Foram estudadas as propriedades ópticas e cristalinas de filmes finos de fluoreto de chumbo (PbF2). Os filmes finos foram produzidos por evaporação térmica resistiva a pressões da ordem de 10 -5 mbar e com variação da temperatura do substrato entre 50 e 3000C. As propriedades ópticas: índice de refração, coeficiente de absorção e espessura do filme, foram medidas pelas técnicas de Espectro de Canal ("Channel Spectra"), Modos Guiados e Elipsometria e o resultados obtidos foram correlacionados. As propriedades cristalinas foram estudadas por Difração de Raios-X, mostrando serem predominantemente de estrutura cúbica. São discutidos também os resultados das medidas após tratamento térmico.

Neste trabalho foram estudados a propagação de ondas ópticas e os campos elétricos gerados por eletrodos coplanares com o objetivo de calcular a interaçào eletroóptica em um modulador de fase integrado tipo canal, fornecendo os dados necessários à sua implementação utilizando como substrato o niobato de lítio. Em seguida, foi apresentado um método para cálculo da modulação residual de amplitude em moduladores de amplitude em moduladores eletroópticos de fase para sensores a fibra óptica. Finalizando o trabalho, foram implementados e caracterizados alguns guias e um protótipo de modulador de fase integrado.

[ES] La revolución posibilitada por las aplicaciones fotónicas durante las últimas décadas ha dejado su impronta en la sociedad tal y como la conocemos actualmente. Ejemplos claros de este impacto están patentes en, por ejemplo, el enorme tráfico de datos generado por el uso de Internet o el empleo extendido de algunas técnicas biomédicas con fines diagnósticos o quirúrgicos, que no podrían entenderse sin el incesante desarrollo de los sistemas ópticos. La necesidad de combinar y miniaturizar estos sistemas para generar funcionalidades más avanzadas dio lugar al nacimiento de los circuitos fotónicos integrados (PICs), que es donde esta tesis comenzó a tomar forma. En este sentido, observamos limitaciones en términos de flexibilidad o reconfigurabilidad inherentes a la naturaleza guiada de la mayoría de los PICs realizados hasta el momento. En el caso de circuitos plasmónicos, observamos también limitaciones por las pérdidas que tienen las guías metálicas a altas frecuencias. La inclusión de estructuras inalámbricas (basadas principalmente en nanoantenas plasmónicas) en la capa fotónica surgió para mitigar estas pérdidas, abriendo también nuevas vías de investigación. Sin embargo, estos dispositivos aún presentaban rendimientos muy pobres como elementos puramente radiantes en el régimen de campo lejano. Para superar estas deficiencias, en este trabajo, introdujimos un enfoque novedoso en el desarrollo de dispositivos inalámbricos en la nanoescala, que dio forma a lo que llamamos on-chip wireless silicon photonics. Este nuevo concepto se apoyó en el uso de nanoantenas de silicio compatibles con procesos CMOS, que constituyen las estructuras clave que posibilitan un vasto catálogo de aplicaciones en redes fotónicas de comunicación o en sensores ultra-integrados, así como para la interconexión de sistemas dieléctricos-plasmónicos avanzados. En el ámbito de las comunicaciones, gracias a las sencillas reglas de diseño para adaptar la directividad de estas nanoantenas a diversas aplicaciones, pudimos demostrar por primera vez transmisiones inalámbricas de datos (mediante el uso de antenas altamente directivas) en redes on-chip reconfigurables o desarrollar dispositivos para generar a voluntad focos electromagnéticos de manera dinámica en espacios bidimensionales (gracias a antenas con una directividad más baja). Por otro lado, en el campo del biosensado, diseñamos y fabricamos un dispositivo lab-on-a-chip para la identificación de micropartículas, basado en el uso de antenas dieléctricas -presentando un rendimiento equiparable a los mejores diseños desarrollados hasta el momento- que incluye el subsistema óptico más compacto demostrado hasta la fecha. Finalmente, fuimos capaces de conectar experimentalmente y de manera eficiente antenas basadas en silicio con estructuras plasmónicas para el desarrollo de nuevas aplicaciones en la nanoescala, aunando las ventajas del on-chip wireles silicon photonics para comunicaciones en chip, conformación dinámica de haces o biosensado con las ventajas de la plasmónica para la manipulación e interacción con luz. / [CAT] La revolució habilitada per les aplicacions fotòniques durant les últimes dècades ha deixat la seua empremta en la societat actual tal com la coneixem. Exemples clars d'aquest impacte estan patents en, per exemple, l'enorme tràfic de dades generat per l'ús d'Internet o d'algunes tècniques biomèdiques amb fins diagnòstics o quirúrgics, que no es podrien entendre sense l'incessant desenvolupament dels sistemes òptics. La necessitat de combinar i miniaturitzar aquests sistemes per produir funcionalitats més avançades va donar lloc al naixement dels circuits fotònics integrats (PICs), que és on aquesta tesi va començar a prendre forma. En aquest sentit, observem limitacions en termes de flexibilitat o reconfigurabilitat inherents a la naturalesa guiada de la majoria dels PICs realitzats fins al moment. En el circuits plasmònics, tenim a mès les limitacions de les elevades pèrdues que les guies metàl·liques tenen a altes freqüències. La inclusió d'estructures sense fil (basades principalment en l'ús de nanoantenes plasmòniques) a la capa fotònica va sorgir per mitigar aquestes pèrdues, obrint també noves vies d'investigació. No obstant això, aquests dispositius encara presentaven rendiments molt pobres com a elements purament radiants en el règim de camp llunyà. Per superar aquestes deficiències, en aquest treball, vam introduir un enfocament innovador en el desenvolupament de dispositius sense fil a la nanoescala, que va donar forma al que anomenem on-chip wireless silicon photonics. Aquest nou concepte està basat en l'ús de nanoantenes de silici compatibles amb processos CMOS, que constitueixen les estructures clau que possibiliten un vast catàleg d'aplicacions en xarxes fotòniques de comunicació o en sensors ultra-integrats, així com per a la interconnexió de sistemes dieléctrics-plasmònics avançats. En l'àmbit de les comunicacions, gràcies a les senzilles regles de disseny per adaptar la directivitat de les antenes a les diverses aplicacions, vam poder demostrar per primera vegada transmissions de dades on-chip (mitjançant l'ús d'antenes altament directives) en xarxes reconfigurables o desenvolupar un dispositiu per generar a voluntat focus electromagnètics de manera dinàmica en espais bidimensionals (gràcies a antenes amb una directivitat més baixa). D'altra banda, en el camp del biosensing, vam dissenyar i fabricar un sensor lab-on-a-chip per a la classificació de micropartícules, basat en l'emprament d'antenes dielèctriques amb un rendiment a l'avantguarda dels millors dispositius de l'estat de l'art, que inclou el subsistema òptic més compacte demostrat fins al moment. Finalment, vam ser capaços de connectar experimentalment i de manera eficient antenes basades en silici amb estructures plasmònics per al desenvolupament de noves aplicacions en la nanoescala, unint els avantatges del on-chip wireless silicon photonics per a comunicacions en xip, conformació dinàmica de feixos o biosensat amb els avantatges de la plasmònica per a la manipulació e interacció amb llum. / [EN] The revolution sparked by photonic applications during the last decades has made its mark in society, as we currently know it. Clear examples of this impact are patent in, for instance, the colossal worldwide data traffic generated by the use of the Internet or the widespread utilization of some biomedical techniques for diagnostic or surgical purposes, which could not be understood without the ceaseless development of optical systems. The necessity of combining and miniaturizing these systems to enable advanced functionalities gave birth to the development of photonic integrated circuits (PICs), which is the main framework within which this thesis began to take shape. Along these lines, we noticed restricted limitations in terms of flexibility or reconfigurability inherent to the wired-based nature of most PIC implementations carried out so far. In the case of plasmonic circuitry, there are additional shortcomings arising from the prohibitive losses of metallic waveguides at very high frequencies. The inclusion of wireless structures (mostly based on plasmonic nanoantennas) at the photonic layer emerged to mitigate these limiting losses, also opening new research avenues. However, these devices still presented poor performances as purely radiating elements in the far-field regime. In order to overcome these lacks, in this work, we introduced a novel version to wireless approaches at the nanoscale in what we called on-chip wireless silicon photonics. This new concept was built upon the use of CMOS-compatible silicon-based nanoantennas, which constitute the key enabling structures of a diverse catalogue of applications in photonic communication networks or ultra-integrated sensors as well as for interfacing advanced dielectric-plasmonic systems. In the scope of communications, thanks to the easiness to tailor the antenna directivity, we were able to experimentally demonstrate on-chip data transmission flows in reconfigurable networks for the first time (by using highly directive antennas) or to develop dynamically tailor-made interference patterns to create focused spots at will on a 2D arrangement (enabled by antennas with a lower directivity). On the other hand, in the field of biosensing, we experimentally implemented a dielectric antenna-based lab-on-a-chip device for microparticle classification with state-of-the-art performance, which included the most compact optical subsystem demonstrated so far. Finally, we were able to efficiently interface silicon-based antennas to plasmonic systems to develop new advanced functionalities at the nanoscale, by putting together the advantages of on-chip wireless silicon photonics for on-chip communications, beam-shaping tailoring or lab-on-a-chip sensing with the advantages of plasmonics for light concentration and manipulation. / Lechago Buendía, S. (2019). All-dielectric nanoantennas enabling on-chip wireless silicon photonics [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/133074 / TESIS

Neste trabalho, apresentamos um novo processo de fabricação para a obtenção de canaletas em V em substratos de silício monocristalino (100) para um acoplamento óptico utilizando siliceto de níquel como material de máscara. O filme de siliceto de níquel (10nm de espessura para 200 nm de nickel) foi obtido por processos de evaporação térmica e posterior recozimento a baixas temperaturas ( 200 e 250°C). As canaletas em V (com profundidade de 60 mm) foram fabricadas através do processo de corrosão anisotrópica, utilizando uma solução de KOH (27%-60°C). Durante este processo, a taxa de corrosão do substrato de silício pela solução de KOH foi estimada como sendo 33.1 micrômetros/h. A composição da camada de siliceto de níquel obtida foi investigada utilizando a técnica RBS, que nos forneceu a estequiometria Ni2Si. A rugosidade de filmes de níquel e de Ni2Si foi medida pela técnica AFM. Uma análise SEM foi feita com as canaletas e guias de onda obtidos. Após o processamento das canaletas em V, elas foram alinhadas com um guia de onda simples de teste para um futuro acoplamento óptico. / In this work, we present a new fabrication process to obtain V-grooves on monocrystaline silicon substrates (100) for optical coupling using nickel silicides as mask material. The nickel silicide film 10 nm thick for 200 nm of nickel thick) was obtained using thermal evaporation and annealing processes at low temperatures (200 and 250°C) as mask for alkaline solutions. Vgrooves (60 mm deep) were fabricated by anisotropic etching process, using a KOH (27%-60°) solution. During this process, the etch rate of the silicon substrate by the KOH solution was measured as 33.1 micrometers/h. The composition of the obtained nickel silicide layer was investigated using RBS technique, which supplied us the stoichiometric Ni2Si. The roughness of nickel and Ni2Si layers was measured by AFM technique. A SEM analysis was made with the obtained Vgrooves and waveguides. After processing the V-grooves, they were aligned with a simple waveguide for a future optical coupling.

A distorção em moduladores eletroópticos integrados, amplamente utilizados em enlaces ópticos, é analisada em termos da faixa dinâmica livre de distorção (Spurious Free Dynamic Range-SFDR), especialmente a causada pela intermodulação de terceira ordem. As características de transmissão de vários tipos de moduladores eletroópticos integrados são apresentadas por meio de modelagens adequadas para uma análise comparativa de suas SFDR. Os seguintes tipos de moduladores são estudados: modulador com cavidade em anel (Ring Resonator Modulator - RRM), modulador Mach-Zehnder com cavidade em anel (Ring Resonator Assisted Mach-Zehnder Modulator - RAMZ), modulador com acoplador direcional, modulador com junção "Y" e o modulador Mach-Zehnder (MZM). Para cada modulador, calculam-se as distorções por intermodulações, especialmente as de terceira ordem, as distorções harmônicas, bem como a composição espectral do sinal na saída de cada modulador. Em outras palavras, os parâmetros ópticos, eletrônicos e geométricos, de cada modulador, são selecionados de forma a evidenciar as não-linearidades de suas características de transmissão. Por exemplo, a análise desenvolvida revela que no caso dos moduladores como o acoplador direcional e junção "Y", uma seleção adequada do comprimento de interação e do espaçamento entre os guias de onda, em combinação com a escolha adequada da voltagem de polarização propicia SFDR da ordem de 126.7dB - Hz4/5 e 125.6dB - Hz4/5 , respectivamente. Com respeito aos moduladores com cavidade em anel e Mach-Zehnder e com cavidade em anel, selecionando-se o coeficiente de acoplamento entre o guia de onda óptico e a cavidade e a voltagem de polarização, obtém-se SFDR da ordem de 126.3dB - Hz4/5 e 128dB - Hz4/5 , respectivamente. Uma vez que a faixa dinâmica do MZM operando em quadratura é igual a 108.6dB - Hz2/3, conclui-se que alguns dos moduladores eletroópticos analisados proporcionam SFDR com 17 dB a 19.4 dB superior à do MZM.

Neste trabalho foram estudados guias ópticos para atuarem como sensores ou em sistemas sensores. Ênfase especial foi dada em guias ópticos retangulares, para dispositivos ópticos integrados, e fibras ópticas elípticas. A analise de fibras ópticas elípticas resultou em um modelamento pratico para projeto das mesmas em aplicações onde se deseja operar com dois modos guiados, situação esta que se mostra muito atraente para implementação de diversos tipos de sensores a fibra óptica. A seguir estendeu-se as aplicações dos dispositivos em guia óptico bimodal com a proposição e analise de dois dispositivos inéditos: o filtro de modos em guia assimétrico, e o sensor a campo evanescente em guia óptico bimodal.

Devido à importância de se construir sensores inerciais de elevado desempenho, surgiu a necessidade de capacitação em novas tecnologias que permitissem maior estabilidade, compactação, baixa suscetibilidade a ruídos externos, baixo peso e reduzidas perdas por acoplamento de radiação óptica. Uma possível metodologia para aumentar o desempenho de sensores inerciais como o Giroscópio a Fibra Óptica (GFO) e o Acelerômetro Opto Mecânico (AOM) é a utilização de circuitos em óptica integrada que venham a substituir parcialmente, ou mesmo totalmente, os dispositivos em fibra óptica presentes nesses sensores. Neste trabalho, propôs-se o estudo do projeto, fabricação e caracterização de dispositivos e de chips em óptica integrada equivalentes aos dispositivos em fibra óptica (fibras ópticas, acopladores a fibra óptica e moduladores) presentes nas atuais versões do GFO e do AOM. Os circuitos ópticos integrados foram projetados de acordo com as especificações dos circuitos equivalentes em fibra óptica, como operação monomodo para os guias, razão de 3dB para os acopladores direcionais e moduladores de fase com baixa tensão para modulação de fase de 180. Este trabalho iniciou-se com o estudo dos circuitos ópticos presentes nos sensores a fibra óptica, os quais serviram de base para este trabalho. Em seguida, estudou-se teoricamente e por meio de simulações alguns dispositivos em óptica integrada como guias planares, guias canais retos e curvos, acopladores direcionais e divisores em Y. Esses estudos iniciais foram fundamentais para o projeto dos circuitos em óptica integrada do GFO e do AOM. Na etapa posterior, realizou-se a caracterização de guias canais fabricados por difusão de titânio em niobato de lítio (LiNbO3), medindo-se a largura à meia altura dos modos fundamentais e medindo-se perda por inserção por acoplamento com fibra óptica. Na etapa seguinte, iniciou-se a elaboração dos circuitos ópticos integrados projetados, partindo-se do projeto e fabricação das máscaras, passando-se pelo corte dos wafers de LiNbO3 com as dimensões adequadas para os chips, até a realização das etapas de litografia para a difusão de titânio. Nas conclusões foram expostas as tarefas executadas durante o trabalho e os resultados obtidos, além de tarefas futuras para dar continuidade a este trabalho.

Este trabalho se insere na área de estudos da detecção interferométrica óptica como forma de interrogação de acelerômetros da vertente tecnológica de sistemas micro-eletro-mecânicos, provenientes do Projeto AcelerAD, financiado pela FINEP, realizado no âmbito do DCTA/IEAv. Acelerômetros são dispositivos capazes de medir acelerações e vibrações, em até três dimensões, às quais é submetido um determinado corpo; sua alta sensibilidade às acelerações é extremamente útil a inúmeras aplicações. Normalmente, o processo de leitura da aceleração é realizado por métodos eletrônicos; contudo, em certas aplicações, é necessário garantir que o processo de obtenção das informações fornecidas pelo acelerômetro seja imune às interferências eletromagnéticas do ambiente de operação. Dessa forma, este trabalho explora a viabilidade de interrogação de acelerômetros por meios ópticos, explorando a natureza interferométrica óptica da topologia estrutural, não intencionalmente concebida para esse propósito, que foi adotada no acelerômetro MEMS desenvolvido no escopo do Projeto AcelerAD.

Na tese apresenta-se a aplicação da Abordagem de Domínio Espectral para o estudo de moduladores eletroópticos integrados com substratos estratificados. As configurações dos moduladores utilizam estruturas de microondas do tipo ondas caminhantes, com seção transversal limitada por paredes condutoras. Os substratos são constituídos por material eletroóptico e camadas dielétricas isotrópicas. A rede de eletrodos planos, utilizada para configurar o campo de modulação, é posicionada em uma interface apropriada do substrato estratificado, e os guias ópticos do tipo canal, estão localizados na camada eletroóptica. A modelagem da interação eletroóptica, para um modulador faixa larga, deve levar em consideração as características de propagação do sinal óptico e do campo elétrico de modulação. Para os guias ópticos obtém-se uma representação análitica para o campo óptico, aplicando-se hipóteses simplificadoras. Por outro lado, o estudo do campo elétrico de modulação, levando-se em consideração os efeitos de dielétricos em multicamadas, da rede de eletrodos com assimetria geométrica e da blindagem elétrica, é realizado através do método de Abordagem de Domínio Espectral. A formulação desenvolvida é aplicada para moduladores com substratos cujos eixos cristalinos são orientados arbitrariamente em relação aos geométricos. Contudo, ênfase especial especial é dedicada aos moduladores que utilizam CPS e CPW com substratos de LiNbO3 ou LiTaO3, com cortes -Z ou -X e buffer-layer de SiO2, por apresentarem grande importância prática. Para moduladores com multi eletrodos, que utilizam um modo de propagação dominante quase-TEM, é apresentado um modelo fundamentado na representação do sinal de modulação através de uma linha de transmissão equivalente. Leva-se em consideração os efeitos do descasamento entre as velocidades dos sinais óptico e de modulação, e os coeficientes de reflexão nas estremidades dos eletrodos. A largura de faixa e a tensão de meia-onda de moduladores são discutidas em detalhes para diversas configurações de interesse prático.

O emprego de sistemas de transmissão óptica de grande capacidade tem-se ampliado de maneira marcante nos últimos anos. A demanda por uma variedade de serviços tem exigido um aumento na largura de faixa que impõe a modulação do feixe óptico por taxas de bits cada vez mais elevadas. A técnica de modulação externa do feixe óptico tem sido uma solução que permite a comunicação em grandes larguras de faixa, através da tecnologia de óptica integrada. Muitos trabalhos têm sido publicados nos últimos anos, procurando sistematizar os métodos de análise e de projeto destes dispositivos. A comparação entre essas publicações mostra a grande dificuldade encontrada na tentativa de se abordarem os problemas que envolvem sinal modulador de freqüência elevada, transmitido em um guia de ondas que utiliza eletrodos de pequenas dimensões tranversais. Neste trabalho, foi feito um estudo dos principais problemas envolvendo o projeto e a análise de desempenho de moduladores eletroópticos em óptica integrada. Estudou-se a influência dos parâmetros geométricos no comportamento desses dispositivos, salientando-se as grandezas responsáveis pela limitação da largura de faixa em altas freqüências. Desenvolveu-se método de cálculo da distribuição do campo modulador em estruturas de múltiplas camadas dielétricas e múltiplos eletrodos e apresentou-se uma abordagem para cálculo das perdas de potência e das características de dispersão. Esta proposta é considerada mais abrangente do que os métodos comumente encontrados na literatura especializada. A maioria das publicações propõem soluções que se aplicam em algumas situações específicas. Os problemas de perda e de dispersão são avaliados a partir da distribuição do campo gerado pelos eletrodos do modulador integrado, levando-se em conta a influência de suas espessuras na distribuição do campo e nas características de propagação. O desenvolvimento teórico foi realizado para uma estrutura com múltiplos condutores e múltiplos dielétricos, com dimensões arbritárias. O tratamento final foi baseado no guia de ondas coplanar, com o qual se garante a propagação de modo único até uma faixa de freqüências bem elevada, determinadas pela geometria do dispositivo.