Orientador: Newton Cesário Frateschi / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-09-02T20:57:13Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Souza_MarioCesarMendesMachadoDe_D.pdf: 15167961 bytes, checksum: b18ee3c5c89a54254813d054e000f1d7 (MD5) Previous issue date: 2017 / Resumo: Após duas décadas de progresso contínuo, a fotônica integrada apresenta-se como uma tecnologia indispensável, exibindo soluções para importantes demandas tecnológicas atuais como o tráfego e processamento de sinais ópticos ultra-rápidos. Ao mesmo tempo, ela permite avanços substanciais em áreas emergentes como o "laboratório-no-chip" (lab-on-a-chip). No entanto, enquanto funcionalidades básicas necessárias para a maioria das aplicações (fontes de luz, moduladores, filtros, linhas de atraso, detectores, etc.) já estão disponíveis em uma variedade de dispositivos e plataformas, alguns desafios ainda permanecem. Nos últimos quatro anos, estivemos interessados em identificar alguns desses desafios e fornecer abordagens interessantes para enfrentá-los. Esta tese, que engloba uma parcela importante dessas investigações, pode ser dividida em dois tópicos. No primeiro, apresentamos microresonadores acoplados como dispositivos que permitem um controle espectral flexível e reconfigurável. Explorando as características desses dispositivos, demonstramos novas funcionalidades como o controle reconfigurável do "splitting" entre ressonâncias, fornecemos novas ferramentas de modelagem como uma teoria de modos acoplados modificada e propomos um modulador que emprega anéis acoplados, capaz de superar a limitação entre eficiência de modulação e largura de banda enfrentada por moduladores baseados em um único anel. No segundo tópico apresentamos o desenvolvimento de um espectrômetro a transformada de Fourier integrado em um chip, utilizando fotônica de silício. Os desafios para obter esse dispositivo, como a não-idealidade inerente à plataforma de silício (dispersão e não-linearidade termo-ótica) são discutidos em detalhe, além da demonstração experimental que indica como tal dispositivo pode abrir caminho para espectrômetros portáteis robustos e econômicos / Abstract: After two decades of continuous progress, integrated photonics has proven its indisputable role as an enabling technology. It addresses important technological demands of our time such as ultrafast optical data transfer and processing while allowing substantial progress in emerging areas, including lab-on-a-chip. Although the basic functionalities required for most applications (light sources, modulators, filters, delay lines, detectors, etc.) are now available in a variety of designs and platforms, a few challenges remain and room for improvement can still be found. During the last four years, we have been interested in identifying some of these challenges and in providing interesting approaches to tackle a handful. This thesis, encompassing an important share of such investigations, can be divided into two topics. First, we present coupled microresonators as devices allowing for flexible and reconfigurable spectral control. Exploiting these devices, we demonstrate novel functionalities like the reconfigurable resonance-splitting control, we provide novel modeling tools such as a modified coupled mode theory, and we propose a coupled-ring modulator that overcomes the trade-off between modulation efficiency and bandwidth faced by single microrings modulators. The second topic addresses the realization of an on-chip Fourier transform spectrometer using silicon photonics. We discuss the challenges of realizing such device due to non-idealities inherent to the silicon platform (dispersion and thermo-optic non-linearity) and we provide an experimental demonstration indicating how this device can pave the way for robust and cost-effective portable spectrometers / Doutorado / Física / Doutor em Ciências / 156281/2013-9 / 2014/04748-2, 2015/20525-6 / CNPQ / FAPESP

Orientador: Newton Cesário Frateschi / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-24T10:26:52Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Barea_LuisAlbertoMijam_D.pdf: 8459370 bytes, checksum: 5dd565986711cb06cb24cf63d6d69372 (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: Sistemas fotônicos baseados em ressonadores na forma de anéis tem uma dependência fundamental dada pela relação estreita entre espaçamento espectral livre (Free Spectral Range, FSR), fator de qualidade total, Q, e o raio dos ressonadores, R. Nesta tese, nós quebramos esta dependência empregando moléculas fotônicas (Photonic Molecules, PMs) baseadas em múltiplos anéis internamente acoplados a um anel externo, que por sua vez está acoplado a um guia de onda. Aplicando o método de matriz de transferência (Transfer-Matrix Method, TMM) e programas robustos de simulação, nós projetamos três tipos de PMs baseada em uma plataforma de Silício-sobre-isolante (Silicon-on-Insulator, SOI). Este projeto mostrou que o acoplamento entre duas ou mais micro-cavidades ópticas, permite separações espectrais e hibridização dos modos quando as frequências ressonantes estão degeneradas nas cavidades, similar ao acoplamento fraco entre átomos. Estas PMs foram fabricadas com um processo convencional e compatível com a tecnologia CMOS, empregando uma Foundry, e suas caracterizações mostraram a emergência de dupletos, tripletos, quadrupletos e sextupletos de ressonâncias degeneradas, com alto Q e espaçamentos curtos, somente possíveis com anéis de algumas ordens de magnitude maiores em área. Estes resultados quebraram o paradigma da interdependência entre Q, FSR e R, evidenciando que é possível ter tempo de vida fotônico, espaçamento espectral e área independentes. As aplicações destas PMs em processamento de sinal óptico também foram demonstrados neste trabalho. Nós apresentamos o uso da molécula com dupleto de ressonâncias para extrair um sinal RF de 34.2 GHz, filtrando as bandas laterais de um sinal modulado. Também foi demonstrado que moduladores ópticos ultracompactos operando à 2.75 vezes acima do limite da largura de linha do ressonador pode ser obtido a partir da PM que apresenta um tripleto de ressonâncias, separadas de ~55 GHz. Finalmente, utilizando a molécula que permite obter um quadrupleto de ressonâncias, foi demonstrado a conversão de comprimento de onda totalmente óptico (multicasting) para quatro canais convertidos e separados de 40-60 GHz, utilizando apenas 1 mW de potência de controle / Abstract: Photonic systems based on microring resonators have a fundamental constraint given by the strict relationship among free spectral range (FSR), total quality factor (Q) and resonator size (R). In this thesis, we break this dependence employing CMOS compatible photonic molecules (PMs) based on multiple inner ring resonators coupled to an outer ring, which is coupled to a straight bus waveguide. Applying the transfer matrix method (TMM) and simulation robust programs, we project three types of PM based on scalable silicon-on-insulator (SOI) platform. This project shows that the coupling between two or more optical micro-cavities, allows spectral splitting and hybridization of the modes when the resonant frequencies are degenerated in the cavities, similar to weak coupling between atoms. These PMs were fabricated in a conventional CMOS Foundry and your characterization shows the emergence of doublet, triplet, quadruplet and sextuplet of degenerated resonances, with high-Q and close-spaced, only achievable with single-ring orders of magnitude larger in footprint. These results break the paradigm of the interdependence between Q, FSR and R, evidencing that is possible to have photonic lifetime, spectral spacing and footprint independents. The applications of these PMs in optical processing signal were also demonstrate in this work. We demonstrate the use of the doublet splitting for 34.2 GHz RF signal extraction by filtering the sidebands of a modulated optical signal. We also demonstrate that very compact optical modulators operating 2.75 times beyond its resonator linewidth limit may be obtained using the PM triplet splitting, with separation of ~ 55 GHz. Finally, using the quadruplet of resonances, we demonstrate four-channel all-optical wavelength multicasting using only 1 mW of control power, with converted channel spacing of 40-60 GHz / Doutorado / Física / Doutor em Ciências

Orientadores: Hugo Enrique Hernandez Figueroa , Júlio César Rodrigues Fernandes de Oliveira / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-26T03:17:30Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Freitas_AlexandrePassos_M.pdf: 2935936 bytes, checksum: 2bf660b1a9d7a183bc552d3db9da1b97 (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: O crescente aumento da demanda de tráfego de dados dos sistemas de comunicação ópticos em conjunto com a busca da integração e miniaturização cada vez maior dos componentes impulsionaram a fotônica integrada em silício como uma das tecnologias promissoras para a evolução das novas gerações de dispositivos ópticos. Esta tecnologia, além de possuir suas características de um alto contraste de índice de refração, capacidade de modulação óptica através de controle de temperatura ou por densidade de portadores, se utiliza da infra-estrutura de fabricação para a indústria de microeletrônica já desenvolvida nas últimas décadas. Neste cenário, este trabalho propõe o desenvolvimento de um modulador de fase fabricado com a tecnologia de fotônica integrada em silício para o formato de modulação DP-QPSK e que opere na banda C de comunicação óptica. Análises de simulações e experimentais foram realizadas para a validação do fluxo de desenvolvimento do circuito e de cada componentes utilizado individualmente / Abstract: The increasing demand for data in optical communication systems with a constant search for reduction of device dimensions boosted silicon photonics as a candidate technology to the following optical device generations. Besides having high refractive index contrast, modulation capabilities through thermal or by carrier density control, this technology takes advantage of the microelectronic infra-structure developed in the last decades to fabricate small optical components with high reliability. In this scenario, this dissertation proposes the design of a phase modulator in silicon photonic technology. This modulator is able to operate at C-band and make the DP-QPSK modulation. Simulation and experiment analysis were made to validate the design flow for the optical circuit and for each single component / Mestrado / Telecomunicações e Telemática / Mestre em Engenharia Elétrica