Orientador: Paulo Clóvis Dainese Júnior / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-29T15:49:49Z (GMT). No. of bitstreams: 1 FlorezPenaloza_OmarEnrique_M.pdf: 35304158 bytes, checksum: f1b7fbb7d6036f3186dd9378d06e850e (MD5) Previous issue date: 2015 / Resumo: O Espalhamento Brillouin e um processo nao linear oriundo da interacao entre ondas opticas e acusticas. Este efeito foi amplamente estudado em fibras mono-modo e mais recentemente em uma grande variedade de micro-estruturas fotonicas. A habilidade de se fabricar estruturas que podem confinar ambas as ondas opticas e acusticas em dimensoes menores que o comprimento de onda criou novas oportunidades de se estudar a interacao foton-fonon. Um aspecto em particular que se torna importante em sistemas de alto confinamento e o efeito de deslocamento de borda (Shifting-Boundary), alem do efeito Elasto-Optico, mais bem entendido. Micro-fios de Silica sao ideais para estudar estes efeitos. Primeiro, quando seu diametro e menor que o comprimento de onda, o campo eletrico na superficie do guia de onda aumenta significativamente. Em segundo lugar, a interface ar-silica apresenta um alto contraste de indice de refracao, o que aumenta o espalhamento devido ao efeito de deslocamento de borda. Finalmente, a geometria cilindrica simples permite um calculo analitico da eficiencia do espalhamento Brillouin, considerando as perturbacoes tanto Elasto-Opticas como de Deslocamento de Borda. Nesta tese, estudamos teorica e experimentalmente o espalhamento Brillouin em microfios de Silica. Amostras com diametros de 0.6 a 3 ¿Êm foram fabricadas e caracterizadas utilizando um sistema de deteccao heterodina para os espalhamentos co-propagante e contra-propagante. Para o espalhamento Brillouin co-propagante, usamos a tecnica de bombeio e prova para induzir excitacao impulsiva dos modos acusticos proximos da frequencia de corte. Espalhamento devido a ondas acusticas do tipo Rayleigh foi observado e extensivamente caracterizado. Estas ondas sao particularmente interessantes, ja que a maior parte da energia acustica e concentrada proxima da superficie do guia de onda, o que aumenta a contribuicao do efeito de Deslocamento de Borda. Desenvolvemos estudos teoricos extensivos dos modos opticos e acusticos na geometria cilindrica, e aplicamos a teoria de modos acoplados para calcular a eficiencia de espalhamento para cada modo acustico. Um estudo da eficiencia de espalhamento em funcao do diametro foi feito, ajudando a entender melhor os mecanismos que determinam a evolucao do espectro Brillouin. Finalmente, fomos capazes de identificar modos nos quais o processo de espalhamento e dominado pelo efeito de Deslocamento de Borda, e modos nos quais o efeito dominante e o Elasto-Optico. Este entendimento pode contribuir no projeto de estruturas nas quais estes efeitos sao somados ou cancelados, e pode ser usado como outro mecanismo para controlar o processo de espalhamento Brillouin / Abstract: Brillouin scattering is a nonlinear process that arises from the interaction between op- tical and acoustic waves. This effect has been widely studied in standard single-mode fibers and more recently in a variety of photonics microstructures. The ability to fab- ricate structures that can confine both optical and acoustic waves in sub-wavelength dimensions has created new opportunities to study photon-phonon interaction. One particular aspect that becomes important in high-confinement systems is the effect of shifting boundaries, in addition to the better-understood elasto-optic effect. Silica mi- crowires are ideal systems to study these effects. First, when its diameter is smaller than the wavelength, the electric field overlaps strongly with the waveguide surface. Second, the air-silica interface presents high index contrast, which enhances scattering due to shifting boundary effect. Finally, the simple cylindrical geometry allows an- alytical calculation of Brillouin scattering efficiency considering both elasto-optic and shifting-boundary perturbations. In this thesis, we studied theoretically and experimentally Brillouin scattering in silica microwires. Samples with diameter ranging from 0.6 to 3 ?m were fabricated and char- acterized using heterodyne detection for both backward and forward Brillouin scattering. For forward Brillouin scattering, we used the pump and probe technique to induce impul- sive excitation of acoustic modes near cutoff. Scattering due to Rayleigh acoustic waves was observed and extensively characterized. These waves are particularly interesting as most of the acoustic energy is concentrated close to the waveguide surface, therefore enhancing the shifting boundary contribution. Theoretically, we developed extensive studies of optical and acoustic modes in cylindrical geometry, and applied coupled-mode theory to calculate the scattering efficiency for each acoustic mode. A study of the scat- tering efficiencies as a function of diameter was performed, helping better understand the mechanisms that determined the evolution of the Brillouin spectrum. Finally, we were able to identify modes in which the scattering process is dominated by shifting- boundary effect and modes in which elasto-optic dominates. This understanding may help design structures in which these effects add or cancel each other, and can be used as another mechanism to control Brillouin scattering process / Mestrado / Física / Mestre em Física / 1142161/2012 / CAPES

Orientador: Hugo Luis Fragnito / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin. / Made available in DSpace on 2018-08-12T16:20:28Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Wiederhecker_GustavoSilva_D.pdf: 26845631 bytes, checksum: f23a4b48df09da35f76ca70361b0231d (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: Neste trabalho são investigadas técnicas para controlar o confinamento de fótons e fônons em fibras ópticas de cristal fotônico (PCF). Utilizando métodos numéricos robustos para resolver as equações de Maxwell, um novo tipo de PCF com núcleo tubular é proposto. Simulações e experimentos demonstram que esta estrutura confina a luz em um buraco de ar com diâmetro de apenas 110 nm. A figura de mérito para efeitos não-lineares nesta pequena região é 10 bilhões de vezes maior do que no caso de um feixe gaussiano altamente focalizado e 100 vezes maior que o atual estado-da-arte em fibras de band-gap fotônico. Também é analisada teoricamente uma fibra PCF do tipo kagomé. Modelos que explicam suas complexas características de guiamento são investigados de forma analítica e numérica. No que diz respeito à fônons em PCFs, é investigado o espalhamento Brillouin copropagante e contra-propagante. Em particular, são demonstradas maneiras de reduzir a interação acusto-óptica nos casos de co- e retro-espalhamento. Também é demonstrada a presença de band-gaps fonônicos nestas estruturas. Finalmente, é investigado o controle óptico coerente de modos acústicos nestas fibras, mostra-se que é possível amplificar ou frear modos acústicos com freqüência de oscilação na faixa de GHz. / Abstract: Techniques that may allow control and tight confinement of photons and phonons in photonic crystal fibers (PCFs) are investigated in this thesis. By means of robust numerical methods to solve Maxwell equations, a new kind of PCF with a tubular core is proposed. Simulations and experimental results show that such structure is able to confine light tighly inside the 100 nm bore, the nonlinear figure of merir for such tiny bore is found to be 10 billion fold larger the focused Gaussian beam counterpart, it is also 100 times larger than the state-of-the-art hollow core photonic band-gap fibers. The guidance mechanism of kagomé structure hollow-core PCF is also investigated, simple models are proposed to explain most of the experimentally observed features and compared to full numerical simulations. In what concerns phonons, both forward and backward Brillouin scattering is investi-gated in PCFs. It is demonstrated how one may suppress both using such fibers. It is also shown the existence of complete band-gaps for in-plane propagation in the PCF cladding. Another set of experiments show that one can perform coherent optical control of the acoustic modes of such fibers, 100-fold amplification or almost complete suppression of GHz oscillations is achieved. / Doutorado / Física / Doutor em Ciências

Orientador: Hugo L. Fragnito / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-09T05:15:29Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DaineseJunior_PauloClovis_D.pdf: 4977952 bytes, checksum: 68cd4c3ce792cf4994babe5cce9b77a9 (MD5) Previous issue date: 2006 / Resumo: Esta tese apresenta estudos experimentais e teóricos sobre o processo de espalhamento Brillouin em Fibras de Cristal Fotônico. Formadas por um núcleo sílica pura e uma casca micro-estruturada (sílica e ar), estas fibras permitem o confinamento óptico e acústico em regiões da ordem do comprimento de onda. Como resultado, a interação acústo-óptica apresenta características radicalmente diferentes daquelas observadas em meio bulk ou em fibras convencionais. Investigamos experimentalmente ambos co- e retro-espalhamento Brillouin. Observamos que quando o diâmetro do núcleo é ~70 % do comprimento de onda óptico no vácuo, o espectro de retro-espalhamento espontâneo apresenta múltiplos picos, os quais atribuímos a famílias de modos acústicos guiados no núcleo da fibra. Além disso, o limiar de retro-esplhamento Brillouin estimulado aumenta por um fator ~5 quando o diâmetro do núcleo é diminuído de 8 .m para 1.22 .m , resultado da natureza complexa dos modos acústicos no núcleo, contendo fortes componentes de deslocamento longitudinal e transversal. No caso de co-espalhamento, realizamos medidas de espalhamento espontâneo e de excitação impulsiva de ondas acústicas utilizando pulsos ópticos de alta intensidade, através do efeito de eletrostrição. Estes experimentos nos possibilitaram observar o confinamento transversal de ondas acústicas no núcleo da fibra fotônica. Desenvolvemos um modelo analítico para a interação acústo-óptica, aproximando o núcleo da fibra como um cilindro de silica suspenso no vácuo, sem a presença da casca. Este modelo nos permitiu entender a física envolvida no processo e também explicar qualitativamente as observações experimentais. Modelos numéricos mais sofisticados foram utilizados para o cálculo dos modos acústicos e óptico suportados pela estrutura completa da fibra fotônica, os quais nos permitiram explicar mais precisamente as observações experimentais. Finalmente, realizamos cálculos numéricos da estrutura de bandas da região micro-estruturada, demonstrando a presença de bandas proibidas (ou gaps fonônicos) para as ondas acústicas / Abstract: This thesis presents experimental and theorethical studies on Brillouin scattering in Photonic Crystal Fibers. With a pure silica core surrounded by a microstructed cladding (silica and air), these fibers allow the confinement of both acoustic and optical waves in sub-wavelength regions. The result is a radically different acousto-optic interaction from what has been observed in bulk media or conventional fibers. We investigate experimentally both forward and backward Brillouin scattering. We observed that for core diameters of around 70% of the vacuum wavelength of the launched laser light, the spontaneous Brillouin signal develops an unusual multi-peaked spectrum, these peaks we attribute to several families of guided acoustic modes. At the same time the threshold power for stimulated Brillouin scattering increases five-fold when the core diameter is reduced from from 8 .m to 1.22 .m , as a consequence of the complex nature of the acoustic modes, each with different proportions of longitudinal and shear strain, strongly localised to the core. In the case of forward scattering, we performed measurements of the spontaneous scattering and also of impulsive excitation of acoustic waves using high intensity optical pulses, through the effect of electrostriction. These experiments allowed us to observe the transverse confinment of acoustic waves in the core of the photonic crystal fiber. An analitic model for the acousto-optic interaction was developed by approximating the core of the photonic fiber by a circular strand of glass in vaccum, initially neglecting the presence of the micro-structured cladding. This simple model allowed us to understand the physics involved in the scattering process and also to qualitatevely explain our experimental observations. Numerical models were then implemented to calculate the acoustic and optical modes of the actual photonic fiber structure, and we were able to explain more precisely our observations. Finnally, we performed numerical calculation of the band structure of the micro-structured region, demonstrating the presence of prohibited gaps for the acoustic wave (phononics band gaps) / Doutorado / Física / Doutor em Ciências

Orientador: Hugo Luis Fragnito / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-08T21:00:40Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Marconi_JorgeDiego_D.pdf: 6438397 bytes, checksum: df80d0a6babab0366b1839d4344573fa (MD5) Previous issue date: 2006 / Resumo: Esta tese apresenta um estudo teórico e experimental sobre Amplificadores Paramétricos a Fibra Óptica. Mostramos primeiramente a potencialidade do amplificador em termos de largura de banda plana, necessária para aplicações em sistemas WDM. Foram desenvolvidas equações do ripple para os diferentes tipos de espectro de alto ganho possíveis. Usando fibras de dispersão deslocada e fibras altamente não-lineares curtas, construímos amplificadores de dois bombeios com uma banda plana de amplificação de 52 nm e 84 nm, respectivamente. Em ambos os casos, a banda obtida foi comparável à obtida com outras tecnologias como Érbio ou Raman. Pesquisamos também o crosstalk entre canais em amplificadores paramétricos. Mostramos como as variações de ë 0 ao longo da fibra aumentam o crosstalk, pois se incrementam os processos de mistura de quatro ondas espúrios. Em amplificadores de dois bombeios, obtivemos os melhores resultados para aplicações WDM com fibras curtas (L ~ 0.8 km). Finalmente, a partir da análise da penalidade do fator de mérito Q do sinal, estudamos como os efeitos da modulação de fase do/s laser/s de bombeio, necessária para suprimir o espalhamento Brillouin estimulado, são prejudiciais para a performance destes amplificadores. Com base nesse resultado, procuramos eliminar o espalhamento Brillouin com um método alternativo que consiste na aplicação de distribuições de deformação mecânica ao longo da fibra. Obtivemos um aumento de 10.7 dB em 285 m de fibra altamente não-linear, o que é da ordem dos valores obtidos modulando a fase do/s bombeio/s. Aplicamos a técnica em dispositivos paramétricos obtendo um conversor de comprimento de onda com um sinal convertido de largura de banda estreito, sintonizável ao longo de 70 nm de comprimento de onda do sinal de entrada / Abstract: This thesis presents a theoretical and experimental study on fiber optics parametric amplifiers. For the double-pumped case, we show the performance of the amplifier in terms of spectral bandwidth and gain uniformity, both fundamental properties for WDM applications. By using short dispersion shifted fibers and highly non-linear fibers, we made parametric amplifiers with 52 and 84 nm of flat bandwidth, respectively. In both cases, the bandwidth is similar to the one obtained with optical amplifiers based on other technologies such as doped fibers, Raman gain or semiconductors. We also deduced equations of the gain ripple for all the possible types of high gain spectra. We also investigated the inter-channel crosstalk in parametric amplifiers. We showed that the variations of the zero dispersion wavelength along the fiber increase the crosstalk because those variations enhances the spurious four wave mixing tones. Finally, the degradation of the signal quality factor (Q) was studied for both, single and double-pumped parametric amplifiers. We showed that the phase modulation applied to the pump lasers to suppress the stimulated Brillouin backscattering can strongly degrade the performance of the amplifier. One alternative technique that we developed was based on applying different mechanical stress distributions along the fiber length. We experimentally demonstrated, using 285 m of highly non-linear fibers, that the backscattering threshold can be increased by 10.7 dB. This value is similar to that obtained using the phase modulation schema. The method was successfully applied to parametric devices. In particular we made a narrow linewidth wavelength converter with 70 nm of signal tuning band / Doutorado / Física / Doutor em Ciências

[pt] Neste trabalho é apresentado um estudo sobre a determinação matemática dos valores da dispersão cromática total, do zero de dispersão distribuído e efeitos não lineares em fibras ópticas de dispersão deslocada (DS). Uma metodologia para caracterização das dispersões cromáticas e para os zeros de dispersão local das fibras estudadas é elaborada com a utilização do modelo de fibra degrau equivalente e de aproximações entre as fibras ópticas dos enlaces trabalhados. A relação entre o diâmetro do campo modal e o zero de dispersão cromática distribuído segundo A. Rossaro [6] é discutida e comprovada através da realização de uma série de medidas práticas para a determinação dos efeitos não lineares das fibras de dispersão deslocada dos enlaces da Petrobrás. O objetivo deste trabalho é analisar estes efeitos prejudiciais a transmissão de sinais ópticos de alta velocidade apresentados nos cabos submarinos da Petrobrás entre o Porto de Imbetiba e as plataformas de Pargo I e Pampo I na Bacia de Campos, analisando os resultados obtidos e caracterizando as possibilidades de upgrade destes enlaces. / [en] This work presents a study on the mathematical determination of the total chromatic dispersion, zero dispersion wavelength and nonlinear optical effects in dispersion shifted (DS) fiber optic system. A methodology to determine the chromatic dispersion and zero dispersion wavelength is proposed using the equivalent step index model and the similarity of the total chromatic dispersion measured in fibers of the links under study. The relationship between the mode field diameter and the zero dispersion wavelength according to A. Rossaro [6] is discussed and proven with a series of practical measurements for the determination of the nonlinear effects of the dispersion shifted optical fibers of Petrobras links Imbetiba - Pargo and Imbetiba - Pampo of the Campos Basin. / [es] En este trabajo se presenta un estudio sobre la determinación matemática de los valores de dispersión cromática total, del cero de dispersión distribuido y los efectos no lineales en fibras ópticas de dispersión desplazada (DS). Se elabora una metodología para la caracterización de las dispersiones cromáticas y para los ceros de dispersión local de las fibras estudiadas; utililizando el modelo de fibra escalón equivalente y de aproximaciones entre las fibras ópticas de los enlace. Se discute la relación entre el diámetro del campo modal y el cero de dispersión cromática distribuido según A. Rosaro [6] se comprueba a través de la realización de una serie de medidas prácticas para la determinación de los efectos no lineales de las fibras de dispersión desplazada de los enlaces de la Petrobrás. EL objetivo de este trabajo es analizar los efectos perjudiciales a la transmisión de señales ópticos de alta velocidad que se presentan en los cables submarinos de la Petrobrás entre el Puerto de Imbetiba y las plataformas de Pargo I y Pampo I en la Bacia de Campos, analizando los resultados obtenidos y caracterizando las posibilidades de upgrade de estos enlaces.