L'objectiu principal d'aquesta tesi és el desenvolupament d'una nova eina de caracterització local, basada en tècniques de microscòpia d'escombrat, que permeti estudiar la propagació de la llum en medis de guiat òptic. Aquest nou microscopi s'anomena microscopi òptic de camp proper (SNOM). L'aplicació d'aquest nou instrument a diferents estructures i dispositius òptics integrats ha permès obtenir informació del comportament de la propagació de la llum en funció dels paràmetres del procés tecnològic. La informació que és pot obternir es pot separar en dues parts: una caracterització topogràfica que permet estudiar l'estructura morfològica del dispositiu (rugositat de la superfície, dimensions geomètriques dels dispositius, etc) amb gran resolució (~nm), i sense malmetre la mostra; per altra banda, capturant les ones evanescents presents a la superfície de l'estructura, s'estudia la propagació modal de la llum a través del dispositiu, amb una resolució per sota del límit de difracció, essent l'única tècnica que permet aquest tipus de caracterització. Addicionalment s'obté la l'índex de refracció efectiu de propagació per la guia, i la mesura del paràmetre de decaïment del camp evanescent. El microscopi s'ha construït al propi laboratori, i és del tipus "stand-alone", perfectament compatible amb un banc òptic de mesura. Els rangs del microscopi són de 300mmx150mm en el pla de la mostra, i de 5mm verticalment. El control de la distància punta-mostra és del tipus "tuning fork shear force control".El tipus de mostres estudiades es basen en la tecnologia de silici. Primer s'han estudiat dispositius basats en guies de nitrur de silici d'estructura en esglaó, amb un nucli de 200nm. S'ha estudiat la distribució modal en funció de l'amplada de la guia, i s'ha determinat l'índex efectiu de propagació. Finalment s'ha caracteritzat l'atac Reactive Ion Etching per obtenir esglaons < 10nm.A continuació s'han estudiat dispositius basats en l'estructura ARROW, del tipus multicapa, amb un nucli ~3mm. S'ha determinat la condició de propagació monomode, s'ha avaluat el camp evanescent vertical i lateral de guies rectes, s'ha estudiat la unió en Y d'un interferòmetre Mach-Zehnder, i finalment s'ha mesurat a través del camp evanescent, la longitud d'acoblament d'un acoblador direccional.Finalment, la última part de la tesi s'ha dedicat a explorar l'ús de diferents tècniques litogràfiques per modificar guies microfabricades de forma estàndard, per tal d'obtenir dispositius nous i de menors dimensions. Les guies modificades són guies de nitrur de silici. La primera tècnica estudiada és una combinació de litografia Làser i atac químic, i s'ha aconseguit visualtizar un nou comportament en aquestes guies, la conversió de mode TE a TM. La segona tècnica estudiada és una combinació de litografia AFM i atac RIE, i s'ha determinat les condicions d'atac per provocar canvis significatius en la propagació de la llum / The main objective of this thesis is to develop a new instrument, a Scanning Near-Field Optical Microscope (SNOM), based on scanning microscopy techniques, for the characteritzation of optical guiding devices. Applied to different integrated optical structures and devices, information on the light propagation as a function of technological parameters will be obtained.The obtained information can be separated in two branches: first, a topographic characterization, which allows to study the morphology of the structure (surface roughness, geometric dimensions, etc) with a resolution below 1nm without any special preparation of the sample; and second, an optical characterization which allows to study the light propagation with a resolution below the classical diffraction limit. By picking up the evanescent waves presents on the surface of the optical guiding devices the modal propagation is visualized, being the unique technique allowing such measurement. Also the decay length of the evanescent field is characterized, as well as the effective refractive index of the structure. The home-made built microscope is a stand-alone design, fully compatible with a standard optical bench for the characterization of optical waveguiding devices. The ranges of the microscope are 300mmx150mm in the plane and 5mm vertical, and the tip-sample distance control is based on tuning fork shear force control. Based on silicon technology, two different waveguide structures has been studied. The first one is a silicon nitride based rib waveguides, with a thin core of about 200nm The modal propagation depending on the width of the structure is characterized, as well as the evanescent field. Finally, the Reactive Ion Etching used to make the rib has been teste to produce steps below 10nm. The second structure is known as ARROW structure, which is a multilayer structure with a core similar to that of a fiber (~3mm). In this case the single mode propagation condition has been determined, and the vertical and lateral evanescent field have been measured. A Y-branch of an interferometer has been also studied, and finally the coupling length of a directional coupler has been experimentally determined.The last part of the thesis is devoted to the modification of standard microfabricated optical waveguides by new lithographic techniques, in order to obtain new and smaller devices. The first technique is a combination of laser lithography and chemical etching, and by modifying a standard rib silicon nitride waveguide is has been observed a polarization conversion (TE-TM conversion). The second technique is a combination of AFM-lithography and RIE, which allows nanometer-scale modifications. The results of this new technique shows whether the modification can significantly changes the propagation conditions or not

[ES] La presente tesis doctoral tiene como objetivo principal el estudio, desarrollo, diseño y fabricación de nuevos componentes pasivos de microondas, tales como filtros y multiplexores que operen en las bandas de alta frecuencia de los actuales y futuros satélites de telecomunicación (bandas Ku, K y Ka) entre 12 y 40 GHz. Dichos componentes deben ser capaces de ofrecer tanto respuestas clásicas sencillas como avanzadas (elípticas), y presentar una capacidad de resintonización (tanto en términos de frecuencia central como de ancho de banda). Estos componentes darán solución a las necesidades actuales de los sistemas de comunicaciones espaciales, que requieren de mayores tasas de transmisión de datos (señales de mayor ancho de banda), así como de mayor flexibilidad en las frecuencias de operación, para ofrecer con un mismo dispositivo distintos servicios y prestaciones. Para ello, se proponen tanto modificaciones a las estructuras de filtros clásicos de microondas actuales, como la introducción de nuevas estructuras. Asimismo, también se investigará el uso de los tornillos de ajuste post-fabricación de los filtros como tornillos de sintonía metálicos, así como la posible introducción de tornillos de sintonía realizados con distintos materiales dieléctricos. Se pretende, de esta forma, mejorar las respuestas de los dispositivos actuales; reduciendo su tamaño y costes de producción (debido a la relajación de las tolerancias de fabricación), abaratando de esta forma la fabricación y futura operación de los mismos. Aprovechando estos nuevos dispositivos, se abordará también el diseño, fabricación y medida de componentes más complejos, como pueden ser los los diplexores de canal o los conmutadores con respuesta selectiva en frecuencia, todos ellos necesarios en los sistemas de comunicaciones espaciales y en íntima relación con los filtros previamente mencionados. Por último, el desarrollo de todos estos nuevos dispositivos vendrá acompañado de una metodología de diseño basado en el uso del Mapeo Espacial Agresivo (Aggressive Space Mapping, ASM) especialmente adaptado a los filtros en guía de onda. / [CA] La present tesis doctoral té com a objectiu el estudi, desenvolupament, diseny i fabricació de nous components pasius de microones, tals com els filtres i multiplexors que operen en les bandes d'alta freqüencia dels actuals i futurs satèl.lits de telecomunicació (bandes Ku, K i Ka) entre 12 i 40 GHz, Aquests components han de ser capaços d'oferir tant, respostes clàsiques sencilles com avançades (eliptiques), i que a més a més presenten una capacitat de resintonització (tant en termes de freqüència central com d'amplada de banda). Aquestos nous components pasius donaràn solució a les necesitats dels actuals sistemes espacials, que requereixen de majors taxes de transmissió de dades (senyals de major amplada de banda), així com de major flexibilitat en les frequencies de operació, per oferir en un mateix dispositiu distints serveis i prestacions. Per aquesta raó, es proposen tant modificacions a les estructures del filtres clàsics de microones actuals, com la introducció de noves estructures. Així mateix, també s'investigarà l'us dels tornells d'ajustament post-fabricació dels filtres com a tornells de sintonía metàl.lica i la introducció de tornells de sintonía realitzats amb diferents materials dielèctrics Es pretén, d'aquesta forma, la millora de les respostes del dispositius actuals; reduint la envergadura i els costos de producció (gràcies a la relaxació de les toleràncies de fabricació), abaratint d'aquesta forma la fabricació i futura operació dels filtres mateixos. Aprofitant aquestos nous dispositius es treballarà també en el disseny, fabricaçió i mesura de components més complexes, com poden ser els multiplexors de canal i els commutadors amb resposta selectiva en freqüencia, tots ells necessaris en els sistemes de comunicacions espacials i en íntima relació amb els filtres abans esmenats. Per analitzar, el desenvolupament de tots aquestos dispositius vindrà acompanyat d'una metodologia de disseny basada en l'us del Mapatge Espacial Agressiu (Aggressive Space Mapping, ASM), especialment adaptat als filtres en guia d'ona. / [EN] The main objective of this doctoral thesis is the study, development, design and manufacture of new passive microwave components in waveguide technology, such as filters and multiplexers, that operate in the high frequency bands of current and future telecommunication satellite payloads between 12 and 40 GHz (Ku, K and Ka bands). The new solutions developed must other both classic and advanced (elliptical) responses, as well as the possibility of being reconfigured both in terms of center frequency and bandwidth. The motivation for this research is to address the current and future needs of space communication systems which require higher data rate transmission (that is larger bandwidths), as well as flexibility with respect to the operating frequency to dynamic adaptation to possible changes in user demands. In this context, we propose in this thesis alternative microwave filter structures in metallic waveguide, as well as novel solutions. We explore different approaches to adjust the filter performance, using both traditional metallic tuning screws as well as tuning elements made with dierent dielectric materials. We also advance the state-of-the-art by developing more performing Space Mapping procedures for the design, optimization and tuning of the filter structures that we propose. The objective is to improve the response of the devices and reduce, at the same time, their manufacturing time and costs. As a fundamental element of our work, in addition to theoretical developments, we also apply the findings of our research to the design, manufacture and measurement of a number of more complex components, such as diplexers and integrated switches and filters. They are practical devices to demonstrate the ability of the novel filters that we propose to satisfy the requirements of current and future advanced satellite payloads. / Ossorio García, J. (2021). Development of New Tunable Passive Microwave Components in Waveguide Technology [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/166100