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Type: TESE DIGITAL
Degree Level: Doutorado
Title: CMOS-compatible compact photonic antennas : Antenas fotônicas compactas compatíveis com a tecnologia CMOS
Title Alternative: Antenas fotônicas compactas compatíveis com a tecnologia CMOS
Author: Pita Ruiz, Julian Leonel, 1989-
Advisor: Gabrielli, Lucas Heitzmann, 1982-
Abstract: Resumo: A área das antenas fotônicas desenvolveu-se muito nos últimos anos, com aplicações diretas em detecção de luz e avaliação de distância (LIDAR), microscopia, fotovoltaica, holografia, e as comunicações inter-chip e intra-chip ¿ entre outras. Da ampla variedade de antenas relatadas na literatura, as antenas fotônicas compatíveis com a tecnologia de semicondutores de óxido metálico complementar (CMOS) são candidatas promissoras para resolver o gargalo das comunicações em nível de chip, e também prometem levar a tecnologia LIDAR para aplicações comerciais viáveis de última geração como os carros autônomos. Dentre as antenas propostas na literatura a antena do tipo grade é a mais utilizada devido a sua facilidade de projeção e fabricação, e a seu desempenho. Embora a antena de tipo grade seja adequada para várias aplicações, esta ainda tem várias desvantagens. Entre estas, sua forte dependência da polarização e do comprimento de onda, sua direção de radiação máxima inclinada, e seu desempenho ineficiente quando projetada com uma área efetiva próxima a um comprimento de onda operacional. Nesta tese, apresentamos o projeto de antenas com desenhos não-intuitivos utilizando algoritmos de otimização do estado da arte, para aplicações em acoplamento da fibra para o chip, e também para seu uso em arranjos. Por um lado, produzimos conhecimento local na área de fabricação e caracterização de antenas de silício sobre isolante (SOI), desenvolvendo receitas de fabricação com alta repetibilidade em cada etapa do processo. Por outro lado, mostramos que as antenas otimizadas podem superar algumas limitações das antenas tipo grade. As simulações mostram que nosso projeto de antena para acoplamento atinge uma eficiência de acoplamento vertical de?6.3 dB e uma largura de banda operacional de 3 dB de 60 nm. Sendo esta a menor antena para acoplamento com esse nível de desempenho na literatura, ela ocupa apenas 15 % do espaço de uma antena convencional tipo grade para acoplamento, o que possibilita seu uso para acoplamento em fibras com múltiplos núcleos. Também mostramos experimentalmente pela primeira vez uma antena com radiação totalmente vertical para utilização em arranjos com um tamanho compacto, perto do comprimento de onda, com uma área de 1.78 µm × 1.78 µm, e uma largura de banda operacional maior do que 100 nm. Finalmente, mostramos um arranjo de antenas passivo integrado de 8 elementos distribuídos seguindo o desenho aperiódico da espiral de Fermat apresentando um nível de lóbulo lateral (SLL) cerca de 1 dB menor que o equivalente periódico do mesmo tamanho num comprimento de onda de 1550 nm. Além disso, também se usou um modulador espacial de luz (SLM) a um comprimento de onda visível para emular arranjos de antenas maiores, mostrando que a distribuição dos elementos seguindo a espiral Fermat é capaz de reduzir o SLL para arranjos de até 64 elementos espaçados até 581'lambda'

Abstract: The field of photonic antennas has become an area of intensive study in recent years, with direct applications in light detection and ranging (LIDAR), microscopy, sensors, photovoltaics, holography, and inter- and intra-chip communications ¿ among several others. Of the great variety of antennas reported in the literature, the photonic antennas compatible with the well-established complementary metal¿oxide¿semiconductor (CMOS) technology are promising candidates to solve the chip-level communication bottleneck, and also promise to make the LIDAR technology a viable commercial application for autonomous vehicles. Among the antennas proposed in the literature we find that the grating-type antenna is the most widely used due to its straightforward design and manufacture, and its performance. However, even if grating antennas are suitable for several applications, they still present several drawbacks. In particular, their radiation properties are strongly dependent on polarization and wavelength, their direction of maximum radiation does not occur at broadside direction, and they are power inefficient when designed with an effective area close to the operating wavelength. In this thesis, we present the design of antennas with counterintuitive designs obtained by means of state-of-the-art optimization algorithms for applications in fiber coupling to the chip, and also for use as radiation element in large-scale arrays. We produced, on the one hand, local knowledge in the manufacturing and characterization of silicon-on-insulator (SOI) antennas, developing manufacturing recipes with high repeatabil-ity at each step of the process. On the other hand, we show that optimized antennas can overcome some limitations of grating-type antennas. Simulations show that our antenna designed for coupling achieves an efficiency in the vertical direction of ?6.3 dB and an operating 3 dB bandwidth of 60 nm. This represents the smallest antenna designed for coupling at this performance level in the literature, it occupies only 15 % of the footprint of a conventional grating antenna, which in turn enables its use in multicore fibers. We also demonstrated experimentally for the first time an antenna with vertical radiation anda compact footprint for use in arrays. Its dimensions are close to the operation wavelength, and it has an area 1.78 µm × 1.78 µm and an operational bandwidth exceeding 100 nm. Finally, we show that a passive integrated 8-element array antenna distributed following the aperiodic design of the Fermat spiral shows a side lobe level (SLL) approximately 1 dB lower than a periodic array of the same size, both operating at a wavelength of 1550 nm. In addition, we also use a spatial ligth modulator (SLM) at visible wavelength to emulate larger arrays, showing that the Fermat spiral successfully reduces the SLL in for arrays with up to 64-elements spaced by 581'lambda'
Subject: Antenas
Fotônica
Dispositivos dielétricos
Language: Inglês
Editor: [s.n.]
Citation: PITA RUIZ, Julian Leonel. CMOS-compatible compact photonic antennas: Antenas fotônicas compactas compatíveis com a tecnologia CMOS. 2018. 1 recurso online (116 p.). Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação, Campinas, SP. Disponível em: <http://www.repositorio.unicamp.br/handle/REPOSIP/333243>. Acesso em: 13 jun. 2019.
Date Issue: 2018
Appears in Collections:FEEC - Tese e Dissertação

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