Ultra-compact silicon-on-insulator optical filter based on sidewall Bragg grating

Micro-cavity structure composed of silicon wire with 240nm square cross section and two symmetrical sidewall waveguide Bragg gratings is fabricated and studied for the operation under telecommunication wavelengths. Optical filter of quasi-TE mode was realized based on this cavity. In such micro-cavity, optical quality factor (Q) was measured up to 380 with a 4.8nm free spectral range (FSR) and 12dB fringe contrast (FC). The measured group index of silicon waveguide with only 240nm square cross section was between 3.80 and 5.43. It is the first time group delay of silicon wire waveguide with such small core dimension is studied. Larger group delay can be expected after optimizing the design parameters and the fabrication process.

A multi-standard active-RC filter with accurate tuning system

A low-power, highly linear, multi-standard, active-RC filter with an accurate and novel tuning architec-ture is presented. It exhibits 1EEE 802. 11a/b/g (9.5 MHz) and DVB-H (3 MHz, 4 MHz) application. The filter exploits digitally-controlled polysilicon resistor banks and a phase lock loop type automatic tuning system. The novel and complex automatic frequency calibration scheme provides better than 4 comer frequency accuracy, and it can be powered down after calibration to save power and avoid digital signal interference. The filter achieves OIP3 of 26 dBm and the measured group delay variation of the receiver filter is 50 ns (WLAN mode). Its dissipation is 3.4 mA in RX mode and 2.3 mA (only for one path) in TX mode from a 2.85 V supply. The dissipation of calibration consumes 2 mA. The circuit has been fabricated in a 0.35μm 47 GHz SiGe BiCMOS technology; the receiver and transmitter filter occupy 0.21 mm~2 and 0.11 mm~2 (calibration circuit excluded), respectively.

Projecto de receptores integrados de banda larga

O presente trabalho tem como objectivo o estudo e projecto de receptores optimizados para sistemas de comunicações por fibra óptica de muito alto débito (10Gb/s e 40Gb/s), com a capacidade integrada de compensação adaptativa pós-detecção da distorção originada pela característica de dispersão cromática e de polarização do canal óptico. O capítulo 1 detalha o âmbito de aplicabilidade destes receptores em sistemas de comunicações ópticas com multiplexagem no comprimento de onda (WDM) actuais. O capítulo apresenta ainda os objectivos e principais contribuições desta tese. O capítulo 2 detalha o projecto de um amplificador pós-detecção adequado para sistemas de comunicação ópticos com taxa de transmissão de 10Gb/s. São discutidas as topologias mais adequadas para amplificadores pós detecção e apresentados os critérios que ditaram a escolha da topologia de transimpedância bem como as condições que permitem optimizar o seu desempenho em termos de largura de banda, ganho e ruído. Para além disso são abordados aspectos relacionados com a implementação física em tecnologia monolítica de microondas (MMIC), focando em particular o impacto destes no desempenho do circuito, como é o caso do efeito dos componentes extrínsecos ao circuito monolítico, em particular as ligações por fio condutor do monólito ao circuito externo. Este amplificador foi projectado e produzido em tecnologia pHEMT de Arsenieto de Gálio e implementado em tecnologia MMIC. O protótipo produzido foi caracterizado na fábrica, ainda na bolacha em que foi produzido (on-wafer) tendo sido obtidos dados de caracterização de 80 circuitos protótipo. Estes foram comparados com resultados de simulação e com desempenho do protótipo montado num veículo de teste. O capítulo 3 apresenta o projecto de dois compensadores eléctricos ajustáveis com a capacidade de mitigar os efeitos da dispersão cromática e da dispersão de polarização em sistemas ópticos com débito binário de 10Gb/s e 40Gb/s, com modulação em banda lateral dupla e banda lateral única. Duas topologias possíveis para este tipo de compensadores (a topologia Feed-Forward Equalizer e a topologia Decision Feedback Equaliser) são apresentadas e comparadas. A topologia Feed-Forward Equaliser que serviu de base para a implementação dos compensadores apresentados é analisada com mais detalhe sendo propostas alterações que permitem a sua implementação prática. O capítulo apresenta em detalhe a forma como estes compensadores foram implementados como circuitos distribuídos em tecnologia MMIC sendo propostas duas formas de implementar as células de ganho variável: com recurso à configuração cascode ou com recurso à configuração célula de Gilbert. São ainda apresentados resultados de simulação e experimentais (dos protótipos produzidos) que permitem tirar algumas conclusões sobre o desempenho das células de ganho com as duas configurações distintas. Por fim, o capítulo inclui ainda resultados de desempenho dos compensadores testados como compensadores de um sinal eléctrico afectado de distorção. No capítulo 4 é feita uma análise do impacto da modulação em banda lateral dupla (BLD) em comparação com a modulação em banda lateral única (BLU) num sistema óptico afectado de dispersão cromática e de polarização. Mostra-se que com modulação em BLU, como não há batimento entre portadoras das duas bandas laterais em consequência do processo quadrático de detecção e há preservação da informação da distorção cromática do canal (na fase do sinal), o uso deste tipo de modulação em sistemas de comunicação óptica permite maior tolerância à dispersão cromática e os compensadores eléctricos são muito mais eficientes. O capítulo apresenta ainda resultados de teste dos compensadores desenvolvidos em cenários experimentais de laboratório representativos de sistemas ópticos a 10Gb/s e 40Gb/s. Os resultados permitem comparar o desempenho destes cenários sem e com compensação eléctrica optimizada, para os casos de modulação em BLU e em BLD, e considerando ainda os efeitos da dispersão na velocidade de grupo e do atraso de grupo diferencial. Mostra-se que a modulação BLU em conjunto com compensação adaptativa eléctrica permite um desempenho muito superior á modulação em BLD largamente utilizada nos sistemas de comunicações actuais. Por fim o capítulo 5 sintetiza e apresenta as principais conclusões deste trabalho.

Photonic devices for optical and RF signal processing

O presente trabalho tem por objectivo o estudo de novos dispositivos fotónicos aplicados a sistemas de comunicações por fibra óptica e a sistemas de processamento de sinais RF. Os dispositivos apresentados baseiam-se em processamento de sinal linear e não linear. Dispositivos lineares ópticos tais como o interferómetro de Mach-Zehnder permitem adicionar sinais ópticos com pesos fixos ou sintonizáveis. Desta forma, este dispositivo pode ser usado respectivamente como um filtro óptico em amplitude com duas saídas complementares, ou, como um filtro óptico de resposta de fase sintonizável. O primeiro princípio de operação serve como base para um novo sistema fotónico de medição em tempo real da frequência de um sinal RF. O segundo princípio de operação é explorado num novo sistema fotónico de direccionamento do campo eléctrico radiado por um agregado de antenas, e também num novo compensador sintonizável de dispersão cromática. O processamento de sinal é não linear quando sinais ópticos são atrasados e posteriormente misturados entre si, em vez de serem linearmente adicionados. Este princípio de operação está por detrás da mistura de um sinal eléctrico com um sinal óptico, que por sua vez é a base de um novo sistema fotónico de medição em tempo real da frequência de um sinal RF. A mistura de sinais ópticos em meios não lineares permite uma operação eficiente numa grande largura espectral. Tal operação é usada para realizar conversão de comprimento de onda sintonizável. Um sinal óptico com multiplexagem no domínio temporal de elevada largura de banda é misturado com duas bombas ópticas não moduladas com base em processos não lineares paramétricos num guia de ondas de niobato de lítio com inversão periódica da polarização dos domínios ferroeléctricos. Noutro trabalho, uma bomba pulsada em que cada pulso tem um comprimento de onda sintonizável serve como base a um novo conversor de sinal óptico com multiplexagem no domínio temporal para um sinal óptico com multiplexagem no comprimento de onda. A bomba é misturada com o sinal óptico de entrada através de um processo não linear paramétrico numa fibra óptica com parâmetro não linear elevado. Todos os dispositivos fotónicos de processamento de sinal linear ou não linear propostos são experimentalmente validados. São também modelados teoricamente ou através de simulação, com a excepção dos que envolvem mistura de sinais ópticos. Uma análise qualitativa é suficiente nestes últimos dispositivos.

Fiber-optic components for optical communicatios and sensing

Nos últimos anos, a Optoelectrónica tem sido estabelecida como um campo de investigação capaz de conduzir a novas soluções tecnológicas. As conquistas abundantes no campo da óptica e lasers, bem como em comunicações ópticas têm sido de grande importância e desencadearam uma série de inovações. Entre o grande número de componentes ópticos existentes, os componentes baseados em fibra óptica são principalmente relevantes devido à sua simplicidade e à elevada de transporte de dados da fibra óptica. Neste trabalho foi focado um destes componentes ópticos: as redes de difracção em fibra óptica, as quais têm propriedades ópticas de processamento únicas. Esta classe de componentes ópticos é extremamente atraente para o desenvolvimento de dispositivos de comunicações ópticas e sensores. O trabalho começou com uma análise teórica aplicada a redes em fibra e foram focados os métodos de fabricação de redes em fibra mais utilizados. A inscrição de redes em fibra também foi abordado neste trabalho, onde um sistema de inscrição automatizada foi implementada para a fibra óptica de sílica, e os resultados experimentais mostraram uma boa aproximação ao estudo de simulação. Também foi desenvolvido um sistema de inscrição de redes de Bragg em fibra óptica de plástico. Foi apresentado um estudo detalhado da modulação acústico-óptica em redes em fibra óptica de sílica e de plástico. Por meio de uma análise detalhada dos modos de excitação mecânica aplicadas ao modulador acústico-óptico, destacou-se que dois modos predominantes de excitação acústica pode ser estabelecidos na fibra óptica, dependendo da frequência acústica aplicada. Através dessa caracterização, foi possível desenvolver novas aplicações para comunicações ópticas. Estudos e implementação de diferentes dispositivos baseados em redes em fibra foram realizados, usando o efeito acústico-óptico e o processo de regeneração em fibra óptica para várias aplicações tais como rápido multiplexador óptico add-drop, atraso de grupo sintonizável de redes de Bragg, redes de Bragg com descolamento de fase sintonizáveis, método para a inscrição de redes de Bragg com perfis complexos, filtro sintonizável para equalização de ganho e filtros ópticos notch ajustáveis.

Investigations on broadband planar monopole and slot radiators and their suitability for UWB applications

In recent years, there is a visible trend for products/services which demand seamless integration of cellular networks, WLANs and WPANs. This is a strong indication for the inclusion of high speed short range wireless technology in future applications. In this context UWB radio has a significant role to play as an extension/complement to existing cellular/access technology. In the present work, we have investigated two major types of wide band planar antennas: Monopole and Slot. Four novel compact broadband antennas, suitable for poratble applications, are designed and characterized, namely 1. Elliptical monopole 2. Inverted cone monopole 3. Koch fractal slot 4. Wide band slot The performance of these designs have been studied using standard simulation tools used in industry/academia and they have been experimentally verified. Antenna design guidelines are also deduced by accounting the resonances in each structure. In addition to having compact sized, high efficiency and broad bandwidth antennas, one of the major criterion in the design of impulse-UWB systems have been the transmission of narrow band pulses with minimum distortion. The key challenge is not only to design a broad band antenna with constant and stable gain but to maintain a flat group delay or linear phase response in the frequency domain or excellent transient response in time domain. One of the major contributions of the thesis lies in the analysis of the frequency and time-domain response of the designed UWB antennas to confirm their suitability for portable pulsed-UWB systems. Techniques to avoid narrowband interference by engraving narrow slot resonators on the antenna is also proposed and their effect on a nano-second pulse have been investigated.

Design and development of compact printed ultra wide band antennas

In recent years, there is a visible trend for products/services which demand seamless integration of cellular networks, WLANs and WPANs. This is a strong indication for the inclusion of high speed short range wireless technology in future applications. In this context UWB radio has a significant role to play as an extension/complement to existing cellular/access technology. In the present work, three major types of ultra wide band planar antennas are investigated: Monopole and Slot. Three novel compact UWB antennas, suitable for poratble applications, are designed and characterized, namely 1) Ground modified monopole 2) Serrated monopole 3) Triangular slot The performance of these designs have been studied using standard simulation tools used in industry/academia and they have been experimentally verified. Antenna design guidelines are also deduced by accounting the resonances in each structure. In addition to having compact sized, high efficiency and broad bandwidth antennas, one of the major criterion in the design of impulse-UWB systems have been the transmission of narrow band pulses with minimum distortion. The key challenge is not only to design a broad band antenna with constant and stable gain but to maintain a flat group delay or linear phase response in the frequency domain or excellent transient response in time domain. One of the major contributions of the thesis lies in the analysis of the frequency and timedomain response of the designed UWB antennas to confirm their suitability for portable pulsed-UWB systems. Techniques to avoid narrowband interference by engraving narrow slot resonators on the antenna is also proposed and their effect on a nano-second pulse have been investigated

Chipless RFID Tag Using Multiple Microstrip Open Stub Resonators

A novel compact RFID tag employing open stubs in a microstrip transmission line is proposed. The prototype of the tag is fabricated on a substrate of dielectric constant 4.4 and loss tangent 0.0018. The tag consists of microstrip open stub resonators and cross polarized transmitting and receiving disc monopole antennas. A prototype of 8 bit data encoded tag is demonstrated in this communication. Method for enhancing the performance of the RFID tag is also proposed. Magnitude or group delay response can be used to decode the tag informations

A compact CPW fed slot antenna for ultra wide band applications

A printed compact coplanar waveguide fed triangular slot antenna for ultra wide band (UWB) communication systems is presented. The antenna comprises of a triangular slot loaded ground plane with a T shaped strip radiator to enhance the bandwidth and radiation. This compact antenna has a dimension of 26mm×26mm when printed on a substrate of dielectric constant 4.4 and thickness 1.6mm. Design equations are implemented and validated for different substrates. The pulse distortion is insignificant and is verified by the measured antenna performance with high signal fidelity and virtually steady group delay. The simulation and experiment reveal that the proposed antenna exhibits good impedance match, stable radiation patterns and constant gain and group delay over the entire operating band

A Compact Modified Ground CPW Fed Antenna for UWB Applications

A Coplanar waveguide fed compact planar monopole antenna with a modified ground plane is presented. Measured and simulated results reveal that the antenna operates in the Ultra Wide Band with almost constant group delay throughout the band. Developed design equations of the antenna are validated for different substrates. Time domain performance of the antenna is also discussed in order to assess its suitability for impulse radio applications

Frequency Coded Chipless RFID Tag using Spurline Resonators

A novel compact chipless RFID tag using spurline resonators is discussed in this paper. The detection of the tag's ID is using the spectral signature of a spurline resonator circuit. The tag has a data capacity of 8-bits in the range 2.38 to 4.04 GHz. The tag consists of a spurline multiresonating circuit and two cross polarized antennas. The prototype of the tag is fabricated on a substrate CMET/ LK4.3 of dielectric constant 4.3 and loss tangent 0.0018. The measured results show that group delay response can also be used to decode the tag’s identity

Simple M-factor algorithm for improved estimation of the basic maximum usable frequency of radio waves reflected from the ionospheric F-region

The equations of Milsom are evaluated, giving the ground range and group delay of radio waves propagated via the horizontally stratified model ionosphere proposed by Bradley and Dudeney. Expressions for the ground range which allow for the effects of the underlying E- and F1-regions are used to evaluate the basic maximum usable frequency or M-factors for single F-layer hops. An algorithm for the rapid calculation of the M-factor at a given range is developed, and shown to be accurate to within 5%. The results reveal that the M(3000)F2-factor scaled from vertical-incidence ionograms using the standard URSI procedure can be up to 7.5% in error. A simple addition to the algorithm effects a correction to ionogram values to make these accurate to 0.5%.

Avaliação de funções para modelagem do efeito da refratação ionosférica na propagação dos sinais GPS

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Microwave interferometric technique for characterizing few mode fibers

We propose and experimentally demonstrate a simple and accurate technique for measuring differential mode group delay (DMGD) in few mode fibers (FMF). A frequency-swept microwave signal is modulated on a filtered optical incoherent source. The microwave signals carried on different fiber modes experience different time delays and interfere with each other in the photodetector. Optical interference between propagating fiber modes is avoided by the use of an incoherent optical source. A mathematical model is established to analyze the interference pattern and extract the DMGD values. A 456-m two-mode fiber and a 981-m FMF, which supports four LP modes, are measured. The measurement covers the whole C-band and the results coincide well with those obtained by the time-of-flight method and the numerical simulations. A precision of ±0.002 ps/m is achieved.

Simplified approach to low-cost multiparameter monitoring based on low frequency polarization modulation

We experimentally revisit a technique of low-cost multiparameter monitor for optical performance monitoring based on low frequency polarization modulation. A simplified calibration procedure, which significantly reduces the mathematical complexity and processing effort is proposed. Validation is achieved by carrying out relative optical power, wavelength, and differential group delay measurements. (C) 2012 Wiley Periodicals, Inc. Microwave Opt Technol Lett 54:18201824, 2012; View this article online at wileyonlinelibrary.com. DOI 10.1002/mop.26956