Ensaios avançados com fibras ópticas = advanced characterization of optical fibers

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia de Electrónica e Telecomunicações

Fotodetector e dispositivo WDM integrados

Ao longo deste trabalho é apresentada a caracterização optoelectrónica de uma estrutura semicondutora empilhada de fotodíodos PIN (Positive-Intrinsic-Negative), baseados em silício amorfo hidrogenado (a-Si:H - Hydrogenated Amorphous Silicon) e siliceto de carbono amorfo hi-drogenado (a-SiC:H - Hydrogenated Amorphous Silicon Carbide), em que ambos funcionam como filtros ópticos na zona visível do espectro electromagnético e cuja sensibilidade espectral na região do visível é modulada pelo sinal de tensão eléctrico aplicado e pela presença de polarização óptica adicional (radiação de fundo). Pretende-se utilizar a característica de sensor de cor destes dispositivos semicondutores para realizar a demultiplexagem de sinais ópticos e desenvolver um algoritmo que permita fazer o reco-nhecimento autónomo do sinal transmitido em cada canal, tendo em vista a utilização de vários ca-nais para a transmissão de sinais a curta distância. A transmissão destes sinais deverá ser suportada no meio de transmissão fibra óptica, que constituirá uma importante mais-valia na optimização do sistema WDM (Wavelength Division Mul-tiplexing), permitindo optimizar a transmissão de sinais. Pelas suas capacidades intrínsecas, as fi-bras ópticas de plástico (POF - Plastic Optical Fibers) são uma solução adequada para a transmis-são de sinais no domínio visível do espectro electromagnético a curtas distâncias. Foi realizada uma sucinta caracterização optoelectrónica da estrutura semicondutora sob diferentes condições de iluminação, variando o comprimento de onda e a iluminação de fundo que influencia a resposta espectral do dispositivo semicondutor, variando as cores dos fundos inciden-tes, variando o lado incidente do fundo sobre a estrutura semicondutora, variando a intensidade des-ses mesmos fundos incidentes e também variando a frequência do sinal de dados. Para a transmissão dos sinais de dados foram utilizados três dispositivos LED (Light-Emitting Diode) com as cores vermelho (626nm), verde (525nm) e azul (470nm) a emitir os respec-tivos sinais de dados sobre a estrutura semicondutora e onde foram aplicadas diversas configurações de radiação de fundo incidente, variando as cores dos fundos incidentes, variando o lado incidente do fundo sobre a estrutura semicondutora e variando também a intensidade desses mesmos fundos incidentes. Com base nos resultados obtidos ao longo deste trabalho, foi possível aferir sobre a influên-cia da presença da radiação de fundo aplicada ao dispositivo, usando diferentes sequências de dados transmitidos nos vários canais. Sob polarização inversa, e com a aplicação de um fundo incidente no lado frontal da estrutura semicondutora os valores de fotocorrente gerada são amplificados face aos valores no escuro, sendo que os valores mais altos foram encontrados com a aplicação do fundo de cor violeta, contribuindo para tal, o facto do sinal do canal vermelho e canal verde serem bastan-te amplificados com a aplicação deste fundo. Por outro lado, com a aplicação dos fundos incidentes no lado posterior da estrutura semi-condutora, o sinal gerado não é amplificado com nenhuma cor, no entanto, a aplicação do fundo de cor azul proporciona a distinção do sinal proveniente do canal azul e do canal vermelho, sendo que quando está presente um sinal do canal vermelho, o sinal é fortemente atenuado e com a presença do sinal do canal azul o sinal gerado aproxima-se mais do valor de fotocorrente gerada com a estru-tura no escuro. O algoritmo implementado ao longo deste trabalho, permite efectuar o reconhecimento au-tónomo da informação transmitida por cada canal através da leitura do sinal da fotocorrente forne-cida pelo dispositivo quando sujeito a uma radiação de fundo incidente violeta no lado frontal e uma radiação de fundo incidente azul no lado posterior. Este algoritmo para a descodificação dos sinais WDM utiliza uma aplicação gráfica desenvolvida em Matlab que com base em cálculos e compara-ções de sinal permite determinar a sequência de sinal dos três canais ópticos incidentes. O trabalho proposto nesta tese é um módulo que se enquadra no desenvolvimento de um sistema integrado de comunicação óptica a curta distância, que tem sido alvo de estudo e que resulta das conclusões de trabalhos anteriores, em que este dispositivo e outros de configuração idêntica foram analisados, de forma a explorar a sua utilização na implementação da tecnologia WDM den-tro do domínio do espectro visível e utilizando as POF como meio de transmissão.

Capacitive effects in pinpin photodiodes

The application of a-SiC:H/a-Si:H pinpin photodiodes for optoelectronic applications as a WDM demultiplexer device has been demonstrated useful in optical communications that use the WDM technique to encode multiple signals in the visible light range. This is required in short range optical communication applications, where for costs reasons the link is provided by Plastic Optical Fibers. Characterization of these devices has shown the presence of large photocapacitive effects. By superimposing background illumination to the pulsed channel the device behaves as a filter, producing signal attenuation, or as an amplifier, producing signal gain, depending on the channel/background wavelength combination. We present here results, obtained by numerical simulations, about the internal electric configuration of a-SiC:H/a-Si:H pinpin photodiode. These results address the explanation of the device functioning in the frequency domain to a wavelength tunable photo-capacitance due to the accumulation of space charge localized at the bottom diode that, according to the Shockley-Read-Hall model, it is mainly due to defect trapping. Experimental result about measurement of the photodiode capacitance under different conditions of illumination and applied bias will be also presented. The combination of these analyses permits the description of a wavelength controlled photo-capacitance that combined with the series and parallel resistance of the diodes may result in the explicit definition of cut off frequencies for frequency capacitive filters activated by the light background or an oscillatory resonance of photogenerated carriers between the two diodes. (C) 2013 Elsevier B.V. All rights reserved.

Fibras óticas de plástico em redes de acesso

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia de Eletrónica e Telecomunicações

Implementação de WDM com 4 canais no espetro do visível

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia de Electrónica e Telecomunicações

Sistema WDM de 4 canais

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Helical Twisting of Electrospun Liquid Crystalline Cellulose Micro- and Nanofibers

Helically twisted fibers can be produced by electrospinning liquid-crystalline cellulose solutions. Fiber topographies are studied by atomic force microscopy, scanning electron microscopy (see figure) and polarized optical microscopy. The fibers have a nearly universal pitch-to-diameter ratio and comprise both right- and left-handed helices.

Hélices e Espirais em Micro e Nanofibras Celulósicas

A celulose é o polímero renovável mais abundante do mundo. É conhecido pela sua excelente biocompatibilidade, propriedades térmicas e mecânicas. A celulose assim como os polipéptideos e o ADN, pertence a uma família de moléculas orgânicas que dão origem à formação de fases líquidas cristalinas (LCs) colestéricas. A Passiflora Edulis, tal como outras plantas trepadeiras, possui longas e flexíveis gavinhas que permitem à planta encontrar um suporte para se fixar. As gavinhas podem assumir a forma de espirais ou de hélices consoante sejam sustentadas por apenas uma ou por ambas as extremidades. As hélices apresentam muitas vezes duas porções helicoidais, uma esquerda e outra direita, separadas por um segmento recto denominado perversão. Este comportamento é consequência da curvatura intrínseca das gavinhas produzidas pela planta trepadeira. O mesmo comportamento pode ser observado em micro e nanofibras celulósicas fabricadas a partir de soluções líquido-cristalinas, numa escala três a quatro ordens de grandeza inferior à das gavinhas. Este facto sugere que o modelo físico utilizado tenha invariância de escala. Neste trabalho é feito o estudo de fibras e jactos que imitam as estruturas helicoidais apresentadas pelas gavinhas das plantas trepadeiras. As fibras e jactos são produzidos a partir de soluções líquidas cristalinas celulósicas. De modo a determinar as características morfológicas e estruturais, que contribuem para a curvatura das fibras, foram utilizadas técnicas de imagem por ressonância magnética (MRI), microscopia óptica com luz polarisada (MOP), microscopia electrónica de varrimento (SEM) e microscopia de força atómica (AFM) . A variação da forma das estruturas helicoidais com a temperatura parece ser relevante para o fabrico de membranas não tecidas para aplicação em sensores termo-mecânicos.

Micro – and nanofibers and liquid crystals for ligth-scattering shutters: Simulation of electrp-optical properties

This work demonstrates the feasibility of using polymeric micro- and nanofiber-composed films and liquid crystals as electrically switchable scattering light shutters. We present a concept of electro-optic device based on an innovative combination of two mature technologies: optics of nematic liquid crystals and electrospinning of nanofibers. These devices have electric and optical characteristics far superior to other comparable methods. The simulation presented shows results that are highly consistent with those of experiments and that explain the working mechanism of the devices.

Theoretical Analysis of Multimodal Four-Wave Mixing in Optical Microwires

Optical fiber microwires (OFMs) are nonlinear optical waveguides that support several spatial modes. The multimodal generalized nonlinear Schrodinger equation (MM-GNLSE) is deduced taking into account the linear and nonlinear modal coupling. A detailed theoretical description of four-wave mixing (FWM) considering the modal coupling is developed. Both, the intramode and the intermode phase-matching conditions is calculated for an optical microwire in a strong guiding regime. Finally, the FWM dynamics is studied and the amplitude evolution of the pump beams, the signal and the idler are analyzed.

Tuneable micro- and nano-periodic structures in urethane/urea networks

Micro- and nano-patterned materials are of great importance for the design of new nanoscale electronic, optical and mechanical devices, ranging from sensors to displays. A prospective system that can support a designed functionality is elastomeric polyurethane thin films with nano- or micromodulated surface structures ("wrinkles"). These wrinkles can be induced on different lengthscales by mechanically stretching the films, without the need for any sophisticated lithographic techniques. In the present article we focus on the experimental control of the wrinkling process. A simple model for wrinkle formation is also discussed, and some preliminary results reported. Hierarchical assembly of these tunable structures paves the way for the development of a new class of materials with a wide range of applications, from electronics to biomedicine.

Synthesis, structure, and optical properties of an alternating calix[4]arene-based meta-linked phenylene ethynylene copolymer

Novel alternating copolymers comprising biscalix[4]arene-p-phenylene ethynylene and m-phenylene ethynylene units (CALIX-m-PPE) were synthesized using the Sonogashira-Hagihara cross-coupling polymerization. Good isolated yields (60-80%) were achieved for the polymers that show M-n ranging from 1.4 x 10(4) to 5.1 x 10(4) gmol(-1) (gel permeation chromatography analysis), depending on specific polymerization conditions. The structural analysis of CALIX-m-PPE was performed by H-1, C-13, C-13-H-1 heteronuclear single quantum correlation (HSQC), C-13-H-1 heteronuclear multiple bond correlation (HMBC), correlation spectroscopy (COSY), and nuclear overhauser effect spectroscopy (NOESY) in addition to Fourier transform-Infrared spectroscopy and microanalysis allowing its full characterization. Depending on the reaction setup, variable amounts (16-45%) of diyne units were found in polymers although their photophysical properties are essentially the same. It is demonstrated that CALIX-m-PPE does not form ground-or excited-state interchain interactions owing to the highly crowded environment of the main-chain imparted by both calix[4]arene side units which behave as insulators inhibiting main-chain pi-pi staking. It was also found that the luminescent properties of CALIX-m-PPE are markedly different from those of an all-p-linked phenylene ethynylene copolymer (CALIX-p-PPE) previously reported. The unexpected appearance of a low-energy emission band at 426 nm, in addition to the locally excited-state emission (365 nm), together with a quite low fluorescence quantum yield (Phi = 0.02) and a double-exponential decay dynamics led to the formulation of an intramolecular exciplex as the new emissive species.

Deuterium NMR Study of Orientational Order in Cellulosic Network Microfibers

Deuterium NMR was used to investigate the orientational order in a composite cellulosic formed by liquid crystalline acetoxypropylcellulose (A PC) and demented nematic 4'-penty1-4-cyanobiphenyl (5CB-4 alpha d(2)) with the per centage of 85% A PC by weight Three forms of the composite including electro spun microfibers, thin film and bulk samples were analyzed The NMR results initially suggest two distinct scenarios, one whet e the 503-alpha d(2), is confined to small droplets with dimensions smaller than the magnetic coherence length and the other where the 503-alpha d(2) molecules arc aligned with the A PC network chains Polarized optical microscopy (POW from thin film samples along with all the NMR results show the presence of 5CB-alpha d(2) droplets in the composite systems with a nematic wetting layer at the APC-5CB-alpha d(2) interface that experiences and order disorder transition driven by the polymer network N-I transition The characterization of the APC network I-N transition shows a pronounced subcritical behavior within a heterogeneity scenario.

Implementação e validação do método de determinação de metais e fósforo por ICP-OES (inductively coupled plasma-optical emission spectometry) em biodiesel

O objectivo do presente trabalho foi desenvolver, implementar e validar métodos de determinação de teor de cálcio (Ca), magnésio (Mg), sódio (Na), potássio (K) e fósforo (P) em biodiesel, por ICP-OES. Este método permitiu efectuar o controlo de qualidade do biodiesel, com a vantagem de proporcionar uma análise multi-elementar, reflectindo-se numa diminuição do tempo de análise. Uma vez que o biodiesel é uma das principais fontes de energia renovável e alternativa ao diesel convencional, este tipo de análises revela-se extremamente útil para a sua caracterização. De acordo com a análise quantitativa e qualitativa e após a validação dos respectivos ensaios, apresentam-se, na Tabela 1 as condições optimizadas para cada elemento em estudo. As condições de trabalho do ICP-OES foram escolhidas tendo em conta as características do elemento em estudo, o tipo de equipamento utilizado para a sua análise, e de modo a obter a melhor razão sinal/intensidade de fundo. Para a validação dos ensaios foram efectuados ensaios de recuperação, determinados limites de detecção e quantificação, ensaios de repetibilidade e reprodutibilidade, e verificação das curvas de calibração. Na tabela 2 apresentam-se os comprimentos de onda escolhidos (livres de interferências) e respectivos limites de detecção e quantificação dos elementos analisados por ICP-OES, na posição radial e radial atenuado.

Non-selective optical wavelength-division multiplexing devices based on a-SiC:H multilayer heterostuctures

In this paper we present results on the optimization of multilayered a-SiC:H heterostructures for wavelength-division (de) multiplexing applications. The non selective WDM device is a double heterostructure in a glass/ITO/a-SiC:H (p-i-n) /a-SiC:H(-p) /a-Si:H(-i')/a-SiC:H (-n')/ITO configuration. The single or the multiple modulated wavelength channels are passed through the device, and absorbed accordingly to its wavelength, giving rise to a time dependent wavelength electrical field modulation across it. The effect of single or multiple input signals is converted to an electrical signal to regain the information (wavelength, intensity and frequency) of the incoming photogenerated carriers. Here, the (de) multiplexing of the channels is accomplished electronically, not optically. This approach offers advantages in terms of cost since several channels share the same optical components; and the electrical components are typically less expensive than the optical ones. An electrical model gives insight into the device operation.