Orientador: Newton Cesário Frateschi / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-24T10:26:52Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Barea_LuisAlbertoMijam_D.pdf: 8459370 bytes, checksum: 5dd565986711cb06cb24cf63d6d69372 (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: Sistemas fotônicos baseados em ressonadores na forma de anéis tem uma dependência fundamental dada pela relação estreita entre espaçamento espectral livre (Free Spectral Range, FSR), fator de qualidade total, Q, e o raio dos ressonadores, R. Nesta tese, nós quebramos esta dependência empregando moléculas fotônicas (Photonic Molecules, PMs) baseadas em múltiplos anéis internamente acoplados a um anel externo, que por sua vez está acoplado a um guia de onda. Aplicando o método de matriz de transferência (Transfer-Matrix Method, TMM) e programas robustos de simulação, nós projetamos três tipos de PMs baseada em uma plataforma de Silício-sobre-isolante (Silicon-on-Insulator, SOI). Este projeto mostrou que o acoplamento entre duas ou mais micro-cavidades ópticas, permite separações espectrais e hibridização dos modos quando as frequências ressonantes estão degeneradas nas cavidades, similar ao acoplamento fraco entre átomos. Estas PMs foram fabricadas com um processo convencional e compatível com a tecnologia CMOS, empregando uma Foundry, e suas caracterizações mostraram a emergência de dupletos, tripletos, quadrupletos e sextupletos de ressonâncias degeneradas, com alto Q e espaçamentos curtos, somente possíveis com anéis de algumas ordens de magnitude maiores em área. Estes resultados quebraram o paradigma da interdependência entre Q, FSR e R, evidenciando que é possível ter tempo de vida fotônico, espaçamento espectral e área independentes. As aplicações destas PMs em processamento de sinal óptico também foram demonstrados neste trabalho. Nós apresentamos o uso da molécula com dupleto de ressonâncias para extrair um sinal RF de 34.2 GHz, filtrando as bandas laterais de um sinal modulado. Também foi demonstrado que moduladores ópticos ultracompactos operando à 2.75 vezes acima do limite da largura de linha do ressonador pode ser obtido a partir da PM que apresenta um tripleto de ressonâncias, separadas de ~55 GHz. Finalmente, utilizando a molécula que permite obter um quadrupleto de ressonâncias, foi demonstrado a conversão de comprimento de onda totalmente óptico (multicasting) para quatro canais convertidos e separados de 40-60 GHz, utilizando apenas 1 mW de potência de controle / Abstract: Photonic systems based on microring resonators have a fundamental constraint given by the strict relationship among free spectral range (FSR), total quality factor (Q) and resonator size (R). In this thesis, we break this dependence employing CMOS compatible photonic molecules (PMs) based on multiple inner ring resonators coupled to an outer ring, which is coupled to a straight bus waveguide. Applying the transfer matrix method (TMM) and simulation robust programs, we project three types of PM based on scalable silicon-on-insulator (SOI) platform. This project shows that the coupling between two or more optical micro-cavities, allows spectral splitting and hybridization of the modes when the resonant frequencies are degenerated in the cavities, similar to weak coupling between atoms. These PMs were fabricated in a conventional CMOS Foundry and your characterization shows the emergence of doublet, triplet, quadruplet and sextuplet of degenerated resonances, with high-Q and close-spaced, only achievable with single-ring orders of magnitude larger in footprint. These results break the paradigm of the interdependence between Q, FSR and R, evidencing that is possible to have photonic lifetime, spectral spacing and footprint independents. The applications of these PMs in optical processing signal were also demonstrate in this work. We demonstrate the use of the doublet splitting for 34.2 GHz RF signal extraction by filtering the sidebands of a modulated optical signal. We also demonstrate that very compact optical modulators operating 2.75 times beyond its resonator linewidth limit may be obtained using the PM triplet splitting, with separation of ~ 55 GHz. Finally, using the quadruplet of resonances, we demonstrate four-channel all-optical wavelength multicasting using only 1 mW of control power, with converted channel spacing of 40-60 GHz / Doutorado / Física / Doutor em Ciências

In this thesis, we had studied the transmissivity of electromagnetic waves in onedimensional photonic structures composed by metamaterials in many ways. Applying the formalism of transfer matrix, comparing the transmission spectra between two systems: defective photonic superlattices composed of subwavelength slab widths and a simple photonic structures formed by three layers. Through the effective medium theory, with good accuracy, we had shown the equivalence of the above systems in the spectral region in which there are modes of resonant tunneling for both structures. Furthermore, we had derived a general condition which should be satisfied to observe the resonant modes. Our analytical results may be useful from a technological point of view to propitiate, in the design and development of photonic devices, adjustment or selection of resonant frequencies. Finally, we investigated the electromagnetic wave transmission properties through a multilayer system consisting of alternated layers of air and uniaxially anisotropic metamaterials. The optical axis of each heterostructure coincides with the direction of stacking of the layers. The components of the electric permittivity and magnetic permeability tensors that characterize the metamaterial are modeled by a Drude-type response and split-ring resonator metamaterial response, respectively. Different plasmon frequencies are considered for directions perpendicular and parallel to the optical axis. For oblique incidence, longitudinal plasmon polariton modes are found in the neighborhood of the plasmon frequency along the optical axis. The anisotropy leads to unfolding of nearly dispersionless plasmon-polariton bands either above or below the plasmon frequency. Moreover, it is shown that, even in the presence of loss /absorption, these plasmon polariton modes do survive and, therefore, should be experimentally detected. / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Nessa tese, estudamos a transmissividade de ondas eletromagnéticas em estruturas fotônicas unidimensionais formadas por metamateriais, sob vários aspectos. Aplicando o formalismo de matriz de transferência, comparamos os espectros de transmissão entre dois sistemas: redes defeituosas com camadas no regime de sub-comprimento de onda e simples estruturas fotônicas formadas por três camadas. Através da teoria do meio efetivo, com boa acurácia, mostramos a equivalência dos supracitados sistemas na região espectral em que há modos de tunelamento ressonante para ambas estruturas. Além disso, derivamos uma condição geral que deve ser satisfeita para observarmos os modos ressonantes. Nossos resultados analíticos podem ser úteis do ponto de vista tecnológico por propiciarem, na concepção e no desenvolvimento de dispositivos fotônicos, o ajuste ou seleção das frequências de ressonância. Por fim, investigamos as propriedades de transmissão de ondas eletromagnéticas através de sistemas multicamadas consistindo de camadas alternadas de ar e metamateriais uniaxialmente anisotrópicos. O eixo óptico de cada heteroestrutura coincide com a direção de empilhamento das camadas. As componentes dos tensores de permissividade elétrica e permeabilidade magnética que caracterizam os metamateriais são modeladas por respostas do tipo Drude e split-ring resonator, respectivamente. Diferentes frequências de plasmon são consideradas para as direções perpendiculares e paralela ao eixo óptico. Para incidência oblíqua, modos de plasmon polariton longitudinais são encontrados nas vizinhanças da frequência de plasmon ao longo do eixo óptico. A anisotropia leva ao desdobramento de bandas de plasmon polariton quase sem dispersão acima ou abaixo da frequência de plasmon. Além disso, mostramos que mesmo na presença de perdas/absorções, esses modos de plasmon polariton sobrevivem e, portanto, devem ser detectados experimentalmente.

In the atomic, molecular, optical physics field, processes involving two photons are very well understood and used in applications ranging from spectroscopy to laser cooling technics. In this thesis is presented the study and experimental realization of two two-photon processes. Using sodium atoms trapped in a magnetic optical trap we could demonstrate two-photon cooperative absorption, and that the creation of a molecular bound state using only light fields, or photonic bound state, is possible. Two-photon cooperative absorption, very common in solid-state physics, is a process where a pair of atoms initially in the ground state is excited to the double excited state, via absorption of two photons with frequecy that is not ressonant with any excited state. Its experimental realization with cold atoms may open new and exciting possibilities to better understand nonlinear effects, and it is a new way to create correlated atoms and photons in cold atomic physics. This absorption was observed by ionization of the pair after the excitation. A simple model that considers only dipole-dipole interactions between the atoms allows us to understand the basic features observed in the experimental data. A photonic bound state uses two photons to create the two basic features of a molecular bound state: a repulsive part and an attractive part. A blue photon, blue detuned from the atomic transition, connects the ground state of the pair to the repulsive part of the first excited molecular state 1, and a red photon, red detuned from the atomic transition, connects the connects the ground state of the pair to the attractive part of the first excited molecular state. In the dressed state picture, when the light fields are strong, this three-states-two-photon system creates adiabatic bound potentials that are strongly dependent of the photon properties. Using a theoretical model we could study how this bound energies changes when we change the photon properties, and the experimental data shows that this photos are indeed dressing the potentials with a efficiency that would enable the creation of photonic molecules. / No campo da física atômica, molecular e ótica processos envolvendo dois fótons são bem compreendidos e usados em diversas aplicações. Nesta tese apresentamos o estudo e a realização experimental de dois processos de dois-fótons. Usando átomos de sódio aprisionados em uma armadilha magneto ótica, demonstramos a absorção cooperativa de dois fótons e que a criação de um estado ligado molecular usando somente campos de luz, ou estado ligado fotônico, é possível. Absorção cooperativa de dois fótons, um processo bem comum em física de estado sólido, acontece quando um par de átomos inicialmente no estado fundamental é excitado para o estado duplamente excitado, via absorção de dois fótons de frequência não ressonante com a dos estados excitado. A realização experimental deste processo em um sistema de átomos frios pode abrir novas, e excitantes possibilidades para entender melhor processos não lineares, e é um novo método de criar átomos e fótons correlacionados. Essa absorção foi observada através da ionização do par depois da absorção, e um modelo simples que considera somente interação dipolo-dipolo entre os dois átomos nós ajuda entender as características básicas dos dados obtidos. Um estado ligado fotônico usa dois fótons para criar as duas características básicas dos estados ligados moleculares: a parte repulsiva e a parte atrativa. Um fóton azul, deslocado para o azul da transição atômica, conecta o estado fundamental do par a parte repulsiva do primeiro estado excitado molecular 1, e um fóton vermelho, deslocado para o vermelho da transição atômica, conecta o estado fundamental a parte atrativa do deslocado para o azul da transição atômica. No contexto de estados vestidos, quando os campos de luz são intensos, esse sistema de três estados e dois fótons cria potenciais ligantes adiabáticos que são fortemente dependentes das propriedades desses fótons. Usando um modelo teórico para esses potenciais pudemos estudar como é essa dependência, com as características do fótons, e os dados experimentais mostram que esses fótons estão de fato vestindo os estados com uma eficiência que viabiliza a criação de moléculas fotônicas.

In the atomic, molecular, optical physics field, processes involving two photons are very well understood and used in applications ranging from spectroscopy to laser cooling technics. In this thesis is presented the study and experimental realization of two two-photon processes. Using sodium atoms trapped in a magnetic optical trap we could demonstrate two-photon cooperative absorption, and that the creation of a molecular bound state using only light fields, or photonic bound state, is possible. Two-photon cooperative absorption, very common in solid-state physics, is a process where a pair of atoms initially in the ground state is excited to the double excited state, via absorption of two photons with frequecy that is not ressonant with any excited state. Its experimental realization with cold atoms may open new and exciting possibilities to better understand nonlinear effects, and it is a new way to create correlated atoms and photons in cold atomic physics. This absorption was observed by ionization of the pair after the excitation. A simple model that considers only dipole-dipole interactions between the atoms allows us to understand the basic features observed in the experimental data. A photonic bound state uses two photons to create the two basic features of a molecular bound state: a repulsive part and an attractive part. A blue photon, blue detuned from the atomic transition, connects the ground state of the pair to the repulsive part of the first excited molecular state 1, and a red photon, red detuned from the atomic transition, connects the connects the ground state of the pair to the attractive part of the first excited molecular state. In the dressed state picture, when the light fields are strong, this three-states-two-photon system creates adiabatic bound potentials that are strongly dependent of the photon properties. Using a theoretical model we could study how this bound energies changes when we change the photon properties, and the experimental data shows that this photos are indeed dressing the potentials with a efficiency that would enable the creation of photonic molecules. / No campo da física atômica, molecular e ótica processos envolvendo dois fótons são bem compreendidos e usados em diversas aplicações. Nesta tese apresentamos o estudo e a realização experimental de dois processos de dois-fótons. Usando átomos de sódio aprisionados em uma armadilha magneto ótica, demonstramos a absorção cooperativa de dois fótons e que a criação de um estado ligado molecular usando somente campos de luz, ou estado ligado fotônico, é possível. Absorção cooperativa de dois fótons, um processo bem comum em física de estado sólido, acontece quando um par de átomos inicialmente no estado fundamental é excitado para o estado duplamente excitado, via absorção de dois fótons de frequência não ressonante com a dos estados excitado. A realização experimental deste processo em um sistema de átomos frios pode abrir novas, e excitantes possibilidades para entender melhor processos não lineares, e é um novo método de criar átomos e fótons correlacionados. Essa absorção foi observada através da ionização do par depois da absorção, e um modelo simples que considera somente interação dipolo-dipolo entre os dois átomos nós ajuda entender as características básicas dos dados obtidos. Um estado ligado fotônico usa dois fótons para criar as duas características básicas dos estados ligados moleculares: a parte repulsiva e a parte atrativa. Um fóton azul, deslocado para o azul da transição atômica, conecta o estado fundamental do par a parte repulsiva do primeiro estado excitado molecular 1, e um fóton vermelho, deslocado para o vermelho da transição atômica, conecta o estado fundamental a parte atrativa do deslocado para o azul da transição atômica. No contexto de estados vestidos, quando os campos de luz são intensos, esse sistema de três estados e dois fótons cria potenciais ligantes adiabáticos que são fortemente dependentes das propriedades desses fótons. Usando um modelo teórico para esses potenciais pudemos estudar como é essa dependência, com as características do fótons, e os dados experimentais mostram que esses fótons estão de fato vestindo os estados com uma eficiência que viabiliza a criação de moléculas fotônicas.