Modulation instability (MI) is a general characteristic of wave propagation in nonlinear dispersive media and it has been intensively investigated in several branches of physics due to its fundamental nature as well as technological applications. This phenomenon corresponds to the exponential growth of weak harmonic perturbations in virtue of the interplay between dispersive and nonlinear effects. Hence, despite its important features, MI is also a main source of channel depletion and degradation in optical fiber communications. In this thesis, we investigate the modulational instability (MI) induced by cross-phase-modulation (XPM) of two incoherently coupled optical pulses co-propagating in a lossless fiber with a finite nonlinear response time. The non-instantaneous character of the nonlinear response is introduced through a Debye relaxation process. We analytically obtain the exact dispersion relation for weak harmonic perturbations over the stationary solution. We show that the instability spectrum, present in both normal and anomalous dispersive regimes in instantaneously responding Kerr media, develops a double peak structure whose relative strength and typical frequency range depend on the response time. Further, we reveal that there are two unstable modes in the entire frequency spectrum. We report the dependence of the maximum gain and central frequency within each unstable mode as a function of the group velocity mismatch and response time, showing the crossover between the regimes of fast and slow non-linear responses. / Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Alagoas / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Instabilidade Modulacional (IM) é um fenômeno característico da propagação de ondas em meios dispersivos não-lineares e tem sido estudado em diversas áreas da Física devido a sua natureza fundamental bem como suas importantes plicações tecnológicas. Esse fenômeno corresponde ao enriquecimento exponencial de pequenas perturbações harmônicas devido a cooperação dos efeitos não-lineares e dispersivos. Portanto, não obstante sua aplicabilidade, IM é, de igual modo, uma fonte importante de degradação em sistemas de comunicação por fibras ópticas. Nesta tese investigamos a instabilidade modulacional (IM) induzida por Modulação de Fase Cruzada (MFC) de dois pulsos ópticos acoplados incoerentemente que se propagam em uma fibra sem perda com tempo de resposta não-linear finito. O caráter não-instantâneo da resposta não-linear é introduzido através de um processo de relaxação de Debye. Obtemos analiticamente, de modo exato, a relação de dispersão para fracas perturbações harmônicas da solução estacionária. Mostramos que o espectro de instabilidade, presente tanto no regime de dispersão normal quanto no anômalo em meios Kerr com resposta instantânea, desenvolve uma estrutura de pico duplo cuja a intensidade relativa e a frequência típica dependem do tempo de resposta considerado. Além do mais, revelamos que existem dois modos instáveis ao longo de todo o espectro de frequência. Apresentamos a dependência do ganho máximo e da frequência correspondente dentro de cada modo instável como função da diferença da velocidade de grupo e do tempo de resposta, mostrando o cruzamento entre os regimes de resposta não-linear rápida e lenta.

Submitted by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2017-01-17T10:55:51Z No. of bitstreams: 2 Tese - Erivelton de Oliveira Alves - 2015.pdf: 5869721 bytes, checksum: 7ad25bf25a87b400628abe44e6c6f340 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Approved for entry into archive by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2017-01-17T10:56:06Z (GMT) No. of bitstreams: 2 Tese - Erivelton de Oliveira Alves - 2015.pdf: 5869721 bytes, checksum: 7ad25bf25a87b400628abe44e6c6f340 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Made available in DSpace on 2017-01-17T10:56:06Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Tese - Erivelton de Oliveira Alves - 2015.pdf: 5869721 bytes, checksum: 7ad25bf25a87b400628abe44e6c6f340 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Previous issue date: 2015-10-16 / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Goiás - FAPEG / In this work the influence of a saturable nonlinearity on the modulation instability (MI) in the contexts oppositely directed coupler and optical fibers in the presence of high-order effects are investigated. The instability gain is attained by using standard linear stability analysis. In particular, we study the combination of a saturable nonlinearity with self-steepening or intrapulse Raman scattering effects on MI for both normal and anomalous group velocity dispersion regimes. In the case of the directional couplers we investigated how the gain of modulational instability is affected by the saturation model and self-steepening or intrapulse Raman scattering effects. Our results show that instability gain exhibits significant changes due to the effects of saturable nonlinearity. When we analyze self-steepening effect, we show that its effective influence on the gain of the modulational instability depends on the algebraic sum of the parameters in each channel. Analyzing the intrapulse Raman scattering, we observe a symmetry break in the gain regions when the Raman scattering parameter with opposite signals in each channel is considered. Finally, in the context of optical fibers we show how the reduction of the Of the gain frequency of the IM, induced by saturation, can drastically limit the formation of soliton trains. / Neste trabalho estudamos a influência dos efeitos de não linearidades de ordem cúbica e quını́tica saturável sobre o espectro de ganho da instabilidade modulacional (MI) em acopladores direcionais e fibras ópticas. O ganho de instabilidade foi obtido usando a análise de estabilidade linear padrão. Em particular, estudou-se a combinação de efeitos de nãolinearidade saturável, autoinclinação ou espalhamento sobre MI para regimes de dispersão de velocidade de grupo normal e anômalo. No caso dos acopladores direcionais investigamos como o ganho da instabilidade modulacional é afetado pelo modelo de saturação e pelos efeitos de autoinclinação e espalhamento Raman. Nossos resultados mostram que ganho de instabilidade exibe mudanças significativas devido aos efeitos da não linearidade saturável. Quando analisamos o efeito de autoinclinação, mostramos que sua influência efetiva sobre o ganho da instabilidade modulacional depende da soma algébrica dos parâmetros em cada canal. Analisando o espalhamento Raman, observamos uma quebra de simetria nas regiões de ganho quando se considera o parâmetro do espalhamento de Raman com sinais contrários em cada canal. Finalmente, no contexto de fibras ópticas mostramos como a redução da faixa de frequência do ganho da IM, induzida pela saturação, pode limitar drasticamente a formação de trens de sólitons.

Considering noninstantaneous Kerr nonlinearity, the propagation of a partially coherent optical beam are theoretically investigated by using extensions of the nonlinear Schrödinger equation (NLSE). In order to account for the partial coherence of the beam, a phase-diffusion model is used for the laser beam. To introduce the finite response time of the medium, a time dependent nonlinear response is incorporated in the system of NLSE using the Debye relaxation model. We analytically deduce the dispersion relation and numerically compute the gain spectra along with relevant second-order statistical quantities. A detailed study of how these statistical properties are influenced by the group velocity dispersion regime as well as by the delayed nonlinear response of the material is presented. The distinct features for slow and fast delayed nonlinear response are also emphasized. In another aspect of this work, we also conducted theoretical studies on such statistical characteristics near zero-dispersion regime. / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Considerando a não-linearidade não-instantânea do tipo Kerr, a propagacão de um pulso parcialmente coerente é estudado teoricamente através do uso de extensões na equação não linear de Schrödinger. Para isso, levamos em conta um modelo de difusão de fase no pulso parcialmente coerente. Para incorporar o tempo de resposta finito no meio Kerr, utilizamos uma dependência temporal na resposta não linear do meio introduzida na equação não linear de Schrödinger através do modelo de relaxação de Debye. Deduzimos analiticamente também a relação de dispersão e computamos numericamente o espectro de ganho e algumas quantidades estatísticas de segunda ordem relevantes. Neste trabalho realizamos também um estudo detalhado de como estas propriedades estatísticas são influenciadas pelos regimes de dispersão da velocidade de grupo, tanto quanto pelo atraso na resposta não linear do meio em questão. Por fim, enfatizamos as diferentes características para as respostas não lineares rápidas e lentas. Em outra vertente deste trabalho, realizamos estudos teóoricos acerca de tais características estatísticas para o regime de dispersão zero.

Submitted by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2018-07-17T13:07:11Z No. of bitstreams: 2 Tese - Luciano Calaça Alves - 2018.pdf: 4699371 bytes, checksum: 706846314ebb74648be890b03e18d4cc (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Approved for entry into archive by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2018-07-17T13:55:46Z (GMT) No. of bitstreams: 2 Tese - Luciano Calaça Alves - 2018.pdf: 4699371 bytes, checksum: 706846314ebb74648be890b03e18d4cc (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Made available in DSpace on 2018-07-17T13:55:46Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Tese - Luciano Calaça Alves - 2018.pdf: 4699371 bytes, checksum: 706846314ebb74648be890b03e18d4cc (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Previous issue date: 2018-06-07 / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Goiás - FAPEG / This work presents the study of solitary wave solutions, known as solitons, in non-linear and non- homogeneous media using non-linear Schrödinger equations. Three cases are studied: first considering a logarithmic nonlinear term; second with saturation effect and finally including effects of high orders (Raman scattering). Solutions are modulated by three different types of potential. First, linear in the spatial and oscillatory coordinate in the temporal coordinate. The second, quadratic in the spatial and oscillatory in the temporal coordinates. Finally, it is also modulated using a mixed potential, which is the junction of the two potentials presented above. After including inomogeneities in linear and nonlinear coefficients, the similarity transformation technique is used to convert the non-linear, non-autonomous equation into an autonomous one that will be solved analytically. This field of study has potential applications in crystals, optical fibers and in Bose- Einstein condensates, also serving to understand the fundamentals related to this state of matter. The stability of the solutions are checked by numerical simulations. / Este trabalho apresenta o estudo de soluções de ondas solitárias, conhecidas como sólitons, em meios não lineares e não homogêneos por meio de equações não lineares de Schrödinger. São estudados três casos: primeiro considerando um termo não linear do tipo logarítmico; segundo com efeito de saturação e por último incluindo efeitos de altas ordens (espalhamento Raman). As soluções são moduladas por três tipos diferentes de potencial. O primeiro, linear na coordenada espacial e oscilatório na coordenada temporal. O segundo, quadrático na coordenada espacial e oscilatório na temporal. Por fim, modula-se também utilizando um potencial misto, que é a junção dos dois potenciais apresentados anteriormente. Depois de incluir heterogeneidades nos coeficientes lineares e não lineares, é utilizada a técnica da transformação de similaridade para converter a equação não linear, não autônoma em uma autônoma que será resolvida analiticamente. Esse campo de estudo tem potenciais aplicações em cristais, fibras ópticas e em condensados de Bose-Einstein, servindo também para o entendimento dos fundamentos relacionados a esse estado da matéria. A estabilidade das soluções são checadas por meio de simulações numéricas.