Dissertationen zum Thema „3D resonators“

This thesis presents a novel method of modulating silicon photonic circuits using 3D printed microfluidic devices. The fluids that pass through the microfluidic device interact directly with the silicon waveguides. This method changes the refractive index of the waveguide cladding, thus changing the effective index of the system. Through using this technique we demonstrate the shift in resonant wavelength by a full free spectral range (FSR) by increasing the concentration of the salt water in the microfluidic device from 0% to 10%. On a 60 μm microring resonator, this equals a resonant wavelength shift of 1.514 nm when the index of the cladding changes by 0.017 refractive index units (RIU), or at a rate of 89.05 nm/RIU. These results are confirmed by simulations that use both analytical and numerical methods. This thesis also outlines the development of a process that uses two-photon absorption(TPA) in silicon to produce a photoelectrochemical (PEC) etching effect. TPA induces free carriers in silicon that then interact with the Hydroflouric Acid (HF) solution that the wafer is submerged in. This interaction removes silicon away from the wafer, which is the etching observed in our experiments. Non-line-of-sight PEC etching is demonstrated. The optical assemblies used in these experiments are presented, as are several of the results of the etching experiments.

Le but de cette thèse est de développer des méthodes d’élaboration de métasurfaces nanostructurées par combinaison de la chimie sol-gel et de la lithographie par nano impression (soft-NIL). Celle-ci présente notamment des intérêts d’ordres scientifiques et technologiques. En outre, elle entre dans la tendance générale du développement des processus rapide à faibles coûts utilisant des matériaux biocompatibles et non toxiques. Dans un premier temps, nous présenterons l'élaboration de nouveaux revêtements anti-reflets constitués de silice hydrophobe (modifiée méthyle) avec différentes nanostructures (piliers et trous). Ces nouveaux revêtements permettent de réduire la réflexion dans un intervalle spectral large tout en conservant une large tolérance angulaire à la lumière incidente. D’autre part, ces nanomatériaux présentent une stabilité chimique, thermique et mécanique améliorée par rapport à l’état de l’art. Par la suite, un nouveau système de couche sensible composé d’une méta-surface de TiO2 encapsulée dans une matrice hybride microporeuse pour capteur basée sur la transduction optique, et présentant une sensibilité spectrale de 4470 nm/RIU a été développé. Ce dernier a été exploiter pour sonder la présence de COV dans l’air avec une sélectivité partielle et une sensibilité de 0.5×10-3 R/ppm. Finalement, le savoir-faire développé a ensuite été mis à contribution pour l’élaboration de réseaux de méta-surfaces par empilements successifs de matériaux diélectriques SiO2 poreuse et TiO2 dense nano-imprimés. Ce dernier travail est précurseur à la fabrication de méta-matériaux 3D par procédé sol-gel
The purpose of this thesis is to develop methods to elaborate nanostructured metasurfaces by combining sol-gel chemistry and nano imprint lithography (soft-NIL), which are of relevant scientific and technological interest as they inscribe themselves in the general trend of developing affordable and time-saving processes, using biocompatible and non-toxic materials. Firstly, we showcase the elaboration of new efficient antireflection coatings made of water-repellent methylated silica nipple-dimple nano-architectures (pillars and holes). The interest of these results relies on the possibility to drastically reduce reflection in a broad spectral interval and within a broad acceptance angle of the incident light, rendering them adapted to photovoltaic, glass covers, laser windows, and much more. Furthermore, these nano-materials feature a high chemical, thermal and mechanical stability. Secondly, a highly sensitive optical gas sensor was elaborated based on TiO2 nanopatterns embedded in a thin microporous hybrid-SiO2 sensitive coating. The reflectivity of the layer has then been measured in the visible range with increasing vapor pressure. The measured sensing performances are sensitivity S up to 4500 nm/RIU (0.2 nm/ppm), reflection intensity changes up to R* = 17 (0.55×10-3 R/ppm), FOM up to 12, with a Q-Factor of 4 for a specific wavelength, which is compatible with sub-ppm gas detection by simple specular reflection. Finally, a novel generation of dielectric 3D stack nanostructured patterns (e.g. TiO2 pillars - mesoporous SiO2 - TiO2 pillars) was developed as an innovative optical system that has never been experimentally studied before

Cette thèse est consacrée à l'étude fondamentale et au développement de micro-sources lasers en matériaux organiques, susceptibles de débouchés dans les technologies de l'information et les biotechnologies. Nous avons exploré l'aspect tridimensionnel (3D) de ces lasers, tant en termes de fabrication que de caractérisation. Concernant la fabrication, nous avons fait évoluer la géométrie des microlasers, auparavant quasi-bidimensionnelle (2D, issue de films fins) vers une géométrie 3D (comme des cubes). Des procédés de lithographie UV épaisse ou d'écriture directe au laser par photo-polymérisation à 2 photons ont été adaptés pour réaliser des formes sur mesure de micro-résonateurs optiques incluant un colorant. Afin d'étudier l'émission très anisotrope de ces lasers, nous avons conçu et développé un outil original, appelé scanner à angle solide (SAS), permettant de collecter l'émission d'un microlaser dans toutes les directions du demi-espace qui le surplombe, avec une grande précision. Le SAS a permis de constater que les microlasers 2D émettent principalement hors-plan. Un modèle a été développé pour expliquer cet effet et émettre des prédictions. D'autre part, différentes formes de microlasers 2D ont été analysées, à partir de leurs directions et spectres d'émission, grâce au formalisme semi-classique des orbites périodiques. En particulier, une orbite diffractive a été observée dans les triangles, ce qui ouvre la voie à une étude systématique de la diffraction par un coin diélectrique. Nous apportons également une explication à la directionalité de l'émission par des microlasers carrés. Pour finir, les premières caractérisations 3D de micro-lasers 3D ont été réalisées.

Les télécommunications sont devenus indispensables dans notre monde actuel. De plus, le volume des données échangées ne cesse de croître. En effet, nous pouvons transmettre nos photos, nos vidéos au monde entier. Nonobstant, nous ne voulons pas attendre pour les avoir, ce qui exige un débit de données très important et par conséquent des signaux avec des bandes passantes plus larges. Les satellites de télécommunications doivent donc s’adapter, c'est pourquoi nous proposons dans ces travaux la recherche de filtre à large bande avec une recherche de compacité et de faibles pertes. Nous nous sommes intéressés à l'utilisation de matériaux céramiques qui permettent d'obtenir de bonnes performances vis à vis de nos besoins. Notre travail est aussi rendu possible par le développement de procédés de fabrication additifs, comme par exemple la stéréolithographie, qui va nous permettre de nous affranchir fortement de règles de dessin contraignantes que nous pourrions avoir en utilisant des procédés classiques. Nous avons développé des filtres avec de larges bandes passantes autour de 4GHz. Une première étude nous a permis de rechercher des concepts qui permettent d'obtenir de forts couplages, conditions sine qua non pour réaliser ces filtres. Plusieurs concepts sont présentés ainsi que leur fabrication et leur mesures. Nous avons ainsi démontré expérimentalement que les concepts proposés, à base de pièces monoblocs céramiques, sont capables de produire des filtres à bandes passantes supérieures à 60 % (voire même 110 % pour une version améliorée)
Every day, the data exchanges increase thanks to the new technologies. We can keep our files, our pictures, our videos online to have an access anywhere on the planet (for now). In this way, the data output of the telecommunication systems has to be increased in order to satisfy the more and more demanding users. One way to allow this is to increase the bandwidths of the different signals, making possible to transmit more data at the same time. In this work, we will develop wide bandpass filters dedicated to space telecommunications. For that purpose, we need them to be compact, with low insertion loss and a limited number of parts to assemble. Consequently, we are interested to use resonators made with ceramic materials that permits to reach such properties. Moreover, these materials are compatible with stereolithography, an additive manufacturing process. Such technology is here very useful for our purpose since its design freedom allows the creation of almost all kind of geometries. To realize such wide bandpass filters, we need strong couplings between the different resonators and also for the accesses, so we will present our studies focused on reaching these specific objectives. Then, we will present different designs of wide bandpass filter around 4GHz. After different generation of ceramic based components, we are be able to experimentally create a 60% bandwidth (even 100% for our last version) very compact bandpass filter filling the objectives of this PhD thesis

L'objectif de la thèse est la fabrication et caractérisation de microlasers 3D à base de polymères dopés par des colorants organiques et des nanoparticules d'erbium et Ytterbium. Au début, nous avons étudié des structures polymères avec de très bons facteurs d'aspect, ainsi que le déplacement de nanoparticules lors de l'exposition à un éclairement périodique. La réalisation majeure de cette thèse est l'obtention de microlasers 3D par lithographie UV. Ensuite nous avons comparé les seuils lasers de ces structures pour différentes méthodes de fabrication. Dans des micro-cubes, nous avons identifié des orbites périodiques planes en forme de carré. L'analyse des orbites périodiques dans des microlasers Fabry-Perot 3D a montré que leur forme dépend du colorant, de la nature du substrat et de la taille de la structure (largeur et épaisseur).La dernière partie de ce travail consiste en la synthèse de nanoparticules d'oxyde d'erbium et ytterbium à basse température et en milieu anhydre. Ces nano-particules ont ensuite été introduites dans des composites à base de polymères qui ont donné lieu à la fabrication de micro-lasers 3D et à leur caractérisation
The aim of the thesis is the fabrication and optical characterization of three-dimensional organic microlasers based on organic dyes and luminescent erbium/ytterbium nanoparticles.At the beginning, we considered submicron polymer structures with high aspect ratio, as well as the phenomenon of redistribution of nanoparticles in the volume of the composite during the exposure by a periodic light field pattern.The main part of the work is devoted to obtaining three-dimensional polymer microlasers by UV-lithography. Comparison of the lasing threshold for microcavities obtained by different methods was performed. Periodic orbits in cuboid microlasers with square cross-section were identified. Analysis of possible periodic orbits in microlasers Fabry-Perot showed that the shape of the orbit depends on the dye, the type of substrate and the size of the microlaser (width, height).The last part of the work contains a study of low-temperature synthesis of luminescent nanoparticles of erbium and ytterbium oxides in a anhydrous medium, and polymer composites based on them. Three dimensional organic microlasers doped by these luminescent nanoparticles were obtained and investigated

3D printable materials for RF devices need improvement in order to satisfy the demand for higher frequency and lower loss performance. Characterization of materials that have shown improvements of conductor conductivity have been performed. By using a laser machining technique the loss of a 3D printed 2.45 GHz microstrip Square Open Loop Resonator (SOLR) bandpass filter has been shown to improve by 2.1dB, along with an increase in bandwidth from 10% to 12.7% when compared to a SOLR filter that has not been laser machined. Both laser machined and microwaved silver inks have been mapped for conductivity using a Near Field Microwave Microscope (NFMM) and have shown improvement of conductivity compared to inks that have been cured using standard methods.

Dans le cadre du développement de SoC (Systems-on-Chip) complexes, l'interconnexion des différent IP matériels (Intellectual Property), très distants à l'échelle d'un circuit intégré (typiquement quelques centimètres) et devant s'échanger des volumes de données parfois important, incite, pour des raisons de débit, de latence, de pertes et de consommation, l'adoption d'une méthodologie de conception adéquate pour réaliser des systèmes de plus en plus flexibles. Afin de répondre à ces nouvelles difficultés de conception, de nombreuses recherches ont fait émerger le concept de réseau optique sur puce (Optical Network-on-Chip ou ONoC).Dans cette thèse une étude détaillée d'une nouvelle architecture d'un réseau optique sur puce a été faite. La conception de ce réseau repose sur 2 paradigmes d'interconnexion: concevoir l'architecture dans le cadre d'une puce en 3D et l'empilement en plusieurs niveaux des guides d'onde optique dans la couche réseau optique sur puce. L'élément clef de cette architecture est un microrésonateur à plusieurs niveaux de guide d'onde (Si/SiO2). De ce fait, une étude détaillée sur le comportement optique de ce composant avec des modèles mathématiques et des simulations FEM a été faite dans le but d'optimiser la perte de puissance optique, le nombre des niveaux des guides d'onde empilés et la consommation d'énergie.Après avoir détaillé le fonctionnement de réseau multi-niveaux sur puce proposé "OMNoC", son protocole de routage a été étudié avec le simulateur NS-2, puis optimisé, rédiger et étudier avec C++ et l'outil Parsec Benchmark. Enfin et en tenant compte des études faites sur le comportement optique des guides d'onde et le protocole de routage, une étude desperformances comparatives avec des autres architectures a été élaborée montrant ainsi les avantages et les limites d'une telle méthodologie d'interconnexion
The developing of complex System on Chip "SoC" interconnecting different cores IP distant in micrometer chip scale, needs important data bandwidth , low latency and the best compromise between optical power loss and crosstalk. According to that, finding new methodology design is necessary to cope to those challenges.Using centric communication becomes the mainly solution to improve communication performance in system on chip and recently many researches are focusing on Optical Network on Chip 'ONoC'.In this thesis, a novel architecture of an optical network on chip is proposed, this architecture is reposed on 2 design paradigms: ONoC based 3D chip and multilevel waveguides based ONoC. The key element of this architecture is the multilevel microresonator (Si/SiO2) which is the optical switch of the network. Optical wave behavior in different geometries have been studied using FEM method in order to find compromise between optical power loss and crosstalk. Operation mode of this ONoC called "OMNoC" is explained, routing protocol is studied using NS-2 simulator too, then optimized and developed using C++ and Benchmark tool. After that and by using FEM results and adopted routing strategy, OMNoC performances are studied and compared with other network architectures proposed in ONoC literature. In conclusion and according to performances analysis and comparisons, OMNoC could be considered as a promising network architecture which offer scalability and give a compromise between optical power loss and crosstalk

L’objectif de ce travail était de concevoir et réaliser par impression un capteur acoustique capacitif résonant bas coût. Il s’inscrit dans le cadre d’un projet collaboratif de recherche intitulé « Spinnaker », défini par la société Tagsys RFID qui souhaite intégrer ce capteur afin d’améliorer la géolocalisation des étiquettes RFID. Ce travail a débuté par la conception et l’optimisation du design en utilisant la simulation par éléments finis (COMSOL) ainsi que des plans d’expériences (DOE : Design of Experiment). Cette première étape a permis de déterminer les paramètres optimaux et démontrer que les performances obtenues étaient conformes aux spécifications. Nous avons ensuite développé les différentes briques technologiques nécessaires à la réalisation des prototypes en utilisant conjointement l’impression 2D par inkjet et l’impression 3D. Nous avons vérifié la fonctionnalité de ces capteurs à l’aide de mesures électriques capacitives et acoustiques par vibrométrie laser. Nous avons démontré la sélectivité en fréquence des capteurs réalisés et comparé les résultats expérimentaux à ceux obtenus par simulation. Enfin, nous avons enfin exploré la « voie piezoélectrique » qui nous semble être une alternative intéressante au principe capacitif. En l’absence d’encre piézoélectrique commerciale imprimable par jet de matière, nous avons formulé une encre imprimable à base du co-polymère PVDF-TrFE et démontré le caractère piézoélectrique des couches imprimées. Les résultats sont prometteurs mais des améliorations doivent encore être apportées à cette encre et au procédé d’impression avant de pouvoir fabriquer des premiers prototypes
The objective of this work was to design and fabricate a low cost resonant capacitive acoustic sensor using printing techniques. It falls within the frame of a collaborative research project named “Spinnaker”, set up by TAGSYS RFID, a French company, which has planned to integrate this sensor to improve the geolocalization of their RFID tags. This work started with the design and optimization of the sensor using finite element modeling (COMSOL) and design of experiments (DOE). This first step has enabled the identification of the optimum set of parameters and demonstrated that the output responses were in accordance with the specifications. Then, we have developed the different technological building blocks required for the fabrication of the prototypes using jointly the 2D inkjet printing technique and 3D printing method. The functionality of the sensors has been characterized using both capacitive and acoustic measurements using laser Doppler vibrometer. Experimental results showed that sensitivity and selectivity were within the specifications and in good agreement with the modeling results. Finally, we investigated the piezoelectric approach which could be an interesting option to the capacitive one. Since no inkjet printable piezoelectric ink is commercially available, stable inkjet printable polyvinylidene fluoride-trifluoroethylene (PVDF-TrFE) ink has been developed. PVDF-TrFE layers were then successfully printed and characterized. The results were quite promising, however further improvements of the ink and printing process are required before stepping towards piezoelectric based device fabrication

At the turn of the 20th century two contemporaries in their respective fields teamed up to develop a solution to an acoustic problem with the hard-surfaced vaulted ceilings being installed in many large spanning rooms being built at the time. In the spirit of their ingenuity, this research explores a 21st century solution to a similar problem in contemporary buildings; the desire for a durable, hard surface wall or ceiling material treatment that is more sound absorbent than other common surface treatments. To find a material answer to this desire an impedance tube was used to analyze the mid-frequency octave band absorption coefficients of various re-purposed existing materials and tiles created utilizing 3D print technology and Helmholtz resonators. Additionally, an empirical study of Helmholtz resonator geometry was performed by analyzing the sound absorption of resonant cavity shape changes. Finally, plots of the absorption coefficients for each material tested were created to provide a visual comparison against two common surface treatment materials, tectum and gypsum wall board.
MARCH

Square open loop resonator (SOLR) bandpass filters fabricated with additive manufacturing techniques are presented and studied. One filter contains novel 3D capacitive plates used to enhance resonator coupling. The filters are centered at 2.45 GHz and loaded with capacitors for miniaturization as low as 21% that of a conventional SOLR bandpass filter. The pass-band insertion loss of the filters ranges from 3.8 dB to 5.5 dB and the 3 dB bandwidth ranges from 180 MHz to 250 MHz. Also, degradation in the effective conductivity of printed ink as a function of substrate roughness is analyzed. Finally, a study of dielectric and metallic 3D printing processes that are candidates for digital manufacturing of integrated mobile phone client antennas is presented.

Efficient oil production and refining processes require the precise measurement of water content in oil (i.e., water-cut) which is extracted out of a production well as a byproduct. Traditional water-cut (WC) laboratory measurements are precise, but are incapable of providing real-time information, while recently reported in-line WC sensors (both in research and industry) are usually incapable of sensing the full WC range (0 – 100 %), are bulky, expensive and non-scalable for the variety of pipe sizes used in the oil industry. This work presents a novel implementation of a planar microwave T-resonator for fully non-intrusive in situ WC sensing over the full range of operation, i.e., 0 – 100 %. As opposed to non-planar resonators, the choice of a planar resonator has enabled its direct implementation on the pipe surface using low cost fabrication methods. WC sensors make use of series resonance introduced by a λ/4 open shunt stub placed in the middle of a microstrip line. The detection mechanism is based on the measurement of the T-resonator’s resonance frequency, which varies with the relative percentage of oil and water (due to the difference in their dielectric properties). In order to implement the planar T-resonator based sensor on the curved surface of the pipe, a novel approach of utilizing two ground planes is proposed in this work. The innovative use of dual ground planes makes this sensor scalable to a wide range of pipe sizes present in the oil industry. The design and optimization of this sensor was performed in an electromagnetic Finite Element Method (FEM) solver, i.e., High Frequency Structural Simulator (HFSS) and the dielectric properties of oil, water and their emulsions of different WCs used in the simulation model were measured using a SPEAG-dielectric assessment kit (DAK-12). The simulation results were validated through characterization of fabricated prototypes. Initial rapid prototyping was completed using copper tape, after which a novel reusable 3D-printed mask based fabrication was also successfully implemented, which would resemble screen printing if it were to be implemented in 3D. In order to verify the design’s applicability for the actual scenario of oil wells, where an oil/water mixture is flowing through the pipes, a basic flow loop was constructed in the IMPACT laboratory at KAUST. The dynamic measurements in the flow loop showed that the WC sensor design is also equally applicable for flowing mixtures. The proposed design is capable of sensing the WC with a fine resolution due to its wide sensing range, in the 80 – 190 MHz frequency band. The experimental results for these low cost and conformal WC sensors are promising, and further characterization and optimization of these sensors according to oil field conditions will enable their widespread use in the oil industry.