Pesquisas de desenvolvimento na área de fotônica impressa vão desde sistemas óticos de reflexão e espalhamento de luz, até moduladores e dispositivos fotônicos na escala nanométrica. Para isso, os dispositivos fabricados utilizam das propriedades de estruturas capazes de controlar a emissão e propagação luminosa a níveis elevados de confinamento e guiamento. Estas estruturas são conhecidas como cristais fotônicos. No entanto, os cristais fotônicos encontram dificuldades de aplicação, pois são produzidos por métodos intermitentes e em pequena escala. Neste sentido, este estudo contribuiu para o desenvolvimento de um método de fabricação de cristais coloidais em larga escala. O processo consistiu em depositar nanoesferas de sílica com diferentes diâmetros e em diferentes substratos através da ferramenta wire-bar via processamento Roll-to-Roll. Para o desenvolvimento do trabalho as nanoesferas de sílica foram sintetizadas seguindo o método Stöber e caracterizadas quanto a distribuição dos diâmetros. As imagens das nanoesferas obtidas por Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) foram analisadas pelo software ImageJ®, constatando-se a monodispersividade das esferas. Posteriormente, para a deposição das partículas sobre os substratos, os parâmetros de deposição foram ajustados a fim de produzir um filme monocamada de cristais coloidais em um arranjo hexagonal compacto. Desenvolvemos também uma equação que prediz a concentração ótima das suspensões coloidais, em função dos parâmetros de processamento e o ordenamento de rede, para produzir o filme monocamada. Assim, foram alcançadas estruturas organizadas que exibiram o efeito iridescente mediante a variação do ângulo da luz incidente. Diante das propriedades óticas e periodicidade da rede dos cristais coloidais, propusemos aplicações como adesivos reflexivos, camada anti-reflexo para células solares e superfícies melhoradas para amplificação do sinal SERS. As estruturas utilizadas em SERS apresentaram limite de detecção para a molécula de Rodamina 123 da ordem de 10-6 M. De maneira geral, este trabalho contribuiu para o desenvolvimento de um método de deposição de cristais coloidais em larga escala através do processamento Roll-to-Roll, que se mostrou bastante versátil, uma vez que permite a aplicação das estruturas fabricadas em diferentes áreas tecnológicas e fácil controle dos parâmetros de processamento. / Development research in printed photonics goes from optical systems of reflection and scattering of light, to modulators and photonic devices at the nanometer scale. For this, the devices manufactured use the properties of structures capable of controlling the emission and light propagation at high levels of confinement and guidance. These structures are known as photonic crystals. However, the photonic crystals find application difficulties because they are produced by intermittent and small scale methods. In this sense, this study contributed to the development of a large-scale method of manufacturing colloidal crystals. The process consisted in depositing silica nanospheres with different diameters and in different substrates through the wire-bar tool in Roll-to-Roll processing. For the development of this work the silica nanospheres were synthesized following the Stöber method and characterized by distribution of diameters. The images of nanospheres obtained by Scanning Electron Microscopy (SEM) were analyzed by ImageJ® software, confirming the monodispersivity of the spheres. Subsequently, for the deposition of the particles on the substrates, the deposition parameters were adjusted to produce a monolayer film of colloidal crystals in a compact hexagonal arrangement. We have also developed an equation that predicts the optimal concentration of the colloidal suspensions, as a function of the processing parameters and the network ordering, to produce the monolayer film. Thus, organized structures were achieved which exhibited the iridescent effect by varying the angle of incident light. Considering the optical properties and periodicity of the colloidal crystals arrangement, we have proposed applications such as reflective adhesives, anti-reflective layer for solar cells and improved surfaces for amplification of SERS signal. The structures used in SERS showed limit of detection for Rhodamine 123 molecule in the order of 10-6 M. In general, this work contributed to the development of a large-scale method of deposition of colloidal crystals through Roll-to-Roll processing, which proved quite versatile, since it allows the application of of fabricated structures in different technological áreas and easy control of processing parametres. In general, the Roll-to-Roll method of colloidal crystals deposition proved to be quite versatile, since it allows the application of fabricated structures in different technological areas, easy control of processing parametres and large-scale production.

O objetivo do presente trabalho foi o estudo e análise da resposta óptica de dispositivos de cristal fotônico uni-dimensional (1D) fabricados através do uso da tecnologia de silício poroso. Os resultados obtidos neste trabalho apresentam contribuições significativas no desenvolvimento de uma tecnologia para a fabricação de dispositivos ópticos em silício. As principais contribuições deste trabalho estão direcionadas ao aprimoramento dos processos de fabricação de cristais fotônicos 1D e processos de tratamento térmico. Os resultados da análise estrutural através de microscopia óptica de varredura (MEV) e da resposta óptica (refletância ou absorbância) mostraram que dispositivos de cristal fotônico fabricados em soluções altamente diluídas de HF apresentam melhor desempenho, tendo sido otimizado o processo de fabricação utilizando-se uma célula de duplo compartimento (célula dupla). A otimização da resposta óptica dos dispositivos foi atribuída ao efeito de minimização das rugosidades de interface e minimização de efeitos de anisotropia na taxa de corrosão durante o processo de anodização eletroquímica. O processo eletroquímico utilizado para a fabricação de cristais fotônicos 1D apresentou limitação quanto ao número máximo de camadas, sendo observado que dispositivos com número de camadas acima de 60 apresentavam degradação das suas camadas superficiais, comprometendo a resposta óptica do dispositivo. Este resultado foi atribuído a efeitos de diluição química das camadas expostas à solução por longos períodos de processo. Os dispositivos fotônicos 1D mostraram-se sensíveis a processos de recozimento térmico, deslocando suas bandas fotônicas proibidas para regiões de menor comprimento de onda devido à mudança do índice de refração das camadas e aos efeitos de expansão e compressão das camadas constitutivas do dispositivo. Os dispositivos de micocavidade Fabry-Perot mostraram-se mais sensíveis aos processos de recozimento térmico. Os resultados obtidos no presente trabalho vislumbram grandes possibilidades de aplicação dos cristais fotônicos de PS na fabricação de dispositivos ópticos na tecnologia de silício como filtros, lentes, cavidades ressonantes, guias de ondas, grades de difração e dispositivos sensores. / The aim of the present work was to study and analyze the optical response of one- dimensional (1D) photonic crystal devices obtained by using the porous silicon technology. The experimental results obtained from this work showed the significant contribution to the development of a technological process for optical device fabrication in the silicon substrate. The most important contributions of the work are pointed out to improve the electrochemical process for device fabrication and thermal annealing process in order to improve the optical response of the devices. The results obtained from Scanning electronic microscopy (SEM) and from the optical response of the devices, showed that devices fabricated in the double cell and diluted HF solution improved their optical response due to minimization of the anisotropy of corrosion rate and decreasing of the surface roughness between layers. The electrochemical process used for device fabrication showed the existence of limitation on the numbers of layers because of the existence of chemical dissolution effect that became important for long time process. The 1D photonic crystal devices in PS technology showed high sensibility to thermal annealing process, due to the refraction index change after thermal annealing the photonic band gap position shift down to low wavelength region. The Fabry-Perot devices showed higher sensibility to thermal annealing process improving their optical response after annealing process. The results obtained from the present work showed that the PS 1D photonic device could be applied to optical devices fabrication in silicon technology such as optical filters, lenses, resonant cavities, wave-guide devices, diffraction grade and optical sensor device.

O objetivo do presente trabalho foi o estudo e análise da resposta óptica de dispositivos de cristal fotônico uni-dimensional (1D) fabricados através do uso da tecnologia de silício poroso. Os resultados obtidos neste trabalho apresentam contribuições significativas no desenvolvimento de uma tecnologia para a fabricação de dispositivos ópticos em silício. As principais contribuições deste trabalho estão direcionadas ao aprimoramento dos processos de fabricação de cristais fotônicos 1D e processos de tratamento térmico. Os resultados da análise estrutural através de microscopia óptica de varredura (MEV) e da resposta óptica (refletância ou absorbância) mostraram que dispositivos de cristal fotônico fabricados em soluções altamente diluídas de HF apresentam melhor desempenho, tendo sido otimizado o processo de fabricação utilizando-se uma célula de duplo compartimento (célula dupla). A otimização da resposta óptica dos dispositivos foi atribuída ao efeito de minimização das rugosidades de interface e minimização de efeitos de anisotropia na taxa de corrosão durante o processo de anodização eletroquímica. O processo eletroquímico utilizado para a fabricação de cristais fotônicos 1D apresentou limitação quanto ao número máximo de camadas, sendo observado que dispositivos com número de camadas acima de 60 apresentavam degradação das suas camadas superficiais, comprometendo a resposta óptica do dispositivo. Este resultado foi atribuído a efeitos de diluição química das camadas expostas à solução por longos períodos de processo. Os dispositivos fotônicos 1D mostraram-se sensíveis a processos de recozimento térmico, deslocando suas bandas fotônicas proibidas para regiões de menor comprimento de onda devido à mudança do índice de refração das camadas e aos efeitos de expansão e compressão das camadas constitutivas do dispositivo. Os dispositivos de micocavidade Fabry-Perot mostraram-se mais sensíveis aos processos de recozimento térmico. Os resultados obtidos no presente trabalho vislumbram grandes possibilidades de aplicação dos cristais fotônicos de PS na fabricação de dispositivos ópticos na tecnologia de silício como filtros, lentes, cavidades ressonantes, guias de ondas, grades de difração e dispositivos sensores. / The aim of the present work was to study and analyze the optical response of one- dimensional (1D) photonic crystal devices obtained by using the porous silicon technology. The experimental results obtained from this work showed the significant contribution to the development of a technological process for optical device fabrication in the silicon substrate. The most important contributions of the work are pointed out to improve the electrochemical process for device fabrication and thermal annealing process in order to improve the optical response of the devices. The results obtained from Scanning electronic microscopy (SEM) and from the optical response of the devices, showed that devices fabricated in the double cell and diluted HF solution improved their optical response due to minimization of the anisotropy of corrosion rate and decreasing of the surface roughness between layers. The electrochemical process used for device fabrication showed the existence of limitation on the numbers of layers because of the existence of chemical dissolution effect that became important for long time process. The 1D photonic crystal devices in PS technology showed high sensibility to thermal annealing process, due to the refraction index change after thermal annealing the photonic band gap position shift down to low wavelength region. The Fabry-Perot devices showed higher sensibility to thermal annealing process improving their optical response after annealing process. The results obtained from the present work showed that the PS 1D photonic device could be applied to optical devices fabrication in silicon technology such as optical filters, lenses, resonant cavities, wave-guide devices, diffraction grade and optical sensor device.

Pesquisas de desenvolvimento na área de fotônica impressa vão desde sistemas óticos de reflexão e espalhamento de luz, até moduladores e dispositivos fotônicos na escala nanométrica. Para isso, os dispositivos fabricados utilizam das propriedades de estruturas capazes de controlar a emissão e propagação luminosa a níveis elevados de confinamento e guiamento. Estas estruturas são conhecidas como cristais fotônicos. No entanto, os cristais fotônicos encontram dificuldades de aplicação, pois são produzidos por métodos intermitentes e em pequena escala. Neste sentido, este estudo contribuiu para o desenvolvimento de um método de fabricação de cristais coloidais em larga escala. O processo consistiu em depositar nanoesferas de sílica com diferentes diâmetros e em diferentes substratos através da ferramenta wire-bar via processamento Roll-to-Roll. Para o desenvolvimento do trabalho as nanoesferas de sílica foram sintetizadas seguindo o método Stöber e caracterizadas quanto a distribuição dos diâmetros. As imagens das nanoesferas obtidas por Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) foram analisadas pelo software ImageJ®, constatando-se a monodispersividade das esferas. Posteriormente, para a deposição das partículas sobre os substratos, os parâmetros de deposição foram ajustados a fim de produzir um filme monocamada de cristais coloidais em um arranjo hexagonal compacto. Desenvolvemos também uma equação que prediz a concentração ótima das suspensões coloidais, em função dos parâmetros de processamento e o ordenamento de rede, para produzir o filme monocamada. Assim, foram alcançadas estruturas organizadas que exibiram o efeito iridescente mediante a variação do ângulo da luz incidente. Diante das propriedades óticas e periodicidade da rede dos cristais coloidais, propusemos aplicações como adesivos reflexivos, camada anti-reflexo para células solares e superfícies melhoradas para amplificação do sinal SERS. As estruturas utilizadas em SERS apresentaram limite de detecção para a molécula de Rodamina 123 da ordem de 10-6 M. De maneira geral, este trabalho contribuiu para o desenvolvimento de um método de deposição de cristais coloidais em larga escala através do processamento Roll-to-Roll, que se mostrou bastante versátil, uma vez que permite a aplicação das estruturas fabricadas em diferentes áreas tecnológicas e fácil controle dos parâmetros de processamento. / Development research in printed photonics goes from optical systems of reflection and scattering of light, to modulators and photonic devices at the nanometer scale. For this, the devices manufactured use the properties of structures capable of controlling the emission and light propagation at high levels of confinement and guidance. These structures are known as photonic crystals. However, the photonic crystals find application difficulties because they are produced by intermittent and small scale methods. In this sense, this study contributed to the development of a large-scale method of manufacturing colloidal crystals. The process consisted in depositing silica nanospheres with different diameters and in different substrates through the wire-bar tool in Roll-to-Roll processing. For the development of this work the silica nanospheres were synthesized following the Stöber method and characterized by distribution of diameters. The images of nanospheres obtained by Scanning Electron Microscopy (SEM) were analyzed by ImageJ® software, confirming the monodispersivity of the spheres. Subsequently, for the deposition of the particles on the substrates, the deposition parameters were adjusted to produce a monolayer film of colloidal crystals in a compact hexagonal arrangement. We have also developed an equation that predicts the optimal concentration of the colloidal suspensions, as a function of the processing parameters and the network ordering, to produce the monolayer film. Thus, organized structures were achieved which exhibited the iridescent effect by varying the angle of incident light. Considering the optical properties and periodicity of the colloidal crystals arrangement, we have proposed applications such as reflective adhesives, anti-reflective layer for solar cells and improved surfaces for amplification of SERS signal. The structures used in SERS showed limit of detection for Rhodamine 123 molecule in the order of 10-6 M. In general, this work contributed to the development of a large-scale method of deposition of colloidal crystals through Roll-to-Roll processing, which proved quite versatile, since it allows the application of of fabricated structures in different technological áreas and easy control of processing parametres. In general, the Roll-to-Roll method of colloidal crystals deposition proved to be quite versatile, since it allows the application of fabricated structures in different technological areas, easy control of processing parametres and large-scale production.

Orientador: Hugo Enrique Hernández Figueroa / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-26T15:57:35Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ArrietaConcha_JoseLuis_M.pdf: 2860251 bytes, checksum: a9513ec6b0227b83e8ccdb097adfef27 (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: Redes de comunicação ópticas são parte da sociedade de informação de hoje, em que as fibras ópticas têm um papel muito importante, uma vez que são amplamente utilizados em redes de comunicação e outros sistemas de comunicação atuais. No entanto, o uso de dispositivos eletrônicos em várias redes eletro-ópticas representam um grande engarrafamento para a utilização ideal da grande largura de banda e as taxas de dados de alta velocidade permitida por fibras ópticas. A fim de evitar tal congestionamento de tráfego da rede, dispositivos baseados em tecnologias fotônicas são uma das soluções propostas, porque eles fornecem a capacidade de manter altas velocidades de transmissão com taxas elevadas de dados e baixas perdas. Por isso, tais dispositivos fotônicos são continuamente pesquisados, a fim de melhorar a sua eficácia, a obtenção do maior confinamento e encaminhamento do sinal óptico, e melhorar a perda de inserção quando ele é integrado com outros dispositivos. Para alcançar uma maior compreensão dos dispositivos fotônicos, o trabalho apresentado aqui permite uma compreensão pedagógica e ainda completa de cristais fotônicos e efeitos magnéticos. Esta abordagem pedagógica permite uma experiência em mãos para os estudantes e pesquisadores sobre um tema complexo, um tipo de implementação experimental que normalmente exige sofisticados recursos de fabricação fotônicos. A abordagem em micro-ondas permite construir protótipos conceitualmente equivalentes e manipuláveis. Aqui, apresentamos um estudo teórico, análise numérica, modelagem de computador e simulações eletromagnéticas para um circulador de ferrita de 3 portas em uma estrutura de grade fotônico construído para a faixa de micro-ondas de 2,3GHz - 2,9GHz / Abstract: Optical communication networks are part of today¿s information based society, in which optical fibers play a very important role, since they are widely used in such communication networks and other state of the art communication systems. However, the use of electronic devices in various electronic-optical networks represent a major bottleneck for the optimal utilization of the large bandwidth and high speed data rates allowed by optical fibers. In order to avoid such congestion of network traffic, devices based on photonic technologies are one of the proposed solutions, because they provide the capability to maintain transmission speeds with both high data rates and low losses. That is why such photonic devices are continuously being researched in order to improve their effectiveness, obtain greater confinement and guiding of the optical signal, as well as to reduce the insertion loss when it is integrated with other devices. To achieve a greater understanding of photonic devices, the work presented in this paper allow for a pedagogical and yet thorough understanding of photonic crystals and magnetic effects. This pedagogical approach permits a hands-on experience for students and researchers on a complex subject, a kind of experimental implementation that usually demands sophisticated photonic fabrication resources. The microwave approach allows one to construct conceptually equivalent but hand-manipulable prototypes. Here, we present the theoretical study, numerical analysis, computer modeling and electromagnetic simulations for a 3-port ferrite circulator in a photonic grid structure built for the 2.3 GHz to 2.9 GHz microwave range. For a photonic device operating in the optical communication range, we may expect a qualitative analogous behavior / Mestrado / Telecomunicações e Telemática / Mestre em Engenharia Elétrica

Submitted by Lara Oliveira (lara@ufersa.edu.br) on 2017-07-13T22:58:20Z No. of bitstreams: 1 JoãoMC_DISSERT.pdf: 1741418 bytes, checksum: 13c15c64738df641ff1a1cadad54fa09 (MD5) / Approved for entry into archive by Vanessa Christiane (referencia@ufersa.edu.br) on 2017-07-18T15:08:39Z (GMT) No. of bitstreams: 1 JoãoMC_DISSERT.pdf: 1741418 bytes, checksum: 13c15c64738df641ff1a1cadad54fa09 (MD5) / Approved for entry into archive by Vanessa Christiane (referencia@ufersa.edu.br) on 2017-07-18T15:09:03Z (GMT) No. of bitstreams: 1 JoãoMC_DISSERT.pdf: 1741418 bytes, checksum: 13c15c64738df641ff1a1cadad54fa09 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-07-18T15:10:18Z (GMT). No. of bitstreams: 1 JoãoMC_DISSERT.pdf: 1741418 bytes, checksum: 13c15c64738df641ff1a1cadad54fa09 (MD5) Previous issue date: 2014-11-07 / In this work, it is analyzed two applications involving optical fiber. In the first application, a new design of an optical fiber coupler composed by two and three cores from a fiber with step index is proposed and analyzed using a vector formulation based on finite element applied in conjunction with genetic algorithm (GA). The fiber is made with pure silica and silica doped with germanium and it is composed by two and three identical cores separated by distance d. The proposed structure has a very simple geometry, and each fiber that composed the coupler is obtained by inclusion of a very small air hole at the core of each conventional step index fibers. Next, optical fiber composed by photonic quasi-crystals, through a quasi-periodic and symmetric matrix, is analyzed using the finite element method, applied in conjunction with perfectly matched layers of type cylindrical. The structure is composed of germanium-doped silica and it is originates from twelve distributions of air holes arranged symmetrically with a defect caused by the absence of central air hole / Neste trabalho, serão analizadas duas aplicações envolvendo fibra óptica. Na primeira aplicação um novo projeto de um acoplador de fibra óptica constituída por dois e três núcleos a partir de uma fibra com índice degrau é proposta e analisada através de uma formulação vetorial baseada em elementos finitos aplicada em conjunto com o Algoritmo Genético (GA).A fibra é feita desílica pura e sílica dopada com germânio e contém dois e três núcleos idênticosseparados por umadistância d. A estrutura proposta apresenta uma geometria bastante simples, ecada fibra que compõe o acoplador é obtida através da inclusão de um buraco de ar muito pequeno no núcleo de cada uma das fibras de índice degrau convencional. Na segunda aplicação, fibras ópticas constituídas por quase cristais fotônicos, através de uma matriz quase periódica e simétrica é analisada através do método dos elementos finitos, aplicado em conjunto com camadas perfeitamente casadas do tipo cilíndricas. A estrutura é composta por sílica dopada com germânio e é originada a partir de doze distribuições de buracos de ar organizados simetricamente com um defeito provocado pela ausência do buraco de ar central / 2017-07-13

Orientador: Hugo Enrique Hernández Figueroa / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-16T13:53:46Z (GMT). No. of bitstreams: 1 MalheirosSilveira_GilliardNardel_M.pdf: 3128908 bytes, checksum: 81e325450d7a5eff14ab074c7716b862 (MD5) Previous issue date: 2010 / Resumo: Esta dissertação aborda a modelagem e análise de Dispositivos Fotônicos e de RF via códigos home-made e comerciais baseados no método dos elementos finitos (MEF) e, em alguns casos, resolução de problemas inversos com auxílio de AG. Primeiramente é feita uma breve revisão sobre elementos finitos e AG, bem como alguns fenômenos eletromagnéticos voltados às aplicações estudadas. Os estudos de problemas fotônicos abordaram dois problemas gerais: Otimização da banda fotônica proibida absoluta em cristais fotônicos bidimensionais e propostas de fibras de cristais fotônicos (PCFs, Photonic Crystal Fibers) voltadas para aplicações não-lineares e compensação de dispersão. Algumas dessas análises envolveram a resolução de problemas inversos via AG; em que foi proposta uma codificação com certa generalização para problemas envolvendo PCF. As propostas envolvendo RF abordaram antenas para etiquetas RFID (Radio Frequency Identification). Foi explorado o comportamento dual-band a partir de uma antena do tipo dipolo modificada. / Abstract: This dissertation addresses the modeling and analysis of photonic and RF devices by home-made and commercial codes based on the finite element method (FEM). In some cases, inverse problems have been solved with the aid of genetic algorithms (GA). In the introduction a brief review of finite elements and GA are presented as well as some electromagnetic phenomena related with the applications here analyzed. Concerning the photonic problems, our studies were restricted to two general problems: Optimization of absolute photonic band gap in two-dimensional photonic crystals and the proposal of photonic crystal fibers (PCFs) aimed for non-linear and dispersion compensation applications. Some of the analysis involved the solution of inverse problems by means of GA, where, a codification with some generalization to problems involving PCFs was proposed. The proposals involving RF antennas for RFID (radio frequency identification) tags included the study of modified dipole antennas with dual-band operation. / Mestrado / Telecomunicações e Telemática / Mestre em Engenharia Elétrica