Nonlinear optical devices based on graphene atop waveguides

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2022
Autor(a) principal: Giraldo, Daniel Felipe Londoño
Orientador(a): Souza, Eunezio Antonio de
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Tese
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
eng
Instituição de defesa: Não Informado pela instituição
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
grafeno
materiais bidimensionais
guias de ondas ópticas
fotônica integrada
óptica não linear
absorção saturável
lasers de fibra
amplificadores ópticos
Link de acesso: https://dspace.mackenzie.br/handle/10899/28921
Resumo: Nesta tese, apresentamos a modelagem e desenho de dispositivos ópticos não lin eares usando guias de onda com grafeno. Para simular adequadamente esses dis positivos, desenvolvemos um modelo altamente detalhado e computacionalmente eficiente para descrever a dinâmica da condutividade transitória do grafeno. Além disso, propomos novas equações de propagação para este tipo de guia de ondas, incluindo novos efeitos de propagação decorrentes da condutividade não linear do grafeno. Os dispositivos que consideramos neste trabalho foram o grafeno sobre fibra-D para a geração de pulsos ópticos ultracurtos em lasers de fibra e amplificadores ópticos integrados. O desenho de guia de onda otimizado é fundamental para explorar melhor as propriedades notáveis do grafeno. O grafeno sobre fibra-D é amplamente usados para desenvolver lasers de fibra de femtossegundos, e nosso trabalho oferece um avanço significativo na compreensão teórica do funciona mento desses dispositivos, que pode ser aplicado ao desenvolvimento de lasers com melhor desempenho. Por outro lado, guias de ondas integrados de nitreto de silício com grafeno podem ser uma plataforma promissora para amplificação óptica e chaveamento totalmente óptico. Nossos resultados prevêem que um guia de onda otimizado com comprimento moderado pode fornecer ganho óptico maior que 10 dB e profundidade de modulação maior que 40 dB.
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O grafeno sobre fibra-D é amplamente usados para desenvolver lasers de fibra de femtossegundos, e nosso trabalho oferece um avanço significativo na compreensão teórica do funciona mento desses dispositivos, que pode ser aplicado ao desenvolvimento de lasers com melhor desempenho. Por outro lado, guias de ondas integrados de nitreto de silício com grafeno podem ser uma plataforma promissora para amplificação óptica e chaveamento totalmente óptico. Nossos resultados prevêem que um guia de onda otimizado com comprimento moderado pode fornecer ganho óptico maior que 10 dB e profundidade de modulação maior que 40 dB.CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de NívelFAPESP - Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São PauloIPM - Instituto Presbiteriano MackenzieporengAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessgrafenomateriais bidimensionaisguias de ondas ópticasfotônica integradaóptica não linearabsorção saturávellasers de fibraamplificadores ópticosNonlinear optical devices based on graphene atop waveguidesinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisreponame:Repositório Digital do Mackenzieinstname:Universidade Presbiteriana Mackenzie (MACKENZIE)instacron:MACKENZIEhttp://lattes.cnpq.br/9756214150140645https://orcid.org/0000-0002-3867-7186http://lattes.cnpq.br/8329044914381792Saito, Lúcia Akemi Miyazatohttp://lattes.cnpq.br/0915583034741895https://orcid.org/0000-0001-7157-1191Sun, Zhipeihttps://orcid.org/0000-0002-9771-5293Fragnito, Hugo Luishttp://lattes.cnpq.br/7425073948369069Wiederhecker, Gustavo SilvaFigueroa, Hugo Enrique Hernandezhttp://lattes.cnpq.br/7007415081537529http://lattes.cnpq.br/4870907540258696In this thesis we present the modeling and design of nonlinear optical devices using graphene topped waveguides. To properly simulate these devices, we developed a highly detailed and computationally efficient model to describe the dynamics of the transient conductivity of graphene. Furthermore, we propose novel propagation equations for this kind of waveguide, including unreported propagation effects aris ing from the nonlinear conductivity of graphene. The devices that we considered in this work were graphene on D-fiber mode-lockers for the generation of ultra short optical pulses in fiber lasers, and integrated optical amplifiers. An optimized waveguide design is critical to better exploit the remarkable properties of graphene. Graphene-based mode-lockers are widely used to develop femtosecond fiber lasers, and our work offers a significant advance in the theoretical understanding of the operation of these devices, which can be applied to the development of lasers with improved performance. On the other hand, integrated silicon nitride waveguides with graphene may be a promising platform for optical amplification and all-optical switching. Our results predict than a optimized waveguide with moderate length may provide optical gain larger than 10 dB and modulation depth larger than 40 dB.graphenetwo-dimensional materialsoptical waveguidesintegrated photonicsnonlinear opticssaturable absorptionfiber lasersoptical amplifiersEscola de Engenharia Mackenzie (EE)Engenharia Elétrica e ComputaçãoCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICAORIGINALDANIEL FELIPE LONDONO GIRALDO- protegido.pdfDANIEL FELIPE LONDONO GIRALDO- protegido.pdfDaniel Felipe Londono Giraldoapplication/pdf11082899https://dspace.mackenzie.br/bitstreams/8d807d9f-d8c6-4070-82d8-3887789bcd8b/download99aa4c9e49d370b0ffe6b8d00e88a150MD51trueAnonymousREADCC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8811https://dspace.mackenzie.br/bitstreams/15776163-8679-4510-90ba-3a44d9b2e35f/downloade39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34MD52falseAnonymousREADLICENSElicense.txtlicense.txttext/plain; charset=utf-81997https://dspace.mackenzie.br/bitstreams/5e2fc4e5-6062-4c51-9f03-0f0c0aea74fd/downloadfb735e1a8fa1feda568f1b61905f8d57MD53falseAnonymousREADTEXTDANIEL FELIPE LONDONO GIRALDO- protegido.pdf.txtDANIEL FELIPE LONDONO GIRALDO- protegido.pdf.txtExtracted texttext/plain265602https://dspace.mackenzie.br/bitstreams/df989c82-56dd-4a37-8ecb-f807d6adfa03/download917afce99b06a8e5586de8479cbe7810MD54falseAnonymousREADTHUMBNAILDANIEL FELIPE LONDONO GIRALDO- protegido.pdf.jpgDANIEL FELIPE LONDONO GIRALDO- protegido.pdf.jpgGenerated Thumbnailimage/jpeg1176https://dspace.mackenzie.br/bitstreams/d3b6e82a-bdca-42ec-aa2c-a262c38164ea/download6c919e42264c6089b28e6f58e685fa80MD55falseAnonymousREAD10899/289212022-04-06T06:01:48.022Zhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilopen.accessoai:dspace.mackenzie.br:10899/28921https://dspace.mackenzie.brBiblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttp://tede.mackenzie.br/jspui/PRIhttps://adelpha-api.mackenzie.br/server/oai/repositorio@mackenzie.br||paola.damato@mackenzie.bropendoar:102772022-04-06T06:01:48Repositório Digital do Mackenzie - Universidade Presbiteriana Mackenzie (MACKENZIE)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