Oldenburg, Univ., Diss., 2001. / Dateiformat: zip, Dateien in unterschiedlichen Formaten. Computerdatei im Fernzugriff.

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Duisburg, Universiẗat, Diss., 1999. / Dateiformat: zip, Dateien in unterschiedlichen Formaten.

Oldenburg, University, Diss., 2001. / Dateiformat: zip, Dateien in unterschiedlichen Formaten.

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Darmstadt, Techn. University, Diss., 2004. / Dateien im PDF-Format.

La photonique intégrée offre la possibilité d’exploiter un vaste bouquet de phénomènes optique nonlinéaires pour la génération et le traitement de signaux optiques sur des puces très compactes et à des débits potentiels extrêmement rapides. De nouvelles solutions et technologies de composants pourraient être ainsi réalisées, avec un impact considérable pour les applications télécom et datacom. L’utilisation de phénomènes optiques nonlinéaires (e.g. effet Kerr optique, effet Raman) permet même d’envisager la réalisation de composants actifs (e.g. amplificateurs, modulateurs, lasers, régénérateurs de signaux et convertisseurs en longueur d’onde).Pendant cette dernière décennie, les efforts ont principalement porté sur la plateforme Silicium sur isolant (SOI), profitant du fort confinement optique dans ce matériau, qui permet la miniaturisation et intégration de composants optiques clés (e.g. filtres passifs, jonctions coupleurs et multiplexeurs). Cependant, la présence de fortes pertes nonlinéaires dans ce matériau aux longueurs d’onde d’intérêt (i.e. autour de 1.55 µm dans les télécommunications) limite certaines applications pour lesquelles une forte réponse nonlinéaire est nécessaire et motive la recherche de nouvelles plates-formes, mieux adaptées. L’objectif premier de cette thèse était ainsi l’étude de matériaux alternatifs au Si cristallin, par exemple le silicium amorphe hydrogéné, alliant de très faibles pertes nonlinéaires et une compatibilité CMOS, pour la réalisation de dispositifs photoniques intégrés qui exploitent les phénomènes nonlinéaires. Alternativement, l’utilisation de longueurs d’onde plus élevées (dans le moyen-IR) permet de relaxer la contrainte sur le choix de la filière matériau, en bénéficiant de pertes nonlinéaires réduites, par exemple dans la filière SiGe, également explorée dans cette thèse. Ce travail est organisé de la façon suivante. Le premier chapitre donne un iii panorama des phénomènes nonlinéaires qui permettent de réaliser du traitement tout-optique de l’information, en mettant en évidence les paramètres clés à maitriser (confinement optique, ingénierie de dispersion) pour les composants d’optique intégrée, et en présentant le cadre de modélisation de ces phénomènes utilisé dans le travail de thèse. Il inclut également une revue des démonstrations marquantes publiées sur Silicium cristallin, donnant ainsi des points de référence pour la suite du travail. Le chapitre 2 introduit les cristaux photoniques comme structures d’optique intégrée permettant d’exalter les phénomènes nonlinéaires. On s’intéresse ici aux cavités, avec une démonstration de génération de deuxième et troisième harmoniques qui exploite un design original. Ce chapitre décrit également les enjeux associés à l’utilisation de guides à cristaux photoniques en régime de lumière lente, qui serviront de fondements pour le chapitre 4. Le chapitre 3 présente les résultats de caractérisation de la réponse nonlinéaire associée à des guides réalisés dans deux matériaux alternatifs au silicium cristallin : le silicium amorphe hydrogéné testé dans le proche infrarouge et le silicium germanium testé dans le moyen infrarouge. Le modèle présenté au chapitre 1 est exploité pour déduire la réponse de ces deux matériaux, et il est même étendu pour rendre compte d’effets nonlinéaires d’ordre plus élevé dans le cas du silicium germanium à haute longueur d’onde. Ce chapitre inclut également une discussion sur la comparaison des propriétés nonlinéaires de ces deux matériaux avec le SOI standard. Le chapitre 4 combine l’utilisation d’une plate-forme plus prometteuse que le SOI, avec des structures photoniques plus avancées que les simples guides réfractifs utilisés au chapitre 3 : il décrit l’ingénierie de modes (lents) dans des guides à cristaux photoniques en silicium amorphe hydrogéné et enterrés dans la silice. [...] / Integrated photonics offers a vast choice of nonlinear optical phenomena that could potentially be used for realizing chip-based and cost-effective all-optical signal processing devices that can handle, in principle, optical data signals at very high bit rates. The new components and technological solutions arising from this approach could have a considerable impact for telecom and datacom applications. Nonlinear optical effects (such as the optical Kerr effect or the Raman effect) can be potentially used for realizing active devices (e.g. optical amplifiers, modulators, lasers, signal regenerators and wavelength converters). During the last decade, the silicon on insulator (SOI) platform has known a significant development by exploiting the strong optical confinement, offered by this material platform, which is key for the miniaturization and realization of integrated optical devices (such as passive filters, splitters, junctions and multiplexers). However, the presence of strong nonlinear losses in the standard telecom band (around 1.55 µm) prevents some applications where a strong nonlinear optical response is needed and has motivated the research of more suitable material platforms. The primary goal of this thesis was the study of material alternatives to crystalline silicon (for instance hydrogenated amorphous silicon) with very low nonlinear losses and compatible with the CMOS process in order to realize integrated photonics devices based on nonlinear optical phenomena. Alternatively, the use of longer wavelengths (in the mid-IR) relaxes the constraints on the choice of the material platform, through taking advantage of lower nonlinear losses, for instance on the SiGe platform, which is also explored in this thesis. This work is organized as follows. In the first chapter we provide an overview of the nonlinear optical effects used to realize all optical signal processing functions, focusing on the key parameters that are essential (optical confinement and dispersion engineering) for integrated optical components, and presenting the main models used in this thesis. This chapter also includes a review of the main demonstrations reported on crystalline silicon, to give some benchmarks. Chapter 2 introduces the use of photonic crystals as integrated optical structures that can significantly enhance nonlinear optical phenomena. First we present photonic crystal cavities, with a demonstration of second and third harmonic generation that makes use of an original design. In the second part of the chapter, we describe the main features and challenges associated with photonic crystal waveguides in the slow light regime, which will be used later in chapter 4. In chapter 3, we report the experimental results related to the characterization of the optical nonlinear response of integrated waveguides made of two materials that are alternative to crystalline silicon : the hydrogenated amorphous silicon, probed in the near infrared, and the silicon germanium, probed in the mid-infrared. The model presented in chapter 1 is extensively used here for extracting the nonlinear parameters of these materials and it is also extended to account for higher order nonlinearities in the case of silicon germanium tested at longer wavelengths. This chapter also includes a comparison of the nonlinear properties of these two material platforms with respect to the standard SOI. In chapter 4, we combine the use of a material platform that is better suited than SOI for nonlinear applications with integrated photonics structures that are more advanced that those used in chapter 3. Here we describe the design of (slow) modes in photonic crystal waveguides made in hydrogenated amorphous silicon fully embedded in silica. [...]

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Ingeniero Civil Eléctrico / La industria de semiconductores es un mercado en crecimiento constante y altamente competitivo. Por otra parte, el diseño de circuitos integrados requiere gran cantidad de recursos: mano de obra especializada e infraestructura computacional de alta capacidad. Por esto es importante el desarrollo de herramientas que asistan al diseñador para hacer un uso eficiente de los recursos disponibles. En el presente trabajo se propone un modelo simplificado del desempeño y comportamiento de circuitos integrados de gran escala, que permita estimar parámetros de diseño óptimos de forma precoz y eficaz. En particular, se aborda el problema de la estimación del voltaje de polarización de cuerpo óptimo para diseños basados en tecnología CMOS, utilizando la métrica del producto energía-retardo como indicador del desempeño del circuito. El modelo propuesto describe el comportamiento de un circuito complejo como una suma de compuertas lógicas que lo componen. Aplicándolo es posible estimar un voltaje óptimo para un diseño de gran escala analizando solamente el comportamiento de una sola compuerta. Para esto se considera que el comportamiento de las distintas compuertas es proporcional al de un inversor lógico de la tecnología correspondiente, para lo que se postula un modelo de regresión lineal. Se utilizan herramientas de simulación especializadas para la obtención de los datos necesarios para evaluar los criterios de aceptación de las distintas hipótesis requeridas para la derivación del modelo propuesto. Se analiza también la eficacia de dicho modelo en la estimación del voltaje de polarización de cuerpo óptimo en un diseño de pruebas. Analizando los datos obtenidos, se observa que no todas las hipótesis requeridas para la derivación del modelo evalúan positivamente el respectivo criterio de aceptación. Sin embargo, el modelo propuesto consigue una reducción de un 6% en el producto energía-retardo comparando con la referencia. Se concluye que el la metodología planteada puede ser de gran utilidad para estimar y predecir el desempeño de un circuito integrado en etapas iniciales del proceso de diseño. El modelo puede ser aplicado para estimar voltajes óptimos de polarización de cuerpo, y existe la posibilidad de que sea aplicable en la estimación de otros parámetros tales como voltaje de alimentación y frecuencia de reloj. Durante la evaluación de las hipótesis planteadas se identifican aquellos aspectos de la metodología propuesta donde los resultados difieren de lo esperado, para los que se sugiere realizar un análisis más profundo que permita mejorar la precisión del modelo propuesto.

Neste trabalho é apresentado o projeto de uma interface analógico-digital para a aquisição de sinais eletromiográficos. O circuito consiste em um amplificador passa-banda, projetado para ter elevada linearidade e baixo nível de ruído e apropriado para o interfaceamento com eletrodos de biossinais, seguido por um conversor analógico-digital do tipo ∆∑. O amplificador de biossinais consiste em um filtro passa-banda ativo com um polo passa-altas em uma frequência muito baixa. A faixa de frequências do amplificador se estende de 21mHz a 9;25 kHz com ganho programável de 40 dB (100V/V) e 34 dB (50V/V). O valor simulado para o ruído total dentro da banda de 0;5 Hz a 500 Hz é de 1;45 µVRMS e para a linearidade é de 81;1 dB ou 0;0088%, para um sinal de entrada senoidal de 5 Hz e 20mVpp. O circuito opera com tensões de 1;5V a 3;3V, tendo um consumo de corrente CC de apenas 13;5 _A. O amplificador ocupa uma área de apenas 0;07mm2. O conversor ópera com taxa de amostragem de 256 kS/s no modulador e entrega os dados na saída a uma taxa de 2 kS/s. O circuito apresenta um consumo de corrente CC de 7;2 µA no modulador e um consumo médio de 28;3 µA no filtro decimador para uma tensão de alimentação de 1;2V. O conversor completo ocupa uma área de 0;042mm2. A SNDR simulada é de 83 dB na saída do modulador, sem considerar o efeito de ruído interno do modulador. Considerando-se o ruído, a SNDR estimada por simulações é cerca de 82 dB. A interface de aquisição como um todo ocupa uma área aproximada de 0;112mm2, consome 49 µA e apresenta precisão estimada por simulação de cerca de 12 bits.