Selectively filled photonic liquid crystal fibers = Fibras de cristal fotónico selectivamente llenas con cristal líquido

El presente trabajo de Tesis se ha centrado en el diseño, fabricación y caracterización de dispositivos basados en fibras de cristal fotónico infiltrado selectivamente con cristales líquidos, polímeros y una mezcla de ambos. Todos los dispositivos son sintonizables, y su área de aplicación se centra en comunicaciones ópticas y sensores. La manipulación y fusionado de fibras fotónicas, el llenado selectivo de determinadas cavidades y la alineación recíproca de fibras mantenedoras de polarización son tareas muy específicas y delicadas para las que se requieren protocolos muy estrictos. Previo a la fabricación de dispositivos ha sido necesaria por tanto una tarea de sistematización y creación de protocolos de fabricación. Una vez establecidos se ha procedido a la fabricación y caracterización de dispositivos. Los dispositivos fabricados se enumeran a continuación para posteriormente detallar una a una las singularidades de cada uno. • Interferómetros intermodales hechos a partir de una porción de fibra fotónica soldada entre dos fibras estándar, bien monomodo o PANDA (mantenedora de polarización). Estos interferómetros han sido sumergidos o bien llenados selectivamente con cristales líquidos para así sintonizar la señal interferométrica guiada a través de la fibra. • Infiltración de fibras fotónicas con cristales líquidos colestéricos con especial énfasis en la fase azul (blue phase) de estos materiales. Las moléculas de cristal líquido se autoalinean en volumen por lo que la infiltración de fibras fotónicas con estos cristales líquidos es muy interesante, pues es conocida la dificultad de alinear apropiadamente cristales líquidos dentro de cavidades micrométricas de las fibras fotónicas. • Grabación de redes holográficas de forma selectiva en las cavidades de una fibra fotónica. Estas redes holográficas, llamadas POLICRYPS (POlymer-LIquid CRYstal-Polymer Slices), son redes fabricadas a base de franjas de polímero y cristal líquido alineado perpendicularmente a dichas franjas. Las franjas son a su vez perpendiculares al eje de la fibra como lo puede ser una red de Bragg convencional. El cristal líquido, al estar alineado perpendicularmente a dichos franjas y paralelo al eje de la fibra, se puede conmutar aplicando un campo eléctrico externo, modificando así el índice efectivo de la red. Se puede fabricar por lo tanto una red de Bragg sintonizable en fibra, muy útil en comunicaciones ópticas. • Llenado selectivo de fibras fotónicas con polidimetilsiloxano (PDMS), un polímero de tipo silicona. Si se realiza un llenado selectivo asimétrico se puede inducir birrefringencia en la fibra. El índice de refracción del PDMS tiene una fuerte dependencia térmica, por lo que se puede sintonizar la birrefringencia de la fibra. • Estudio teórico de llenado selectivo de fibras fotónicas con PDMS dopado con nanopartículas de plata de 5, 40 y 80 nm. Estas nanopartículas poseen un pico de absorción en torno a los 450 nm debido a resonancias superficiales localizadas de plasmones (LSPR). La resonancia del plasmon tiene una fuerte dependencia con el índice de refracción del material colindante, y al ser éste PDMS, la variación de índice de refracción se ve amplificada, obteniendo una absorción sintonizable. Se ha propuesto la fabricación de polarizadores sintonizables usando esta técnica. Como ya se ha dicho, previamente a la fabricación ha sido necesaria la protocolización de diversos procedimientos de fabricación de alta complejidad, así como protocolizar el proceso de toma de medidas para optimizar los resultados. Los procedimientos que han requerido la formulación de protocolos específicos han sido los siguientes: • Llenado selectivo de cavidades en una fibra fotónica. Dichas fibras tienen generalmente un diámetro externo de 125 μm, y sus cavidades son de entre 5 y 10 μm de diámetro. Se han desarrollado tres técnicas diferentes para el llenado/bloqueado selectivo, pudiéndose combinar varios protocolos para la optimización del proceso. Las técnicas son las siguientes: o Llenado y bloqueado con un prepolímero. Dicho prepolímero, también llamado adhesivo óptico, está inicialmente en estado líquido y posee una cierta viscosidad. Las cavidades de la fibra fotónica que se desea llenar o bloquear poseen un diámetro diferente al resto, por lo que en el proceso de llenado aparecen dos frentes de llenado dependientes de su diámetro. A mayor diámetro, mayor velocidad de llenado. Polimerizando cuando existe dicha diferencia en los frentes se puede cortar por medio, obteniendo así una fibra parcialmente bloqueada. o Colapsamiento de las cavidades de menor diámetro mediante aplicación de calor. El calor producido por un arco voltaico de una soldadora de fibra estándar fusiona el material exterior de la fibra produciendo el colapsamiento de las cavidades de menor diámetro. En esta técnica también es necesaria una diferencia de diámetros en las cavidades de la fibra. o Bloqueo una a una de las cavidades de la fibra fotónica con adhesivo óptico. Este procedimiento es muy laborioso y requiere mucha precisión. Con este sistema se pueden bloquear las cavidades deseadas de una fibra sin importar su diámetro. • Alineación de una fuente de luz linealmente polarizada con una fibra mantenedora de polarización ya sea PANDA o fotónica. Así mismo también se han alineado entre sí fibras mantenedoras de polarización, para que sus ejes rápidos se fusionen paralelos y así el estado de polarización de la luz guiada se mantenga. • Sistematización de toma de medidas para caracterizar los interferómetros modales. Éstos son altamente sensibles a diversas variables por lo que el proceso de medida es complejo. Se deben aislar variables de forma estrictamente controlada. Aunque todos los dispositivos tienen en común el llenado selectivo de cavidades en una fibra fotónica cada dispositivo tiene sus peculiaridades, que van a ser explicadas a continuación. ABSTRACT The present Thesis has been centered in the design, fabrication and characterization of devices based on photonic crystal fibers selectively filled with liquid crystals, polymers and a mixture of both. All devices are tunable and their work field is optical communications and sensing The handling and splicing of photonic crystal fibers, the selective filling of their holes and the aligning of polarization maintaining fibers are very specific and delicate tasks for which very strict protocols are required. Before the fabrication of devices has therefore been necessary task systematization and creation of manufacturing protocols. Once established we have proceeded to the fabrication and characterization of devices. The fabricated devices are listed below and their peculiarities are detailed one by one: • Intermodal interferometers made with a portion of photonic crystal fiber spliced between two optical communication fiber pigtails, either single mode or PANDA (polarization-maintaining) fiber. These interferometers have been submerged or selectively filled with liquid crystals to tune the interferometric guided signal. • Infiltration of photonic fibers with cholesteric liquid crystals with special emphasis on their blue phase (blue phase). The liquid crystal molecules are self-aligning in volume so the infiltration of photonic fibers with these liquid crystals is very interesting. It is notoriously difficult to properly align liquid crystals within micron cavities such as photonic fibers. • Selectively recording of holographic gratings in the holes of photonic crystal fibers. These holographic gratings, called POLICRYPS (POlymer-LIquid CRYstal-Polymes Slices), are based on walls made of polymer and liquid crystal aligned perpendicular to them. These walls are perpendicular to the axis of the fiber as it can be a conventional Bragg grating. The liquid crystal is aligned perpendicular to the walls and parallel to the fiber axis, and can be switched by applying an external electric field and thus change the effective index of the grating. It is thus possible to manufacture a tunable Bragg grating fiber, useful in optical communications. •Asymmetrically selective filling of photonic crystal fibers with a silicone polymer like called polydimethylsiloxane (PDMS) to induce birefringence in the fiber. The refractive index of PDMS has temperature dependence, so that the birefringence of the fiber can be tuned. • Theoretical study of photonic crystal fibers selectively filled with PDMS doped with silver nanoparticles of 5, 40 and 80 nm. These nanoparticles have an absorption peak around 450 nm due to localized surface plasmon resonances (LSPR). Plasmon resonance has a strong dependence on the refractive index of the adjacent material, and as this is PDMS, the refractive index variation is amplified, obtaining a tunable absorption. Fabrication of tunable polarizers using this technique has been proposed. Before starting the fabrication, it has been necessary to optimize several very delicate procedures and different protocols have been designed. The most delicate procedures are as follows: • Selective filling of holes in a photonic crystal fiber. These fibers generally have an outer diameter of 125 μm, and their holes have a diameter around between 5 and 10 μm. It has been developed three different techniques for filling / selective blocking, and they can be combined for process optimization. The techniques are: o Filling and blocked with a prepolymer. This prepolymer also called optical adhesive is initially in liquid state and has a certain viscosity. The holes of the photonic crystal fiber that are desired to be filled or blocked should have a different diameter, so that in the filling process appear two different fronts depending on the hole diameter. The holes with larger diameter are filled faster. Then the adhesive is polymerized when there is such a difference on the front. A partially blocked fiber is obtained cutting between fronts. o Collapsing of holes of smaller diameter by application of heat. The heat produced by an arc of a standard fusion splicer fuses the outer fiber material producing the collapsing of the cavities of smaller diameter. In this technique also you need a difference of diameters in the fiber holes. o Blocking one by one the holes of photonic crystal fiber with optical adhesive. This procedure is very laborious and requires great precision. This system can block unwanted cavities regardless fiber diameter. • Aligning a linearly polarized light source with a polarization-maintaining fiber (either a PANDA fiber as a photonic crystal fiber). It is needed also an aligning between polarization-maintaining fibers, so that their fast axes parallel merge and that is state of polarization of light guided is maintained. • Systematization of taking measurements to characterize the modal interferometers. These are highly sensitive to several variables so the measurement process is very complicated. Variables must be fixed in a very controlled manner. Although all devices have the common characteristic of being selectively filled PCFs with some kind of material, each one has his own peculiarities, which are explained below.

Fibra de crital fotônico: fundamentação e aplicações

The main purpose of this dissertation, consists of the study and analysis of the PBG (Photonic Band Gap )..tecnology incorporated in optical fiber structures. So, we'l1 present a complete PBG structure theory, and folowing this, we'l1 present also a chapter for convencional optical fiber, due to the need to construct the base theory of them, and latter a more complete work about photonic crystal fiber. Finaly, we'l1 show the results of the signals , dispersion, and obtained curves under the right dimensions according to the required signals, for convencional optical and photonic crystal fiber. Knowing that PBG crystals with low losses act as perfect mirrors for forbidden frequences and knowing that the persence of structures of PBG as substrates, brings some desirable characteristics such as spontaneous emition supression and superficial waves. We' 11 show according to these characteristics its applications in telecomunication. Therefore, the enphasis of this work is to show that the optical fibers are the only practible thing to integrate the enormous quantity of data and video at intemet' s market, developing, manipulating, changing, and multiplexing the optical fibers chanels in an area where we expect that the photonic crystals has an important hole, since the photonic crystals can be projected and made to avoid losses in the bands of certain wavelength which permits the increase in efficiency ofthe optical components projected with crystals. A sequence of this work would be the utilisation of the PBG structures in the new system of optical network without fiber developed by Bell laboratories of the lucent tecnology, last year using light rays for transmiting information through the air. The new system of optical networks without fiber will permit sending the data of 15 cd-rooms in less then one second, what represents 65 times more information than those transmitted through the actual radio frequences

Excitações em cristais fotônicos unidimensionais

In this work, we present a theoretical study of the propagation of electromagnetic waves in multilayer structures called Photonic Crystals. For this purpose, we investigate the phonon-polariton band gaps in periodic and quasi-periodic (Fibonacci-type) multilayers made up of both positive and negative refractive index materials in the terahertz (THz) region. The behavior of the polaritonic band gaps as a function of the multilayer period is investigated systematically. We use a theoretical model based on the formalism of transfer matrix in order to simplify the algebra involved in obtaining the dispersion relation of phonon-polaritons (bulk and surface modes). We also present a quantitative analysis of the results, pointing out the distribution of the allowed polaritonic bandwidths for high Fibonacci generations, which gives good insight about their localization and power laws. We calculate the emittance spectrum of the electromagnetic radiation, in THZ frequency, normally and obliquely incident (s and p polarized modes) on a one-dimensional multilayer structure composed of positive and negative refractive index materials organized periodically and quasi-periodically. We model the negative refractive index material by a effective medium whose electric permittivity is characterized by a phonon-polariton frequency dependent dielectric function, while for the magnetic permeability we have a Drude like frequency-dependent function. Similarity to the one-dimensional photonic crystal, this layered effective medium, called polaritonic Crystals, allow us the control of the electromagnetic propagation, generating regions named polaritonic bandgap. The emittance spectra are determined by means of a well known theoretical model based on Kirchoff s second law, together with a transfer matrix formalism. Our results shows that the omnidirectional band gaps will appear in the THz regime, in a well defined interval, that are independent of polarization in periodic case as well as in quasiperiodic case

Efeitos da geometria e da composição no espectro de cristais fotônicos 2D

Pós-graduação em Ciência e Tecnologia de Materiais - FC

Análise teórica de novos circuladores de 3-portas em cristais fotônicos bidimensionais

Este trabalho apresenta um estudo teórico sobre novos circuladores compactos com 3-portas tipos W e Y, baseados em cristais fotônicos bidimensionais. No circulador tipo Y, os guias de onda que o compõem formam ângulos de 120° entre si (com formato assemelhado ao da letra Y). O circulador tipo W é uma modificação do tipo Y, obtido a partir do reposicionamento de uma das portas entre as outras duas com um ângulo de 60° entre os guias de onda (com formato assemelhado ao da letra W). Os parâmetros geométricos dos cristais foram obtidos dos diagramas de bandas proibidas. O circulador de três portas tipo Y, projetado para operar em frequências de micro-ondas, foi investigado com o objetivo de gerar um protótipo inédito, enquanto que o tipo W, para frequências ópticas, foi investigado para demonstrar a possibilidade de desenvolver um circulador mais compacto em comparação com o tipo Y conhecido. O tipo W pode ser também uma alternativa geométrica mais adequada no design de circuitos integrados. Os modelos são bons no sentido em que possuem elevada isolação (maior que -20 dB em ambos os circuladores) e baixa perda de inserção (maior que -0,5 dB no caso do circulador tipo Y). O circulador tipo W apresenta uma largura de banda de operação em torno de 100 GHz para um nível de -20 dB de isolação, centrado no comprimento de onda de 1,5um. As simulações foram feitas utilizando-se o software comercial COMSOL Multiphysics, o qual se baseia no método dos elementos finitos.

Caraterización y uso de pantallas de cristal líquido para diferentes aplicaciones

Proyecto de investigación realizado a partir de una estancia en el Departamento de Física de la Universidad Autònoma de Barcelona entre octubre de 2007 y febrero del 2008. La investigación realizada se ha centrado en la caracterización y uso en diferentes aplicaciones de pantallas de cristal líquido por reflexión. Las fluctuaciones temporales de la modulación de estos dispositivos origina una despolarización parcial de la luz transmitida. Por ello para su caracterización se ha utilizado el formalismo de Mueller-Stokes. Se ha desarrollado un montaje experimental para la caracterización y se ha propuesto un modelo para predecir tanto su modulación en maplictud come en fase y polarización. También se ha estudiado la variación del comportamiento en función de la longitud de onda utilizada y del ángulo de incidencia. La respuesta de los sistemas ópticos en cuanto a su profundidad de enfoque y su resolución puede ser modificada mediante filtros de transmisión no uniforme. Hemos estudiado la capacidad de las pantallas de cristal líquido para implementar este tipo de filtros. Se han estudiado los efectos de diferentes tipos de filtros tanto teóricamente como experimentalmente. Se han diseñado sistemas ópticos telescópicos utilizando dos pantallas de cristal líquido. En estos sistemas se puede variar el aumento en tiempo real. Debido a la versatilidad que ofrecen las pantallas de cristal líquido se pueden implementar lentes cilíndricas con lo que se pueden variar los aumentos en cada una de las direcciones, formando así un procesador anamórfico programable. Por último se ha propuesto un procesador óptico de polarización. Las pantallas de cristal líquido cambian el estado de polarización de la luz incidente, lo que da lugar a la posibilidad de modular espacialmente el estado de polarización. Se han estudiado teóricamente y experimentalmente la propagación de estos haces.

Full complex Fresnel holograms displayed on liquid cristal displays

We propose a method to display full complex Fresnel holograms by adding the information displayed on two analogue ferroelectric liquid crystal spatial light modulators. One of them works in real-only configuration and the other in imaginary-only mode. The Fresnel holograms are computed by backpropagating an object at a selected distance with the Fresnel transform. Then, displaying the real and imaginary parts on each panel, the object is reconstructed at that distance from the modulators by simple propagation of light. We present simulation results taking into account the specifications of the modulators as well as optical results. We have also studied the quality of reconstructions using only real, imaginary, amplitude or phase information. Although the real and imaginary reconstructions look acceptable for certain distances, full complex reconstruction is always better and is required when arbitrary distances are used.

Utilización de pantallas de cristal líquido en un correlador de Vander Lugt

En este artículo se presenta un estudio cuya finalidad es analizar diferentes aspectos de la utilización de pantallas de cristal líquido, extraídas de un videoproyector, en montajes de reconocimiento de formas por correlación. Se analizan las condiciones de funcionamiento de las pantallas y sus posibles modos de configuración. Se estudian dos tipos de filtros de correlación, el filtro adaptado clásico y el de sólo fase, así como la manera de codificarlos en las pantallas. Finalmente, se presentan los resultados de una serie de realizaciones experimentales utilizando un correlador de VanderLugt y diferentes configuraciones de las pantallas. De todo ello se deducen las condiciones óptimas de funcionamiento del sistema.

Combinación de pantallas de cristal líquido para la modulación compleja de frentes de onda. Aplicación en reconstrucción de hologramas de Fresnel digitales.

En este trabajo se presentan distintas alternativas para obtener la modulación compleja completa de frentes de onda mediante la suma de la modulación introducida por dos pantallas de cristal líquido. Para los distintos métodos se presentan resultados simulados de reconstrucciones de hologramas de Fresnel digitales.