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Redes de difracción de alto rendimiento e insensibles a la polarización habilitadas por metamateriales dieléctricos y algoritmos inspirados en la naturaleza

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Redes de difracción de alto rendimiento e insensibles a la polarización habilitadas por metamateriales dieléctricos y algoritmos inspirados en la naturaleza

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dc.contributor.advisor Sanchis Kilders, Pablo es_ES
dc.contributor.author Parra Gómez, Jorge es_ES
dc.date.accessioned 2020-05-13T08:31:47Z
dc.date.available 2020-05-13T08:31:47Z
dc.date.created 2020-05-05 es_ES
dc.date.issued 2020-05-13 es_ES
dc.identifier.uri http://hdl.handle.net/10251/143023
dc.description.abstract [ES] La complejidad de las estructuras emergentes en fotónica integrada hace que su optimización sea difícil y con altos costes asociados en términos de tiempo y recursos. Los circuitos fotónicos integrados (PICs, en inglés) se están convirtiendo en una solución tecnológica para abordar problemas críticos en el campo de las telecomunicaciones, biofotónica o computación cuántica. Específicamente, la fotónica de silicio sobresale como la plataforma mas prometedora para abordarlos. Obtener un proceso de optimización eficiente sería muy codiciado por las compañías para reducir los costes del PIC o proporcionar nuevas y mejores funcionalidades. En este trabajo, nos ponemos como objetivo probar el potencial de un algoritmo inspirado en la naturaleza como es la optimización por enjambre de partículas (PSO, en inglés) aplicado a estructuras fotónicas. Específicamente, PSO es aplicado para obtener alto prestaciones en redes de difracción insensibles a la polarización para acoplo fibra a PIC. La condición de insensibilidad a la polarización es difícil de obtener en fotónica de silicio debido al gran contraste de índice. Para conseguir esta condición en una red de difracción, la solución mas prometedora es el uso de estructuras sub-longitud de onda que actúan como un metamaterial dieléctrico uniaxial. Como consecuencia, la inclusión de estas estructuras incrementa exponencialmente el número de variables de diseño, lo cual dificulta el uso de procesos estándares de optimización. En este trabajo, las estructuras sub-longitud de onda son en primer lugar analizadas rigurosamente mediante el método de transferencia de matrices (TMM, en inglés), la expansión modal y la técnica de adaptación modal para determinar bajo que condiciones estas actúan como un material homogéneo. A continuación, la optimización de las redes de difracción insensibles a la polarización es llevada a cabo mediante el desarrollo de un programa que se integra con un software de simulación fotónica (RSoft). El potencial de PSO aplicado a este tipo de estructuras es demostrado requiriendo al algoritmo diferentes especificaciones para la red de difracción. Los resultados muestran para las estructuras sub-longitud de onda un periodo mínimo de 100 nm a fin de aplicar la aproximación de homogeneidad de forma precisa. Por otra parte, los diseños dados por PSO presentan un alto prestaciones junto con un comportamiento insensible a la polarización comparable al estado del arte. Además, se también se consigue una reducción drástica en el tiempo de optimización en comparación con las técnicas comunes. De esta forma, PSO se presenta como una herramienta eficiente para optimizar estructuras fotónicas complejas. Estos resultados podrían llamar la atención de la industria de los PIC para reducir sus costes. Por otra parte, los diseños propuestos podrían ser de interés para desarrollar nuevas aplicaciones en el campo de las telecomunicaciones o nuevas formas de computación. es_ES
dc.description.abstract [EN] The complexity of emerging photonic integrated structures makes their optimization difficult and with high associated costs in terms of time and resources. Photonic integrated circuits (PICs) are becoming a technology solution to address some critical problems in the field of telecom, biophotonics or quantum computing. Specifically, silicon photonics stand as the most promising platform to tackle them. Obtaining an efficient optimization process would be desired for companies to reduce the cost of the PIC or provide new and better functionalities. In the present work, we aim to prove the potential of a nature-inspired algorithm such as particle swarm optimization (PSO) applied to photonic structures. Specifically, PSO is applied for obtaining high-performance in polarization-insensitive grating couplers for fibre-to-PIC coupling. The polarization-intensive condition is hard to achieve in silicon photonics due to the large index contrast. To achieve this condition in grating couplings the most promising solution is the utilization of subwavelength structures that act as a uniaxial dielectric metamaterial. As a consequence, the inclusion of these structures increases exponentially the number of design variables, which difficult the utilization of standard optimization processes. In this work, the subwavelength structures are first rigorously analysed by using transfer matrix method (TMM), eigenmode expansion and mode-matching to determine under which conditions these act as a homogenous material. Afterwards, the optimization of polarization-insensitive grating couplers is carried out by developing a program that integrates with a photonic simulation software (RSoft). The potential of PSO applied to this kind of structure is demonstrated by demanding different grating specifications to the algorithm. Results show for the subwavelength structures a minimum pitch of 100 nm in order apply accurately the homogenous approximation. On the other hand, the designs given by PSO present high-performance together with a polarization-insensitive behaviour comparable to the state-of-the art. Furthermore, a drastic reduction of the optimization time in comparison with common techniques is also achieved. Hence, PSO presents as an efficient tool for optimizing complex photonic structures. These results could catch the attention of the PIC industry to implement this cost-savings. Furthermore, the proposed designs could be of interest for developing new applications in the field of telecom or new ways of computing. en_EN
dc.language Español es_ES
dc.publisher Universitat Politècnica de València es_ES
dc.rights Reserva de todos los derechos es_ES
dc.subject Circuitos fotónicos integrados es_ES
dc.subject Nanofotónica es_ES
dc.subject Silicio es_ES
dc.subject Sub-longitud de onda es_ES
dc.subject Red de difracción es_ES
dc.subject Metamaterial es_ES
dc.subject Optimización es_ES
dc.subject Enjambre de partículas es_ES
dc.subject Photonic integrated circuits en_EN
dc.subject Nanophotonics en_EN
dc.subject Silicon en_EN
dc.subject Subwavelength en_EN
dc.subject Particle swarm optimization en_EN
dc.subject Coupling en_EN
dc.subject Grating en_EN
dc.subject.classification TEORIA DE LA SEÑAL Y COMUNICACIONES es_ES
dc.subject.other Máster Universitario en Ingeniería de Telecomunicación-Màster Universitari en Enginyeria de Telecomunicació es_ES
dc.title Redes de difracción de alto rendimiento e insensibles a la polarización habilitadas por metamateriales dieléctricos y algoritmos inspirados en la naturaleza es_ES
dc.type Tesis de máster es_ES
dc.rights.accessRights Abierto es_ES
dc.contributor.affiliation Universitat Politècnica de València. Departamento de Comunicaciones - Departament de Comunicacions es_ES
dc.contributor.affiliation Universitat Politècnica de València. Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Telecomunicación - Escola Tècnica Superior d'Enginyers de Telecomunicació es_ES
dc.description.bibliographicCitation Parra Gómez, J. (2020). Redes de difracción de alto rendimiento e insensibles a la polarización habilitadas por metamateriales dieléctricos y algoritmos inspirados en la naturaleza. http://hdl.handle.net/10251/143023 es_ES
dc.description.accrualMethod TFGM es_ES
dc.relation.pasarela TFGM\127052 es_ES


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