This thesis presents studies on III-V semiconductor waveguides with particular emphasis on second-order optical nonlinearity. The nonlinear processes that were investigated in this thesis are the Second Harmonic Generation (SHG) and the Spontaneous Parametric Down-Conversion (SPDC). The optical waveguides are made of InGaP and the waveguide design includes tapered parts for in- and out-coupling of guided light. Simulation of light propagation and modal solutions were done using Lumerical MODE, FDTD, and COMSOL Multiphysics software. The in- and outcoupling for the design of tapered waveguide that utilize the bulk non-linearity is 65 % when the waveguide is 145 nm thick and 2.60 μm wide having PMMA as top cladding. The SHG conversion efficiency for this configuration when the waveguide length is 2 μm long, is found 31 %/W. Three cases of the utilization of the surface non-linearity are proposed too. Preliminary steps toward the fabrication of the waveguide structures are also reported. The particular mesa-isolated substrates are fabricated having a side wall with a negative angle profile that result to a significant undercut. InGaP waveguides were transferred to the target substrates successfully and the process that was used can enable heterogeneous integration of InGaP and SOI platform. / Denna avhandling presenterar studier av III-V-halvledarvågledare med särskild tonvikt på andra ordningens optisk olinjäritet. De olinjära processer som undersöktes i denna avhandling är SHG och SPDC. De optiska vågledarna är gjorda av InGaP och vågledardesignen inkluderar avsmalnande delar för in- och utkoppling av styrt ljus. Simulering av ljusutbredning och modala lösningar gjordes med Lumerical MODE, FDTD och COMSOL Multiphysics mjukvara. In- och utkopplingen för konstruktionen av avsmalnande vågledare som utnyttjar bulkolinjäriteten är 65 % när vågledaren är 145 nm tjock och 2,60 μm bred med PMMA som toppbeklädnad. SHGkonverteringseffektiviteten för denna konfiguration när vågledarlängden är 2 μm lång, är 31 %/W. Tre fall av utnyttjande av ytolinjäriteten föreslås också. Preliminära steg mot tillverkningen av vågledarstrukturerna rapporteras också. De speciella mesa-isolerade substraten är tillverkade med en sidovägg med en negativ vinkelprofil som resulterar i en betydande underskärning. InGaP-vågledare överfördes till målsubstraten framgångsrikt och processen som användes kan möjliggöra heterogen integration av InGaP och SOI-plattformen.

Akustiska kanaler för undervattenskommunikation är flervägskanaler där ljudet reflekteras från havets yta och botten och bryts vid ljudhastighetsförändringar. I grunt vatten är impulssvaret långt jämfört med symbolernas tidslängd i ett utskickat meddelande. Detta orsakar intersymbolinterferens, vilket gör det svårt att återskapa meddelandet. Denna avhandling behandlar fysikalisk modellering av kommunikationskanalen. Sådan modellering kan öka insikten om de svårigheter som finns vid design av kommunikationssystem och kan vara till hjälp vid utveckling av lämpliga modulationstekniker och avkodningsalgoritmer. Ljudutbredningen simuleras med en strålgångsmetod med reflektionskoefficienter beräknade för plana vågor. I artikel 4 och 5 utvidgas modellen till en algoritm för gaussisk strålsummation. De viktigaste vetenskapliga bidragen är följande. Artikel 1: Aktuell kunskap om impulssvaret hos kommunikationskanalen gör det betydligt lättare att tolka det mottagna meddelandet. I denna artikel studeras tidsvariabiliteten hos impulssvaret i termer av bitfelssannolikhet när ett gammalt impulssvar används för kanalutjämning. Tidsvariabiliteten visar sig variera avsevärt med mottagarpositionen, inte bara när det gäller avståndet till sändaren, utan även när det gäller placeringen i djupled. Artikel 2: En hybridmetod presenteras, där strålgång i ett avståndsberoende medium kombineras med lokal fullfältsmodellering av interaktionen med havsbottnen. Metoden används för simuleringar av akustisk kommunikation i grunt vatten. Artikel 3: För att kunna göra tillförlitliga simuleringar av ljudutbredning behöver man god kunskap om mediets ljudhastighetsprofil --- information som inte alltid är tillgänglig. I denna artikel används den hybrida strålgångsmetoden från artikel 2 för att skatta ljudhastighetsprofilen från kommunikationsdata. Miljöparametrarna som beräknats genom inversionen minskar avvikelsen mellan simulerade och observerade skattningar av impulssvaret jämfört med avvikelsen då en uppmätt, två dagar gammal ljudhastighetsprofil används vid simuleringen. Miljömodellen används också för en genomgång av alternativa käll- och mottagarpositioner. Artikel 4: Gaussisk strålsummation är en vågutbredningsmodell som liknar strålgång men kan ge korrekta resultat i strålgångens singulära områden, som skuggzoner och kaustikor. I denna artikel diskuteras hur några olika val av den komplexa strålparametern $\epsilon$ fungerar i grunda vågledare. Bäst resultat erhålls om man väljer $\epsilon$ så att strålen blir smal i punkten närmast mottagaren och får en plan vågfront där. Artikel 5: En adaptiv metod för gaussisk strålsummation i grunda vågledare presenteras. Algoritmen ger en noggrannhet som är bättre än eller minst lika bra som strålgångens, även i grunda vågledare med en starkt djupberoende ljudhastighet. / Acoustic underwater communication channels are multipath channels where sound is reflected from the surface and the bottom of the sea and refracted by sound speed variations. In shallow water, the impulse response is typically long compared to the time length of the symbols in a transmitted message. This causes inter-symbol interference, which makes the message difficult to decode. This thesis deals with physical modelling of the communication channel. Such modelling can provide insight into the difficulties of communication system design and may serve as an aid in the development of appropriate modulation techniques and decoding algorithms. The sound propagation is simulated by a ray tracing method with plane-wave reflection coefficients, in papers 4 and 5 expanded to a Gaussian beam summation algorithm. The main scientific contributions are the following. Paper 1: Up-to-date knowledge of the impulse response of the communication channel considerably simplifies the extraction of information from a detected signal. In this paper the time variability of the impulse response is studied in terms of the bit-error rate, when an old impulse response is used for channel equalisation. The time variability is found to vary significantly with the receiver position, not only in range, but also in depth. Paper 2: A hybrid raytrace method is presented, combining ray tracing in a range-dependent water column with local full-field modelling of the seabed interaction. The method is applied to simulations of acoustic communication in shallow water. Paper 3: To be able to make reliable simulations of sound propagation, one needs to know, quite accurately, the sound speed profile of the medium --- information which is not always available. In this paper the hybrid raytrace method from paper 2 is used to estimate the sound speed profile from communication data. The environmental model obtained by the inversion reduces the mismatch between the modelled and the observed impulse response estimates, compared to the mismatch with a two-days-old sound speed profile. The model is also used to investigate alternative source-receiver configurations. Paper 4: Gaussian beam summation is a wave propagation model similar to ray tracing, which can yield correct results in singular regions like shadow zones and caustic points. In this paper some different choices of the complex beam parameter $\epsilon$ are discussed for shallow waveguides. Best results are observed when $\epsilon$ is chosen so that each beam is narrow at the point where it is closest to the receiver and has a plane wavefront there. Paper 5: An adaptive method for Gaussian beam summation in shallow waveguides is presented. The algorithm yields better or at least as good accuracy as ray tracing, even in shallow waveguides with a strongly depth-dependent sound speed profile. / QC 20100819

In this master work, we investigated the feasibility of a magnetic resonance measurement technique using magnetic nanoparticle dispersions in both liquid and solid form. The implementation is realised as a coplanar waveguide operating in the frequency range of 0.5 - 20 GHz and an electromagnet producing a static magnetic field of strength up to 1.2 T. The Gilbert magnetic damping factor is determined for polymer composites of magnetic nanoparticles and the gyromagnetic ratio is determined for both nanoparticle dispersions in liquid form and polymer composites.

Industrial innovation is mostly driven by miniaturization. As a result of remarkable technological advancements in the fields of equipment, materials and production processes, transistor, the fundamental active component in conventional electronics, has shrunk in size. Semiconductor technology is unique in that all performance metrics are enhanced, while at the same time unit prices are reduced. Moore’s Law, which predicts that the number of components per chip will double every two years, was established in 1965, and the industry has been able to keep up with this prophetic prognosis since. Thermal management, on the other hand, has become a key limiting factor for current electronic circuits and is set to put a stop to Moore’s Law. Given the fact that complementary metal oxide semiconductor (CMOS) scaling is reaching fundamental limits, there are several new alternative processing devices and architectures that have been investigated for both traditional integrated circuit (IC) technologies and novel technologies, including new technologies aimed at contributing to advances in scaling progress and cost reductions in manufacturing operations in the coming decades. These factors will encourage the development of new information processing and memory systems, new technologies for integrating numerous features heterogeneously and new system architectural design layouts, among other things. Energy efficiency is advantageous from a sustainability perspective and for consumer electronics, for which fewer power-hungry components mean longer times between charges and smaller batteries. The creation of novel chip-scale tools that can aid in the transfer of information across optical frequencies and microscale photonics between nanoscale electronic devices is now a possibility. Bridging this technological gap may be achieved by plasmonics. The incorporation of plasmonic, photonic and electrical components on a single chip may lead to a number of innovative breakthroughs. Photonic integrated circuits (PICs) enable the realization of ultra-small, high-efficiency, ultra-responsive and CMOS-compatible devices that can be used in applications ranging from optical wireless communication systems (6G and beyond) and supercomputers to health and energy.   This thesis provides a platform from which to design nanoplasmonic devices while facilitating high-transmission and/or absorption efficiency, miniaturized size and the use of near-infrared (NIR) wavelengths for telecom applications. With a significant amount of Internet traffic transmitted optically, communication systems are further tightening the requirements for the development of new optical devices. Several new device structures based on the metal-insulator-metal (MIM) plasmonic waveguide are proposed and investigated using performance metrics. The transmission line theory (TLM) from microwave circuit theory and coupled mode theory (CMT) is studied and employed in the design process of the nanostructures, in particular to address the losses in plasmonic-based devices, which has been the major factor hampering their widespread usage in communication systems. By taking advantage of well-established microwave circuit theory (through new design that paves the way for mitigating these losses and enabling efficient transmission of power flow in the optical devices), we have suggested a number of high-transmission efficiency nanodevices that offer highly competitive performance compared with other platforms. As a result, a promising future for plasmonic technology, which would enable design and fabrication of multipurpose and multifunctional optical devices that are efficient in terms of losses, footprint and capability of integrating active devices, is anticipated. / Branschinnovation drivs främst av miniatyrisering. Som ett resultat av anmärkningsvärda tekniska framsteg inom områdena utrustning, material och produktionsprocesser kunde transistoren, den grundläggande aktiva komponenten i samtida elektronik, krympa i storlek. Halvledarteknik är unik genom att alla prestandamått förbättras, samtidigt som enhetspriserna sänks. Moores Lag, som förutspår att antalet komponenter per chip skulle fördubblas vartannat år, inrättades 1965, och branschen har kunnat hålla jämna steg med den profetiska prognosen sedan dess. Termisk hantering, å andra sidan, har blivit en viktig begränsande faktor för nuvarande elektroniska kretsar, och är inställd på att sätta stopp för Moores Lag. Med tanke på att CMOS-skalningen (Complementary Metal Oxide Semiconductor) når grundläggande gränser finns det flera nya alternativa bearbetningsanordningar och arkitekturer som har undersökts för både traditionell integrerad kretsteknik och ny teknik. Ny teknik som syftar till att bidra till framsteg i skalningen av framsteg och kostnadsminskningar i tillverkningsverksamheten under de kommande årtiondena. Dessa faktorer uppmuntrar utvecklingen av nya informationsbehandlings- och minnessystem, ny teknik för att integrera många funktioner heterogent och nya systemarkitekturdesignlayouter, bland annat. Energieffektivitet är fördelaktigt ur ett hållbarhetsperspektiv och för hemelektronik, där färre krafthungriga elektroniker innebär längre tid mellan laddningar och stimulerar för ett mindre energilagringssystem ombord. Skapandet av nya chip-scale verktyg som kan bidra till överföring av information över optiska frekvenser och mikroskala fotonik mellan elektroniska enheter i nanoskala är nu en möjlighet. Överbrygga denna tekniska klyfta kan uppnås av plasmonics. Införlivandet av plasmoniska, fotoniska och elektriska komponenter på ett enda chip kan leda till ett antal innovativa genombrott. Fotoniska integrerade kretsar (PIC-enheter) möjliggör förverkligande av ultrasmå, högeffektiva, ultraresponsiva och CMOS-kompatibla enheter som kan användas i applikationer som sträcker sig från optiska trådlösa kommunikationssystem (6G och därefter), superdatorer till hälso- och energiändamål. Denna avhandling ger en plattform för att designa nanoplasmoniska enheter samtidigt som den innehåller hög överförings- och eller absorptionseffektivitet, miniatyriserad storlek och vid önskade våglängder av nära infraröd (NIR) för telekomapplikationer. Med den betydande mängden Internettrafik som överförs optiskt skärper kommunikationssystemen ytterligare kraven för utveckling av nya optiska enheter. Flera nya enhetsstrukturer baserade på metall-isolator-metall (MIM) plasmonisk vågledare föreslås och numeriskt undersöks. Överföringslinjeteorin (TLM) från mikrovågskretsteori och kombinationslägesteori (CMT) studeras och används i nanostrukturerna. För att ta itu med de förluster i plasmonbaserade enheter som har varit den viktigaste parametern som hindrade deras utbredda användning i kommunikationssystem, genom att dra nytta av den väletablerade mikrovågskretsteorin (genom ny design som banar väg för att mildra förlusterna och möjliggöra effektiv överföring av kraftflödet i den optiska enheten).  Vi har framgångsrikt föreslagit ett antal nanodevices med hög överföringseffektivitet som erbjuder en mycket konkurrenskraftig prestanda jämfört med andra plattformar. Som ett resultat förväntar vi oss en lovande framtid för plasmonisk teknik som skulle möjliggöra design och tillverkning av mångsidiga och multifunktionella optiska enheter som är effektiva när det gäller förluster, fotavtryck och förmåga att integrera aktiva enheter. / <p>Vid tidpunkten för framläggandet av avhandlingen var följande delarbeten opublicerade: delarbete II inskickat, III, IV, V manuskript.</p><p>At the time of the licentiate defence the following papers were unpublished: paper II submitted, III, IV, V manuscript.</p>

Wireless sensors are used widely for condition monitoring in electric machines. The metal enclosure of an electric motor restricts the signal from sensors to radiate outside. The signal from the metal cavity needs to be guided to the only opening in the enclosure, through a narrow gap between the stator and the rotating rotor. Gap waveguide technology is proposed as a solution by texturing the stator surface with electromagnetic band gap (EBG) structures. Arrays of periodic holey structures are used to realize the metasurface waveguide. Two Bravais lattice structures – square and hexagonal, are explored for guiding waves along a desired path in a parallel plate waveguide. Simulations are carried out to study the influence of various dimensions of the unit cells. A waveguide with hexagonal hole-type unitcell is designed and manufactured for experimental verification. The possibility of extending the same technology to cylindrical surface is confirmed by simulations. / Trådlösa sensorer används allmänt för tillståndsövervakning i elektriska maskiner. Metallhöljet hos en elektrisk motor begränsar signalen från sensorerna från att stråla utåt. Signalen från metallhåligheten behöver styras till den enda öppningen i höljet, genom ett smalt mellanrum mellan statorn och den roterande rotorn. Gap-vågledarteknik föreslås som en lösning genom att strukturera statorytan med elektromagnetiska bandgap-strukturer (EBG). Arrayer av periodiskt håliga strukturer används för att realisera metayt-vågledare. Två Bravais gitterkonstruktioner –kvadratiska och sexkantiga, undersöks för styrning av vågor längs en önskad väg i en parallellplattvågledare. Simuleringar utförs för att studera påverkan av olika dimensioner hos enhetscellerna. En vågledare med hexagonal håltypsenhetscell är konstruerad och tillverkad för experimentell verifiering. Möjligheten att utvidga samma teknik till cylindrisk yta bekräftas genom simuleringar.