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[EN] Optical technologies are the backbone of modern communication systems providing high-speed access to the Internet, efficient inter and intra-data center interconnects and are expending towards growing research fields and new markets such as satel- lite communications, LIDARs (Laser Imaging Detection and Ranging) applications, Neuromorphic computing, and programable photonic circuits, to name a few. Be- cause of its maturity and low-cost, silicon photonics is being leveraged to allow these new technologies to reach their full potential.As a result, there is a strong need for innovative, high-speed and energy-efficient photonic integrated building blocks on the silicon platform to increase the readiness of silicon photonic integrated circuits. The work developed and presented in this thesis is focused on the design and char- acterization of advanced passive and active devices, for photonic integrated circuits. The thesis consists of three main chapters as well as a motivation and concluding sections exposing the rationale and the accomplishments of this work. Chapter one describes the design and characterization of an electro-optical Mach-Zehnder mod- ulator embedded in highly efficient vertical pn junction exploiting the free-carrier dispersion effect in the O-band.. Chapter two is devoted to the design and charac- terization of a novel geometry of asymmetrical multimode interference device and its implementation in a Mach-Zehnder modulator. Chapter three is dedicated to the design and characterization of innovative 1-dimensional photonic crystal designs for slow- lightmodulation applications. An extensive analysis of the main trade-off arising from the use of slow light is presented. / [ES] Las tecnologías ópticas son el eje vertebrador de los sistemas de comunicación mod- ernos que proporcionan acceso de alta velocidad a la Internet, interconexiones efi- cientes entre centros de datos y dentro de ellos. Además, se están expandiendo hacia campos de investigación crecientes y nuevos mercados como son las aplicaciones de comunicaciones por satélite, los LIDAR (Laser Imaging Detection and Ranging), la computación neuromórfica y los circuitos fotónicos programables, por nombrar algunos. La fotónica de silicio está considerada y aceptada ampliamente como una de las tecnologías clave para que dichas aplicaciones puedan desarrollarse. Como resultado, hay una fuerte necesidad de estructuras fotónicas básicas integradas que sean innovadoras, que soporten altas velocidades de transmisión y que sean más eficientes en términos de consumo de potencia, a fin de aumentar la capacidad de los circuitos integrados fotónicos de silicio. El trabajo desarrollado y presentado en esta tesis se centra en el diseño y la car- acterización de dispositivos avanzados pasivos y activos, para circuitos fotónicos integrados. La tesis consta de tres capítulos principales, así como de sendas sec- ciones de motivación y conclusiones que exponen los fundamentos y los logros de este trabajo. El capítulo uno describe el diseño y la caracterización de un modulador electro-óptico Mach-Zehnder incorporado en una unión pn vertical altamente eficien- ciente que explota el efecto de dispersión de plasma en banda O. El capítulo dos está dedicado al diseño y caracterización de una nueva geometría de dispositivo de interferencia multimodo asimétrico y su aplicación en un modulador Mach-Zehnder. El capítulo tres está dedicado al diseño y caracterización de innovadores cristales fotónicos unidimensionales para aplicaciones de modulación con luz lenta. Se pre- senta un amplio análisis de los principales retos derivados del uso de la misma. / [CA] Les tecnologies òptiques són l'eix vertebrador d'aquells sistemes de comunicació moderns que proporcionen accés d'alta velocitat a la Internet, així com intercon- nexions eficients inter i entre centres de dades. A més a més, s'estan expandint cap a camps d'investigació creixents i nous mercats com són les aplicacions de co- municacions per satèl·lit, els LIDAR (Laser Imaging Detection and Ranging), la computació neuromòrfica i els circuits fotònics programables, entre d'altres. La fotònica de silici és considerada i acceptada àmpliament com una de les tecnologies clau i necessàries perquè aquestes aplicacions puguen desenvolupar-se. Per aquest motiu, es fa necessària l'existència d'estructures fotòniques bàsiques integrades que siguen innovadores, que suporten altes velocitats de transmissió i que siguen més eficients en termes de consum de potència, a fi d'augmentar la capacitat dels cir- cuits integrats fotònics de silici. El treball desenvolupat i presentat en aquesta tesi se centra en el disseny i la caracterització de dispositius avançats passius i actius, per a circuits fotònics integrats. La tesi consta de tres capítols principals, així com d'una secció de motivació i una altra de conclusions que exposen els fonaments i els assoliments d'aquest treball. El capítol u descriu el disseny i la caracterització d'un modulador electro-òptic Mach-Zehnder incorporat en una unió pn vertical d'alta efi- ciència que explota l'efecte de dispersió de plasma en la banda O. El capítol dos està dedicat al disseny i caracterització d'una nova geometria de dispositiu d'interferència multimode asimètric així com a la seua aplicació en un modulador Mach-Zehnder. El capítol tres està dedicat al disseny i caracterització d'innovadors cristalls fotònics unidimensionals per a aplicacions de modulació amb llum lenta. S'inclou també una anàlisi detallada dels principals reptes derivats de l'ús d'aquest tipus de llum. / I want to thank you the Generelitat Valenciana and the European Project L3MATRIX for the funding, without them my doctorate would not taken place. / Zanzi, A. (2020). Passive and active silicon photonics devices at TLC telecommunication wavelengths for on-chip optical interconnects [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/149377

Yes / This work presents the development of a new approach of modelling the source excitation and the penetration of structures by continuous propagating electromagnetic (EM) plane waves. The technique incorporates the solution of time-dependent Maxwell's equations and the initial value problem as the structures are illuminated by the plane waves. The propagation of waves from source excitation is simulated by solving a finite-difference Maxwell's equation in the time domain. Subgridding method is used to condense the lattice at the point of interest locally for observing field distribution in high resolution. The computational burden due to huge number of time steps has been eased by employing quasi-static approach. An example of induced EM fields near an underground pipeline runs parallel to a 132 kV overhead power transmission line (OHTL) has been presented which paves the way in the development of new approach of EM fields interaction modelling. / MSCRC

The main objective of this research is to model and analyse complex electromagnetic problems by means of a new hybridised computational technique combining the frequency domain Method of Moments (MoM), Finite-Difference Time-Domain (FDTD) method and a subgridded Finite-Difference Time-Domain (SGFDTD) method. This facilitates a significant advance in the ability to predict electromagnetic absorption in inhomogeneous, anisotropic and lossy dielectric materials irradiated by geometrically intricate sources. The Method of Moments modelling employed a two-dimensional electric surface patch integral formulation solved by independent linear basis function methods in the circumferential and axial directions of the antenna wires. A similar orthogonal basis function is used on the end surface and appropriate attachments with the wire surface are employed to satisfy the requirements of current continuity. The surface current distributions on structures which may include closely spaced parallel wires, such as dipoles, loops and helical antennas are computed. The results are found to be stable and showed good agreement with less comprehensive earlier work by others. The work also investigated the interaction between overhead high voltage transmission lines and underground utility pipelines using the FDTD technique for the whole structure, combined with a subgridding method at points of interest, particularly the pipeline. The induced fields above the pipeline are investigated and analysed. FDTD is based on the solution of Maxwell's equations in differential form. It is very useful for modelling complex, inhomogeneous structures. Problems arise when open-region geometries are modelled. However, the Perfectly Matched Layer (PML) concept has been employed to circumvent this difficulty. The establishment of edge elements has greatly improved the performance of this method and the computational burden due to huge numbers of time steps, in the order of tens of millions, has been eased to tens of thousands by employing quasi-static methods. This thesis also illustrates the principle of the equivalent surface boundary employed close to the antenna for MoM-FDTD-SGFDTD hybridisation. It depicts the advantage of using hybrid techniques due to their ability to analyse a system of multiple discrete regions by employing the principle of equivalent sources to excite the coupling surfaces. The method has been applied for modelling human body interaction with a short range RFID antenna to investigate and analyse the near field and far field radiation pattern for which the cumulative distribution function of antenna radiation efficiency is presented. The field distributions of the simulated structures show reasonable and stable results at 900 MHz. This method facilitates deeper investigation of the phenomena in the interaction between electromagnetic fields and human tissues.

Thesis (PhD)--Stellenbosch University, 2013. / ENGLISH ABSTRACT: The parallel FDTD method as used in computational electromagnetics is implemented on a variety of different high performance computing platforms. These parallel FDTD implementations have regularly been compared in terms of performance or purchase cost, but very little systematic consideration has been given to how much effort has been used to create the parallel FDTD for a specific computing architecture. The deployment effort for these platforms has changed dramatically with time, the deployment time span used to create FDTD implementations in 1980 ranging from months, to the contemporary scenario where parallel FDTD methods can be implemented on a supercomputer in a matter of hours. This thesis compares the effort required to deploy the parallel FDTD on selected computing platforms from the constituents that make up the deployment effort, such as coding complexity and time of coding. It uses the deployment and performance of the serial FDTD method on a single personal computer as a benchmark and examines the deployments of the parallel FDTD using different parallelisation techniques. These FDTD deployments are then analysed and compared against one another in order to determine the common characteristics between the FDTD implementations on various computing platforms with differing parallelisation techniques. Although subjective in some instances, these characteristics are quantified and compared in tabular form, by using the research information created by the parallel FDTD implementations. The deployment effort is of interest to scientists and engineers considering the creation or purchase of an FDTD-like solution on a high performance computing platform. Although the FDTD method has been considered to be a brute force approach to solving computational electromagnetic problems in the past, this was very probably a factor of the relatively weak computing platforms which took very long periods to process small model sizes. This thesis will describe the current implementations of the parallel FDTD method, made up of a combination of several techniques. These techniques can be easily deployed in a relatively quick time frame on computing architectures ranging from IBM’s Bluegene/P to the amalgamation of multicore processor and graphics processing unit, known as an accelerated processing unit. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Die parallel Eindige Verskil Tyd Domein (Eng: FDTD) metode word gebruik in numeriese elektromagnetika en kan op verskeie hoë werkverrigting rekenaars geïmplementeer word. Hierdie parallele FDTD implementasies word gereeld in terme van werkverrigting of aankoop koste vergelyk, maar word bitter min sistematies oorweeg in terme van die hoeveelheid moeite wat dit geverg het om die parallele FDTD vir 'n spesifieke rekenaar argitektuur te skep. Mettertyd het die moeite om die platforms te ontplooi dramaties verander, in the 1980's het die ontplooings tyd tipies maande beloop waarteenoor dit vandag binne 'n kwessie van ure gedoen kan word. Hierdie tesis vergelyk die inspanning wat nodig is om die parallelle FDTD op geselekteerde rekenaar platforms te ontplooi deur te kyk na faktore soos die kompleksiteit van kodering en die tyd wat dit vat om 'n kode te implementeer. Die werkverrigting van die serie FDTD metode, geïmplementeer op 'n enkele persoonlike rekenaar word gebruik as 'n maatstaf om die ontplooing van die parallel FDTD met verskeie parallelisasie tegnieke te evalueer. Deur hierdie FDTD ontplooiings met verskillende parallelisasie tegnieke te ontleed en te vergelyk word die gemeenskaplike eienskappe bepaal vir verskeie rekenaar platforms. Alhoewel sommige gevalle subjektief is, is hierdie eienskappe gekwantifiseer en vergelyk in tabelvorm deur gebruik te maak van die navorsings inligting geskep deur die parallel FDTD implementasies. Die ontplooiings moeite is belangrik vir wetenskaplikes en ingenieurs wat moet besluit tussen die ontwikkeling of aankoop van 'n FDTD tipe oplossing op 'n höe werkverrigting rekenaar. Hoewel die FDTD metode in die verlede beskou was as 'n brute krag benadering tot die oplossing van elektromagnetiese probleme was dit waarskynlik weens die relatiewe swak rekenaar platforms wat lank gevat het om klein modelle te verwerk. Hierdie tesis beskryf die moderne implementering van die parallele FDTD metode, bestaande uit 'n kombinasie van verskeie tegnieke. Hierdie tegnieke kan maklik in 'n relatiewe kort tydsbestek ontplooi word op rekenaar argitekture wat wissel van IBM se BlueGene / P tot die samesmelting van multikern verwerkers en grafiese verwerkings eenhede, beter bekend as 'n versnelde verwerkings eenheid.

There is an increasing need for accurate models describing the electrical behaviour of individual biological cells exposed to electromagnetic fields. In this area of solving linear problem, the most frequently used technique for computing the EM field is the Finite-Difference Time-Domain (FDTD) method. When modelling objects that are small compared with the wavelength, for example biological cells at radio frequencies, the standard Finite-Difference Time-Domain (FDTD) method requires extremely small time-step sizes, which may lead to excessive computation times. The problem can be overcome by implementing a quasi-static approximate version of FDTD, based on transferring the working frequency to a higher frequency and scaling back to the frequency of interest after the field has been computed. An approach to modeling and analysis of biological cells, incorporating the Hodgkin and Huxley membrane model, is presented here. Since the external medium of the biological cell is lossy material, a modified Berenger absorbing boundary condition is used to truncate the computation grid. Linear assemblages of cells are investigated and then Floquet periodic boundary conditions are imposed to imitate the effect of periodic replication of the assemblages. Thus, the analysis of a large structure of cells is made more computationally efficient than the modeling of the entire structure. The total fields of the simulated structures are shown to give reasonable and stable results at 900MHz, 1800MHz and 2450MHz. This method will facilitate deeper investigation of the phenomena in the interaction between EM fields and biological systems. Moreover, the nonlinear response of biological cell exposed to a 0.9GHz signal was discussed on observing the second harmonic at 1.8GHz. In this, an electrical circuit model has been proposed to calibrate the performance of nonlinear RF energy conversion inside a high quality factor resonant cavity with known nonlinear device. Meanwhile, the first and second harmonic responses of the cavity due to the loading of the cavity with the lossy material will also be demonstrated. The results from proposed mathematical model, give good indication of the input power required to detect the weakly effects of the second harmonic signal prior to perform the measurement. Hence, this proposed mathematical model will assist to determine how sensitivity of the second harmonic signal can be detected by placing the required specific input power.

Les nanostructures et les cristaux photoniques en particulier ont enrichi les possibilités de l'optique guidée : guides d'onde de tailles submicroniques, virages à angle droit, cavités résonnantes, fibres. Associés aux guides d'onde traditionnels, ils devraient permettre une intégration d'un nombre croissant de fonction sur le composant : adressage, filtrage spectral, traitement du signal, capteurs... Cependant, la fabrication de telles structures reste un défi technologique, notamment à cause de la parfaite homogénéité ainsi que de la taille nanométrique des gravures qu'elle nécessite. Dans cette thèse, après en avoir déterminé les différents paramètres par calcul de bande et FDTD, nous proposons deux méthodes de fabrication de nanostructures associées à des guides d'onde basées sur l'utilisation d'un faisceau d'ions focalisé (FIB). Une première méthode permet la gravure des nanostructures par FIB seul, une seconde combine l'action du FIB et de la RIE. Les structures sont réalisées sur des substrats où ont été préalablement déposés les guides d'onde. La fabrication a été validée pour une structure multicouche SiO2/SiON/SiO2 déposée sur un substrat de Silicium. Des résultats partiels ont été obtenus pour le niobate de lithium, qui est un matériau difficile à nanostructurer par les méthodes habituelles. Enfin un microscope en champ proche optique de type SNOM a été développé dans le but de caractériser les nanostructures, cette méthode étant imposée par le fort confinement de la lumière.

Les cellules solaires en couches minces permettent de produire de l'énergie à bas-coût et sans émission de gaz à effet de serre. Dans le but de réaliser des dispositifs toujours plus performants, nous étudions l'impact de l'intégration de nanostructures métalliques (NSs) au sein de cellules solaires organiques (CSO). Ces NSs peuvent alors générer des effets diffusifs et des résonances issues de plasmons de surface. A l'aide d'un modèle numérique FDTD, nous démontrons que l'ingénierie plasmonique peut servir à augmenter l'absorption dans le matériau photoactif tout en limitant l'énergie perdue sous forme de chaleur dans les NSs. L'influence de paramètres opto-géométriques de structures associant matériaux organiques et effets plasmoniques est étudiée (diamètre, position des particules dans la couche et période du réseau de particules sphériques). Expérimentalement, des NSs d'argent ont été réalisées par évaporation sous vide puis intégrées dans des couches organiques. Nous avons mesuré une exaltation de l'absorption optique dans la gamme spectrale utile à la photo-conversion. Trois architectures différentes de CSO plasmonique ont été fabriquées et caractérisées par MEB, TEM et ToF-SIMS, puis modélisées, permettant d'identifier des verrous technologiques et de proposer des pistes d'amélioration. Nous avons aussi intégré des NSs au sein d'un empilement transparent et conducteur de type oxyde/métal/oxyde, dans le but de remplacer l'électrode classique en oxyde d'indium et d'étain d'une CSO. Le rôle de chaque couche de l'empilement sur le comportement optique de l'électrode est discuté. Les épaisseurs des couches d'une électrode de type ZnO/Ag/ZnO ont été optimisées.

Dans un contexte d'évolution incessante des moyens de communications sans fil, les inquiétudes perdurent malgré les législations existantes. L'accroissement d'usages divers et variés des téléphones mobiles impliquent des questionnements sur l'exposition induite par ces nouveaux usages. Ce manuscrit permet d'enrichir les connaissances en dosimétrie numérique en prenant en considération la variabilité des conditions d'utilisation. Pour une évaluation précise de l'exposition, la méthode des Différences Finies dans le Domaine Temporel (FDTD) qui a prouvé son efficacité, est employée. L'objectif est de quantifier précisément le Débit d'Absorption Spécifique (DAS) induit dans des organes comme le cerveau et les organes reproducteurs. Dans cette analyse, une attention particulière sera portée sur les usages potentiels des téléphones portables par les enfants. Le choix des configurations couvre différentes technologies, usages et bandes de fréquences permettant d'étudier la sensibilité du DAS à la variabilité de ces paramètres, pour une meilleure maîtrise de l'exposition réelle, au-delà du problème de la conformité. Le nombre important des variables oblige à simplifier les modèles de simulation par la construction de méta-modèles statistiques afin de réduire les coûts de calcul. La méthode spectrale par Chaos Polynomial (CP) dédiée à la gestion des incertitudes et à l'analyse de sensibilité est adoptée pour la mise en place d'un modèle approché du DAS. Afin d'aboutir à une représentation par CP fiable et peu coûteuse en termes de simulations, l'utilisation par CP creux et adaptatif est appliquée. Seuls les termes les plus significatifs sont retenus dans la décomposition par CP. Cette approche est appliquée aux problèmes en dosimétrie numérique afin de propager les incertitudes portant sur les paramètres d'entrée dans les simulations et de quantifier l'impact de ces incertitudes sur l'exposition (e.g. impact de la localisation du téléphone sur la dispersion du DAS) avec un faible coût de calcul

The aim of this study is to analysis, investigate and find out the solutions for the problems associated with the implementations of antennas RFID Reader and Tag for various applications. In particular, the efficiency of the RFID reader antenna and the detection range of the RFID tag antenna, subject to a small and compact antenna's design configuration have been studied. The present work has been addressed directly to reduce the cost, size and increase the detection range and communication reliability of the RFID framework antennas. Furthermore, the modelling concept of RFID passive tags mounted on various materials including the novel design of RFID reader antenna using Genetic Algorithm (GA) are considered and discussed to maintain reliable and efficient antenna radiation performances. The main benefit of applying GA is to provide fast, accurate and reliable solutions of antenna's structure. Therefore, the GA has been successfully employed to design examples: meander-line, two linear cross elements and compact Helical- Spiral antennas. In addition, a hybrid method to model the human body interaction with RFID tag antenna operating at 900MHz has been studied. The near field distribution and the radiation pattern together with the statistical distribution of the radiation efficiency and the absorbed power in terms of cumulative distribution functions for different orientation and location of RFID's tag antenna on the human body have been demonstrated. Several tag antennas wi th symmetrical and unsymmetrical structure configurations operating in the European UHF band 850-950 MHz have been fabricated and tested. . The measured and simulated results have been found to be in a good agreement with reasonable impedance matching to the typical input impedance of an RFID integrated circuit chip and nominal power gain and radiation patterns.