We study different phenomena associated with single-photon propagation in optical cavities coupled through optical fibers. We first address the issue of storing and delaying single-photon wavepackets in an array of microcavities. This has possible applications in developing reliable and efficient quantum repeaters that will be utilized in building long distance quantum networks. Second, we investigate a Hong-Ou-Mandel (HOM) type of interference between two photons that are produced in two coupled atom-cavity systems. The HOM effect in this setup can test the degree of indistinguishability between photons when they are stored inside cavities. This part of the dissertation also includes the study of entanglement between atoms, cavities and atom-cavity systems induced by the photons. Finally, we focus on single-photon interactions with a tiny movable mirror in the context of quantum optomechanics. We investigate how the mechanical motion of the mirror leaves its imprints on the optical spectrum of the photon This dissertation includes previously published and unpublished co-authored material. / 10000-01-01

O método Geofísico de Radar de Penetração no Solo - GPR vem contribuindo muito em estudos de zonas costeiras, sobretudo por apresentar uma resposta e uma interpretação geofísico-geológica satisfatória na grande maioria dos casos. No entanto o GPR possui algumas limitações, por utilizar de princípios físicos para sua execução algumas propriedades existentes nos materiais em subsuperfície podem causar a atenuação do sinal ou mesmo manter a onda eletromagnética confinada se igualando a uma camada guia de onda. O objetivo desse estudo é entender e inferir a partir de uma análise física e de uma interpretação geofísica-geológica quais os fatores que podem estar causando esse tipo de fenômeno. A área de estudo está localizada no Banhado do Taim uma região do extremo Sul do Brasil, no estado do Rio Grande do Sul. O dado utilizado neste estudo consta de um perfil de GPR obtido sobre um paleocanal que conectava a região da atual lagoa Mirim com o oceano Atlântico. Esse registro apresente dados excelentes de preenchimento de canais, porém na parte final do perfil esse registro é sombreado como se fosse adicionado um escudo bloqueador. Os resultados indicaram que esse bloqueio está relacionado à existência da camada guia de onda, que a mesma está associada a um tipo de ambiente lagunar. Esse ambiente está relacionado à presença de sedimentos finos, nos quais a fração de argila existente e a matéria orgânica misturada a um teor elevado de umidade contribuem para um alto valor de condutividade e baixa resistividade, resultando numa forte atenuação do sinal e aprisionamento da onda eletromagnética. / The Ground Penetrating Radar (GPR) method has contributed to studies of coastal zones, especially because it presents a response and interpretation geophysicalgeological satisfactory. However, GPR has some limitations, because it uses physical principles in its execution, and some properties in subsurface materials can cause signal attenuation or even keep the electromagnetic wave confined to a waveguide layer. The objective of this study is to understand and infer from a physical analysis and a geophysical-geological interpretation the factors that cause this phenomenon. The study area is located in Banhado do Taim (marshes), a region in southernmost Brazil, state of Rio Grande do Sul. The data used in this study consists of a GPR profile obtained on paleochannels that connected the region of the current Mirim lagoon with the Atlantic Ocean. This record shows excellent channel fill data, however, in the final part of the profile, this record is shaded as if a shield were blocking the signal. Results indicate that this blockade is related to the existence of the waveguide layer, which is associated with a type of lagoon environment. This environment is related to the presence of fine sediments, in which the clay fraction and organic matter mixed with high humidity content, which contributed to the high conductivity and low resistivity value. Result is strong signal attenuation and entrapment of the electromagnetic wave

abstract: The increase in computing power has simultaneously increased the demand for input/output (I/O) bandwidth. Unfortunately, the speed of I/O and memory interconnects have not kept pace. Thus, processor-based systems are I/O and interconnect limited. The memory aggregated bandwidth is not scaling fast enough to keep up with increasing bandwidth demands. The term "memory wall" has been coined to describe this phenomenon. A new memory bus concept that has the potential to push double data rate (DDR) memory speed to 30 Gbit/s is presented. We propose to map the conventional DDR bus to a microwave link using a multicarrier frequency division multiplexing scheme. The memory bus is formed using a microwave signal carried within a waveguide. We call this approach multicarrier memory channel architecture (MCMCA). In MCMCA, each memory signal is modulated onto an RF carrier using 64-QAM format or higher. The carriers are then routed using substrate integrated waveguide (SIW) interconnects. At the receiver, the memory signals are demodulated and then delivered to SDRAM devices. We pioneered the usage of SIW as memory channel interconnects and demonstrated that it alleviates the memory bandwidth bottleneck. We demonstrated SIW performance superiority over conventional transmission line in immunity to cross-talk and electromagnetic interference. We developed a methodology based on design of experiment (DOE) and response surface method techniques that optimizes the design of SIW interconnects and minimizes its performance fluctuations under material and manufacturing variations. Along with using SIW, we implemented a multicarrier architecture which enabled the aggregated DDR bandwidth to reach 30 Gbit/s. We developed an end-to-end system model in Simulink and demonstrated the MCMCA performance for ultra-high throughput memory channel. Experimental characterization of the new channel shows that by using judicious frequency division multiplexing, as few as one SIW interconnect is sufficient to transmit the 64 DDR bits. Overall aggregated bus data rate achieves 240 GBytes/s data transfer with EVM not exceeding 2.26% and phase error of 1.07 degree or less. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Electrical Engineering 2018

O método Geofísico de Radar de Penetração no Solo - GPR vem contribuindo muito em estudos de zonas costeiras, sobretudo por apresentar uma resposta e uma interpretação geofísico-geológica satisfatória na grande maioria dos casos. No entanto o GPR possui algumas limitações, por utilizar de princípios físicos para sua execução algumas propriedades existentes nos materiais em subsuperfície podem causar a atenuação do sinal ou mesmo manter a onda eletromagnética confinada se igualando a uma camada guia de onda. O objetivo desse estudo é entender e inferir a partir de uma análise física e de uma interpretação geofísica-geológica quais os fatores que podem estar causando esse tipo de fenômeno. A área de estudo está localizada no Banhado do Taim uma região do extremo Sul do Brasil, no estado do Rio Grande do Sul. O dado utilizado neste estudo consta de um perfil de GPR obtido sobre um paleocanal que conectava a região da atual lagoa Mirim com o oceano Atlântico. Esse registro apresente dados excelentes de preenchimento de canais, porém na parte final do perfil esse registro é sombreado como se fosse adicionado um escudo bloqueador. Os resultados indicaram que esse bloqueio está relacionado à existência da camada guia de onda, que a mesma está associada a um tipo de ambiente lagunar. Esse ambiente está relacionado à presença de sedimentos finos, nos quais a fração de argila existente e a matéria orgânica misturada a um teor elevado de umidade contribuem para um alto valor de condutividade e baixa resistividade, resultando numa forte atenuação do sinal e aprisionamento da onda eletromagnética. / The Ground Penetrating Radar (GPR) method has contributed to studies of coastal zones, especially because it presents a response and interpretation geophysicalgeological satisfactory. However, GPR has some limitations, because it uses physical principles in its execution, and some properties in subsurface materials can cause signal attenuation or even keep the electromagnetic wave confined to a waveguide layer. The objective of this study is to understand and infer from a physical analysis and a geophysical-geological interpretation the factors that cause this phenomenon. The study area is located in Banhado do Taim (marshes), a region in southernmost Brazil, state of Rio Grande do Sul. The data used in this study consists of a GPR profile obtained on paleochannels that connected the region of the current Mirim lagoon with the Atlantic Ocean. This record shows excellent channel fill data, however, in the final part of the profile, this record is shaded as if a shield were blocking the signal. Results indicate that this blockade is related to the existence of the waveguide layer, which is associated with a type of lagoon environment. This environment is related to the presence of fine sediments, in which the clay fraction and organic matter mixed with high humidity content, which contributed to the high conductivity and low resistivity value. Result is strong signal attenuation and entrapment of the electromagnetic wave

During the past 60 years fluid-structure interaction in a wide range of three dimensional circular cylinder problems have been studied. Initial problems considered a rigid wall structure which were solved using impedance model comparisons. Soon after, further solution techniques were used, such as computer simulation, transfer matrix methods and finite element techniques. However such problems were only valid for low frequencies when compared with experiments, this was because that did not include higher order modes. The importance of higher order modes was then established and studies have since included these modes. More recently, mode matching methods have been used to find the amplitudes of waves in structures comprising two or more ducts. This has been done with using an orthogonality relation to find integrals which occur from the application this method. This methodology is demonstrated in as background information and is applied to prototype problems formed of rigid ducts. The rigid duct theory led to the consideration of elastic shells, of which several shell modelling equations were available from the vibration theory. In this thesis, the Donnell-Mustari equations of motion are used to model thin, elastic, fluid-loaded shells of circular cross-section. It is demonstrated that generalised orthogonality relations exist for such shells. Two such relations are found: one for shells subject to axisymmetric motion and one for shells subject to non-axisymmetric motion. These generalised orthogonality relations are new to the field of acoustics and are specific to shells modelled with the Donnell-Mustari equations of motion. The mode matching method is used to find the amplitudes of waves propagating in prototype problems and the generalised orthogonality relations are used to find integrals which occur through this method. Expressions for energy for all considered structure types are used to find the resulting energy for each prototype problem and results for equivalent problems are compared. In addition, verification of the resulting amplitudes is done by ensuring that the matching conditions are suitably satisfied. It is anticipated that the method will have application to the understanding and control of the vibration of cylindrical casings such as those enclosing turbo-machinery. Another application of the method would be the tuning of cylindrical casings, such as those featured on car exhaust systems or HVAC (heating, ventilation and air conditioning) systems.

Orientador: Julio Roberto Bartoli / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica / Made available in DSpace on 2018-08-12T18:45:17Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Giacon_VirginiaMansanares_D.pdf: 2629036 bytes, checksum: 8a24595beeaf5a6bb205d496d70477a8 (MD5) Previous issue date: 2007 / Resumo: Dispositivos ópticos poliméricos são utilizados em comunicações e interconexões ópticas devido à intrínseca versatilidade da estrutura molecular polimérica, que permite modelagem do índice de refração dos materiais utilizados para a produção de núcleo e casca, além da facilidade de processamento e capacidade de moldagem desses materiais. O PMMA (poli [metacrilato de metila]) por apresentar alta transparência, possui as melhores propriedades ópticas, quando comparado à outros polímeros, além de boas propriedades mecânicas, sendo o seu uso bastante comum como material de núcleo em dispositivos ópticos. Nos dispositivos ópticos, como guias de ondas, um baixo índice de refração é necessário para o material de casca e é usualmente obtido com polímeros fluorados. Neste trabalho, guias de ondas planares foram fabricados com filmes ópticos poliméricos em substrato de silício. A casca, um polímero parcialmente fluorado de aproximadamente 0,6 mm de espessura, foi obtida através da polimerização por plasma com CHF3, utilizando um reator de placas paralelas de 13,56 MHz. O núcleo de PMMA foi produzido por spin coating. O índice de refração do núcleo e casca é de 1,49 e 1,40 respectivamente, medidos por elipsometria e acoplamento por prisma. Os filmes ópticos fluorados por plasma foram caracterizados por FTIR-ATR e interferômetria. Guias de ondas poliméricos com diferentes larguras, de 10 a 100 mm, foram moldados através de fotolitografia seguida por RIE usando uma máscara de fotolitografia de cromo. A caracterização óptica foi feita utilizando um laser (l= 632,8 nm) através de acoplamento fibra-guia. Atenuação do sinal da luz transmitida foi de 3,6 dB/cm para um guia de 100 mm de largura e aproximadamente 15 mm de espessura. Essa atenuação provavelmente possui uma significativa contribuição do acoplamento fibra-guia, com forte efeito nas perdas por inserção e espalhamento devido à rugosidade das superfícies laterais (horizontal e vertical). Ainda assim, este guia polimérico com casca de material fluorado, produzida pelo processo de polimerização por plasma, apresenta-se promissor. / Abstract: Polymeric optical devices have been studied in communication and interconnection optics due to the intrinsic versatility of polymers molecular structure, that allows advantageous refractive index modeling for core and cladding, and also to their easy fabrication process or patterning capability. PMMA, polymethylmetacrylate, shows the best optical properties among transparent polymers, being a very common core material for optical devices. Low refractive index is a requirement for cladding material and it is usually achieved with fluorinated polymers. Plasma of fluorocarbons are frequently used either for etching of substrates in microelectronic technologies or for deposition of plasma polymerized fluorinated monomers films. In this work, planar polymeric waveguides were fabricated on silicon substrate. The cladding was a fluorinated polymer (0.6 mm) produced by CHF3 plasma polymerisation (parallel plate reactor, 13.56 MHz) and the core was a PMMA film prepared by spin coating. The refractive index of the PMMA film and fluorinated film were 1.49 and 1.40, respectively, characterized by ellipsometry and metricon prism coupler. The plasma fluorinated optical films were characterized by FTIR-ATR and interferometer. The polymeric waveguides with different widths (from 10 to 100 mm), using the chrome mask, were patterned by UV photolithography and O2 plasma etching in Reactive Ion Etching process. The optical characterization was done coupling a laser beam (l=633nm), fibre-tofibre coupling method, using a multimode optical fibre. The propagation loss, is about 3.6 dB/cm at l=633 nm. Lower losses could be achieved by a more careful control of the RIE process and cleavage process. Despite of high optical losses, this plasma fluorinated polymer presents a potential processing alternative for cladding of polymeric optical waveguides. / Doutorado / Ciencia e Tecnologia de Materiais / Doutor em Engenharia Química

O presente trabalho possui como objetivo o estudo das propriedades dos filmes finos amorfos para aplicações em dispositivos fotônicos. Foram produzidos, por meio da técnica sputtering, filmes finos de telureto BWT, a partir de alvos cerâmicos com composição em peso de 54,6 TeO2 - 22,6 WO3 - 22,8 Bi2O3. A escolha dos vidros BWT se deve às qualidades elétricas e ópticas dos teluretos. Filmes com nanopartículas de ouro foram produzidos e a nucleação das nanopartículas se deu por tratamento térmico. Os filmes produzidos foram caracterizados pelas técnicas de elipsometria, perfilometria, espectrometria de fluorescência de raios-X por energia dispersiva, difração de raios-X, transmissão, absorção e microscopia eletrônica de transmissão e de varredura. Como etapa, final foram produzidos guias de onda do tipo rib por meio de procedimentos de corrosão e litografia, a fim de que fossem testados guiamentos de luz em 632,8 nm e em 1050 nm. Foram usados diferentes fluxos de SF6 para corrosão dos filmes, resultando em guias de diferentes valores de h_core. Os guias com h_core de 63 e 82 nm apresentaram perda de no máximo 3,5 dB/cm para guiamento em 632,8 e 1050 nm em guias com larguras que variaram de 6 a 10 m. As simulações realizadas mostraram guiamento multímodo para todos os casos. O material BWT é, portanto, promissor para aplicações em dispositivos fotônicos. / The objective of this present work is study the properties of amorphous thin films for applications in photonic devices. Thin films of tellurite BWT were produced by sputtering technique using targets whose compositions in weight are 54.6 TeO2 - 22.6 WO3 - 22.8 Bi2O3. BWT was chosen due to the electrical and optical properties of tellurite. Films with gold nanoparticles were produced and the nucleation of the nanoparticles was obtained by heat treatment. Films were characterized by the techniques of elipsometry, perfilometry, energy dispersive X-ray spectroscopy, X-ray diffraction, absorption, transmission, scanning electronic and transmission electronic microscopies. The final step was production of BWT rib waveguides using lithography and reactive-ion etching in order to test light guiding at 632.8 nm and 1050 nm. BWT rib waveguides were produced, using different flux of SF6 for the etching, resulting in waveguides with different values of h_core. Waveguides with 63 and 82 nm of h_core presented maximum loss of 3,5 dB/cm at 632.8 nm and 1050 nm wavelengths in guides with widths ranging from 6 to 10 m. All simulations showed multimode guiding. The BWT material is a potential candidate for applications in photonic devices.

[pt] No presente trabalho, diversos métodos de análise são aplicados ao problema de íris em guias de onda. É feita, inicialmente, uma análise da teoria de pequenas aberturas. Uma verificação, através de comparação de resultados teóricos com experimentais, determina a faixa de validade e precisão da teoria. A seguir, aplica-se o método dos momentos, em particular para íris circulares em guias circulares e íris retangulares em guias retangulares. Para o caso da íris retangular em guia retangular, problemas de convergência relativa e séries lentas, típicos do método dos momentos, são contornados pela escolha adequada das funções de base e pela transformação de séries auxiliares de correção. Resultados experimentais mostram boa concordância com valores teóricos, para diversos valores de freqüência e dimensões de íris considerados. / [en] In this work, different methods are applied to iris - type discontinuity problems in waveguides. At first, the diffraction theory by small holes is considered. Theoretical results are compared with experimental ones and the accuracy and application range of the theory are verified. Further, the moment method is applied particularly to circular irises in circular waveguides and retangular irises in retangular waveguides. In the case of retangular irises in retangular waveguides, an acceleration procedure besides an special kind of basis functions is used to circumvent problems associated with relative convergence problem and slow convergent series. Experimental results are compared with theoretical ones and good accuracy is achieved for different frequencies and irises dimensions.

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L’objectif de ce travail est le développement de dispositifs de contrôle de la diffusion des ondes acoustiques à l’aide de surfaces hétérogènes, pour des applications à l’acoustique urbaine. Pour remplir cet objectif, deux méthodes sont employées. La première à l’aide d’une métasurface, la direction d’une onde réfléchie est contrôlée. La seconde étude concerne l’influence d’un traitement inhomogène aux parois d’un guide ouvert sur les effets conjoints ou compétitifs d’absorption, de confinement et de rayonnement de l’onde. Nous montrons expérimentalement la possibilité de dissimuler un objet disposé sur un mur pour une onde acoustique audible. Pour y parvenir, une métasurface composée de différents résonateurs de Helmholtz est conçue et est réalisée de façon à être la plus fine possible. Ces travaux sont réalisés dans le domaine fréquentiel mais également dans le domaine temporel, ce qui permet de mettre en avant le caractère large bande de la métasurface. Il est démontré numériquement et expérimentalement que la direction des ondes réfléchies peut être contrôlée. Enfin la dernière partie est consacrée à l’influence d’une paroi hétérogène sur la propagation d’une onde acoustique à l’intérieur d’une rue. Une rue pouvant être assimilée à un guide d’onde ouvert engendre donc des modes de propagation complexes, dus aux pertes par rayonnement. La présence d’un matériau poreux sur les parois d’un guide vient perturber fortement la localisation spatiale des modes, ce qui les rend plus ou moins fuyants. / The aim of this thesis is to develop a scheme for controling the propagation of acoustic waves using heteregenous surfaces. Its results can be applied in the field of urban acoustic. The thesis is composed of two sections, each of them employing a different method. The first section focuses on controling the direction of a reflected wave, using a metasurface. The second concentrates on the influence of an inconsistent treatment to the side of an open waveguide on the wave joint and competitive effects of absorption, confinement and radiation. Part one provides experimental evidence that it is possible to conceal an object placed on a wall from an audible acoustic wave. To prove it, the thinest possible metasurface was constructed with Helmholtz resonators. The experimental results were compared to a numerical study realized with finite elements. This work was made in both temporal and frequency domains, allowing to point out the wide frequency characteristics of the metasurface. The numerical and experimental results show that the direction of a reflected wave can, indeed, be controled. Part two analyse the impact of a heterogeneous wall on the spreadinf of an acoustic wave in a street. Due to radiation losses, the street produces complex ways of propagation. The presence of a porous material on a waveguide‘ side deeply disrupt the spatial location of these waves, making them more or less fleeting. In particular, depending on the position of the material in the street, certain waves will be more confined to the inside of the street, radiating less towards the open external environment. They are consequently, less cushioned.