Dissertations / Theses on the topic 'Vectorial optics'

The ongoing merger of the digital and optical components of the modern microscope is creating opportunities for new measurement techniques, along with new challenges for optical modelling. This thesis investigates several such opportunities and challenges which are particularly relevant to biomedical imaging. Fourier optics is used throughout the thesis as the underlying conceptual model, with a particular emphasis on three--dimensional Fourier optics. A new challenge for optical modelling provided by digital microscopy is the relaxation of traditional symmetry constraints on optical design. An extension of optical transfer function theory to deal with arbitrary lens pupil functions is presented in this thesis. This is used to chart the 3D vectorial structure of the spatial frequency spectrum of the intensity in the focal region of a high aperture lens when illuminated by linearly polarised beam. Wavefront coding has been used successfully in paraxial imaging systems to extend the depth of field. This is achieved by controlling the pupil phase with a cubic phase mask, and thereby balancing optical behaviour with digital processing. In this thesis I present a high aperture vectorial model for focusing with a cubic phase mask, and compare it with results calculated using the paraxial approximation. The effect of a refractive index change is also explored. High aperture measurements of the point spread function are reported, along with experimental confirmation of high aperture extended depth of field imaging of a biological specimen. Differential interference contrast is a popular method for imaging phase changes in otherwise transparent biological specimens. In this thesis I report on a new isotropic algorithm for retrieving the phase from differential interference contrast images of the phase gradient, using phase shifting, two directions of shear, and non--iterative Fourier phase integration incorporating a modified spiral phase transform. This method does not assume that the specimen has a constant amplitude. A simulation is presented which demonstrates good agreement between the retrieved phase and the phase of the simulated object, with excellent immunity to imaging noise.

The ongoing merger of the digital and optical components of the modern microscope is creating opportunities for new measurement techniques, along with new challenges for optical modelling. This thesis investigates several such opportunities and challenges which are particularly relevant to biomedical imaging. Fourier optics is used throughout the thesis as the underlying conceptual model, with a particular emphasis on three--dimensional Fourier optics. A new challenge for optical modelling provided by digital microscopy is the relaxation of traditional symmetry constraints on optical design. An extension of optical transfer function theory to deal with arbitrary lens pupil functions is presented in this thesis. This is used to chart the 3D vectorial structure of the spatial frequency spectrum of the intensity in the focal region of a high aperture lens when illuminated by linearly polarised beam. Wavefront coding has been used successfully in paraxial imaging systems to extend the depth of field. This is achieved by controlling the pupil phase with a cubic phase mask, and thereby balancing optical behaviour with digital processing. In this thesis I present a high aperture vectorial model for focusing with a cubic phase mask, and compare it with results calculated using the paraxial approximation. The effect of a refractive index change is also explored. High aperture measurements of the point spread function are reported, along with experimental confirmation of high aperture extended depth of field imaging of a biological specimen. Differential interference contrast is a popular method for imaging phase changes in otherwise transparent biological specimens. In this thesis I report on a new isotropic algorithm for retrieving the phase from differential interference contrast images of the phase gradient, using phase shifting, two directions of shear, and non--iterative Fourier phase integration incorporating a modified spiral phase transform. This method does not assume that the specimen has a constant amplitude. A simulation is presented which demonstrates good agreement between the retrieved phase and the phase of the simulated object, with excellent immunity to imaging noise.

Cette thèse est consacrée à la simulation numérique tridimensionnelle de la diffusion d’une onde plane par une gouttelette pendante à l’aide d’un modèle de Tracé de Rayons Vectoriels Complexes Statistiques (TRVCS), basé sur modèle de Tracé de Rayons Vectoriels Complexes (TRVC) précédemment mis au point par le laboratoire CORIA. La métrologie optique est largement utilisée dans de nombreux domaines de la recherche scientifique et non intrusive. De nombreuses techniques de mesure ont été développées pour caractériser la taille, la température, ... des particules. Mais la plupart d’entre elles sont limitées aux particules de forme simple en raison de l’absence d’outils théorique ou numérique permettant de prédire la relation entre la lumière diffusée et les propriétés des diffuseurs, en particulier pour les grosses particules non sphériques. Pour surmonter cet obstacle, TRVC a été développé. Dans ce modèle, la courbe du front d’onde est introduite comme une nouvelle propriété des rayons lumineux. La divergence et la convergence d’une onde sur la surface courbée de la particule peuvent être facilement prédites par l’équation du front d’onde. Ainsi, il peut être appliqué à la diffusion de la lumière par de grosses particules de forme quelconque et de surface lisse. La TRVC a été validée expérimentalement et numériquement dans les cas de diffusion dans un plan de diffusion symétrique. Afin de contourner le problème de l’interpolation 2D avec des données irrégulières, nous proposons un modèle de TRVCS. Mais le phénomène d’interférence n’est pas pris en compte dans sa version initiale. Dans cette thèse, la méthode de calcul de la phase due au chemin optique, aux coefficients de Fresnel et aux lignes focales sont soigneusement étudiés pour une particule non sphérique dans le cadre de TRVCS. Il est ensuite appliqué à la simulation de la diffusion en trois dimensions d’une gouttelette pendante. Les figures de diffusion aux alentours des arcs-en-ciel du premier et du second ordre, dans la direction avant, sont simulées pour quatre formes typiques de gouttelettes pendantes obtenues expérimentalement. Les résultats numériques sont en bon accord avec les résultats expérimentaux. Le mécanisme de diffusion et la contribution de différents ordres de rayons sont également étudiés
This thesis is devoted to the numerical simulation of the scattering of plane wave by a pendent droplet in three dimensions using the Statistic Vectorial Complex Ray Model (SVCRM), which is based on the Vectorial Complex Ray Model (VCRM) developed in the laboratory CORIA. Optical metrology is widely used in many domains of scientific research due to its advantages of being fast and non-intrusive. Numerous measurement techniques have been developed to characterize the size, the temperature, ... of the particles. But most of them are limited to the particles of simple shape because of the lack of theoretical model to predict the relation of the scattered light with the properties of the scatterers, especially for the large non-spherical particle. To overcome this obstacle, the Vectorial Complex Ray Model (VCRM) has been developed. In this model, the wave front curvature is introduced as a new property of light rays. The divergence and the convergence of a wave on the curved surface of the particle can be described easily by the wave front equation. So it can be applied to the scattering of light by large particles of any shape with smooth surface. The VCRM has been validated experimentally and numerically in the cases of scattering in a symmetric plane of scatterer. In order to get over the problem of 2D interpolation with irregular data, Statistic Vectorial Complex Ray Model (SVCRM) is proposed. But the interference phenomena is not considered in its initial version. In this thesis, the method to count the phase due to the optical path, the Fresnel coefficients and the focal liens are carefully studied for a non-spherical particle in the framework of SVCRM. It is then applied to the simulation of the three dimension scattering of a pendent droplet. The scattering patterns around the first and the second order rainbows, in the forward direction are exampled for four typical shapes of pendent droplets obtained experimentally. The results are found in good agreement with experimental scattering patterns. The scattering mechanism and the contribution of different orders of rays are also investigated

Light has provided the means to learn and gather information about the physical world throughout history. In a world where science moves to smaller scales and more specialised problems however, the boundaries of current technology are continually challenged, motivating the search for more sophisticated systems providing greater information content, sensitivity and increased dimensionality. Utilising the vectorial nature of light presents a promising avenue by which to meet these growing requirements. Polarisation can, for example, be used to transmit information, or alternatively, changes in polarisation induced by an object allow study of previously neglected material properties, such as birefringence and diattenuation. Central to this thesis is thus the characterisation and exploitation of the opportunities afforded by the electromagnetic (i.e. vectorial) nature of light. To this end the work follows three running themes: quantification of polarisation information; formulation of simple propagation tools for electromagnetic waves; and development of specific polarisation based optical systems. Characterising the informational limits inherent to polarisation based systems reduces to considering the uncertainty present in any observations. Uncertainty can, for example, arise from stochastic variation in the polarisation state being measured, or from random noise perturbations upon detection. Both factors are considered and quantified here. Development of vectorial optical systems does, however, pose significant difficulties in modelling, due to mathematical complexity and computational requirements. A number of new tools are hence developed, as prove applicable to a wide variety of applications. Examples are naturally given. To illustrate the potential of polarisation based systems, specific current topics are discussed; namely the growing demand for data storage, and single molecule studies. It will be shown that polarisation, can not only be used to multiplex information in data pits on optical media, but also to allow full 3D study of single molecules. Factors pertinent to such studies are studied in detail.

Cette thèse est dédiée à une étude de diffusion de la lumière dans l’espace (3D) d’une onde plane ou d’un faisceau laser, dans le cadre du modèle tracée de rayons vectoriels complexes (VCRM Vectorial Complex Ray Model en anglais), par une grosse particule de surface lisse. Les principaux travaux réalisés se résument comme suit : Dans un premier temps, une méthode de calcul pour la diffusion 2D de l’onde plane par un cylindre infini de section quelconque est proposée. Cette méthode est ensuite appliquée à la simulation de l’intensité diffusée de l’onde plane par un cylindre elliptique composé (CEC), dont la section est formée par deux demi-ellipses de paramètres différents. Les effets de la déformation, de l’indice de réfraction et de la direction de l’onde incidente sur les champs diffusés, en particulier les positions des arcs-en-ciel ainsi que leurs dispositions de l’intensité, sont analysées quantitativement. Puis, les travaux se sont étendus à la diffusion dans l’espace (3D) d’une onde plane par une particule de forme quelconque en tenant en compte les déphasages dus aux lignes focales et au chemin optique, la divergence et la convergence du front d’onde, et la polarisation croisée. Un algorithme d’interpolation basé sur la triangulation est développé qui permet de prendre en compte l’inférence des rayons diffusés dans l’espace. La méthode proposée pour la diffusion 3D est appliquée à la simulation de l’intensité diffusée d’une onde plane par un jet de liquide réel. Ceci a permis d’interpréter le mécanisme de diffusion dans l’espace: l’analyse de mode de diffusion, la séparation ou l’interférence de différents ordres. Une expérience est menée pour vérifier la méthode de calcul et pour examiner les résultats simulés. Afin de prendre en compte la forme du faisceau incident, une méthode de description d’un faisceau gaussien elliptique incident par rayons est proposée, qui permet de calculer l’intensité diffusée en 3D d’un faisceau gaussien circulaire ou elliptique par une grosse particule. Le calcul de l’intensité diffusée en champ lointain d’un faisceau gaussien elliptique par un jet de liquide réel est réalisé avec succès. Les champs de diffusion aux alentours des arcs-en-ciel du premier et du second ordre pour les faisceaux incidents de différents angles et divergences sont étudiés
In the framework of vectorial complex ray model (VCRM), this thesis aims to solve the three-dimensional (3D) scattered intensity of plane wave or shaped beam by a large particle of any smooth surface. The main work and achievements are summarized as follows: As the first step, the calculation method based on VCRM for the 2D scattered intensity of plane wave by a cylinder of any smooth cross section is proposed. And the proposed method is applied to solving the scattered intensity of plane wave by a composite elliptical cylinder (CEC), whose cross section can take various shapes ranging from circular, elliptical to highly-deformed. The effects of shape deformation, refractive index and incident direction on the scattering fields, especially on the rainbows, are quantitatively analyzed. Based on VCRM, the ray tracing, the phase shifts due to focal lines and optical path, the divergence and convergence of wavefront, and the cross polarization in 3D scattering are addressed. An interpolation algorithm based on triangulation has been developed which permits to take into account the interference of 3D scattered rays, thus breaking through the bottle-neck problem for VCRM in the extension to 3D scattering. The proposed method, which is based on VCRM while allows to calculate 3D scattering field, is applied to simulating the 3D scattered intensity of plane wave by a real liquid jet. Furthermore, taking advantage of the ability of VCRM for interpreting the scattering mechanism, a systematic analysis is made for the scattered light of different orders, in regard to their separation or interference in 3D space. An experiment is carried out to verify the proposed method for 3D scattering and to examine the simulated results. In the framework of VCRM, a ray description method for incident elliptical Gaussian beam is proposed, thus providing one feasible way to calculate the 3D scattered intensity of elliptical or circular Gaussian beam by a large particle of any smooth surface. The calculation for the 3D far-field scattered intensity of elliptical Gaussian beam by a real liquid jet is successfully achieved. The scattering fields near the first- and second-order rainbows for incident beams of different divergence angles are investigated in 3D space. These results as well as the proposed method open a promising way to characterize finely the structure of a real liquid jet and particles of other complex surfaces

Plusieurs technologies de magnétomètres atomiques ont été développées depuis les années 60. Afin d’obtenir une technologie capable de mesurer des champs magnétiques inférieurs à 50 nT et compatible avec notre magnétomètre scalaire isotrope, nous avons du concevoir un magnétomètre atomique dans une configuration qui n'a jamais été publiée.Nous avons calculé les résonances caractéristiques de ce magnétomètre et réalisé un prototype. Son bruit est inférieur à 1 ou 0.1 pT/√Hz, respectivement pour les versions tri axiales ou mono-axiales.Une façon de réduire le bruit du magnétomètre de 7 dB a été identifiée et le principe de ce magnétomètre pourrait offrir d’intéressantes perspectives pour les horloges atomiques
Several technologies of atomic magnetometers have been developed since the60s. To obtain a technology capable of measuring magnetic fields lower than 50 nT and compatible with our isotropic scalar magnetometer, we had todevelop an atomic magnetometer in a configuration that has never been published.We calculated the resonances characteristic of the magnetometer with the formalism of the dressed atom and realized a prototype. The noise of the resulting magnetometer is lower than 1 or 0.1 pT/√Hz, on the monoaxial or triaxial versions respectively.One way to reduce the noise of the magnetometer of 7 dB has been identified and the principle of this magnetometer could offer interesting perspectives for atomic clocks

On propose un calculateur systolique optoelectronique reposant sur la modulation electrooptique de la lumiere emise par une source a spectre large. Le systeme est adapte au calcul de produits matrice-vecteur. Il est constitue d'une source infrarouge unique, d'une cascade de modulateurs electrooptiques massifs travaillant en parallele et d'une serie de lames birefringentes

La mesure du champ magnétique terrestre avec des satellites réduits en volume –des cube-sats ou des nano-sats– requière de des magnétomètres à pompage optique de volume plus réduit et pouvant être opérés en gradiomètre sans diaphonie entre capteurs. Pour répondre à ce besoin, nous avons travaillé sur des architectures de magnétomètres atomiques tout-optiques. Dans ce manuscrit, nous présentons une architecture de magnétomètre scalaire tout-optique isotrope basée l’hélium-4 métastable pompé en alignement. Cette architecture repose sur la combinaison d’un champ magnétique radiofréquence créé optiquement par l’effet de light-shift vectoriel et d’une modulation de l’intensité du faisceau de pompe. Les premiers tests expérimentaux de cette configuration ont démontré l’existence d’un point de travail permettant l’opération isotrope. Les premières estimations de bruit et de justesse de cette configuration laissent espérer des performances équivalentes à celles obtenues sur les magnétomètres scalaires isotropes réalisés par le CEA-Leti pour la mission Swarm.Les architectures tout-optique apporteraient également une réponse à des besoins existants dans le domaine de l’imagerie magnétique médicale. En effet la mise en réseau des capteurs actuels entraine des problèmes de diaphonie entre magnétomètres voisins. Dans un deuxième volet de cette thèse nous nous sommes donc intéressés aux magnétomètres tout-optique dédiés à la mesure de champs magnétiques de faibles amplitudes. En explorant les configurations de magnétomètres Hanle basés sur l’alignement atomique, nous avons identifié un schéma qui permet d’avoir accès à deux composantes du champ magnétique en utilisant un seul accès optique à la cellule de gaz. Cette solution a été testée expérimentalement. Nous étudions théoriquement une extension de cette configuration qui permet de mesurer les trois composantes du champ magnétique en utilisant pour le pompage optique une lumière partiellement dépolarisée
The measurement of the Earth magnetic field, using satellites of reduced volume –so called cube-sats or nano-sats– requires optically pumped magnetometers of strongly reduced size that can be operated as gradiometers without crosstalk between different sensors. In order to fulfill these conditions we developed an architecture for all-optical magnetometers.In this work, we present an all-optical isotopic solution for a scalar helium-4 magnetometer based on atomic alignment. This architecture originates in the combination of an optically created radiofrequency magnetic field realized by a vector light-shift and of an intensity modulation of the pump light. The first experimental tests of this configuration proved the existence of a working point that allows isotropic operation. First estimations of noise and precision using this configuration give hope to obtain equivalent performance than that of scalar isotropic magnetometers that were realized by the CEA-Leti for the mission Swarm.Additionally, the all-optical architectures respond to the needs that exist in the field of medical magnetic imaging. In fact, building a matrix of commonly used sensors involves problems of cross-talk between proximate magnetometers. The second focus of this thesis lies on all-optical magnetometers designated for the measurement of magnetic fields with small amplitudes. Exploring the configurations of Hanle magnetometers that are based on atomic alignment, we identified a technique which gives access to two magnetic field components while using only one single optical access to the gas cell, a solution that was experimentally tested. We theoretically investigate an extension of this configuration that allows the measurement of all three components of the magnetic field, using a partially depolarized light as optical pump

La présente thèse a pour objectif d'analyser la lumière structurée non-classique et ses caractéristiques. L'optique quantique et la lumière structurée sont deux sujets qui font l'objet d'examens nombreux. Ils sont néanmoins rarement examinés en combinaison. Les propriétés quantiques de la lumière structurée sont moins bien étudiées qu'ils devraient l'être. Par la lumière structurée nous entendons les champs lumineux qui montrent une structure transverse complexe de l'intensité, la phase ou la polarisation. Nous voulons lier les deux sujets de l'optique quantique et la lumière structurée dans la présente thèse. Dans ce but, nous générons expérimentalement des champs lumineux structurés non-classiques. En particulier, nous réalisons une expérience qui permet de générer des faisceaux vectoriels vectoriels - c'est-à-dire des faisceaux lumineux dont l'état de polarisation présente une structure transverse complexe - qui montrent une réduction du bruit quantique. En outre, nous étudions théoriquement les propriétés spatiales de faisceaux lumineux, ainsi que leur bruit. Plus spécifiquement, nous analysons l'incertitude quantique dans la largeur d'un faisceau lumineux. Pour prouver la faisabilité de la vérification expérimentales de nos résultats théoriques, nous réalisons des simulations pour la mesure de paramètres spatiales utilisant un détecteur mulitpixels
This thesis aims at learning more about nonclassical structured light. Quantum optics and structured light are two topics that are subject to countless scientific examinations. However, they are very rarely combined and the quantum properties of structured light are not as thoroughly studied as they deserve. By structured light, we mean any light fields with complex transverse distributions of intensity, phase or polarization. We want to link the topics of quantum optics and structured light in this thesis. For this purpose, we experimentally generate particular nonclassical structured light fields. In particular, we construct an experimental setup that enables us, in principle, to produce arbitrary amplitude squeezed vector beams, i.e. light beams with a complex transverse structure of the state of polarization. Furthermore, we analyze spatial properties of light beams, and their quantum noise theoretically. We specifically perform theoretical examinations of the quantum noise in the width of a light beam. To show the feasibility of an experimental verification of our theoretical results, we conduct simulations for the measurement of spatial parameters of a beam's cross-section by a multipixel detector

Cette thèse est dédiée à l'extension du Tracé de Rayons Vectoriels Complexes (TRVC) développé au laboratoire et son application à la caractérisation des particules non-sphériques. Dans divers domaines de recherche, tels que la mécanique des fluides et la combustion, nous devons mesurer les caractéristiques des particules. Parmi les différents types de techniques de mesure, la métrologie optique est largement utilisée grâce à sa précision et sa fiabilité. Cependant, la forme des particules est souvent considérée comme sphérique principalement à cause du manque de moyens pour prédire avec précision l'interaction de la lumière avec de grandes particules non-sphériques. TRVC a été développé pour répondre à ces besoins. Il est basé sur le modèle de rayons mais une amélioration radicale a été apportée dans ce nouveau modèle par l'introduction d'une nouvelle propriété dans la notion de rayons lumineux - la courbure de front d'onde. Dans cette thèse, le modèle est appliqué à réexaminer la théorie d'Airy. Il a été montré que TRVC prédit mieux les intensités et les positions des lobes secondaires dans les arcs-en-ciel d'une particule sphérique que la théorie d'Airy. Ensuite, TRVC est appliqué à l'étude des propriétés des arcs-en-ciel formés par les ellipsoïdes allongé et aplati. Il est montré que TRVC peut prédire analytiquement les positions et les intensités de lobes secondaires dans les arcs-en-ciel d’une particule sphéroïdale lorsqu’elle est éclairée par une onde plane dans le plan symétrique. Les pics dus à l'effet focal d'une particule sphéroïdale aplatie ont également été évalués analytiquement en utilisantle facteur de divergence de TRVC. Un système de mesure est aussi mis en place dans le laboratoire pour la diffusion de la lumière par des gouttes pendantes. Il a été montré que le rapport des intensités des deux premiers arcs-en-ciel est sensible à l'ellipticité d'un sphéroïde équivalent. Ceci ouvre un champ d'application potentiel pour caractériser la déformation d'une goutte pendante
This thesis is dedicated to the extension of Vectorial Complex Ray Model (VCRM)developed in the laboratory and its application in the characterization of large nonspherical particles. In various research domains, such as the uid mechanics and the combustion field, we need to measure the characteristics of the particles. Among di_erent kinds of measurement techniques, the optical metrology is largely employed due to its advantage of being accurate, reliable and non-intrusive. However, in many optical techniques, the shape of the particles is assumed to be spherical. The main reason of this limit is due to the lack of theoretical model to describe with precision the interaction of light with large non-spherical particles. The Vectorial Complex Ray Model has been developed to reply this demand. It is based on the ray model but a radical improvement has been done by introducing a new property the wave front curvatures in the ray model. In this thesis, the model is firstly applied to reexamine the Airy theory. It is shown that even in the case of spherical particle VCRM predicts better the intensity and positions of supernumerary bows of rainbow than the Airy theory. Then VCRM is applied to investigate the properties of the rainbows formed by a spheroidal (prolate or oblate) particle. It is shown that VCRM can predict analytically the positions and the intensity of supernumerary bows and the peaks due to the focal effect when it is illuminated by a plane wave in the symmetrical plane.The theoretical research results have been also applied to the experimental characterization of a pendant drop. The intensity ratio of the two first orders of rainbow is shown sensible to the aspect ratio of the equivalent spheroid and it opens a potential to develop a measurement technique to characterize the deformation of pendant drop

Dans ce travail nous avons résolu deux problèmes principaux de la mise en forme topologique de faisceau paraxial pour les composants plans : la modalité et le polychromatisme.Nous les résolvons en introduisant de nouveaux concepts d’éléments optiques à interaction spin orbite,à savoir la “q-plate modale” et la “q-plate Bragg-Berry”. D’un côté, la q-plate modale convertit un faisceau gaussien incident en un faisceau de Laguerre-Gauss pour un indice radial et un indice d’azimut donnés, ce qui par conséquent dépasse les capacités des q-plates conventionnelles qui ne modifient que le degré de liberté azimutal, c.à.d. le moment orbital angulaire de la lumière. À des fins expérimentales, deux approches ont été développées : une basée sur des lames de verres nanostructurées artificiellement, l’autre sur des défauts topologiques de cristaux liquides auto-organisés naturellement. D’un autre côté, la q-plate Bragg-Berry consiste en une fine couche inhomogène de cristaux liquides chiraux (cholestériques) devant un miroir, ce qui fournit une mise en forme de faisceau spin-orbite pleinement efficace sur une large bande spectrale du faisceau incident, contrairement au q-plates conventionnelles qui ne sont fabriqués que pour une longueur d’onde donnée. Par ailleurs, nous obtenons une mise en forme de faisceau spin-orbite ultra-large bande en induisant une modulation de la structure supramoléculaire torsadée des cristaux liquides cholestériques selon la direction de propagation de la lumière. Nous montrons également que la présence du miroir derrière permet un puissant contrôle spatio-temporel des propriétés vectorielles de la polarisation du champ lumineux générées par la q-plate Bragg-Berry
It is well-known that paraxial coherent electromagnetic fields can be completelycharacterized in terms of their radial and azimuthal spatial degrees of freedom in the transverse planethat add to the polarization degree of freedom and wavelength. In this work we address two mainissues of paraxial beam shaping that are the modality and the polychromaticity in the context of flatopticsthat we address by introducing novel concepts of spin-orbit optical elements. Namely, the‘modal q-plate’ and the ‘Bragg-Berry q-plate’. On the one hand, modal q-plate converts an incidentfundamental Gaussian beam into a Laguerre-Gaussian beam of given radial and azimuthal indices,hence going beyond the capabilities of conventional q-plates that only control the azimuthal degreeof freedom, i.e. the orbital angular momentum content of light. Towards experimental realization ofmodal q-plates, two approaches are developed: one based on artificially nanostructured glasses andanother based on naturally self-organized liquid crystal topological defects. On the other hand,Bragg-Berry q-plate consist of mirror-backed inhomogeneous thin film of chiral liquid crystal(cholesteric) that provides fully efficient spin-orbit beam shaping over broad spectral range of theincident beam, in contrast to the conventional q-plates that are designed for single wavelength.Furthermore, ultra-broadband spin-orbit beam shaping is achieved by inducing an extra modulationof the supramolecular twisted structure of the cholesteric liquid crystal along the propagationdirection. We also show that the presence of a back-mirror allows a powerful spatio-temporal controlof the polarization vectorial properties of the light fields generated by Bragg-Berry q-plate

Nous explorons les dynamiques de synchronisation des lasers solides fonctionnant sur deux états propres de polarisation. Ce type de laser présente l'intérêt de pouvoir générer des fréquences de battement très stables dans une gamme de fréquence du Hz au THz. Cette thèse en tire parti pour étudier plusieurs mécanismes d'accrochage de fréquence dans ces lasers. Tout d'abord, nous construisons un laser bipolarisation doté d'un miroir à réflectance saturable (SESAM). Cela lui permet de fonctionner dans un régime pulsé où tous les modes longitudinaux oscillent en phase, et ce sur les deux états propres du laser. On démontre également que les états de polarisation d'impulsions successives forment des séquences dont nous détaillons les caractéristiques. Un phénomène particulier est observé dans ce laser : si la fréquence de battement est choisie égale à la moitié de l'intervalle spectral libre du laser, les deux peignes de fréquences associés aux deux états propres se synchronisent. Dans un second temps, nous soumettons un laser bi-fréquence à une réinjection optique décalée en fréquence. De cette manière, nous sommes capable de transférer, sur la fréquence de battement du laser, la stabilité d'un synthétiseur radio-fréquence, utilisé comme référence. Ce résultat est obtenu tant en régime continu que pulsé. Enfin, conjointement à la réinjection décalée en fréquence, nous utilisons les oscillations de relaxation d'un laser de classe B pour induire un régime où la fréquence de battement est synchronisée sur une référence externe, mais pas sa phase. Incidemment, des dynamiques particulières d'intensités sont observées en sortie du laser.

Notre travail s'inscrit dans le cadre des télécommunications par fibres optiques où l'information transite sous la forme d'impulsions lumineuses dans le guide d'onde que constitue la fibre. Face à la demande sans cesse croissante en matière de débit d'information transmise dans une fibre, les trains d'impulsions qui véhiculent cette information sont rendus plus denses :les impulsions sont plus brèves et la distance qui les sépare diminue. Cette évolution est freinée par deux aspects qui sont de natures très différentes. Le premier naît du besoin de diriger l'information dans un réseau, ce qui nécessite d'effectuer des opérations logiques et de passer par des dispositifs électroniques qui sont lents à l'échelle de l'optique. Le deuxième aspect consiste en la dispersion de la vitesse de groupe présente dans la fibre. Sous son infiuence, les impulsions ont tendance à s'étaler et peuvent se recouvrir au sein du train, ce qui détruit l'information.

La dispersion peut être contrée par la non-linéarité de la fibre optique. Celle-ci provoque l'effet inverse de la dispersion :une contraction de l'impulsion. Si l'on choisit judicieusement le profil des impulsions, elles peuvent se propager sans déformation grâce à la compensation des deux effets antagonistes que sont la dispersion et la non-linéarité. De telles impulsions sont appelées « solitons ». Ils sont stables et permettent de véhiculer l'information sans la détruire. Malheureusement, la nature non linéaire de leur régime de propagation implique qu'ils modifient le milieu supportant leur propagation au point d'interagir avec leurs voisins et de modifier leur instant d'arrivée en fin de fibre. Cet effet détériore l'information et oblige à espacer les impulsions qui transitent dans la fibre, ce qui limite le débit d'information véhiculée.

Jusqu'à présent, les effets non linéaires dans les fibres optiques ont principalement été étudiés dans une approximation scalaire de la réalité, ce qui ne permet pas de prédire un certain nombre de phénomènes qui font intervenir la polarisation du champ électrique associé à l'impulsion. Un modèle vectoriel permet, entre autres, de décrire les « solitons elliptiques fondamentaux », les « solitons de parois de domaines de polarisation » et les « états liés de solitons vectoriels ».

C'est à ces êtres optiques que nous nous sommes intéressés dans notre travail qui comprend trois grands axes.

Le premier consiste en une étude théorique des états liés de solitons vectoriels. Préalablement à notre étude, ceux-ci se sont révélés instables dans des simulations numériques. Nous avons abordé le problème de manière analytique et montré l'existence d'états liés de solitons vectoriels. Ensuite, nous avons étudié leur dynamique et montré qu'ils sont instables par brisure de symétrie dans les fibres optiques isotropes. Suite à cela, nous avons analysé leur propagation en fibres à biréfringence aléatoire et montré qu'ils y sont stables, ce qui a permis d'expliquer la réussite d'expériences de multiplexage en polarisation dans lesquelles deux impulsions successives du train peuvent être vues comme des états liés.

La formulation mathématique des états liés que nous avons étudiés dans les fibres optiques est analogue à celle des états liés spatiaux qui apparaissent dans les milieux de type Kerr. Cette analogie nous a permis de proposer un principe de commutation, basé sur l'instabilité des états liés par brisure de symétrie, qui présente les avantages de nécessiter une très faible puissance de contrôle et de travailler beaucoup plus rapidement que l'électronique.

Les deux autres axes de notre travail sont liés à l'observation expérimentale des solitons elliptiques parmi lesquels les « solitons de parois de domaines de polarisation » constituent de bons porteurs d'information dans les fibres optiques car, selon les simulations numériques, ils ne souffriraient pas des interactions entre solitons voisins d'un train telles que nous les avons décrites ci-dessus pour les solitons scalaires. Afin d'observer les solitons elliptiques, trois étapes sont nécessaires. D'un point de vue pratique, elles s'agencent comme suit :il faut vérifier qu'il existe des fibres dont l'isotropie soit suffisante pour soutenir leur propagation, puis il faut disposer des instruments qui permettent de les observer et, enfin, il faut les générer. Cette dernière étape mérite une étude complète à elle seule, et nous ne l'avons pas abordée.

Nous avons par contre vérifié la possibilité d'observer des phénomènes qui ne peuvent se produire qu'en fibres isotropes et qui trouvent leur origine dans le même phénomène physique, à savoir, l'interaction entre la dispersion et la non-linéarité vectorielle. En l'occurrence, nous avons effectué la première observation d'une prédiction effectuée il y a trente ans, mais jamais observée jusqu'alors :l'existence de l'« instabilité modulationnelle de polarisation » en fibre optique isotrope. La vérification de toutes les prédictions associées à cette instabilité nous a permis de conclure que le choix d'une fibre de type « spun » associé à des précautions d'utilisation permettra de propager des solitons elliptiques.

Suite à ce succès, nous avons abordé l'étude du dispositif de détection des solitons elliptiques. Pour comprendre sa spécificité, il faut savoir que l'observation des solitons elliptiques nécessite de travailler à des puissances de crête très élevées pour faire ressortir la non-linéarité de la fibre optique. Ces puissances sont atteintes en concentrant une faible énergie sur un temps ultracourt, de l'ordre d'une centaine de femtosecondes. Nous avons développé deux méthodes de mesure basées sur la reconstruction de la phase spectrale de l'impulsion au départ de signaux de battement entre fréquences voisines du spectre. Ces méthodes présentent l'avantage d'être purement linéaires, ce qui leur confère une très grande sensibilité ;et de permettre le calcul simple et sans ambiguïté de la phase spectrale. La première des techniques que nous avons développées est adaptée aux trains ultrarapides d'impulsions courtes et répond à un besoin dans le domaine des télécommunications, tandis que la seconde peut s'appliquer aux bas taux de répétitions et aux impulsions courtes ou ultracourtes.
Doctorat en sciences appliquées
info:eu-repo/semantics/nonPublished

[EN] The processing of radiofrequency signals using photonics means is a discipline that appeared almost at the same time as the laser and the optical fibre. Photonics offers the capability of managing broadband radiofrequency (RF) signals thanks to its low transmission attenuation, a variety of linear and non-linear phenomena and, recently, the potential to implement integrated photonic subsystems. These features open the door for the implementation of multiple functionalities including optical transportation, up and down frequency conversion, optical RF filtering, signal multiplexing, de-multiplexing, routing and switching, optical sampling, tone generation, delay control, beamforming and photonic generation of digital modulations, and even a combination of several of these functionalities. This thesis is focused on the application of vector processing in the optical domain to radiofrequency signals in two fields of application: optical beamforming, and photonic vector modulation and demodulation of digital quadrature amplitude modulations. The photonic vector control enables to adjust the amplitude and phase of the radiofrequency signals in the optical domain, which is the fundamental processing that is required in different applications such as beamforming networks for direct radiating array (DRA) antennas and multilevel quadrature modulation. The work described in this thesis include different techniques for implementing a photonic version of beamforming networks for direct radiating arrays (DRA) known as optical beamforming networks (OBFN), with the objectives of providing a precise control in terrestrial applications of broadband signals at very high frequencies above 40 GHz in communication antennas, optimizing the size and mass when compared with the electrical counterparts in space application, and presenting new photonic-based OBFN functionalities. Thus, two families of OBFNs are studied: fibre-based true time delay architectures and integrated networks. The first allow the control of broadband signals using dispersive optical fibres with wavelength division multiplexing techniques and advanced functionalities such as direction of arrival estimation in receiving architectures. In the second, passive OBFNs based on monolithically-integrated Optical Butler Matrices are studied, including an ultra-compact solution using optical heterodyne techniques in silicon-on-insulator (SOI) material, and an alternative implementing a homodyne counterpart in germanium doped silica material. In this thesis, the application of photonic vector processing to the generation of quadrature digital modulations has also been investigated. Multilevel modulations are based on encoding digital information in discrete states of phase and amplitude of an electrical signal to enhance spectral efficiency, as for instance, in quadrature modulation. The signal process required for generating and demodulating this kind of signals involves vector processing (phase and amplitude control) and frequency conversion. Unlike the common electronic or digital implementation, in this thesis, different photonic based signal processing techniques are studied to produce digital modulation (photonic vector modulation, PVM) and demodulation (PVdM). These techniques are of particular interest in the case of broadband signals where the data rate required to be managed is in the order of gigabit per second, for applications like wireless backhauling of metro optical networks (known as fibre-to-the-air). The techniques described use optical dispersion in optical fibres, wavelength division multiplexing and photonic up/down conversion. Additionally, an optical heterodyne solution implemented monolithically in a photonic integrated circuit (PIC) is also described.
[ES] El procesamiento de señales de radiofrecuencia (RF) utilizando medios fotónicos es una disciplina que apareció casi al mismo tiempo que el láser y la fibra óptica. La fotónica ofrece la capacidad de manipular señales de radiofrecuencia de banda ancha, una baja atenuación, procesados basados en una amplia variedad de fenómenos lineales y no lineales y, recientemente, el potencial para implementar subsistemas fotónicos integrados. Estas características ofrecen un gran potencial para la implementación de múltiples funcionalidades incluyendo transporte óptico, conversión de frecuencia, filtrado óptico de RF, multiplexación y demultiplexación de señales, encaminamiento y conmutación, muestreo óptico, generación de tonos, líneas de retardo, conformación de haz en agrupaciones de antenas o generación fotónica de modulaciones digitales, e incluso una combinación de varias de estas funcionalidades. Esta tesis se centra en la aplicación del procesamiento vectorial en el dominio óptico de señales de radiofrecuencia en dos campos de aplicación: la conformación óptica de haces y la modulación y demodulación vectorial fotónica de señales digitales en cuadratura. El control fotónico vectorial permite manipular la amplitud y fase de las señales de radiofrecuencia en el dominio óptico, que es el procesamiento fundamental que se requiere en diferentes aplicaciones tales como las redes de conformación de haces para agrupaciones de antenas y en la modulación en cuadratura. El trabajo descrito en esta tesis incluye diferentes técnicas para implementar una versión fotónica de las redes de conformación de haces de en agrupaciones de antenas, conocidas como redes ópticas de conformación de haces (OBFN). Se estudian dos familias de redes: arquitecturas de retardo en fibra óptica y arquitecturas integradas. Las primeras permiten el control de señales de banda ancha utilizando fibras ópticas dispersivas con técnicas de multiplexado por división de longitud de onda y funcionalidades avanzadas tales como la estimación del ángulo de llegada de la señal en la antena receptora. En la segunda, se estudian redes de conformación pasivas basadas en Matrices de Butler ópticas integradas, incluyendo una solución ultra-compacta utilizando técnicas ópticas heterodinas en silicio sobre aislante (SOI), y una alternativa homodina en sílice dopado con germanio. En esta tesis, también se han investigado técnicas de procesado vectorial fotónico para la generación de modulaciones digitales en cuadratura. Las modulaciones multinivel codifican la información digital en estados discretos de fase y amplitud de una señal eléctrica para aumentar su eficiencia espectral, como por ejemplo la modulación en cuadratura. El procesado necesario para generar y demodular este tipo de señales implica el procesamiento vectorial (control de amplitud y fase) y la conversión de frecuencia. A diferencia de la implementación electrónica o digital convencional, en esta tesis se estudian diferentes técnicas de procesado fotónico tanto para la generación de modulaciones digitales (modulación vectorial fotónica, PVM) como para su demodulación (PVdM). Esto es de particular interés en el caso de señales de banda ancha, donde la velocidad de datos requerida es del orden de gigabits por segundo, para aplicaciones como backhaul inalámbrico de redes ópticas metropolitanas (conocida como fibra hasta el aire). Las técnicas descritas se basan en explotar la dispersión cromática de la fibra óptica, la multiplexación por división de longitud de onda y la conversión en frecuencia. Además, se presenta una solución heterodina implementada monolíticamente en un circuito integrado fotónico (PIC).
[CAT] El processament de senyals de radiofreqüència (RF) utilitzant mitjans fotònics és una disciplina que va aparèixer gairebé al mateix temps que el làser i la fibra òptica. La fotònica ofereix la capacitat de manipular senyals de radiofreqüència de banda ampla, una baixa atenuació, processats basats en una àmplia varietat de fenòmens lineals i no lineals i, recentment, el potencial per implementar subsistemes fotònics integrats. Aquestes característiques ofereixen un gran potencial per a la implementació de múltiples funcionalitats incloent transport òptic, conversió de freqüència, filtrat òptic de RF, multiplexació i demultiplexació de senyals, encaminament i commutació, mostreig òptic, generació de tons, línies de retard, conformació de feix en agrupacions d'antenes i la generació fotònica de modulacions digitals, i fins i tot una combinació de diverses d'aquestes funcionalitats. Aquesta tesi es centra en l'aplicació del processament vectorial en el domini òptic de senyals de radiofreqüència en dos camps d'aplicació: la conformació òptica de feixos i la modulació i demodulació vectorial fotònica de senyals digitals en quadratura. El control fotònic vectorial permet manipular l'amplitud i la fase dels senyals de radiofreqüència en el domini òptic, que és el processament fonamental que es requereix en diferents aplicacions com ara les xarxes de conformació de feixos per agrupacions d'antenes i en modulació multinivell. El treball descrit en aquesta tesi inclou diferents tècniques per implementar una versió fotònica de les xarxes de conformació de feixos en agrupacions d'antenes, conegudes com a xarxes òptiques de conformació de feixos (OBFN), amb els objectius de proporcionar un control precís en aplicacions terrestres de senyals de banda ampla a freqüències molt altes per sobre de 40 GHz en antenes de comunicacions, optimitzant la mida i el pes quan es compara amb els homòlegs elèctrics en aplicacions espacials, i la presentació de noves funcionalitats fotòniques per agrupacions d'antenes. Per tant, s'estudien dues famílies de OBFNs: arquitectures de retard en fibra òptica i arquitectures integrades. Les primeres permeten el control de senyals de banda ampla utilitzant fibres òptiques dispersives amb tècniques de multiplexació per divisió en longitud d'ona i funcionalitats avançades com ara l'estimació de l'angle d'arribada del senyal a l'antena receptora. A la segona, s'estudien xarxes de conformació passives basades en Matrius de Butler òptiques en fotònica integrada, incloent una solució ultra-compacta utilitzant tècniques òptiques heterodinas en silici sobre aïllant (SOI), i una alternativa homodina en sílice dopat amb germani. D'altra banda, també s'ha investigat en aquesta tesi tècniques de processament vectorial fotònic per a la generació de modulacions digitals en quadratura. Les modulacions multinivell codifiquen la informació digital en estats discrets de fase i amplitud d'un senyal elèctric per augmentar la seva eficiència espectral, com ara la modulació en quadratura. El processat necessari per generar i desmodular aquest tipus de senyals implica el processament vectorial (control d'amplitud i fase) i la conversió de freqüència. A diferència de la implementació electrònica o digital convencional, en aquesta tesi s'estudien diferents tècniques de processament fotònic tant per a la generació de modulacions digitals (modulació vectorial fotònica, PVM) com per la seva demodulació (PVdM). Això és de particular interès en el cas de senyals de banda ampla, on la velocitat de dades requerida és de l'ordre de gigabits per segon, per a aplicacions com backhaul sense fils de xarxes òptiques metropolitanes (coneguda com fibra fins l'aire). Les tècniques descrites es basen en explotar la dispersió cromàtica de la fibra òptica, la multiplexació per divisió en longitud d'ona i la conversió en freqüència. A més, es prese
Piqueras Ruipérez, MÁ. (2016). Photonic Vector Processing Techniques for Radiofrequency Signals [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/63264
TESIS

博士
國立臺灣大學
電機工程學研究所
89
A new vectorial finite element method(FEM) free of spurious modes is proposed for analyzing optical waveguides with sharp corners in the cross section. The method is formulated in terms of the transverse field components Hx and Hy or Ex and Ey, and it explicitly shows the relationships between the semi-vectorial and the full-vectorial wave equations. In this method we introduce the distribution concept and an inhomogeneous element to describe the field across the dielectric interface, and the error in the numerical solution caused by the dielectric discontinuity is reduced. The method formulated in terms of the transverse electric field components is used to examine the field distribution near the waveguide corners. We study to what extent the interface affects calculated results of the modal fields and propagation characteristics by adjusting the size of the added inhomogeneous element and the number of nodes. Modal effective indexes obtained by the $E$ formulation are also compared with those obtained by the $H$ formulations and other formulations. Convergence rates for calculated fields near the corners in different formulations are compared. For analyzing structures with strong field singularities, our $E$-formulation without adding any singular trial functions is shown to be a powerful tool to do the analysis. For analyzing antiresonant reflecting optical waveguides(ARROW) and structures with multiple-quantum-well(MQW) layers, modified finite-element formulations are developed for better convergence.

碩士
國立臺灣大學
電信工程學研究所
92
Abstract Due to its simplicity and efficiency, a full-vectorial mode solver based on a finite difference scheme is applied to investigate the propagation characteristics of optical waveguides. Since uniform meshes are used in the numerical implementation, it is very easy to divide the computational window of any arbitrary cross-sectional geometries of the waveguides. An index averaging technique is employed to deal with curved dielectric interfaces for stabilizing the numerical calculation and accelerating convergence. In addition, for solving leaky-mode problems, such as the investigation of waveguide confinement loss, the perfectly matched layer (PML) absorbing boundary condition is incorporated into our finite difference formulations. The influence of the index averaging technique on the leaky-mode analysis is also discussed. We employ the shift inverse power method (SIPM) for solving the formulated eigenvalue problems. In this work, both one-dimensional and two-dimensional problems are considered, including the slab waveguide, the antiresonant reflecting optical waveguide (ARROW), the step-index optical fiber, the rectangular channel waveguide, the anisotropic embedded-channel LiNbO3 integrated optical waveguide, and microstructured optical fibers (MOFs). Comparsion of our calculation with other methods is discussed.

博士
國立臺灣大學
應用力學研究所
91
Abstract An accurate and efficient solution method using full-vertorial multidomain spectral collocation method is proposed for computing optical waveguides with discontinuous refractive index profiles. The method is formulated in terms of the transverse magnetic fields. The use of domain decomposition divides the usual single domain into a few subdomains at the interfaces of discontinuous refractive index profiles. Each subdomain can be expanded by a suitable set of orthogonal basis functions and patched at these interfaces by matching the physical boundary conditions. In addition, a new technique which incorporating the effective index method and the Wentzel-Kramers-Brillouin method for the a priori determination of the scaling factor in Hermite-Gauss or Laguerre-Gauss basis functions is introduced to considerably save the computational time without experimenting with it. The present method shares the same desirable property of spectral collocation method that can provide fast and accurate solution but avoids the oscillatory solutions and improves the poor convergence problem of simple spectral collocation method with single domain where regions of discontinuous refractive index profiles exist. Computations of several 2-D and 3-D waveguide structures, such as three-layer, planar diffused, metal-clad, planar directional coupler, diffused channel, rectangular dielectric, and semiconductor rib waveguides have been carried out to test the accuracy and efficiency of the present method. Detailed comparisons of the present results with exact solutions or previously published data based on other methods are included and all the results are found to be in excellent agreement.

博士
國立臺灣大學
電機工程學研究所
90
Abstract A new technique for deriving improved finite difference schemes for treating the piecewise homogeneous dielectric structures has been proposed. This approach has been successfully applied to the one dimensional (1-D) and two dimensional (2-D) problems with step-index profiles. In the 1-D case improved formulations of higher order accuracy have been derived. When the derived formulations are used, the grid spacings can be much larger than those in commonly used finite difference (FD) schemes due to their high accuracy. In the 2-D case we take into account not only the refractive index contrast and the position of the interface but also the properties of the interface, such as the normal direction and the curvature of the interface, and the coupling between different polarizations due to the vector nature of the fields. We have derived improved FD schemes from the Taylor series expansion, the local coordinate transformation, and matching the interface conditions for 2-D structures. Our formulations are full-vectorial ones and the interface can be oblique to the global coordinate axes or even can be with curverture. Using the derived formulations, optical waveguide structures with arbitrary step-index profiles can be analyzed. Our formulations have been successfully applied to study several popularly used structures, such as optical fibers, rib waveguides, polished-type and fused-type fiber-optic couplers, and photonic crystal structures. The electric field singularities existing in the structures with corners and the special properties of the photonic crystals have also been investigated.

We develop a theory of vectorial wave coupling in cubic photorefractive crystals placed in an alternating ac-field to enhance the nonlinear response. First we analytically and numerically investigate the dependences of the first Fourier harmonics of the space-charge field, induced in an AC-biased sillenite crystal by a light-interference pattern, on the light contrast m. The data obtained was used to extend the vectorial beam-coupling theory on the whole contrast region. In particular, we proved in the general case that despite of essential differences between thediffusion and AC nonlocal responses the later keeps the light interference fringes straight during the interaction. This fundamental feature allows, under certain restrictions, to reduce the nonlinear problem of vectorial coupling to the known linear problem of vectorial Bragg diffraction from a spatially uniform grating, which admits an exact solution. As a result, the nonlinear vectorial problem can be effectively solved for a number of practically important cases.The developed theory was applied to describe the transformation of a momentary phase changes of one of the input beams into the output intensity modulation (so-called grating translation technique). In contrast to the previous studies, we take into account the change of the space-charge field amplitude across the crystal (the coupling effects). The theory developed is employed to optimize the conditions for the linear signal detection under polarization filtering for the transverse and longitudinal optical configurations. We also analyze the possibility of the linear detection without polarization filtering.Illumination of AC-biased photorefractive BTO crystals with a coherent light beam results in development of strong nonlinear scattering. We investigate the angular and polarization characteristics of the scattered light for the diagonal optical configuration and different polarization states of the pump.

碩士
國立臺灣大學
電信工程學研究所
92
A full-vectorial finite element beam propagation method based on curvilinear hybrid edge/nodal elements is adopted in this thesis for studying optical waveguide problems. Several difficulties of the finite element method eigenmode solver based on the (modified) shift inverse power method are overcome in this work by taking advantages of the characteristics of the beam propagation method. By analyzing the elliptical-core fibers, we find that the procedure for finding higher order modes using the beam propagation method is straightforward, while that of the eigenmode solver based on the shift inverse power method converges to the desired mode only when the initial guess for the effective index of the desired mode is properly assigned. Incorporating the general closed-form perfectly matched layer into the beam propagation method as the boundary condition to absorb waves out of the computational window, the proton-exchanged LiNbO3 optical waveguides with non-diagonal permittivity and permeability tensors can still be analyzed. For the cases in which the tensors are in diagonal form, the imaginary-distance beam propagation method can be employed to speed up the analysis process. Through the calculation of the leakage properties of two kinds of photonic crystal fibers with different air hole arrangements, we demonstrate that the finite element imaginary-distance beam propagation method can analyze the leaky modes reliably and it is more suitable for the waveguides with large structures and large number of unknowns than the finite element method eigenmode solver based on the modified shift inverse power method.

碩士
國立臺灣大學
光電工程學研究所
101
In this thesis, the full-vectorial fi nite-element imaginary-distance beam propagation method (FE-ID-BPM) based on the hybrid edge/nodal elements and the perfectly matched layers (PMLs) is used to analyze various waveguides. The asymmetric metal stripe waveguide, the long-range dielectric-loaded SPP waveguide, the six-circular-air-hole fi ber, and the three-annular-shaped-air-hole fi ber are investigated. The eff ective indices, propagation lengths, and modal fi eld pro files are calculated for various boundary settings. In the asymmetric metal stripe waveguide with a thin gold stripe layer on glass substrate surrounded by air, we analyze the leaky modes for which the calculations are refined by using different values of the PML reflection coeffi cient and structure parameters. The long-range dielectric-loaded surface plasmon polariton waveguide (LR-DLSPPW), in which a thin and narrow metal stripe is sandwitched between a square dielectric ridge and a dielectric fi lm supported by a low-index substrate, supports a fundamental long-range dielectricloaded surface plasmon polariton waveguide mode with a propagation length over 6 mm at the wavelength of 1.55 m. Various widths of the Au stripe are examined to understand different guided-mode characteristics. In the two microstructured air-hole fi bers, the convergence of the e ffective refractive indices under di fferent boundary settings is studied.