[pt] Este trabalho de Tese apresenta a pesquisa e desenvolvimento de conexões de ondas guiadas sobre substratos semicondutores (SiGe, GaAs). A integração de circuitos digitais através de guias S-SIWG (Semiconductor Substrate Integrated Waveguide) utilizando formato de modulação QAM é avaliada e destacada. Conexões internas aos chips e entre chips são associadas com o novo padrão Gigabit Ethernet 802.3ba operando na taxa de 100 Gbit/s estendendo-se a aplicações de 0,5 – 1,5 Terahertz. É também apresentada a pesquisa e o desenvolvimento de guias e dispositivos de microondas utilizando substratos de baixo custo e altas perdas (FR-4), substratos cerâmicos de alta constante dielétrica (Er igual a 80) e aplicações em subsistemas híbridos integrados. / [en] This work presents the research, design and development of guided waves connections in semiconductor substrates (SiGe, GaAs). The integration of digital systems using Semiconductor Wave Guides (S-SIWG) with QAM modulation formats are highlighted. Ultra-fast inter-chip and inner-chip connections are associated with the new Gigabit Ethernet IEEE 802.3ba standard at 100Gbit/s extended to (0.5-1.5) Terahertz domain. Additionally fiber glass substrates with high losses (Teflon/FR-4) and high dielectric ceramic substrates (Er equal 80) are also developed to be integrated with microwave devices, analog printed circuits boards and high Speed digital circuits and systems.

Femtosecond laser has been an essential tool for nonlinear optics and materials processing at micrometer scale, in which chalcogenide and heavy metal oxide glasses have received special attention not only for their high third-order optical nonlinearities but also due to their transparency up to the infrared regions. Although metallic nanoparticles are expected to improve the optical properties of glasses, there are no enough experimental researches about their influence on the nonlinear refractive index (n2) and nonlinear absorption coefficient (&#946), moreover at femtosecond regime. Based on the scientific and technological interests on highly nonlinear glasses, the goal of this thesis was to apply femtosecond laser pulses in two main domains: (i) at the basis of fundamental science, to study the effect of metallic nanoparticles in the third-order nonlinear optical properties of glasses; and (ii) at the field of applied science, aiming the development of photonic devices, performed by the fabrication of 3D optical waveguides containing metallic nanoparticles. This aim was achieved through the techniques of z-scan and femtosecond laser micromachining, which provided the nonlinear optical characterization and waveguides development, respectively. First, we analyzed the third-order nonlinear optical properties of the GeO2-Bi2O3 glass containing gold nanoparticles, which promoted saturation of the absorption in the region of the surface plasmon resonance band. On the other hand, these gold nanoparticles did not affect the n2 that kept constant in the wavelength range of 480 - 1500 nm. The same features were investigated for a Pb2P2O7-WO3 matrix doped with copper nanoparticles. In contrast to the gold doped ones, these samples showed a slight enhancement of the nonlinear refractive index when the energy of the excitation approaches the surface plasmon band. We also found out that the Pb2P2O7-WO3 matrix is a good host to grow silver nanoparticles by fs-laser micromachining. Similarly, copper nanoparticles were produced in a borosilicate glass using single-step laser processing. The explanation for metallic nanoparticle formation is addressed in this thesis, as well as, its application in waveguides. Thus, we demonstrated the functionality of optical waveguides containing Cu0 or Ag0 nanoparticles. Still based on the technological interests on glasses doped with nanoparticles, we showed a single-step synthesis of silver sulfide nanoparticles in chalcogenide glass, which was carried in partnership with researches at Princeton University. The materials investigated in this PhD work are of great importance for photonics, in which the synthesis of nanoparticles, fabrication of waveguides and nonlinear optical characterization have been performed. / O laser de femtossegundos tem sido uma ferramenta essencial tanto para a óptica não-linear quanto para o processamento de materiais na escala micrométrica, na qual os vidros calcogenetos e óxidos de metais pesados têm recebido atenção especial, não apenas pelas suas elevadas não-linearidades ópticas de terceira ordem, mas também devido à sua transparência até o infravermelho. Embora seja esperado que nanopartículas metálicas melhorem as propriedades ópticas dos vidros, não existe investigações experimentais suficientes sobre a sua influência no índice de refração não linear (n2) e no coeficiente de absorção linear (&#946), sobretudo no regime de femtossegundos. Com base nos interesses científicos e tecnológicos de vidros altamente não-lineares, o objetivo deste trabalho foi aplicar pulsos laser de femtossegundos em dois domínios principais: (i) na campo da ciência fundamental, para estudar o efeito de nanopartículas metálicas nas propriedades ópticas não lineares de terceira ordem destes materiais; e (ii) no domínio da ciência aplicada, visando o desenvolvimento de dispositivos fotônicos, realizado pelo fabricação de guias de onda tridimensionais contendo nanopartículas metálicas. Este objetivo foi alcançado através das técnicas de varredura-z e microfabricação com laser de femtossegundos, que proporcionaram a caracterização óptica não-linear e o desenvolvimento de guias de onda, respectivamente. Primeiramente, foram investigadas as propriedades ópticas não-lineares de terceira ordem do vidro GeO2-Bi2O3 contendo nanopartículas de ouro, as quais promoveram saturação da absorção na região da banda de ressonância de plásmon. Por outro lado, essas nanopartículas não afetaram o n2, que se manteve constante no intervalo de comprimento de onda 480 - 1500 nm. As mesmas características foram investigadas para uma matriz Pb2P2O7-WO3 dopada com nanopartículas de cobre. Em contraste com os vidros dopados com ouro, estas amostras apresentaram um ligeiro aumento do índice de refração não linear quando a energia de excitação está próxima da banda de ressonância de plásmon. Observou-se ainda que a matriz Pb2P2O7-WO3 é ideal para a obtenção de nanopartículas de prata através da microfabricação com laser de femtossegundos. Similarmente, nanopartículas de cobre foram produzidas em vidro de borosilicato usando somente uma varredura a laser. A explicação para a formação de nanopartículas metálicas é abordada nesta tese, bem como sua aplicação em guias de onda. Deste modo, demonstrou-se a funcionalidade de guias de onda ópticos compostos por nanopartículas de Cu0 e Ag0. Ainda com base nos interesses tecnológicos em vidros dopados com nanopartículas, demonstrou-se uma síntese de nanopartículas de sulfeto de prata em vidro calcogeneto usando o processamento de única etapa, realizada em parceria com pesquisadores da Universidade de Princeton. Os materiais investigados neste trabalho de doutorado são de grande importância para aplicações em fotônica, em que a síntese de nanopartículas, a fabricação de guias de onda e a caracterização óptica não-linear foram realizadas.

O incessante aumento do volume de informações produzido por uma sociedade cada vez mais informatizada tem elevado drasticamente os requisitos quanto ao desenvolvimento de dispositivos capazes de suportar velocidades de operação cada vez mais elevadas em tamanhos cada vez mais reduzidos. No entanto, a contínua redução do tamanho desses dispositivos, celebrado através da lei de Moore, também produz um indesejável aumento na produção de calor durante a operação dos mesmos, comprometendo seu desempenho global. Uma alternativa promissora para aliviar, ou mesmo superar, estas limitações é oferecida pelos dispositivos ópticos integrados. No entanto, todo esse avanço esbarrava no fato de que as dimensões de tais dispositivos estavam restringidas fundamentalmente ao que é largamente conhecido como limite de difração (LD). Uma maneira de contornar essa limitação é obtida através da utilização de Plásmon Poláritons de Superfície, ou SPPs, que, de maneira simplificada, são ondas que se propagam ao longo da superfície de um condutor depositado sobre um dielétrico. Estas são essencialmente ondas de luz que são localizadas na superfície por causa de sua interação com os elétrons livres do condutor. Nesta interação, os elétrons livres respondem coletivamente oscilando em ressonância com a onda de luz. No presente trabalho, o fenômeno de geração de SPPs é estudado teoricamente e aplicado na modelagem de diversas estruturas de interesse científico e tecnológico, tais como acopladores direcionais e ressoadores. O objetivo principal é a obtenção de estruturas capazes de proporcionar propagação de SPPs por longas distâncias, permitindo, assim, estender ainda mais o leque de possíveis aplicações. As estruturas são investigadas prioritariamente no COMSOL Multiphysics, um aplicativo baseado em elementos finitos que permite solução vetorial de problemas eletromagnéticos. Os resultados obtidos até o momento permitem afirmar que o conceito de SPP de longa distância (long range SPP, LRSPP) podem ser aplicados com sucesso a estruturas geometricamente complexas como os ressoadores em anel e acopladores direcionais. / The continuous growth of knowledge produced by a society with increasing access to information technologies has demanded the development of communication devices capable of supporting high processing speeds at more and more reduced sizes. Nevertheless, the continuous reduction of the size of these devices, celebrated by the Moore\'s law, has also produced an undesirable increase of heat produced during the operation of the device itself, compromising its overall performance. A promising alternative to alleviate, or even overcome, these limitations has been offered by photonic integrated circuits. However, all the advance of photonic devices was restricted to what is known as diffraction limit. A fascinating way of circumventing this limit is now available to the scientific community, and consists in the generation of Surface Plasmon Polariton (SPP) waves. In a simplified manner, SPP waves are waves that propagate along a metal/dielectric interface. These waves are essentially localized at the metal/dielectric interface because of the interaction of light with free electrons of the metal. In this interaction, the free electrons respond collectively and oscillate resonantly with the incident light. In the present work, the phenomenon of SPP generation is theoretically investigated and applied to the modeling of several structures, such as directional couplers and resonators. The primary goal of this work is to design structures capable propagating SPP waves for long distances, known as long range SPP (LRSPP). The structures are investigated mostly with COMSOL Multiphysics, a finite elements based software that allows for the vectorial solution of electromagnetic problems. The results obtained so far are extremely encouraging, and prove that the LRSPP concept can be successfully applied to geometrically complex structures, such as couplers and ring resonators.

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

O presente trabalho objetiva um estudo de aplicação do Método dos Elementos de Contorno à análise de problemas de propagação de ondas eletromagnéticas. O Método baseia-se numa formulação integral que elimina todas as operações de integração em domínio, restando apenas as de contorno. Inicialmente faz-se um estudo dos fundamentos teóricos do método, apresentando-o de forma genérica e encaminhando sua aplicação à equação de Helmholtz. Os procedimentos computacionais desenvolvidos para a implementação do método viabilizam a solução eficiente de problemas de interesse, envolvendo diferentes meios com ou sem perdas. São apresentados resultados de simulações realizadas que confirmam a aplicabilidade do método, permitindo também uma análise de seu desempenho através da variação de parâmetros, como, por exemplo, número de elementos na discretização e função de interpolação. / This work deals with a study of application of the Boundary Element Method (BEM) directed to electromagnetic guided wave propagation. This method relies on an integral formulation that does not need any domain integration. Only boundary integrations have to be performed. The work begins with a study of the theoretical foundations of the method, presenting its general formulation and then directing it to Helmholtz’s equation solution. Developed computational procedures allow efficient application of the method to real problems with more than one medium, with or without losses. Simulations results are presented which confirm the applicability of the method and allow the analysis of its performance through parameters variation as, for example, the number of discretized elements and interpolation function.

O presente trabalho objetiva um estudo de aplicação do Método dos Elementos de Contorno à análise de problemas de propagação de ondas eletromagnéticas. O Método baseia-se numa formulação integral que elimina todas as operações de integração em domínio, restando apenas as de contorno. Inicialmente faz-se um estudo dos fundamentos teóricos do método, apresentando-o de forma genérica e encaminhando sua aplicação à equação de Helmholtz. Os procedimentos computacionais desenvolvidos para a implementação do método viabilizam a solução eficiente de problemas de interesse, envolvendo diferentes meios com ou sem perdas. São apresentados resultados de simulações realizadas que confirmam a aplicabilidade do método, permitindo também uma análise de seu desempenho através da variação de parâmetros, como, por exemplo, número de elementos na discretização e função de interpolação. / This work deals with a study of application of the Boundary Element Method (BEM) directed to electromagnetic guided wave propagation. This method relies on an integral formulation that does not need any domain integration. Only boundary integrations have to be performed. The work begins with a study of the theoretical foundations of the method, presenting its general formulation and then directing it to Helmholtz’s equation solution. Developed computational procedures allow efficient application of the method to real problems with more than one medium, with or without losses. Simulations results are presented which confirm the applicability of the method and allow the analysis of its performance through parameters variation as, for example, the number of discretized elements and interpolation function.

[pt] Estruturas baseadas em grafeno como óxido de grafeno (OG) e óxido de grafeno reduzido (OGr) vêm sendo amplamente utilizadas em aplicações de sensoriamento resistivo de gás. Entretanto, poucos projetos são efetuados utilizando métodos pervasivos e não intrusivos, que são importantes para aplicações onde intervenções podem ser problemáticas. Este trabalho apresenta a implementação de protótipos de sensores sem fio de baixo custo baseados na tecnologia de RFID sem chip, para sensoriamento de vapor de álcool, utilizando uma topologia de antena miniaturizada baseada em Metamateriais (MTMs) carregada com OGr. Simulações utilizando o método dos elementos finitos são efetuadas de forma a encontrar o melhor local para deposição das estruturas sensíveis ao vapor de álcool. É observado que a estrutura responde a variações de resistividade de OGr apenas para uma determinada faixa de valores. O tempo de redução térmica de OG necessário para atingir este espectro de valores é experimentalmente determinado, estando entre 60 e 90 min à 200 Graus Celsius. Amostras de GO são fabricadas utilizando o método de Hummer modificado, e são depositadas nos gaps das antenas. Posteriormente, são reduzidas por 60, 75 e 90 minutos. O setup de medição consistiu em medições do coeficiente de reflexão em banda X. Após um determinado tempo para estabilização, álcool isopropílico e também etanol são colocados em contato com a amostra em um recipiente fechado por 1h30, e a resposta foi observada. Resultados com sensibilidade de até 11,5 por cento foram obtidos. / [en] Graphene oxide (GO) and reduced graphene oxide (rGO) based structures have been widely applied for resistive gas sensing applications. However, few projects are developed using pervasive and non-intrusive methods, which are important for applications where intervention can be an issue. This work presents the implementation of low-cost wireless sensor prototypes based on chipless RFID technology, for alcohol vapor sensing, by using a metamaterial (MTM) based miniaturized antenna loaded with rGO. Simulations are performed using finite element method in order to find the best place to deposit the alcohol vapor sensitive structures. It is observed that the structure responds to resistivity variations only for a determined range of values. The GO reduction time necessary to reach this spectrum of values is experimentally determined, and it is found to be between 60 and 90 min at 200 Celsius degrees. GO samples are synthesized using a modified Hummer s method, and deposited in the gaps of the antenna structures. Later, they are reduced for 60, 75 and 90 min. The measurement setup consists in reflection coefficient characterization at X band frequencies. After a stabilization time, isopropyl alcohol and ethanol are put in contact with the samples in a closed container for 1h30, and the response is observed. Sensitivities up to 11,5 percent are obtained.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:25:31Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2005-03-01Bitstream added on 2014-06-13T18:28:55Z : No. of bitstreams: 1 saggioro_bz_me_rcla.pdf: 2011105 bytes, checksum: 3a55198b06d17033aac4826618ba3503 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / Superfícies de vidro plano comercial (flotado) e de vidros sintetizados no laboratório com diferentes concentrações em massa de SnO2 foram expostos aos vapores resultantes da decomposição de KNO3 fundido a uma temperatura um pouco abaixo da temperatura de transição vítrea. Medidas de EDS mostram um aumento da concentração dos íons K+ na superfície com o aumento do tempo de exposição aos vapores. Alguns destes íons migraram para o interior dos vidros, conforme mostram as medidas do perfil de concentração. Os coeficientes de difusão foram determinados utilizando a técnica de Bolztzman-Matano. Esta mudança na concentração de K+ provocou modificações estruturais na superfície, alterando algumas de suas propriedades físico-químicas. Espectros de reflexão no infravermelho foram realizadas nestas amostras e mostraram que as alterações mais pronunciadas ocorreram na banda em tono de 950 cm-1. A dureza Vickers aumenta com o tempo de exposição. O índice de refração foi determinado pelos métodos de Brewster e refratometria Abbe. Constatou-se que quanto maior o tempo de exposição aos vapores, maior o valor do índice de refração das amostras. Foi verificado se esta nova técnica de troca iônica, isto é, por exposição a vapores, é propicia na preparação de dispositivos baseados em guias de ondas planares, utilizando a técnica de acoplamento de prisma. Vidros sintetizados também foram submetidos a testes de dilatometria com o intuito de determinar a temperatura de transição vítrea e calcular o coeficiente de expansão térmica. Medidas de densidade foram realizadas utilizando o principio de Arquimedes. Há diversas evidências experimentais que o estanho incorporado à estrutura vítrea atua como cátion formador de vidros, e que inibe a difusão iônica. / Surfaces of commercial plane glass (floated) and glasses synthesized in laboratory with different concentrations of SnO2 were exposed to vapors resulting from the decomposition of molten KNO3 at temperatures somewhat below the glass transitions. EDS measurements show an increase of the K+ concentration at the surfaces during the time of exposition to the vapors. Some of these ions migrate into the near surface layers of the samples, according to the measured concentration profiles. Diffusion coefficients were determined using the Bolztzman-Matano technique. The changes in concentration promote structural modifications at the surfaces, changing some of the physico-chemical properties of the glasses. Reflectance spectra in the infrared were carried out in these samples and one observe that the most pronounced change occurred around 950 cm-1. The Vickers hardness increases with the exposition time. The refractive index was determined by Brewster method and by Abbe refractometry. The longer the time of exposition to the vapors, the higher was the refractive index of the samples. This new technique of ionic exchange, that is, the exposition to vapors, was tested to verify if it is appropriate to prepare planar waveguide devices, and the coupling prism method was employed. Synthesized glasses were also subjected to dilatometric tests in order to determine the glass transition temperature, Tg, and the average thermal expansion coefficient, a. Density measurements were performed using Archimedes principle. There are several experimental evidences that tin is incorporated in the glass structure as a glass former cation, and it hinders ionic diffusion.

[pt] Neste presente trabalho, o Método do Casamento de Modos é aplicado na análise e no projeto de estruturas coaxiais. A estrutura de excitação é um dos pontos críticos do projeto de antenas do tipo discone quando se pretende explorar suas características de banda larga. Seções não uniformes de guias de ondas coaxiais são usualmente utilizadas como elementos dessa estrutura de excitação sendo, eventualmente, necessária a inclusão de anéis dielétricos para garantir a rigidez mecânica da antena. Devido a essas não uniformidades encontradas nas dimensões e no meio dielétrico desse dispositivo de microondas, métodos numéricos serão utilizados na predição do seu comportamento eletromagnético. O correto dimensionamento desses anéis e das descontinuidades de guias de onda coaxiais que compõe a estrutura de alimentação, permite estabelecer um compromisso entre minimização das perdas, alargamento da banda passante e rigidez mecânica. Associados ao Método do Casamento de Modos serão utilizados algoritmos de otimização que farão o ajuste das dimensões dessas seções de guias de onda coaxiais não uniformes, visando à minimização da perda de retorno e o aumento da banda de operação da antena. Finalmente, será feito o estudo de algumas estruturas de excitação, onde serão otimizados seus desempenhos para a perda de retorno. / [en] In this present work, the Mode Matching technique is applied in the analysis and project of coaxial structures. The feed junction is one of the critical points of the project of discone antennas when broadband performance is expected. Usually, these junctions are composed of nonuniform sections of coaxial waveguide and, to guarantee the necessary mechanical rigidity of the structure, some sections are filled with dielectric material. The project of these feed junctions requires a compromise between frequency band, compact structure, minimal losses, and mechanical rigidity. Due to the discontinuities, numerical methods are used to predict the electromagnetic behavior. Here, Mode Matching technique associated with an optimization algorithm is employed in the adjustment of the dimensions of the coaxial waveguide sections, seeking the minimization of the return loss and the enlargement of the antenna bandwidth. Several types of junctions are explored and their performance is compared.

[pt] Este estudo apresenta um método computacional para modelar campos eletromagnéticos em guias de onda retangulares curvados com seção transversal uniforme, usando o método variacional de Rayleigh-Ritz. Potenciais aplicações desta pesquisa em engenharia incluem o projeto de alimentadores para antenas, conversores de modais na faixa de micro-ondas, filtros, entre outros. Embora vários modelos tenham sido propostos para resolver este problema, as técnicas numéricas convencionais baseadas em elementos finitos, diferenças finitas e volumes finitos requerem altos custos computacionais. Para superar esses problemas, foi desenvolvida uma formulação variacional para resolver as equações de Maxwell em um sistema de coordenadas toroidal local, por meio de um novo funcional introduzido neste trabalho. O funcional foi adaptado para domínios uniformemente curvados com seção transversal arbitrária, e investigações analíticas foram conduzidas para confirmar suas características estacionárias. O formalismo Rayleigh-Ritz foi utilizado para converter o funcional em um problema equivalente de autovalores e autovetores, usando uma expansão em harmônicas retangulares de um guia de onda reto como funções de base para modelar um guia de onda retangular curvo. Um algoritmo numérico foi desenvolvido em Matlab para validar nosso modelo, e os resultados foram comparados com soluções perturbacionais e numéricas de referência, demonstrando alta precisão e menor custo computacional. / [en] This study presents a computational method for modeling electromagnetic fields in curved rectangular waveguides with uniform cross-section, using the variational Rayleigh-Ritz method. The potential applications of this research in engineering include the design of feeders for antennas, microwave mode converter devices, filters, among others. While various models have been proposed to solve this problem, conventional numerical techniques based on finite elements, finite differences, and finite volumes require high computational costs. To overcome these issues, a variational formulation for solving Maxwell s equations in a local toroidal coordinate system was developed via a novel functional introduced in this work. The functional was adapted to handle uniformly bend domains with arbitrary cross-section, and analytical investigations were conducted to confirm its stationary characteristics. The Rayleigh-Ritz formalism was employed to convert the functional into an equivalent problem of eigenvalues and eigenvectors using an expansion in terms of rectangular harmonics of a straight waveguide as basis functions for modeling a bend rectangular waveguide. A numerical algorithm was developed in Matlab to validate our model, and the results were compared against reference perturbational and numerical solutions, demonstrating high accuracy and lower computational costs.