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Type: TESE DIGITAL
Title: Brillouin scattering in silica microwires = Espalhamento Brillouin em microfios de sílica
Title Alternative: Espalhamento Brillouin em microfios de sílica
Author: Florez Peñaloza, Omar Enrique, 1986-
Advisor: Dainese Júnior, Paulo Clóvis, 1979-
Júnior, Paulo Clóvis Dainese
Abstract: Resumo: O Espalhamento Brillouin e um processo nao linear oriundo da interacao entre ondas opticas e acusticas. Este efeito foi amplamente estudado em fibras mono-modo e mais recentemente em uma grande variedade de micro-estruturas fotonicas. A habilidade de se fabricar estruturas que podem confinar ambas as ondas opticas e acusticas em dimensoes menores que o comprimento de onda criou novas oportunidades de se estudar a interacao foton-fonon. Um aspecto em particular que se torna importante em sistemas de alto confinamento e o efeito de deslocamento de borda (Shifting-Boundary), alem do efeito Elasto-Optico, mais bem entendido. Micro-fios de Silica sao ideais para estudar estes efeitos. Primeiro, quando seu diametro e menor que o comprimento de onda, o campo eletrico na superficie do guia de onda aumenta significativamente. Em segundo lugar, a interface ar-silica apresenta um alto contraste de indice de refracao, o que aumenta o espalhamento devido ao efeito de deslocamento de borda. Finalmente, a geometria cilindrica simples permite um calculo analitico da eficiencia do espalhamento Brillouin, considerando as perturbacoes tanto Elasto-Opticas como de Deslocamento de Borda. Nesta tese, estudamos teorica e experimentalmente o espalhamento Brillouin em microfios de Silica. Amostras com diametros de 0.6 a 3 ¿Êm foram fabricadas e caracterizadas utilizando um sistema de deteccao heterodina para os espalhamentos co-propagante e contra-propagante. Para o espalhamento Brillouin co-propagante, usamos a tecnica de bombeio e prova para induzir excitacao impulsiva dos modos acusticos proximos da frequencia de corte. Espalhamento devido a ondas acusticas do tipo Rayleigh foi observado e extensivamente caracterizado. Estas ondas sao particularmente interessantes, ja que a maior parte da energia acustica e concentrada proxima da superficie do guia de onda, o que aumenta a contribuicao do efeito de Deslocamento de Borda. Desenvolvemos estudos teoricos extensivos dos modos opticos e acusticos na geometria cilindrica, e aplicamos a teoria de modos acoplados para calcular a eficiencia de espalhamento para cada modo acustico. Um estudo da eficiencia de espalhamento em funcao do diametro foi feito, ajudando a entender melhor os mecanismos que determinam a evolucao do espectro Brillouin. Finalmente, fomos capazes de identificar modos nos quais o processo de espalhamento e dominado pelo efeito de Deslocamento de Borda, e modos nos quais o efeito dominante e o Elasto-Optico. Este entendimento pode contribuir no projeto de estruturas nas quais estes efeitos sao somados ou cancelados, e pode ser usado como outro mecanismo para controlar o processo de espalhamento Brillouin

Abstract: Brillouin scattering is a nonlinear process that arises from the interaction between op- tical and acoustic waves. This effect has been widely studied in standard single-mode fibers and more recently in a variety of photonics microstructures. The ability to fab- ricate structures that can confine both optical and acoustic waves in sub-wavelength dimensions has created new opportunities to study photon-phonon interaction. One particular aspect that becomes important in high-confinement systems is the effect of shifting boundaries, in addition to the better-understood elasto-optic effect. Silica mi- crowires are ideal systems to study these effects. First, when its diameter is smaller than the wavelength, the electric field overlaps strongly with the waveguide surface. Second, the air-silica interface presents high index contrast, which enhances scattering due to shifting boundary effect. Finally, the simple cylindrical geometry allows an- alytical calculation of Brillouin scattering efficiency considering both elasto-optic and shifting-boundary perturbations. In this thesis, we studied theoretically and experimentally Brillouin scattering in silica microwires. Samples with diameter ranging from 0.6 to 3 ?m were fabricated and char- acterized using heterodyne detection for both backward and forward Brillouin scattering. For forward Brillouin scattering, we used the pump and probe technique to induce impul- sive excitation of acoustic modes near cutoff. Scattering due to Rayleigh acoustic waves was observed and extensively characterized. These waves are particularly interesting as most of the acoustic energy is concentrated close to the waveguide surface, therefore enhancing the shifting boundary contribution. Theoretically, we developed extensive studies of optical and acoustic modes in cylindrical geometry, and applied coupled-mode theory to calculate the scattering efficiency for each acoustic mode. A study of the scat- tering efficiencies as a function of diameter was performed, helping better understand the mechanisms that determined the evolution of the Brillouin spectrum. Finally, we were able to identify modes in which the scattering process is dominated by shifting- boundary effect and modes in which elasto-optic dominates. This understanding may help design structures in which these effects add or cancel each other, and can be used as another mechanism to control Brillouin scattering process
Subject: Espalhamento Brillouin
Tapers de sílica
Language: Inglês
Editor: [s.n.]
Date Issue: 2015
Appears in Collections:IFGW - Dissertação e Tese

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