This thesis explores the application of two-dimensional (2D) materials such as graphene and single layer hexagonal boron nitride (h-BN) which are produced by liquid phase exfoliation for use in printed electronics and energy composite applications. In Chapter 2 I give a broad overview of the electrical, mechanical and optical properties of 2D materials among other nanomaterials that were used in the thesis such as carbon nanotubes and conductive polymers. Additionally I review the techniques and theory behind the exfoliation and dispersion of functional layered materials. In Chapter 3 I present the coating and printing techniques which were used in this thesis along with the experimental techniques and methods which I use to characterise my inks, films and devices. Chapter 4 is the first experimental chapter of the thesis and demonstrates the printing of 2D material heterostructures to create fully printed dieletrically gated field effect transistors with 2D materials on textile and polymer substrates. In this chapter I also demonstrate reprogrammable volatile memory, p and n type inverters, complementary inverters, and logic gates which pave the way to fully printed integrated circuits, operational at room temperature and pressure with 2D materials processed in liquid. In Chapter 5, I review spray coating (a highly industrial scalable printing technique), in terms of the optimisation of its parameters to achieve thin films of nanomaterials on three-dimensional (3D) surfaces. I then demonstrate that it is possible to create large area (∼750 cm2) transparent conducting films around curved surfaces with spray coating enabling a semi-transparent (around 360°) spherical touch sensor for interactive devices. Chapter 6 explores printed photonics for applications in terahertz (THz) frequencies. Here I demonstrate the feasibility of liquid phase exfoliated graphene to create THz saturable absorbers (SAs) which could enable many applications in THz frequencies such as tomography or time-resolved spectroscopy that require mode-locked (i.e. enabling a train of short pulses to be derived from continuous-wave operation) THz pulses. I also demonstrate that these SAs can be inkjet printed on demand providing unprecedented compactness in a quantum cascade laser system. Finally in Chapter 7, I look at the application of graphene in microbial fuel cells (MFC). I demonstrate that enhanced MFC output arises from the interplay of the improved surface area, enhanced conductivity, and catalytic surface groups of a graphene based electrode. As a final step graphene based anodes and cathodes which were entirely platinum free were combined to create an environmentally sustainable energy source.

Ce mémoire est consacré à l'étude de l'impact de la régénération 2R dans un système de transmission optique. La régénération optique 2R devrait permettre d'améliorer les performances et limiter le coût des liaisons longue distance et métropolitaines. Des dispositifs simples et peu coûteux pourraient en effet remplacer certains transpondeurs des liaisons optiques. Seules les techniques compatibles avec le réseau multiplexé en longueur d'onde (WDM) seront susceptibles de voir le jour. Ces travaux se sont par conséquent plus particulièrement tournés vers un dispositif 2R à base d'un absorbant saturable en microcavité verticale, dispositif qui présente les qualités requises pour l'application visée. Ces travaux ont donné lieu à des considérations tant d'un point de vue compréhension des phénomènes que d'un point de vue performances. Ils ont été réalisés dans le cadre du projet RNRT (Réseau National de Recherche en Télécommunications) ASTERIX (Absorbant Saturable pour la régénération TERabits multIpleXée en longueurs d'onde).<br />Après une présentation des généralités sur les systèmes de transmission optique et des principales dégradations subies par le signal, nous abordons la régénération optique. Nous mettons ensuite en évidence la difficulté de démontrer l'efficacité d'un régénérateur. Nous montrons notamment que pour démontrer son efficacité, un régénérateur optique doit être caractérisé dans une liaison.<br />L'étude numérique et expérimentale d'une liaison comportant une cascade de régénérateurs optiques 3R, nous permet ensuite, dans le cas où l'accumulation de bruit d'amplitude limite la transmission, de connaître l'évolution des densités de probabilité depuissance des symboles et donc du taux d'erreur binaire (TEB).<br />Le cas d'une régénération 2R est ensuite abordé. Un dispositif original constitué d'un absorbant saturable suivi d'un amplificateur optique à semiconducteur (SOA) est caractérisé avant d'être cascadé dans une ligne de transmission à 10 Gbit/s. L'efficacitédu dispositif est démontrée puisqu'un facteur d'amélioration de la distance de propagation supérieur à 9,5 est obtenu pour un TEB de 10-8 permettant une propagation sur 20 000 km. L'accordabilité du dispositif est également démontrée sur une bande spectrale de 13 nm, ce qui est prometteur pour une transmission WDM.<br />Ce dispositif 2R nous permet finalement d'aborder de manière plus générale, l'effet d'une cascade de régénérateurs 2R dans une liaison. Une étude numérique clarifie le phénomène d'accumulation de gigue temporelle en présence de régénérateurs 2R. Une boucle à recirculation à pas de régénération variable permet d'étudier expérimentalemen l'impact du pas entre régénérateurs. Il existe un pas de régénération optimal correspondant au meilleur compromis entre accumulation de gigue temporelle et de bruit d'amplitude. L'étude met également en évidence l'intérêt d'espacer largement les régénérateurs (distance doublée pour 6 régénérateurs cascadés à un TEB de 10-8 dans le cas considéré). Enfin la limitation de la transmission par la gigue temporelle est mise en évidence expérimentalement.

Cette thèse porte sur l'élaboration et l'utilisation de structures semi-conductrices à émission laser par la surface en cavité externe (VECSEL) en pompage optique pour la réalisation de sources d'impulsions brèves à haut taux de répétition émettant à 1550nm. Ces sources ouvrent la voie à des applications intéressantes dans les télécommunications optiques pour réaliser des émetteurs à très haut débit ou pour l'échantillonnage optique linéaire ultra-rapide. Les objectifs de ce travail de thèse étaient, dans un premier temps, de développer et réaliser des structures VECSEL, qui contiennent une zone active formée par des puits quantiques GaAlInAs/InP localisés aux maxima du champ électrique résonant, positionnée sur un miroir de Bragg, le tout étant reporté par brasure sur un substrat de bonne conductivité thermique. Pour cela, nous avons conçu des structures permettant d'accélérer l'évacuation de la chaleur accumulée dans la zone active, ce qui a permis d'améliorer les performances du VECSEL, notamment la puissance de sortie. Les performances des VECSEL ont été évaluées dans une cavité simple à deux miroirs (plan-concave). Le second point était de développer et réaliser des structures SESAMs, qui permettent, par leur comportement non linéaire, d'obtenir un fonctionnement en verrouillage de modes passif. Les structures, contenant des puits quantiques InGaAsN/GaAs, ont pour paramètres : le nombre de puits quantique, la résonance de la structure. Les caractérisations optiques en régime linéaire et non linéaire ont permis d'optimiser les structures SESAM et d'estimer leurs performances. Enfin, la compatibilité entre les structures de VECSEL et de SESAM en terme de profondeur de modulation et de longueur d'onde de résonance, a permis d'obtenir un verrouillage de mode passif dans une cavité à quatre miroirs. Les impulsions obtenues présentent deux comportements différents suivant les propriétés de dispersion des structures. La réalisation d'une faible dispersion a permis d'obtenir la première démonstration d'un VECSEL en verrouillage de modes passif fonctionnant à 1550 nm et à température ambiante. Un dispositif d'échantillonnage tout optique mettant en oeuvre l'échantillonnage optique linéaire basé sur l'utilisation d'une source d'impulsions brèves, a été réalisé et testé. Ce dispositif permettra d'obtenir des diagrammes de l'oeil et diagrammes de constellation avec une sensibilité attendue de l'ordre de -20dBm de puissance moyenne, sur des signaux porteurs de données à 10Gbit/s, voire 40 Gb/s. Les tests effectués ont permis de visualiser l'acquisition à très haut débit (40Gb/s).

Made available in DSpace on 2016-03-15T19:38:55Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DAVID STEINBERG.pdf: 3031041 bytes, checksum: e320f0c21b75ca5bdd5a63f93fa6dd1d (MD5) Previous issue date: 2015-08-27 / Fundo Mackenzie de Pesquisa / In this thesis, for the first time we present results of passively-mode-locking O-band Raman fiber laser operating at 1310 nm by using carbon nanotubes as saturable absorber. The first results were obtained for an experimental setup based on single mode fiber (SMF) with laser operating near zero fiber dispersion at 1310 nm at anomalous regime. In this same configuration, a study of pulse duration shortening in terms of intracavity dispersion management with dispersion shifted fiber lengths (DSF) was performed. Replacing the SMF by a highly doped germanium fiber as gain medium of Raman fiber laser, operation was shifted to normal dispersion regime and passive mode-locking was also generated. In this laser, a study of pulse duration shortening in terms of gain medium length reduction was performed and the picosecond pulse regime of the laser could be estimated. We also present a brief comparison between the two dispersion regimes of the Raman fiber laser and passive mode-locking results obtained with different diameters of carbon nanotubes as saturable absorbers. / Nesta tese, apresentamos pela primeira vez resultados do acoplamento passivo de modos em um laser Raman à fibra operando em 1310 nm na banda O, utilizando nanotubos de carbono como absorvedor saturável. Os primeiros resultados foram obtidos de uma configuração experimental baseada totalmente em fibra monomodo padrão (SMF) com o laser operando próximo ao zero de dispersão da fibra em 1310 nm, porém em regime anômalo. Nesta mesma configuração, um estudo do encurtamento da duração do pulso em função do gerenciamento da dispersão intracavidade com comprimentos de fibra de dispersão deslocada (DSF) foi realizado. Substituindo a SMF por uma fibra altamente dopada com germânio como meio do ganho do laser Raman, a operação do laser foi deslocada para o regime de dispersão normal e o regime de acoplamento passivo de modos também foi gerado. Neste laser, um estudo do encurtamento da duração do pulso em função da redução do comprimento do meio de ganho foi realizado e a operação do acoplamento passivo de modos do laser em regime de picossegundos pôde ser estimada. Também apresentamos uma breve comparação entre os dois regimes de dispersão do laser Raman à fibra e resultados do acoplamento passivo de modos obtidos com diferentes diâmetros de nanotubos de carbono como absorvedores saturáveis.

The reflection and transmission of an electromagnetic TE-polarized plane wave at a dielectric film between two linear semi-infinite media (substrate and cladding) is considered. All media are assumed to be homogeneous in x- and z- direction, isotropic, and non-magnetic. The permittivity of the film is assumed to be characterized by a continuously differentiable function of the transverse coordinate and the field. To obtain solutions of Maxwell´s equations that satisfy the boundary conditions the problem is reduced to a Helmholtz equation, which is transformed to a Volterra integral equation for the field intensity inside the film. The Volterra equation is solved by iteration subject to the appropriate boundary conditions. The (iteration) solutions for the linear case and for the nonlinear case are expressed in terms of a uniformly convergent series and a uniformly convergent sequence, respectively. The uniform convergence is proved using the Banach Fixed-Point Theorem. The condition for its applicability leads to a condition for the parameters of the problem. By iterating the Volterra equation an approximate solution for the intensity inside the film is presented. The mathematical basis of the procedure is outlined in detail. Using an approximate solution, the phase function,the phase shifts on reflection and transmission, the reflectivity and the absorptance are determined.Further iterations of the Volterra equation are possible.Semianalytical and numerical examples illustrate the main features of the approach. The method is succesfully applied to different permittivity functions (real, complex, Kerr-like and saturable nonlinear). The agreement between the approximate analytical solutions and numerical solutions is satisfactory. It seems that the method proposed can serve as a means to optimize certain parameters of the problem (material and/or geometrical) for particular purposes.

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Ce travail de thèse porte sur l'étude expérimentale de l'auto-organisation optique transverse dans des lasers à grand nombre de Fresnel contenant un absorbant saturable. En présence de bistabilité et d'instabilité de modulation, des structures localisées apparaissent, appelées solitons de cavité. Elles résultent d'un équilibre entre diffraction et auto-focalisation dans un milieu non-linéaire. En régime laser, les systèmes évoqués plus haut peuvent ainsi émettre plusieurs faisceaux d'une dizaine de microns de diamètre seulement. Chaque faisceau constitue une structure localisée dans le plan transverse, qui peut être allumée, éteinte et déplacée à volonté. Ces travaux de thèse se divisent en deux parties principales : l'étude du régime continu et celle des régimes impulsionnels. Dans ce deuxième cas, le laser peut émettre des balles de lumière en cavité localisées à la fois dans l'espace et dans le temps. Les travaux effectués se sont axés sur la recherche et l'étude des différentes propriétés nécessaires à l'apparition de structures localisées bistables et impulsionnelles afin de les réunir. Les résultats présentés dans ce manuscrit montrent pour la première fois, dans une structure monolithique VCSEL avec absorbant saturable intégré, un processus d'écriture-effacement d'une structure localisée en régime continu. De plus, ils montrent les étapes réalisées afin de se rapprocher du même résultat dans le régime impulsionnel : un agrégat de structures localisées impulsionnelles a ainsi pu être écrit et effacé. De par la compacité des systèmes VCSEL et la reconfigurabilité des solitons de cavité, ces résultats constituent une étape supplémentaire vers la réalisation d'un traitement tout-optique de l'information.

Cette thèse est consacrée à l'étude des absorbants saturables à multipuits quantiques (MPQ) InGaAs/InP dopés fer. Les non-linéarités de l'absorption excitonique sont exploitées pour la régénération tout-optique du signal à 1.55mm. Un modèle théorique permet de calculer les propriétés optiques non-linéaires des puits quantiques. L'efficacité du dopage fer des MPQ à réduire le temps de relaxation de l'absorption est démontrée expérimentalement et expliquée par un modèle dynamique de la capture des porteurs par les atomes de fer. L'insertion des MPQ dopés fer en microcavité, à mode accordé à la résonance excitonique, réduit la puissance de commande optique d'un facteur 50 et permet d'obtenir un contraste de 8dB. Un tel contraste augmente la distance de propagation de plus de 1000km pour un signal numérique à 10 Gb/s. Le temps de réponse peut être réduit à une valeur record de 290fs, tout en gardant un contraste de 5dB.

Le développement rapide des sources lumineuses intenses, accordables en longueur d'onde, représente une menace croissante pour les différents détecteurs existant, et tout particulièrement l'il. Une méthode de protection envisageable est l'utilisation de composes organiques presentant un comportement d'absorption saturable inverse: leur absorption augmente lorsqu'ils sont eclaires par des faisceaux lumineux tres intenses. En utilisant le procede sol-gel, nous avons pu élaborer des materiaux solides compacts dopes avec des molecules de la famille des phtalocyanines. A la longueur d'onde de 532 nanometres, des echantillons de transmission initiale 0,7, ont permis d'induire une densite optique de 1 sous l'effet d'impulsions de forte densite. Avec des echantillons de transmission lineaire 0,4, la densité optique induite est egale a 1,6. Afin de mieux comprendre le processus de saturation de la transmission, nous avons écrit des programmes informatiques permettant de simuler le comportement observe. Ils se sont averes etre d'excellents outils pour mieux cerner les phenomenes mis en jeu. Pour améliorer les performances obtenues, differents types de synthèses ont ete entrepris, et differentes molecules organiques ont ete introduites dans des matrices sol-gel: des tetrabenzoporphyrines, des molécules de fullerènes et de hitci. Pour déterminer les plages spectrales d'efficacité de ces echantillons, des sources impulsionnelles accordables en longueur d'onde ont ete installees. Apres la synthèse de premiers échantillons efficaces dans la partie bleue du spectre visible, il a ete possible d'en elaborer d'autres efficaces dans la partie rouge du spectre. Disposant de materiaux actifs a la longueur d'onde de 620 nanomètres, nous avons alors pu montrer a cette longueur d'onde qu'il s'agit d'un processus ultrarapide qui intervient en moins de cent femtosecondes. Enfin, en utilisant les programmes de simulation developpes, nous avons étudie les performances que nous sommes en droit d'esperer de composes absorbants saturables inverses qui seraient inseres dans un systeme limiteur optique.

Made available in DSpace on 2016-03-15T19:37:29Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Henrique Guimaraes Rosa.pdf: 986364 bytes, checksum: 89d6b316a537ef2cd3088d9200fd7183 (MD5) Previous issue date: 2010-08-06 / In this work we present a study about ultrashort pulse-train generation in Erbiumdoped fiber lasers, by the passive mode-locking technique, with the use of carbon nanotubes saturable absorbers. Carbon nanotubes were incorporated into laser cavities by two techniques: thermophoresis optically-driven deposition and thin films incorporating carbon nanotubes. The second technique has become more advantageous than the first one, because is possible to control carbon nanotubes concentration and thin films thicknesses. Additionally, we present a study about thin films incorporating carbon nanotubes optimization, in order to maximize generated output bandwidths in passively mode-locked Erbium-doped fiber lasers. We used 0.8 and 1.0 nm diameters carbon nanotubes, fabricated thin films with different transmission values (different &#945;L product values), laser cavities with different features, such as total cavity length, total accumulated dispersion, repetition rate. In this context, best results were achieved with thin films containing 1.0 nm diameter carbon nanotubes, with films transmission about 37% (&#945;L product close to 1.0), in 9 m long laser cavity (0.8 m of highly- Erbium-doped fiber and 8.2 m of SMF) of total accumulated dispersion of 0.153 ps/nm. The largest bandwidth measured, with those characteristics cavity parameters, was 5,7 nm. / Neste trabalho, apresentamos um estudo sobre a geração de trem de pulsos ultracurtos em lasers à fibra dopada com Érbio, utilizando a técnica de acoplamento passivo de modos com o uso de nanotubos de carbono como absorvedores saturáveis. Os nanotubos de carbono foram incorporados à cavidade laser através de duas técnicas: deposição guiada por termoforese e na forma de filmes finos contendo nanotubos de carbono, tendo a segunda técnica se mostrado mais vantajosa, pois por ela podemos ter controle sobre a concentração de nanotubos de carbono no filme e espessura do filme. Adicionalmente, apresentamos um estudo sobre a otimização da produção de filmes finos contendo nanotubos de carbono para maximização da largura de banda gerada em lasers à fibra dopada com Érbio. Utilizamos nanotubos de carbono de diâmetros de 0,8 nm e 1,0 nm, fabricamos filmes finos com transmitâncias diferentes (distintos valores para o produto &#945;L), cavidades laser com diferentes características, tais como comprimento da cavidade, dispersão total acumulada, taxa de repetição. Neste contexto, os melhores resultados foram obtidos com filmes finos contendo nanotubos de carbono com 1,0 nm de diâmetro, em filmes cuja transmissão foi de 37% (produto &#945;L aproximadamente 1,0), numa cavidade laser de aproximadamente 9 m de comprimento (basicamente composta de 80 cm de fibra altamente dopada com Érbio e 8,2 m de SMF), dispersão total acumulada da cavidade de aprox. 0,153 ps/nm. A maior largura de banda obtida, com estes característicos parâmetros da cavidade, foi de 5,7 nm.