Brillouin scattering in photonic fibers

Orientador: Hugo Luis FragnitoTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb WataghinResumo: Esta tese apresenta estudos experimentais e teóricos sobre o processo de espalhamento Brillouin em Fibras de Cristal Fotônico. Formadas por um núcleo sílica pura e uma casca micro-estruturada (sílica e ar), estas fibras permitem o confinamento óptico e acústico em regiões da ordem do comprimento de onda. Como resultado, a interação acústo-óptica apresenta características radicalmente diferentes daquelas observadas em meio bulk ou em fibras convencionais. Investigamos experimentalmente ambos co- e retro-espalhamento Brillouin. Observamos que quando o diâmetro do núcleo é ~70 % do comprimento de onda óptico no vácuo, o espectro de retro-espalhamento espontâneo apresenta múltiplos picos, os quais atribuímos a famílias de modos acústicos guiados no núcleo da fibra. Além disso, o limiar de retro-esplhamento Brillouin estimulado aumenta por um fator ~5 quando o diâmetro do núcleo é diminuído de 8 .m para 1.22 .m , resultado da natureza complexa dos modos acústicos no núcleo, contendo fortes componentes de deslocamento longitudinal e transversal. No caso de co-espalhamento, realizamos medidas de espalhamento espontâneo e de excitação impulsiva de ondas acústicas utilizando pulsos ópticos de alta intensidade, através do efeito de eletrostrição. Estes experimentos nos possibilitaram observar o confinamento transversal de ondas acústicas no núcleo da fibra fotônica. Desenvolvemos um modelo analítico para a interação acústo-óptica, aproximando o núcleo da fibra como um cilindro de silica suspenso no vácuo, sem a presença da casca. Este modelo nos permitiu entender a física envolvida no processo e também explicar qualitativamente as observações experimentais. Modelos numéricos mais sofisticados foram utilizados para o cálculo dos modos acústicos e óptico suportados pela estrutura completa da fibra fotônica, os quais nos permitiram explicar mais precisamente as observações experimentais. Finalmente, realizamos cálculos numéricos da estrutura de bandas da região micro-estruturada, demonstrando a presença de bandas proibidas (ou gaps fonônicos) para as ondas acústicasAbstract: This thesis presents experimental and theorethical studies on Brillouin scattering in Photonic Crystal Fibers. With a pure silica core surrounded by a microstructed cladding (silica and air), these fibers allow the confinement of both acoustic and optical waves in sub-wavelength regions. The result is a radically different acousto-optic interaction from what has been observed in bulk media or conventional fibers. We investigate experimentally both forward and backward Brillouin scattering. We observed that for core diameters of around 70% of the vacuum wavelength of the launched laser light, the spontaneous Brillouin signal develops an unusual multi-peaked spectrum, these peaks we attribute to several families of guided acoustic modes. At the same time the threshold power for stimulated Brillouin scattering increases five-fold when the core diameter is reduced from from 8 .m to 1.22 .m , as a consequence of the complex nature of the acoustic modes, each with different proportions of longitudinal and shear strain, strongly localised to the core. In the case of forward scattering, we performed measurements of the spontaneous scattering and also of impulsive excitation of acoustic waves using high intensity optical pulses, through the effect of electrostriction. These experiments allowed us to observe the transverse confinment of acoustic waves in the core of the photonic crystal fiber. An analitic model for the acousto-optic interaction was developed by approximating the core of the photonic fiber by a circular strand of glass in vaccum, initially neglecting the presence of the micro-structured cladding. This simple model allowed us to understand the physics involved in the scattering process and also to qualitatevely explain our experimental observations. Numerical models were then implemented to calculate the acoustic and optical modes of the actual photonic fiber structure, and we were able to explain more precisely our observations. Finnally, we performed numerical calculation of the band structure of the micro-structured region, demonstrating the presence of prohibited gaps for the acoustic wave (phononics band gaps)DoutoradoFísicaDoutor em Ciência