An efficient numerical analysis method for wavelength-scale and sub-wavelength-scale photonic structures is developed. It is applied to metal-clad nano-lasers and photonic crystal-based DBRs to calculate intrinsic losses (from open boundaries), and to photonic crystal-based waveguides to calculate intrinsic and extrinsic losses (due to fabrication errors). Our results show that a metal-clad surface plasmon-based laser in a cylindrical configuration requires more gain to lase than is available from a semiconductor gain region. However, the lowest order TE and HE guided modes exhibit less loss than the other modes, and hold the most promise for lasing. For photonic crystal-based structures, our matrix-free implementation of the planewave expansion method for calculating layer modes combined with mode-matching between layers using a few lower order modes is shown to be a computationally efficient and reliable method. This method is then used to introduce robust design concepts for designing photonic crystal-based structures in the presence of fabrication uncertainties. Accounting for fabrication uncertainties is shown to be particularly important in the regions of the device where the light exhibits very low group velocity (`slow light'). Finally, the modal discrimination properties of photonic crystal-based DBRs (Distributed Bragg Reflectors) are compared with the properties of conventional oxide-DBR combinations to analyze the contribution of out-of-plane diffraction losses to modal discrimination.

Para abordar el análisis de estas estructuras de forma altamente eficiente, se pretenden utilizar dos enfoques distintos, que llevarían a dos técnicas distintas y eficientes, pero cada una de ellas con sus ventajas e inconvenientes respecto de la otra, que podremos concluir una vez finalizado el trabajo de investigación. Por un lado, se pretende utilizar el Método de los Momentos, una técnica numérica que convierte las ecuaciones integrales de un problema electromagnético en un sistema linear, expandiendo la magnitud desconocida usando un conjunto de funciones con coeficientes desconocidos. Al forzar las condiciones de contorno, en este caso de potencial eléctrico, en un determinado número de puntos, se obtiene un sistema linear de ecuaciones que será resuelto numéricamente. Por otro lado, según el segundo enfoque, pretende utilizar una expansión en modos cilíndricos del campo, tanto incidente como dispersado. Dada la geometría circular de las vías éstas pueden ser caracterizadas de forma analítica mediante espectros circulares. Posteriormente se resolverá el acoplo entre las vías mediante el método de [1] pero generalizado al caso de objetos inmersos en un medio dieléctrico infinito, y se desarrollará un nuevo método de acoplo modal entre modos cilíndricos y modos guiados proyectando las ecuaciones del acoplo modal tanto sobre modos cilíndricos como sobre modos guiados para evitar las singularidades que aparecen con el método de de [2] cuando los planos de referencia están muy próximos al objeto dispersor. Por tanto, esta técnica caracterizará las vías de forma analítica y resolverá las integrales del acoplo de modos mediante la transformada rápida de Fourier. Para aumentar más aún la eficiencia de ambos métodos se evitará repetir los cálculos para cada punto en frecuencia, y se implementará la técnica de barrido rápido en frecuencia similar descrita en [3], adaptándola al caso particular de cada método de análisis, aunque se prevé que quizá dicho procedimiento sea más difícil de implementar en el segundo método. Se espera que ambas técnicas puedan proporcionar unos tiempos de computación inferiores a los del software comercial de análisis electromagnético más habitual (i.e. HFSS), y también inferiores a otros métodos de análisis recientemente aparecidos en la bibliografía técnica ([4],[5],[6]). En concreto, se espera que los tiempos de computación para barrido discreto en frecuencia sea inferior con el segundo método ya que usa únicamente expresiones analíticas y transformada rápida de Fourier, pero, dado que el primer método es más susceptible de realizar barrido rápido en frecuencia, éste puede ser muy útil a la hora de realizar muchos análisis consecutivos. Una vez se disponga de métodos eficientes para el análisis de dispositivos SIW, se abordará el diseño de varios dispositivos pasivos en esta tecnología (filtros de diferentes topologías, diplexores, multiplexores, híbridos, acopladores, etc.). Como se dispone de una vasta experiencia en el grupo de investigación en el diseño de dispositivos en guía de onda rectangular, se puede como primera aproximación realizar el diseño en guía, y luego transformar esta estructura guiada en otra en tecnología SIW mediante unas reglas empíricas que relacionan ambas tecnologías [7]. Posteriormente se debe ajustar el diseño en el dispositivo SIW ya que estas reglas empíricas no consiguen que la respuesta sea idéntica a la del dispositivo guiado original, principalmente debido al hecho de que los irises rectangulares de la guía son transformados en vías metalizadas con geometría circular, no rectangular. Para minimizar este ajuste, se diseñará el dispositivo guiado con irises con esquinas redondeadas en la cavidad (método de [8] pero con un simulador más eficiente [9]), haciendo que el radio de esas esquinas redondeadas coincida con el de las vías metalizadas que se van a utilizar en el dispositivo SIW. Esto permitirá [...] (Ver documento anexo) / Díaz Caballero, E. (2013). Efficient analysis and design of devices in Substrate Integrated Waveguide (SIW) technology [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/34627