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This paper describes recent progress in a continuing program to develop and apply RM³ (recess mounting with monolithic metallization) technologies for heterogeneous integration. Particular emphasis is placed on the applicability of RM³ integration to in-plane geometries for on-chip optical clock and signal distribution and on the suitability of commercially processed IC wafers for use as substrates for rectangular dielectric waveguides. / Singapore-MIT Alliance (SMA)

Orientador: Hugo Enrique Hernandez Figueroa / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-19T08:38:08Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Silva_AlexandreManoelPereiraAlvesda_D.pdf: 7013947 bytes, checksum: c23d3c786fbf204c86a3e94bd5da9bd2 (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: O projeto e o estudo de lentes plasmônicas operando nos comprimentos de onda de 650nm e 1550nm são, aqui, apresentados. Uma lente desse tipo permite que a luz proveniente de um guia de ondas micrométrico, por exemplo, uma fibra óptica, seja acoplada em estruturas como guias de ondas nanométricos ou nanocavidades ressonantes, a distâncias curtas, reduzindo, sobremaneira, a área necessária somente para acoplamento. São analisadas, também, as condições do foco para que haja um acoplamento eficiente de luz aos guias de ondas nanométricos. O foco conformado por essa lente localiza-se a distâncias da ordem de um comprimento de onda. A lente plasmônica recebe essa denominação por utilizar os polaritons de plasmons de superfície como meio de transportar a luz pela lente. Os polaritons de plasmons de superfície são ondas eletromagnéticas superficiais que se propagam na interface entre um meio dielétrico e um meio condutor. Eles permitem que haja modos propagantes em guias de ondas com dimensões muito inferiores ao limite da difração, como em fendas nanométricas recortadas em um filme metálico. é possível controlar a constante de propagação e, por conseguinte, a variação de fase dentro de uma fenda desse tipo, controlando a espessura da mesma. Dispondo várias fendas ao longo de um filme metálico, é possível projetar uma lente plana pelo controle da modulação da fase de saída dessas diversas fendas. Esse comportamento é semelhante ao de um arranjo de antenas, porém, o foco é formado na região de campo próximo. Após uma varredura dos parâmetros construtivos da lente, foi possível obter uma lente de perfil plano que permita o acoplamento eficiente entre guias de ondas com diferenças de dimensão de mais de uma ordem de grandeza dentro de distâncias da ordem de um comprimento de onda. Uma proposta de lente posicionada na ponta de uma fibra óptica é sugerida, a qual permite o acoplamento ou excitação de uma ou mais estruturas ópticas ao mesmo tempo / Abstract: The project and the study of plasmonic lenses operating in the wavelengths of 650nm and 1550nm are presented. Such a lens allows the light coupling from a microsized waveguide, for instance, an optical fiber, to nanosized structures such as nano-waveguides or nano-cavities, within short distances, reducing the amount of area used just for coupling. It is also analyzed the focus conditions for efficient coupling to dielectric nano-waveguides. The lens focus is placed at distances about one wavelength apart. This lens is called plasmonic lens because the excitation of surface plasmon polaritons allows the propagation of light through it. Surface plasmon polaritons are electromagnetic surface waves that propagate along the interface of a dielectric media and a conductor. They allow the formation of propagating modes within waveguides bellow the diffraction limit, such as nano-slits cut into a metallic film. The propagation constant therefore, the phase variation inside such a slit, is controlled by its width. Then, placing several slits along the metallic film, it is possible to design a plane lens by designing the phase modulation of several slits cut into a metallic film. This behavior is similar to an antenna array, however, the focus is formed within the nearfield zone. After some variations on the design parameters, it is obtained a plane lens showing an efficient coupling between different dimensions dielectric waveguides within one wavelength distance from the lens. A lens configuration positioned on a optical fiber is proposed. This configuration allows coupling or excitation of one or more optical structures at the same time / Doutorado / Telecomunicações e Telemática / Doutor em Engenharia Elétrica

Se discute la guía dieléctrica en banda invertida como modificación capaz de aumentar el factor de calidad de la guía dieléctrica rectangular. En su configuración abierta se emplea para su estudio el método de la constante dieléctrica efectiva; se optimiza la geometría para conseguir el mayor ancho de banda posible y se discute la posibilidad de naturaleza espuerea para una parte de los modos encontrados. Se comprueba que el sistema de excitación clásico para guías dieléctricas no resulta valido para la guía en banda invertida y se optimiza un sistema de tipo cornete. Mediante un sistema de sonda móvil se mide la constante de propagación en la guía obteniéndose un buen acuerdo con las predicciones teóricas. Se estudia la guía dieléctrica cerrada en una caja mediante el método de Schelkunoff comprobándose la existencia de modos EH. / The inverted band dielectric waveguide is proposed as an alternative to the classical open dielectric waveguide, providing a higher quality factor. The dielectric effective constant method is used to study the open waveguide. In order to get the highest bandwith, the geometry is optimised, finding not real modes in the waveguide. It has been necessary to use a new excitation method of waveguide using a horn as transition. The measurement of the propagation constant has been made by means of an electric probe. The agreement with the theoretical predictions is very good. Finally the closed guide is studied by the Schelkunoff's method: modes EH were observed.

This thesis is devoted to numerical simulations of integrated optical isolators and circulators. The results contain: Polarization independent isolators Different magneto-optical configurations are required to produce large nonreciprocal phase shifters for orthogonally polarized modes. The polarization independent isolator can be realized by placing two different nonreciprocal phase shifters into the interferometer arms. The light interferes constructively or destructively at the end of the interferometer depending on the propagation direction. Another possibility is to find a magnetic configuration that yields equal nonreciprocal phase shift for transverse electric (TE) and transversemagnetic (TM) modes. Compared to the concept of polarization independent isolators with two different phase shifters in the interferometer arms, the concept with a polarization independent phase shifter has an advantage: the entire length of the device can be almost halved placing an additional nonreciprocal phase shifter into the second arm. Another advantage is that the power loss inside the nonreciprocal phaseshifter may differ from that in the rest of the structure. For the non-symmetrical setup it can lead to a reduction of the device performance. Utilization of multimode waveguides in magneto-optical devices The principle distinction of a Mach-Zehnder type isolator and an isolator based on multimode imaging is that in the latter case the input power is distributed between modes propagating in the same waveguide, whereas in the first case two separate waveguides are used. Nonreciprocal phaseshifters with different effects on guided modes are needed to produce a magneto-optic multi-mode imaging (MMI) isolator or circulator. Multimode imaging splitters with non zero phase difference between the output modes can be used in integrated optical isolators. If the essential phase difference is utilized by the splitter, the rest of the interferometer should be symmetrical.

Orientadores: Hugo Enrique Hernández-Figueroa, Marcos Sergio Gonçalves / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-25T09:52:57Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Isayama_YuriHayashi_M.pdf: 5833509 bytes, checksum: e1f49d9840e5dbbba44fd30da539d0bf (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: Neste trabalho, foi realizado um estudo abordando os guias de onda periodicamente segmentados, procurando estudar o comportamento de seus modos de propagação através de simulações numéricas baseadas no Método dos Elementos Finitos 3D. É apresentada uma formulação para a análise modal dos guias de onda, de maneira que se possa estudar a influência de variações na geometria dos mesmos (altura, largura e período do núcleo) em suas características de guiamento. É abordado, também, o efeito que os materiais que compõem o guia de onda segmentado tem na relação de dispersão do guia. A análise crítica dos resutados é realizada por meio da Teoria de Modos Acoplados, a qual permite não somente justificar os resultados, como também fazer previsões, ainda que um tanto qualitativas, a respeito do comportamento esperado para estes guias e dos resultados das variações em sua construção. Por fim, alguns exemplos de possíveis configurações de guias de onda segmentados, projetados para operação dentro da faixa das comunicações ópticas, são apresentados, com o intuito de facilitar o projeto destas estruturas / Abstract: In this work, a study concerning periodically segmented waveguides was conducted, where the study of the behavior of its propagating modes through numerical simulations based on the 3D Finite Element Method was intended. A formulation for modal analysis of the waveguide is presented, so that it is possible to study the influence of geometry variations (height, width, and period of the core) on its guiding characteristics. It is also addressed the effect of the materials composing the waveguide on its dispersion relation. The critical analysis of the results is developed by means of the Coupled Mode Theory, which allows us not only to explain the results, but also make predictions, even though qualitative, concerning the expected behavior of the waveguides, and about the results of variations on the waveguide's construction. Finally, some examples of possible configurations of segmented waveguides, designed for operation within the optical communication band, are presented, with the objective of facilitating the design of such structures / Mestrado / Telecomunicações e Telemática / Mestre em Engenharia Elétrica

Orientadores: Leandro Tiago Manera, Arismar Cerqueira Sodré Júnior / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-27T14:09:44Z (GMT). No. of bitstreams: 1 NascimentoJunior_AdrianoRicardo_M.pdf: 49523846 bytes, checksum: 938b4d8587e112835bf6e0988731ba04 (MD5) Previous issue date: 2015 / Resumo: Neste trabalho foram fabricados microrressonadores em anel com alto fator de qualidade utilizando filmes de nitreto de silício (SixNy) depositados a baixa temperatura (20 °C) utilizando a técnica de deposição ECR-CVD (Deposição em Fase Vapor por Resonância Ciclotrônica do Elétron). Graças à alta não linearidade do SixNy, tais filmes têm sido recentemente usados para aplicações em óptica não linear como a geração de pentes de frequência na banda C de telecomunicações. Para tais aplicações, o guia de onda do dispositivo deve possuir um ponto de dispersão nula no centro da banda C, necessitando de uma grande área. Infelizmente, filmes espessos de nitreto de silício (>400 nm) possuem um alto stress responsável pela ocorrência de rachaduras catastróficas no filme que reduzem drasticamente a eficiência do dispositivo. Utilizando simulações numéricas, demonstrou-se que para valores de índice de refração (n) maiores que 2, a área do guia de onda com zero dispersão em ? = 1,55 ?m é consideravelmente reduzida, necessitando assim de uma menor espessura de filme. Foi obtido um filme de SixNy rico em Si, com índice de refração igual a 2, alta taxa de deposição, baixa concentração de hidrogênio e uma rugosidade média de somente 0,52 nm (4,2 nm de desvio padrão). Devido à baixa temperatura da técnica de deposição empregada, não foi observado traços de stress no filme, permitindo a obtenção de uma espessura de 730 nm utilizando uma única etapa de deposição. Os microrressonadores ópticos fabricados com raios de 60 e 120 ?m apresentaram um FSR (Free Spectral Range) equidistante em toda a banda C e um fator de qualidade de 7,2x10^3 foi obtido experimentalmente. Tais resultados demonstraram a alta eficiência dos dispositivos fabricados com o filme de SixNy desenvolvido e sua promissora aplicação para óptica não linear na banda C de telecomunicações / Abstract: Silicon nitride (SixNy) films deposited by low-pressure electron cyclotron resonance plasma enhanced chemical vapor deposition (ECR-CVD) at room temperature are proposed for fabrication of microring resonators with high Q-factor. Due to the high silicon nitride nonlinearity, these films recently have also been used for nonlinear optics applications in the telecommunications C-band. For nonlinear applications such as the generation of frequency combs, the waveguide needs a zero dispersion point in the middle of C-band, requesting large waveguide area. Unfortunately, these thick SixNy films (>400 nm) have high stress and suffer from catastrophic cracking, which reduces the device efficiency. Using numerical simulations it was demonstrated that for refractive index (n) values greater than 2, the area of the waveguide with zero dispersion point at ? = 1.55 ?m is greatly reduced. A Si-rich silicon nitride layer with refractive index of 2, high deposition rate, low hydrogen concentration and roughness average of 0.52 nm with standard deviation of 4.2 nm was obtained. Due to the low temperature deposition, no thermal stress was observed in the SixNy film, allowing a thickness of 730 nm obtained with only one deposition step. After experimental measurements, microring resonators having a radius of 60 and 120 ?m, presented an equidistant Free Spectral Range and a Q-factor of 7.2x10^3 was achieved, showing the high efficiency of the device and their promising application in nonlinear effects in the telecommunication C-band / Mestrado / Eletrônica, Microeletrônica e Optoeletrônica / Mestre em Engenharia Elétrica

We are reporting on a study of the near-field sensitivity and resolution of a metal-dielectric probe (MDP). The propagation of the electromagnetic field across the probe was studied experimentally by means of time-domain terahertz spectroscopy and numerically simulated by CST MicroWave Studio 2008. Several localised areas at the probe end facet were distinguished and showed to be sensitive to the local dielectric properties and local anisotropy of the sample. Contrast and sensitivity measurements were conducted in several configurations of a MDP; the results were confirmed by simulations. The acquired data were analysed by using singular value decomposition that enabled separating independent physical phenomena in the measured datasets and filtering external disturbances out of the signal. Independent components corresponding to the changes in the output terahertz pulse upon varying the probe-sample distance and reflecting the local anisotropy in a ferroelectric barium titanate (BaTiO3) crystal were extracted and identified. The domain structure with characteristic dimensions of about 5 um was resolved during imaging experiments on the ferroelectric BaTiO3 sample, i.e. the resolved structures were ten times smaller than the characteristic dimensions of the end facet of the probe and forty times smaller than...

The identification and quantification of atoms, molecules, or ions concentrations in gaseous samples are in great demand for medical, environmental, industrial, law enforcement and national security applications. These applications require in situ, high-resolution, non-destructive, sensitive, miniature, inexpensive, rapid detection, remotely accessed, real time and continuously operating chemical sensing devices. The aim of this work is to design a miniature optical sensing device that is capable of detecting and measuring chemical species, compatible with being integrated into a large variety of monitoring systems, and durable enough to be used under extreme conditions. The miniature optical sensor has been realized by employing technologies from the optical communication industry and spectroscopic methods and techniques. Fused silica capillary tubing along with standard communication optical fibers have been utilized to make miniature gas sensor based on near-infrared spectroscopy for acetylene gas detection. In this work, the basic principles of infrared spectroscopy are reviewed. Also, the principle of operation, fabrication, testing, and analysis of the proposed sensor are discussed in details. / Master of Science