans cette thèse nous avons présenté une nouvelle technique pour la mesure directe de l’amplitude et de la phase du profil d’indice le long du réseau de Bragg fondée sur la luminescence bleue (LB) induite par l’irradiation UV. Nos résultats expérimentaux de la mesure du profil de modulation d’indice sont en bonne correspondance avec la méthode de Krug. La méthode que nous proposons peut être appliquée à la caractérisation des réseaux longs. Elle permet de retrouver simultanément l’amplitude de modulation d’indice Δnac(z), la fonction du chirp et détecter le changement de l’indice moyen Δndc(z). / N the last decade new techniques were developed for fabrication of sophisticated Fiber Bragg Gratings (FGBs). This has been motivated by the emergence of many applications such as dispersion compensation for long-haul communication systems, DFB fiber lasers, optical add/drop multiplexers, and optical sensors. Post-fabrication diagnostics should provide relevant information to enhance the FBG fabrication process. It is well known that the FBG spectral properties are related to the index profile Δn. Direct measurement techniques, such as the side diffraction method reported by P. Krug, allow determining the index modulation amplitude along the FBG. Nevertheless, these techniques provide no information about phase fluctuations. An alternative method of indirect characterization, based on the Layer-Peeling (LP) algorithm, consists in Bragg grating profile reconstruction from its complex reflectivity. However, the LP method is unstable when applied to characterize long FBGs (>1mm) due to the error propagation effect. In this thesis we have shown the principle of a novel technique for the direct measurement of amplitude and phase variations of the index modulation along an FBG based on the blue luminescence (BL). Our experimental results are in a good agreement with the according Krug characterization. The proposed method of FBG characterization in amplitude and phase using the UV induced BL can be applied to long gratings (up to tens of centimeters) having complex index modulation profiles. It allows retrieving simultaneously the index profile modulation Δnac(z) and the chirp function, localizing phase shifts, and also detecting the mean index change Δndc(z).

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This thesis details the design, fabrication and measurement of an integrated optical Bragg grating filter, operating at a free space wavelength of 1532 nm, based on silicon-on-insulator (SOI) ridge waveguide. Grating-based integrated devices can interact with optical signals in photonic integrated circuits (PIC) in such a way as to selectively transmit, reflect or detect the signals that are resonant with these devices. Channel filters can access one channel of a wavelength division multiplexed signal without disturbing the other channels and are therefore important elements in WDM communications. Resonator filters are attractive candidates because they can potentially realize the narrowest linewidth for a given device size. Device models for this kind of device are developed by using the MATLAB programming language. Coupled mode theory (CMT) for filters, and the effective index method (EIM) which reduces a three dimensional (3D) analysis into two dimensions is used as modeling theoretical background. Computer modeling identifies the effect of device structure on the performance of the devices, and is also used to predict the output characteristics of this kind of device. This provides an understanding of device physics and operation, and a basis for comparison with experimental results. A common fabrication sequence for integrated optical Bragg grating filters based on SOI ridge waveguides is designed, developed and demonstrated. This includes the photomask for optical ridged waveguide, interferometic lithography for grating pattern and high accuracy RIE etching. This work demonstrates Bragg grating as a technology for realizing PIC in SOI material system, and presents the technology required to design, fabricate, characterize, and model these integrated devices. / Thesis / Master of Applied Science (MASc)

L'avènement de la photonique intégrée a attiré beaucoup de recherche et d'attention industrielle au cours des deux dernières décennies, plusieurs croyant qu'il s'agit d'une révolution équivalente à la microélectronique. Tout en tirant parti des procédés de fabrication de masse hérités de la microélectronique, la photonique sur silicium est compacte, éconergitique et permet l'intégration complète de dispositifs et de circuits photoniques à l'échelle nanométrique pour des applications cruciales dans les télécommunications, la détection et le calcul optique. À l'instar des débuts de la microélectronique, les efforts de recherche actuels en photonique sur silicium sont principalement consacrés à la proposition, à la conception et la caractérisation de composants standardisés en vue d'une éventuelle intégration de masse dans des circuits photoniques. Les principaux défis associés à ce développement comprennent la complexité de la théorie électromagnétique dans le fonctionnement des dispositifs, les variations et les non-uniformités du procédé de fabrication limitant les performances, et les ressources informatiques considérables nécessaires pour modéliser avec précision des circuits photoniques complexes. Dans ce mémoire, ces trois limitations sont abordées sous forme de contributions de recherche originales. Basées sur des dispositifs photoniques sur silicium et l'apprentissage machine, les contributions de ce mémoire concernent toutes les réseaux de Bragg intégrés, dont le principe de fonctionnement de base est la réflexion optique sélective en fréquence. Premièrement, un nouveau filtre optique double-bande basé sur les réseaux de Bragg multimodes est introduit pour des applications dans les télécommunications. Deuxièmement, une nouvelle architecture de filtre accordable basée sur un coupleur contra-directionnel à étage unique avec un dispositif de micro-chauffage segmenté permettant des profils de température arbitraires démontre une accordabilité de la bande passante record et des capacités de compensation des erreurs de fabrication lorsqu'opérée par un algorithme de contrôle. Troisièmement, un modèle d'apprentissage machine basé sur un réseau de neurones artificiels est introduit et démontré pour la conception de coupleurs contra-directionnels et le diagnostic de fabrication, ouvrant la voie à la production de masse de systèmes photoniques intégrés basée sur les données. / The advent of integrated photonics has attracted a lot of research and industrial attention in the last two decades, as it is believed to be a hardware revolution similar to microelectronics. While leveraging microelectronics-inherited mass-production-grade fabrication processes for full scalability, the silicon photonic paradigm is compact, energy efficient and allows the full integration of nano-scale optical devices and circuits for crutial applications in telecommunications, sensing, and optical computing. Similar to early-day microelectronics, current research efforts in silicon photonics are put toward the proposal, design and characterization of standardized components in sights of eventual black-box building block circuit design. The main challenges associated with this development include the complexity of electromagnetic theory in device operation, the performance-limiting fabrication process variations and non-uniformities, and the considerable computing resources required to accurately model complex photonic circuitry. In this work, these three bottlenecks are addressed in the form of original research contributions. Based on silicon photonic devices and machine learning, the contributions of this thesis pertain to integrated Bragg gratings, whose basic operating principle is frequency-selective optical transmission. First, a novel dual-band optical filter based on multimode Bragg gratings is introduced for applications in telecommunications. Second, a novel tunable filter architecture based on a single-stage contra-directional coupler with a segmented micro-heating device allowing arbitrary temperature profiles demonstrates record-breaking bandwidth tunability and on-chip fabrication error compensation capabilities when operated by a control algorithm. Third, an artificial neural network-based machine learning model is introduced and demonstrated for large-parameter-space contra-directional coupler inverse design and fabrication diagnostics, paving the way for the data-driven mass production of integrated photonic systems.

Au cours des dernières décennies, les lasers à fibre optique ont permis l'atteinte de puissances laser records révolutionnant par la même occasion de nombreux domaines de recherche académique et industrielle. Cela a été rendu possible grâce à leur robustesse intrinsèque et leur excellente capacité de dissipation thermique, mais également grâce à l'optimisation de divers éléments critiques de leur architecture comme notamment les réseaux de Bragg à fibre optique (FBG). Ces derniers agissent comme miroirs intégrés à même la fibre optique et fournissent une rétroaction étroite spectralement qui est nécessaire pour que l'intensité spectrale s'accumule au sein de la cavité laser. Ces éléments essentiels à l'opération laser sont donc soumis à d'importantes puissances optiques. Il devient donc critique de développer de nouveaux types de réseaux de Bragg pour accommoder les prochaines générations de lasers à fibre optique plus résistants aux hautes puissances. Cette thèse porte sur le développement de réseaux de Bragg à large aire transverse optimisés pour diverses applications laser. De nouveaux types de réseaux de Bragg inscrits avec des impulsions laser femtosecondes au sein de fibres optiques à large diamètre sont d'abord démontrés. Puis, l'inscription de réseaux de Bragg au sein de blocs de verre est étudiée pour des applications en propagation libre de la lumière. L'utilisation de tels réseaux de Bragg volumiques (VBG) dans l'infrarouge moyen est discutée et une nouvelle technique d'inscription de ce type de composants est démontrée. Les chapitres 1 à 3 portent sur l'inscription de réseaux de Bragg au sein de la gaine interne de la fibre de lasers pompés par la gaine. Cela permet de recycler la lumière de pompe résiduelle non absorbée et d'augmenter l'efficacité de pompage de ces lasers. L'inscription d'un réflecteur de pompe dans la gaine de silice pure d'un diamètre de 125 µm d'un laser à fibre optique dopée à l'erbium émettant à 1.58 µm est rapportée au chapitre 1. Avec une réflectivité effective de 36% de la pompe résiduelle, le réseau de Bragg augmente respectivement l'efficacité du laser et sa puissance maximale de 17.1% à 22.7% et de 20.8 à 25 W. Le processus d'inscription est ensuite optimisé au chapitre 2 pour augmenter l'aire transverse du réflecteur de pompe. Cela augmente alors sa réflectivité effective de 36% à 58%. Au chapitre 3, une nouvelle technique d'inscription mieux adaptée à la géométrie cylindrique des fibres optiques est présentée. Un réflecteur de pompe avec une aire transverse record est alors obtenu en faisant tourner la fibre optique par rapport au faisceau laser d'inscription. Ce composant est inscrit dans la gaine interne de silice pure d'une fibre d'un diamètre de 400 µm et est utilisé au sein d'un laser à fibre optique dopée à l'ytterbium émettant 608 W de puissance laser à 1 µm. Ce montage d'inscription optimisé est ensuite utilisé au chapitre 4 pour inscrire un réseau de Bragg dans une fibre optique à large coeur de diamètre 200 µm connectée à une diode laser de 70 W opérant autour de 975 nm. Ce composant agit alors comme stabilisateur spectral en fournissant une rétroaction sélective en longueur d'onde aux émetteurs de la diode laser. Cela permet de réduire la largeur de raie d'émission de la diode laser par un facteur 2.8, ainsi que sa dérive en longueur d'onde en fonction de la puissance émise par un facteur 12. Les chapitres 5 à 7 portent ensuite sur l'inscription de réseaux de Bragg au sein de blocs de verre, soit des réseaux de Bragg volumiques. Au chapitre 5, le premier VBG utilisé comme filtre sélectif en réflexion dans l'infrarouge moyen est décrit. Celui-ci est inscrit dans un bloc de verre fluoré et atteint une réflectivité de 90% à une longueur d'onde de 2.8 µm. Puis, au chapitre 6, un VBG de silice pure est utilisé pour filtrer la lumière d'un laser supercontinuum émettant dans l'infrarouge moyen. Cette combinaison permet d'obtenir une source lumineuse à spectre étroit dont la longueur d'onde centrale est ajustable de 2.9 µm à 4.2 µm. Finalement au chapitre 7, le premier VBG inscrit par laser femtoseconde directement au sein d'un substrat de masque de phase est présenté. Cette technique ouvre la porte à l'amélioration de l'homogénéité et à l'augmentation de la profondeur d'écriture des VBG inscrits par impulsions femtosecondes. / In the past decades, record optical power levels have been reached with fiber lasers, thus revolutionizing many areas of academic and industrial research. This was made possible thanks to these lasers' intrinsic robustness and excellent heat-dissipation capacity, but also thanks to the optimization of various critical elements of their architecture like fiber Bragg gratings (FBG). These components acting as mirrors directly integrated inside optical fibers provide spectrally narrow feedback to the laser signal. This allows the accumulation of laser power inside the fiber cavity. As the FBGs are therefore subject to significant optical power levels, it becomes critical to develop new types of Bragg gratings that exhibit a high tolerance to high intensities to accommodate the next generations of powerful fiber lasers. This thesis focuses on the development of large-transverse-area Bragg gratings optimized for various laser applications. New types of Bragg gratings inscribed with femtosecond laser pulses in large-diameter optical fibers are first demonstrated. Then, the inscription of Bragg gratings in glass bulks is studied for free-space applications. The use of such volume Bragg gratings (VBG) in the mid-infrared spectral region is discussed and a new technique for inscribing this type of component is demonstrated. Chapters 1 to 3 focus on the inscription of Bragg gratings within the internal cladding of fibers used in cladding-pumped lasers. This allows to reflect and recycle the residual unabsorbed pump light and to increase the pumping efficiency of these lasers. The inscription of such a pump reflector in the 125-µm pure silica cladding of an erbium-doped fiber laser operating at 1.58 µmm is reported in chapter 1. Thanks to its 36% effective reflectivity of the residual pump, the Bragg grating increases the laser efficiency from 17.1% to 22.7% and the maximum output power from 20.8 W to 25 W. The inscription process is then optimized in chapter 2 to increase the transverse area of the pump reflector. This increases its effective reflectivity from 36% to 58%. In chapter 3, a new inscription technique better suited to the cylindrical geometry of optical fibers is presented. A pump reflector with a record transverse area is then obtained by rotating the optical fiber with regards to the inscription laser beam. This component is inscribed in the 400-µm pure silica cladding of a fiber used in an ytterbium-doped fiber laser emitting 608 W of laser power at 1 µm. This optimized inscription setup is then used in chapter 4 to write a Bragg grating inside the 200-µm core of the pigtail fiber of a 70 W laser diode operating around 975 nm. This component acts as a spectral stabilizer by providing wavelength-selective feedback to the emitters of the laser diode. This scheme reduces both the laser diode's emission linewidth by a factor of 2.8 and its wavelength drift as a function of the emitted power by a factor of 12. Afterwards, chapters 5 to 7 focus on the inscription of Bragg gratings inside bulk glass, i.e. volume Bragg gratings. In Chapter 5, the first VBG used as a selective mid-infrared reflection filter is described. It is inscribed inside a bulk sample of fluoride glass and reaches a reflectivity of 90% at a wavelength of 2.8 µm. Then, in chapter 6, a pure-silica VBG is used to filter the light from a supercontinuum laser emitting in the mid-infrared. With this combination, a spectrally narrow light source with a central wavelength tunable from 2.9 µm to 4.2 µm is obtained. Finally, in chapter 7, the first VBG inscribed with femtosecond pulses directly inside a phase-mask substrate is presented. This technique opens the door to improving the homogeneity and increasing the inscription depth of VBGs inscribed with femtosecond pulses.