Germanium on sapphire

This paper explores the potential of germanium on sapphire (GeOS) wafers as a universal substrate for System on a Chip (SOC), mm wave integrated circuits (MMICs) and optical imagers. Ge has a lattice constant close to that of GaAs enabling epitaxial growth. Ge, GaAs and sapphire have relatively close temperature coefficients of expansion (TCE), enabling them to be combined without stress problems. Sapphire is transparent over the range 0.17 to 5.5 µm and has a very low loss tangent (a) for frequencies up to 72 GHz. Ge bonding to sapphire substrates has been investigated with regard to micro-voids and electrical quality of the Ge back interface. The advantages of a sapphire substrate for integrated inductors, coplanar waveguides and crosstalk suppression are also highlighted. MOS transistors have been fabricated on GeOS substrates, produced by the Smart-cut process, to illustrate the compatibility of the substrate with device processing. © 2008 World Scientific Publishing Company.

Efficient analysis, design, and filter applications of EBG waveguide with periodic resonant loads

An efficient analysis and design of an electromagnetic-bandgap (EBG) waveguide with resonant loads is presented. Equivalent-circuit analysis is employed to demonstrate the differences between EBG waveguides with resonant and nonresonant loadings. As a result of the resonance, transmission zeros at finite frequencies emerge. The concept is demonstrated in E-plane waveguides. A generic fast and efficient formulation is presented, which starts from the generalized scattering matrix of the unit cell and derives the dispersion properties of the infinite structure. Both real and imaginary parts of the propagation constant are derived and discussed. The Floquet wavelength and impedance are also presented. The theoretical results are validated by comparison with simulations of a finite structure and experimental results. The application of the proposed EBG waveguide in the suppression of the spurious passband of a conventional E-plane filter is presented by experiment.

Upper and lower bounds of 180 degrees unit element of a ridge waveguide: Calculations and measurements

The upper and lower bounds on the actual solution of any microwave structure is of general interest. The purpose of this letter is to compare some calculations using the mode-matching and finite-element methods, with some measurements on a 180 degrees ridge waveguide insert between standard WR62 rectangular waveguides. The work suggests that the MMM produces an upper bound, while the FEM places a lower bound on the measurement. (C) 2001 John Wiley & Sons, Inc.

A Modified Pole-Zero Technique for the Synthesis of Waveguide Leaky-Wave Antennas Loaded With Dipole-Based FSS

An extension of the pole-zero matching method proposed by Stefano Maci et al. for the analysis of electromagnetic bandgap (EBG) structures composed by lossless dipole-based frequency selective surfaces (FSS) printed on stratified dielectric media, is presented in this paper. With this novel expansion, the dipoles length appears as a variable in the analytical dispersion equation. Thus, modal dispersion curves as a function of the dipoles length can be easily obtained with the only restriction of single Floquet mode propagation. These geometry-dispersion curves are essential for the efficient analysis and design of practical EBG structures, such as waveguides loaded with artificial magnetic conductors (AMC) for miniaturization, or leaky-wave antennas (LWA) using partially reflective surfaces (PRS). These two practical examples are examined in this paper. Results are compared with full-wave 2D and 3D simulations showing excellent agreement, thus validating the proposed technique and illustrating its utility for practical designs.

Artificial Impedance Surfaces for Reduced Dispersion in Antenna Feeding Systems

An impedance surface is presented that reduces the dispersion experienced upon propagation of broadband pulses within rectangular waveguides. The surface impedance is selected so that, within a frequency range, the transverse resonance condition is satisfied for longitudinal wavenumber that varies linearly with frequency. A synthesis procedure for practical surface topologies consisting of periodic dipole arrays is described. An example involving a finite structure is employed to illustrate the reduced dispersion. Numerical simulation results obtained from in-house mode-matching method as well as HFSS are presented. A prototype is fabricated and tested experimentally validating the theoretical predictions.

Pterin detection using surface-enhanced Raman spectroscopy incorporating a straightforward silver colloid-based synthesis technique

Optical techniques toward the realization of sensitive and selective biosensing platforms have received considerable attention in recent times. Techniques based on interferometry, surface plasmon resonance, and waveguides have all proved popular, while spectroscopy in particular offers much potential. Raman spectroscopy is an information-rich technique in which the vibrational frequencies reveal much about the structure of a compound, but it is a weak process and offers poor sensitivity. In response to this problem, surface-enhanced Raman scattering (SERS) has received much attention, due to significant increases in sensitivity instigated by bringing the sample into contact with an enhancing substrate. Here we discuss a facile and rapid technique for the detection of pterins using SERS-active colloidal silver suspensions. Pterins are a family of biological compounds that are employed in nature in color pigmentation and as facilitators in metabolic pathways. In this work, small volumes of xanthopterin, isoxanthopterin, and 7,8-dihydrobiopterin have been examined while adsorbed to silver colloids. Limits of detection have been examined for both xanthopterin and isoxanthopterin using a 10-s exposure to a 12 mW 532 nm laser, which, while showing a trade-off between scan time and signal intensity, still provides the opportunity for the investigation of simultaneous detection of both pterins in solution. (C) 2011 Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE). [DOI: 10.1117/1.3600658]

Laser-Driven Fast Electron Collimation in Targets with Resistivity Boundary

We demonstrate experimentally that the relativistic electron flow in a dense plasma can be efficiently confined and guided in targets exhibiting a high-resistivity-core-low-resistivity-cladding structure analogous to optical waveguides. The relativistic electron beam is shown to be confined to an area of the order of the core diameter (50 mu m), which has the potential to substantially enhance the coupling efficiency of electrons to the compressed fusion fuel in the Fast Ignitor fusion in full-scale fusion experiments.

Physical Models of Wind Instruments : A Generalized Excitation Coupled with a Modular Tube Simulation Platform

To develop real-time simulations of wind instruments, digital waveguides filters can be used as an efficient representation of the air column. Many aerophones are shaped as horns which can be approximated using conical sections. Therefore the derivation of conical waveguide filters is of special interest. When these filters are used in combination with a generalized reed excitation, several classes of wind instruments can be simulated. In this paper we present the methods for transforming a continuous description of conical tube segments to a discrete filter representation. The coupling of the reed model with the conical waveguide and a simplified model of the termination at the open end are described in the same way. It turns out that the complete lossless conical waveguide requires only one type of filter.Furthermore, we developed a digital reed excitation model, which is purely based on numerical integration methods, i.e., without the use of a look-up table.

Characteristics of Transverse Waves in Chromospheric Mottles

Using data obtained by the high temporal and spatial resolution Rapid Oscillations in the Solar Atmosphere instrument on the Dunn Solar Telescope, we investigate at an unprecedented level of detail transverse oscillations in chromospheric fine structures near the solar disk center. The oscillations are interpreted in terms of propagating and standing magnetohydrodynamic kink waves. Wave characteristics including the maximum transverse velocity amplitude and the phase speed are measured as a function of distance along the structure's length. Solar magnetoseismology is applied to these measured parameters to obtain diagnostic information on key plasma parameters (e.g., magnetic field, density, temperature, flow speed) of these localized waveguides. The magnetic field strength of the mottle along the ~2 Mm length is found to decrease by a factor of 12, while the local plasma density scale height is ~280 ± 80 km.

Propagation Characteristics of Groove Gap Waveguide Below and Above Cutoff

Recently, gap waveguides have been shown as a potential alternative to conventional waveguides in the millimeterwave band. Until now, Groove Gap Waveguide (GGW) has been studied through direct correspondence with rectangular waveguide with the same physical dimensions. However there have been observed differences in the above cutoff propagation characteristics between these two waveguide types. Furthermore, the behavior of GGW below cutoff remains unknown. This work presents a discussion of both below and above cutoff propagation characteristics of GGW, and introduces a simple model that explains the observed GGW behavior and establishes well its propagation characteristics. Two TRL calibration kits have been manufactured, and the measurements have good agreement with the proposed analysis model results.

Estudo e aplicação de amplificadores ópticos para suporte a redes banda larga

Esta tese tem como foco principal a análise dos principais tipos de amplificação óptica e algumas de suas aplicações em sistemas de comunicação óptica. Para cada uma das tecnologias abordadas, procurou-se definir o estado da arte bem como identificar as oportunidades de desenvolvimento científico relacionadas. Os amplificadores para os quais foi dirigido alguma atenção neste documento foram os amplificadores em fibra dopada com Érbio (EDFA), os amplificadores a semicondutor (SOA) e os amplificadores de Raman (RA). Este trabalho iniciou-se com o estudo e análise dos EDFA’s. Dado o interesse científico e económico que estes amplificadores têm merecido, apenas poucos nichos de investigação estão ainda em aberto. Dentro destes, focá-mo-nos na análise de diferentes perfis de fibra óptica dopada de forma a conseguir uma optimização do desempenho dessas fibras como sistemas de amplificação. Considerando a fase anterior do trabalho como uma base de modelização para sistemas de amplificação com base em fibra e dopantes, evoluiu-se para amplificadores dopados mas em guias de onda (EDWA). Este tipo de amplificador tenta reduzir o volume físico destes dispositivos, mantendo as suas características principais. Para se ter uma forma de comparação de desempenho deste tipo de amplificador com os amplificadores em fibra, foram desenvolvidos modelos de caixa preta (BBM) e os seus parâmetros afinados por forma a termos uma boa modelização e posterior uso deste tipo de amplificiadores em setups de simulação mais complexos. Depois de modelizados e compreendidos os processo em amplificadores dopados, e com vista a adquirir uma visão global comparativa, foi imperativo passar pelo estudo dos processos de amplificação paramétrica de Raman. Esse tipo de amplificação, sendo inerente, ocorre em todas as bandas de propagação em fibra e é bastante flexível. Estes amplificadores foram inicialmente modelizados, e algumas de suas aplicações em redes passivas de acesso foram estudadas. Em especial uma série de requisitos, como por exemplo, a gama de comprimentos de onda sobre os quais existem amplificação e os altos débitos de perdas de inserção, nos levaram à investigação de um processo de amplificação que se ajustasse a eles, especialmente para buscar maiores capacidades de amplificação (nomeadamente longos alcances – superiores a 100 km – e altas razões de divisão – 1:512). Outro processo investigado foi a possibilidade de flexibilização dos parâmetros de comprimento de onda de ganho sem ter que mudar as caractísticas da bomba e se possível, mantendo toda a referenciação no transmissor. Este processo baseou-se na técnica de clamping de ganho já bastante estudada, mas com algumas modificações importantes, nomeadamente a nível do esquema (reflexão apenas num dos extremos) e da modelização do processo. O processo resultante foi inovador pelo recurso a espalhamentos de Rayleigh e Raman e o uso de um reflector de apenas um dos lados para obtenção de laser. Este processo foi modelizado através das equações de propagação e optimizado, tendo sido demonstrado experimentalmente e validado para diferentes tipos de fibras. Nesta linha, e dada a versatilidade do modelo desenvolvido, foi apresentada uma aplicação mais avançada para este tipo de amplificadores. Fazendo uso da sua resposta ultra rápida, foi proposto e analisado um regenerador 2R e analisada por simulação a sua gama de aplicação tendo em vista a sua aplicação sistémica. A parte final deste trabalho concentrou-se nos amplificadores a semiconductor (SOA). Para este tipo de amplificador, os esforços foram postos mais a nível de aplicação do que a nível de sua modelização. As aplicações principais para estes amplificadores foram baseadas em clamping óptico do ganho, visando a combinação de funções lógicas essenciais para a concepção de um latch óptico com base em componentes discretos. Assim, com base num chip de ganho, foi obtido uma porta lógica NOT, a qual foi caracterizada e demonstrada experimentalmente. Esta foi ainda introduzida num esquema de latching de forma a produzir um bi-estável totalmente óptico, o qual também foi demonstrado e caracterizado. Este trabalho é finalizado com uma conclusão geral relatando os subsistemas de amplificação e suas aplicacações.

Híbridos orgânicos-inorgânicos para aplicações de baixo custo em óptica integrada

O objectivo desta tese é a utilização de materiais híbridos orgânicos-inorgânicos, designados por di-ureiasis modificados pela adição de tetra-propóxido de zircónio (Zr(i-OPr)4) estabilizado com ácido metacrílico (CH2=C(CH3)COOH), obtidos pela via sol-gel, para aplicações em dispositivos ópticos integrados de baixo custo. A estrutura local dos di-ureiasis com diferentes concentrações de propóxido de zircónio (20 a 80 % mol) foi estudada por difracção de raios-X, espalhamento de raios X a baixos ângulos, microscopia de força atómica, ressonância magnética nuclear dos núcleos dos átomos de 29Si e 13C, espectroscopia no infravermelho por transformada de Fourier, espectroscopia de Raman por transformada de Fourier e termogravimetria. A influência dos parâmetros de síntese, concentração de tetra propóxido de zircónio e rácio tetra propóxido de zircónio: ácido metacrilico na estrutura e propriedades das amostras em monólito e filmes finos (depositados pela técnica de deposição por rotação do substrato) foram avaliadas, permitindo obter amostras transparentes, fotopolimerizáveis e estáveis termicamente até aos 100 ºC. Foram determinadas as propriedades dos guias planares em substratos de vidro borosilicato e silício oxidado (1

Quantum criptography in optical fibers

As comunicações quânticas aplicam as leis fundamentais da física quântica para codificar, transmitir, guardar e processar informação. A mais importante e bem-sucedida aplicação é a distribuição de chaves quânticas (QKD). Os sistemas de QKD são suportados por tecnologias capazes de processar fotões únicos. Nesta tese analisamos a geração, transmissão e deteção de fotões únicos e entrelaçados em fibras óticas. É proposta uma fonte de fotões única baseada no processo clássico de mistura de quatro ondas (FWM) em fibras óticas num regime de baixas potências. Implementamos essa fonte no laboratório, e desenvolvemos um modelo teórico capaz de descrever corretamente o processo de geração de fotões únicos. O modelo teórico considera o papel das nãolinearidades da fibra e os efeitos da polarização na geração de fotões através do processo de FWM. Analisamos a estatística da fonte de fotões baseada no processo clássico de FWM em fibras óticas. Derivamos um modelo teórico capaz de descrever a estatística dessa fonte de fotões. Mostramos que a estatística da fonte de fotões evolui de térmica num regime de baixas potências óticas, para Poissoniana num regime de potências óticas moderadas. Validamos experimentalmente o modelo teórico, através do uso de fotodetetores de avalanche, do método estimativo da máxima verossimilhança e do algoritmo de maximização de expectativa. Estudamos o processo espontâneo de FWM como uma fonte condicional de fotões únicos. Analisamos a estatística dessa fonte em termos da função condicional de coerência de segunda ordem, considerando o espalhamento de Raman na geração de pares de fotões, e a perda durante a propagação de fotões numa fibra ótica padrão. Identificamos regimes apropriados onde a fonte é quase ideal. Fontes de pares de fotões implementadas em fibras óticas fornecem uma solução prática ao problema de acoplamento que surge quando os pares de fotões são gerados fora da fibra. Exploramos a geração de pares de fotões através do processo espontâneo de FWM no interior de guias de onda com suceptibilidade elétrica de terceira ordem. Descrevemos a geração de pares de fotões em meios com elevado coeficiente de absorção, e identificamos regimes ótimos para o rácio contagens coincidentes/acidentais (CAR) e para a desigualdade de Clauser, Horne, Shimony, and Holt (CHSH), para o qual o compromisso entre perda do guia de onda e não-linearidades maximiza esses parâmetros.

Broadband Green's Function and Applications to Fast Electromagnetic Analysis of High-Speed Interconnects

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2015

Design, Fabrication and Characterization of Passive and Active Polymer Photonic Devices

The rapid developments in fields such as fibre optic communication engineering and integrated optical electronics have expanded the interest and have increased the expectations about guided wave optics, in which optical waveguides and optical fibres play a central role. The technology of guided wave photonics now plays a role in generating information (guided-wave sensors) and processing information (spectral analysis, analog-to-digital conversion and other optical communication schemes) in addition to its original application of transmitting information (fibre optic communication). Passive and active polymer devices have generated much research interest recently because of the versatility of the fabrication techniques and the potential applications in two important areas – short distant communication network and special functionality optical devices such as amplifiers, switches and sensors. Polymer optical waveguides and fibres are often designed to have large cores with 10-1000 micrometer diameter to facilitate easy connection and splicing. Large diameter polymer optical fibres being less fragile and vastly easier to work with than glass fibres, are attractive in sensing applications. Sensors using commercial plastic optical fibres are based on ideas already used in silica glass sensors, but exploiting the flexible and cost effective nature of the plastic optical fibre for harsh environments and throw-away sensors. In the field of Photonics, considerable attention is centering on the use of polymer waveguides and fibres, as they have a great potential to create all-optical devices. By attaching organic dyes to the polymer system we can incorporate a variety of optical functions. Organic dye doped polymer waveguides and fibres are potential candidates for solid state gain media. High power and high gain optical amplification in organic dye-doped polymer waveguide amplifier is possible due to extremely large emission cross sections of dyes. Also, an extensive choice of organic dye dopants is possible resulting in amplification covering a wide range in the visible region.