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Photonic Applications Based on Bimodal Interferometry in Periodic Integrated WaveguidesTorrijos Morán, Luis 02 September 2021 (has links)
Tesis por compendio / [ES] La fotónica de silicio es una tecnología emergente clave en redes de comunicación e
interconexiones de centros de datos de nueva generación, entre otros. Su éxito se basa
en la utilización de plataformas compatibles con la tecnología CMOS para la integración
de circuitos ópticos en dispositivos pequeños para una producción a gran escala a
bajo coste. Dentro de este campo, los interferómetros integrados juegan un papel
crucial en el desarrollo de diversas aplicaciones fotónicas en un chip como sensores
biológicos, moduladores electro-ópticos, conmutadores totalmente ópticos, circuitos
programables o sistemas LiDAR, entre otros. Sin embargo, es bien sabido que la
interferometría óptica suele requerir caminos de interacción muy largos, lo que dificulta
su integración en espacios muy compactos. Para mitigar algunas de estas limitaciones de
tamaño, surgieron varios enfoques, incluyendo materiales sofisticados o estructuras más
complejas, que, en principio, redujeron el área de diseño pero a expensas de aumentar
los pasos del proceso de fabricación y el coste.
Esta tesis tiene como objetivo proporcionar soluciones generales al problema de
tamaño típico de los interferómetros ópticos integrados, con el fin de permitir la
integración densa de dispositivos basados en silicio. Para ello, aunamos los beneficios
tanto de las guías de onda bimodales como de las estructuras periódicas, en términos
de la mejora del rendimiento y la posibilidad para diseñar interferómetros monocanal
en áreas muy reducidas. Más específicamente, investigamos los efectos dispersivos
que aparecen en estructuras menores a la longitud de onda y en las de cristal fotónico,
para su implementación en diferentes configuraciones interferométricas bimodales.
Además, demostramos varias aplicaciones potenciales como sensores, moduladores y
conmutadores en tamaños ultra compactos de unas pocas micras cuadradas. En general,
esta tesis propone un nuevo concepto de interferómetro integrado que aborda los
requisitos de tamaño de la fotónica actual y abre nuevas vías para futuros dispositivos
basados en funcionamiento bimodal. / [CA] La fotònica de silici és una tecnologia emergent clau en xarxes de comunicació i
interconnexions de centres de dades de nova generació, entre altres. El seu èxit es basa
en la utilització de plataformes compatibles amb la tecnologia CMOS per a la integració
de circuits òptics en dispositius diminuts per a una producció a gran escala a baix
cost. Dins d'aquest camp, els interferòmetres integrats juguen un paper crucial en el
desenvolupament de diverses aplicacions fotòniques en un xip com a sensors biològics,
moduladors electro-òptics, commutadors totalment òptics, circuits programables o
sistemes LiDAR, entre altres. No obstant això, és ben sabut que la interferometría òptica
sol requerir camins d'interacció molt llargs, la qual cosa dificulta la seua integració en
espais molt compactes. Per a mitigar algunes d'aquestes limitacions de grandària, van
sorgir diversos enfocaments, incloent materials sofisticats o estructures més complexes,
que, en principi, van reduir l'àrea de disseny però a costa d'augmentar els processos de
fabricació i el cost.
Aquesta tesi té com a objectiu proporcionar solucions generals al problema de
grandària típica dels interferòmetres òptics integrats, amb la finalitat de permetre la
integració densa de dispositius basats en silici. Per a això, combinem els beneficis tant de
les guies d'ones bimodals com de les estructures periòdiques, en termes de funcionament
d'alt rendiment per a dissenyar interferòmetres monocanal compactes en àrees molt
reduïdes. Més específicament, investiguem els efectes dispersius que apareixen en
estructures menors a la longitud d'ona i en les de cristall fotònic, per a la seua
implementació en diferents configuracions interferomètriques bimodals. A més, vam
demostrar diverses aplicacions potencials com a sensors, moduladors i commutadors en
grandàries ultres compactes d'unes poques micres cuadrades. En general, aquesta tesi
proposa un nou concepte d'interferòmetre integrat que aborda els requisits de grandària
de la fotònica actual i obri noves vies per a futurs dispositius basats en funcionament
bimodal. / [EN] Silicon photonics is a key emerging technology in next-generation communication
networks and data centers interconnects, among others. Its success relies on the
ability of using CMOS-compatible platforms for the integration of optical circuits
into small devices for a large-scale production at low-cost. Within this field,
integrated interferometers play a crucial role in the development of several on-chip
photonic applications such as biological sensors, electro-optic modulators, all-optical
switches, programmable circuits or LiDAR systems, among others. However, it is well
known that optical interferometry usually requires very long interaction paths, which
hinders its integration in highly compact footprints. To mitigate some of these size
limitations, several approaches emerged including sophisticated materials or more
complex structures, which, in principle, reduced the design area but at the expense of
increasing fabrication process steps and cost.
This thesis aims at providing general solutions to the long-standing size problem
typical of optical integrated interferometers, in order to enable the densely integration
of silicon-based devices. To this end, we combine the benefits from both bimodal
waveguides and periodic structures, in terms of high-performance operation and
compactness to design single-channel interferometers in very reduced areas. More
specifically, we investigate the dispersive effects that arise from subwavelength
grating and photonic crystal structures for their implementation in different bimodal
interferometric configurations. Furthermore, we demonstrate various potential
applications such as sensors, modulators and switches in ultra-compact footprints of
a few square microns. In general, this thesis proposes a new concept of integrated
interferometer that addresses the size requirements of current photonics and open up
new avenues for future bimodal-operation-based devices. / Financial support is also gratefully acknowledged through postdoctoral FPI grants from Universitat Politècnica de València (PAID-01-18). European Commission through the Horizon 2020 Programme (PHC-634013 PHOCNOSIS project).
The authors acknowledge funding from the Generalitat Valenciana through the AVANTI/2019/123, ACIF/2019/009 and PPC/2020/037 grants and from the European
Union through the operational program of the European Regional Development Fund (FEDER) of the Valencia Regional Government 2014–2020. / Torrijos Morán, L. (2021). Photonic Applications Based on Bimodal Interferometry in Periodic Integrated Waveguides [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/172163 / Compendio
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Neue Ansätze zur linearen und nichtlinearen optischen Charakterisierung molekularer und nanokristalliner Ensembles: Zusammenhang zwischen makroskopischer Funktion und Struktur auf mesoskopischer Längenskala technologisch relevanter MaterialienBock, Sergej 29 October 2020 (has links)
Durch neue Ansätze zur Charakterisierung molekularer und nanokristalliner Materialien
spiegelt die vorliegende Arbeit die Synergie von linearer Optik über Ultrakurzzeitphysik
zur nichtlinearen Optik wider.
Angefangen mit der linearen diffusen Reflektanz (Remission) zur Bestimmung des spektralen
Reflexionsvermögens von Pulverpartikeln, erlaubt die hier gezeigte alternative
Herangehensweise (s. Kapitel 2) nicht nur ein vereinfachtes Messen der Remission zur
Analyse von Materialzusammensetzungen, Verunreinigungen und Co-Dotierungen, sondern
eröffnet zudem über Monte-Carlo Simulationen, kombiniert mit der Kubelka-Munk
Theorie und der Mie Streuung, auch den Zugang zu dem ansonsten experimentell unzugänglichen
Absorptionskoeffizienten von nicht-transluzenten Proben. Die präsentierten
Mess- und Simulationsergebnisse an Pulvertabletten aus Rutil-Titandioxid (TiO2)
und Cer-dotierten Yttrium Aluminium Granat (YAG:Ce3+) sind mit den bisherigen in
der Literatur vorliegenden Ergebnissen konsistent oder zumindest vergleichbar. Auch
lassen sich nach Modifikation der Kubelka-Munk Funktion die Bandkanten-Energien
Eg der mikro- und nanokristallinen Pulverproben mittels so genannter Tauc Plots verifizieren.
Basierend auf einer starken Temperatur- und Konzentrationsabhängigkeit lassen sich
die Emissionsspektren der oben genannten YAG:Ce3+-Leuchtstoffe aufgrund von Überlappung
oder Verschiebung der energetischen Grundniveaus 2F5/2 und 2F7/2 variieren (s.
Kapitel 3). Während sich bei Tieftemperaturen um 19K die doppelbandige Natur der
Leuchtstoffe zeigt, verbreitern sich die Emissionsbanden bei Raumtemperatur zu einer
Einzelbande, womit eine spektral sehr breite Fluoreszenz einhergeht. Mathematische
Entfaltungen dieser Spektren zeigen jeweils den prozentualen Beitrag der Relaxation
aus dem untersten angeregten Zustand 5d1 in einen der beiden Grundzustände 2F5/2
und 2F7/2 und ebenso den Einfluss der Temperatur und Cer-Konzentration. Tatsächlich
führen die experimentellen Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zu der Erkenntnis, dass
eine der vier untersuchten YAG:Ce3+-Proben eine erhöhte Cer-Konzentration aufweisen
muss. Anders als bei den schwach konzentrierten YAG:Ce3+-Proben ist die spektrale
Doppelbande des stark konzentrierten Leuchtstoffs selbst bei 19K nur zu erahnen, während
der Beitrag des 5d1 --> 2F7/2 Übergangs auf die Gesamtfluoreszenz retrograd zum
5d1 --> 2F5/2 Übergang mit steigender Temperatur sogar abnimmt.
Im direkten Anschluss an die spektrale Vermessung der Proben folgen zeitaufgelöste
Lebensdauermessungen zur Bestimmung der Nachleuchtdauern dieser Leuchtstoffe
mittels Pikosekunden-Laserpulsen (ps-Pulse) (s. Kapitel 3.3). Auch hier stellen sich Unterschiede
zwischen den genannten YAG:Ce3+-Proben heraus und untermauern erneut
die Annahme unterschiedlicher Cer-Konzentrationen: Während die Nachleuchtdauer
der niedrig konzentrierten Leuchtstoffe von der Temperatur nahezu unberührt bleibt,
zeigt sich eine bemerkenswerte Temperaturabhängigkeit des 5d1 --> 2F5/2 Übergangs beim YAG:Ce3+ mit hohem Cer-Gehalt. Auf Basis sämtlicher experimenteller Erkenntnisse
und einer ausgiebigen Literaturrecherche kann schließlich eine Fremddotierung
der Leuchtstoff-Proben nahezu vollständig ausgeschlossen und ein Energieschema für
die vorliegenden YAG:Ce3+-Leuchtstoffe mit den wichtigsten optischen Übergängen erstellt
werden.
In Hinblick auf potentielle holographische Applikationen wie der optischen Datenspeicherung
oder Echtzeit-Holographie erweisen sich die in Polydimethylsiloxan eingebetteten
photoschaltbaren Ruthenium-Sulfoxide aufgrund der äußerst geringen Beugungseffizienz
von < 10−2 als nicht pragmatisch für die Praxis (s. Kapitel 4). Vergleichbare
photoschaltbare Materialien, wie zum Beispiel Natriumnitrosylprussiat, erreichen hingegen
Effizienzen von bis zu 100 %. Dennoch zeichnen sich die in Publikation 2 (s.
Anhang A.2) vorgestellten Resultate an OSO-PDMS durch ihre äußerst hohe Qualität
aus. Sowohl die dynamische Hologramm-Entstehung als auch die Rocking-Kurve
folgen den physikalischen Theorien einwandfrei und lassen sich mit den bekannten mathematischen
Anpassungen exakt wiedergeben, womit sich entsprechend intrinsische
Größen ableiten lassen. Zudem beeindruckt der experimentelle Aufbau mit der präzisen
Messung der oftmals nicht detektierbaren Nebenmaxima der gezeigten Rocking-Kurve
sowie des Winkel-Multiplexings. Bemerkenswert ist außerdem aus physikalischer Sicht
der immense Unterschied zwischen cw- und fs-Holographie. Hier deuten sich nichtlineare
Effekte an, die zu der Erkenntnis führen, dass sich die bekannten Theorien mit
cw-Lasern nicht ohne Weiteres deckungsgleich auf die Holographie mit ultrakurzen
Laserpulsen anwenden lassen. Ein möglicher Erklärungsansatz ist in Kapitel 4.1 beschrieben.
Einen praktischen Zweck zur Nutzung nichtlinearer Effekte erfüllt die vorgestellte Messmethode
zur Unterscheidung polarer und nicht-polarer Materialien mittels intensiver fs-
Puls-Anregung von sogenannten harmonischen (Upconversion-)Nanopartikeln (s. Kapitel
5). Denn anders als die zu Beginn behandelten Leuchtstoffe, weisen die harmonischen
Nanopartikel eine starke Anti-Stokes Verschiebung durch Frequenzkonversion
zweier oder dreier Photonen zu einem energiereicheren (kurzwelligen) Photon auf. Diese
als SHG (second harmonic generation) und THG (third harmonic generation) bekannte
Lichtemission wird spektral vermessen, wobei die zu Beginn der Arbeit beschriebenen
linearen diffusen Reflektanzmessungen den zu erwartenden Spektralbereich ohne nennenswerte
Absorption eingrenzen. Die eigens definierte Gütezahl fR, bestehend aus
dem integrierten SHG- und THG-Emissionsspektrum einer Probe, kategorisiert dann
die polare (fR > 1) oder nicht-polare (fR << 1) Natur des Materials.
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Vectorial beam coupling in fast photorefractive crystals with AC-enhanced response / Vectorial beam coupling in fast photorefractive crystals with AC-enhanced responseFilippov, Oleg 28 September 2004 (has links)
We develop a theory of vectorial wave coupling in cubic photorefractive crystals placed in an alternating ac-field to enhance the nonlinear response. First we analytically and numerically investigate the dependences of the first Fourier harmonics of the space-charge field, induced in an AC-biased sillenite crystal by a light-interference pattern, on the light contrast m. The data obtained was used to extend the vectorial beam-coupling theory on the whole contrast region. In particular, we proved in the general case that despite of essential differences between thediffusion and AC nonlocal responses the later keeps the light interference fringes straight during the interaction. This fundamental feature allows, under certain restrictions, to reduce the nonlinear problem of vectorial coupling to the known linear problem of vectorial Bragg diffraction from a spatially uniform grating, which admits an exact solution. As a result, the nonlinear vectorial problem can be effectively solved for a number of practically important cases.The developed theory was applied to describe the transformation of a momentary phase changes of one of the input beams into the output intensity modulation (so-called grating translation technique). In contrast to the previous studies, we take into account the change of the space-charge field amplitude across the crystal (the coupling effects). The theory developed is employed to optimize the conditions for the linear signal detection under polarization filtering for the transverse and longitudinal optical configurations. We also analyze the possibility of the linear detection without polarization filtering.Illumination of AC-biased photorefractive BTO crystals with a coherent light beam results in development of strong nonlinear scattering. We investigate the angular and polarization characteristics of the scattered light for the diagonal optical configuration and different polarization states of the pump.
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Nichtlineare Optik mit ultrakurzen Laserpulsen: Suszeptibilität dritter Ordnung und kleine Polaronen sowie Interferenz und Holographie verschiedenfarbiger LaserpulseBadorreck, Holger 13 June 2016 (has links)
In der vorliegenden Arbeit werden die nichtlinearen optischen Eigenschaften der Materialien Lithiumniobat und Di-Zinn-Hexathiohypodiphosphat aufgrund der Suszeptibilität 3. Ordnung und kleiner Polaronen untersucht. Zudem wird gezeigt, dass die Interferenz verschiedenfarbiger Laserpulse die Aufzeichnung von statischen und dynamischen holographischen Gittern ermöglicht. Ein Teil dieser Arbeit ist in den im Anhang angegebenen 6 Publikationen bereits veröffentlicht.
Lithiumniobat wird mit einer Erweiterung des Z-Scan Experiments untersucht, welches die Pulslängenabhängige Messung der nichtlinearen Absorption und der nichtlinearen Brechungsindexänderung ermöglicht. Dabei konnte festgestellt werden, dass bei sehr kurzen Pulslängen von 70 fs ein Effekt der Polaronen auf die nichtlineare Absorption vernachlässigbar ist und die Zwei-Photonen-Absorption die nichtlineare Absorption dominiert. Mit größerer Pulslänge gibt es allerdings Abweichungen zwischen der Theorie der Zwei-Photonen-Absorption und den Messergebnissen. Mit der Entwicklung eines Polaronen-Anregungs-Modells, welches eine polaronische Absorption aufgrund wiederholtem optisch induziertem Hopping annimmt, konnte dieser Effekt konsistent erklärt werden. Die Messungen der nichtlinearen Brechungsindexänderung lassen darauf schließen, dass sowohl freie Ladungsträger als auch kleine Polaronen neben der Suszeptibilität 3. Ordnung einen Einfluss auf die Brechungsindexänderung haben, da eine nichtlineare Abhängigkeit von der Intensität auch bei Pulslängen von 70 fs festgestellt werden konnte.
Analog dazu konnte in Di-Zinn-Hexathiohypodiphosphat ein großer Zwei-Photonen-Absorptionskoeffizient festgestellt werden, welcher für Photonenenergien nahe der Bandkante Werte zeigt, die größer sind als theoretischen Überlegungen zeigen. Eine transiente Absorption nach optischer Anregung, gemessen durch ein Anreg-Abtast-Experiment, sowie Literatur legen nahe, dass in Di-Zinn-Hexathiohypodiphosphat gebundene Lochpolaronen durch optische Anregung entstehen können.
Durch den hohen Zwei-Photonen-Absorptionskoeffizienten konnte das Aufzeichnen eines kontrastreichen, dynamischen Amplitudengitters mittels Femtosekundenpulsen gezeigt und nachgewiesen werden.
Die Kürze der Femtosekundenpulse ermöglicht aber nicht nur das Aufzeichnen eines Zwei-Photonen-Absorptionsgitters aufgrund der hohen Intensitäten, sondern erlaubt zudem die Beobachtung von Interferenz zwischen verschiedenfarbigen Pulsen. In der Zeitspanne der Pulslänge beträgt die Bewegung der Interferenzstreifen, welche in der Größenordnung der Lichtgeschwindigkeit liegt, nur ein Bruchteil der Streifendistanz, sodass das Interferenzmuster eingefroren und beobachtbar erscheint. Somit lassen sich statische Hologramme in holographischen Filmen, wie auch dynamische Hologramme aufzeichnen. Über ein dynamisches holographisches Gitter mittels Zwei-Photonen-Absorption konnte so eine Frequenzkonversion durch Dopplerverschiebung in Lithiumniobat gezeigt werden.
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