Controle e interação de fônons e fótons em fibras ópticas de cristal fotônico

Orientador: Hugo Luis Fragnito Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin. Resumo: Neste trabalho são investigadas técnicas para controlar o confinamento de fótons e fônons em fibras ópticas de cristal fotônico (PCF). Utilizando métodos numéricos robustos para resolver as equações de Maxwell, um novo tipo de PCF com núcleo tubular é proposto. Simulações e experimentos demonstram que esta estrutura confina a luz em um buraco de ar com diâmetro de apenas 110 nm. A figura de mérito para efeitos não-lineares nesta pequena região é 10 bilhões de vezes maior do que no caso de um feixe gaussiano altamente focalizado e 100 vezes maior que o atual estado-da-arte em fibras de band-gap fotônico. Também é analisada teoricamente uma fibra PCF do tipo kagomé. Modelos que explicam suas complexas características de guiamento são investigados de forma analítica e numérica. No que diz respeito à fônons em PCFs, é investigado o espalhamento Brillouin copropagante e contra-propagante. Em particular, são demonstradas maneiras de reduzir a interação acusto-óptica nos casos de co- e retro-espalhamento. Também é demonstrada a presença de band-gaps fonônicos nestas estruturas. Finalmente, é investigado o controle óptico coerente de modos acústicos nestas fibras, mostra-se que é possível amplificar ou frear modos acústicos com freqüência de oscilação na faixa de GHz. Abstract: Techniques that may allow control and tight confinement of photons and phonons in photonic crystal fibers (PCFs) are investigated in this thesis. By means of robust numerical methods to solve Maxwell equations, a new kind of PCF with a tubular core is proposed. Simulations and experimental results show that such structure is able to confine light tighly inside the 100 nm bore, the nonlinear figure of merir for such tiny bore is found to be 10 billion fold larger the focused Gaussian beam counterpart, it is also 100 times larger than the state-of-the-art hollow core photonic band-gap fibers. The guidance mechanism of kagomé structure hollow-core PCF is also investigated, simple models are proposed to explain most of the experimentally observed features and compared to full numerical simulations. In what concerns phonons, both forward and backward Brillouin scattering is investi-gated in PCFs. It is demonstrated how one may suppress both using such fibers. It is also shown the existence of complete band-gaps for in-plane propagation in the PCF cladding. Another set of experiments show that one can perform coherent optical control of the acoustic modes of such fibers, 100-fold amplification or almost complete suppression of GHz oscillations is achieved. Doutorado Física Doutor em Ciências