The construction and operation of a water tunnel in application to flow visualization studies of an oscillating airfoil

The water tunnel which was constructed at the NASA Ames Research Center is described along with the flow field adjacent to an oscillating airfoil. The design and operational procedures of the tunnel are described in detail. Hydrogen bubble and thymol blue techniques are used to visualize the flow field. Results of the flow visualizations are presented in a series of still pictures and a high speed movie. These results show that time stall is more complicated than simple shedding from the leading edge or the trailing edge, particularly at relatively low frequency oscillations comparable to those of a helicopter blade. Therefore, any successful theory for predicting the stall loads on the helicopter blades must treat an irregular separated region rather than a discrete vortex passing over each blade surface

Optical Waveguide Sensor based on Gratings and Metamaterials for Refractive Index Sensing

Optical waveguide sensors based on gratings and metamaterials for refractive index (RI) sensing are introduced in this Ph.D. dissertation. A waveguide is a structure which can guide light based on total internal reflection. When a waveguide is applied as an optical sensor, it uses different forms of light–matter interactions to measure or quantify molecules, and be used in biological and chemical applications. A diffraction grating is an optical element with a periodic structure which diffracts incident light into several beam in different directions based on the properties of the light. Metamaterials are engineered materials designed to have properties that do not occur naturally. In this work, gratings are applied to interact with incident light and to produce changes in the phase and amplitude of the output light. When it is combined with a waveguide, a diffraction grating coupled waveguide based biosensor can be designed. When the light is input with an angle to the biosensor, the grating not only diffracts the light, but allows the light to effectively couple with the waveguide thus providing interaction with the analyte of interest. A Bragg gratings waveguide (BGW) is a waveguide with periodic structures of RI along the waveguide core. When the light is incident normal to the BGW, the light will be confined to generate a resonance. Two waveguide biosensors based on Bragg gratings are designed. The double sided Bragg gratings waveguide (DSBGW) based biosensor uses Bragg gratings in silicon on insulator (SOI) wafer to measure the target analyte. The light will interact with the gratings and the analyte surrounding the waveguide, and the change of RI of analyte will lead to a change in the resonance peak of the spectrum. Compared with DSBGW, when the waveguide is also coupled with a slot, the double sided Bragg gratings in slot waveguide (DSBGISW) based biosensor is designed and can achieve better performance. Metal gratings when patterned appropriately can act as a metamaterial. When a liquid-core waveguide and gold/dielectric metamaterial are integrated in the biosensor design, it produces resonance in the waveguide when the light interacts with the metamaterial structure in the core. The sensor is able to detect a liquid analyte by converting the change in the RI of the analyte to a shift of resonance peak in the output spectrum. The different light guiding properties of the structure will determine the peaks in the spectrum and enhance the sensitivity. A metamaterial based biosensor has been characterized through simulation and experimentation

Photonic Integrated Circuit (PIC) Device Structures: Background, Fabrication Ecosystem, Relevance to Space Systems Applications, and Discussion of Related Radiation Effects

Electronic integrated circuits are considered one of the most significant technological advances of the 20th century, with demonstrated impact in their ability to incorporate successively higher numbers transistors and construct electronic devices onto a single CMOS chip. Photonic integrated circuits (PICs) exist as the optical analog to integrated circuits; however, in place of transistors, PICs consist of numerous scaled optical components, including such "building-block" structures as waveguides, MMIs, lasers, and optical ring resonators. The ability to construct electronic and photonic components on a single microsystems platform offers transformative potential for the development of technologies in fields including communications, biomedical device development, autonomous navigation, and chemical and atmospheric sensing. Developing on-chip systems that provide new avenues for integration and replacement of bulk optical and electro-optic components also reduces size, weight, power and cost (SWaP-C) limitations, which are important in the selection of instrumentation for specific flight projects. The number of applications currently emerging for complex photonics systems-particularly in data communications-warrants additional investigations when considering reliability for space systems development. This Body of Knowledge document seeks to provide an overview of existing integrated photonics architectures; the current state of design, development, and fabrication ecosystems in the United States and Europe; and potential space applications, with emphasis given to associated radiation effects and reliability

Study and manufacturing of biosensors based on plasmonic effects and built on silicon

Abstract: Lab-on-a-chip (or LOC) devices scale down the laboratory processes for detecting illnesses and monitoring sick patients without the need of medical laboratories. Well-known examples of LOC are pregnancy test kits or portable HIV sensors. To be useful, LOC devices must be sensitive, specific, compact, and affordable. These criteria are made possible with a transducer that can convert the biological presence of the target molecule into electrical information. Since the early 2000s, integrated photonics have offered a possible solution for a transducer compatible with LOC needs. In particular, silicon micro-ring resonators represent a compact and sensitive choice to use as a transducer in LOC devices. In agreement with the requirements of LOC devices, the objective of this project is to design and assess the performance of a compact photonic biosensor. The system will be based on integrated photonic transduction. The requirements are that it is compatible with an industrial fabrication platform and fluidic systems, with a sensitivity equal to or higher than the state-of-the-art and simple to functionalize in order to localize the target molecules in the sensitive regions of the sensor. This project details the design, fabrication, and characterization of such a biosensor. We found that ring resonators with a Hybrid Plasmonic Waveguide (HPWG) cross-section fulfill the LOC requirements and outperform the state-of-the-art biosensor. Furthermore, based on a principle called mode lift, we patented new geometry of HPWG, which will be the object of an article. We simulated the HPWG structure to understand the coupling mechanisms of the modes inside the structure (more specifically, the plasmonic and the ridge dielectric modes). The fabrication was possible thanks to the collaboration of the industrial and university cleanrooms. An advantage of industrial production is that we can reproducibly create the geometric components necessary for the LOC in a high-throughput manner, thus lowering the cost per unit cell. Once the 300 mm Si wafers were patterned, the university cleanroom fabrication process adds the metallic waveguides. The Au nanopatterning on the devices characterized in this project was created using the lift-off method. The preliminary measures define the optimal testing liquid (glucose monohydrate) and the uncertainty of the measures. The HPWG samples showed an experimental sensitivity lower than the simulations. After adjusting the fabrication parameters (mainly Au and Cr deposition rates and thicknesses), the second-generation HPWG devices suggest that the mode lift improves the sensitivity for waveguides below cutoff (the sensitivity increases from 210 nm/RIU to 320 nm/RIU when only 10% of the ring resonator has an HPWG section and the rest is a ridge waveguide). Even in the case where ridge waveguides are above the cutoff, the sensitivity increases by 40 nm/RIU when using mode lift. We also showed the compatibility of the fabricated devices’ surface with differential functionalization, by means of fluorescent nanoparticles. Due to time limitations, the presence of the nanoparticles will be measured with the fabricated devices in future experiments.Les dispositifs laboratoire sur puce (ou Lab-on-a-chip ou LOC) visent à miniaturiser les procédés de laboratoires pour la détection des maladies et la surveillance des patients malades, sans avoir besoin de laboratoires médicaux. Deux exemples bien connus de LOC sont les kits de test de grossesse ou les capteurs portables du VIH. Pour être efficaces, les appareils LOC doivent être sensibles, spécifiques à l’analyte concerné, compacts et abordables. Ces critères sont possibles grâce à un transducteur, qui peut convertir la présence biologique de la molécule cible en informations électriques. Depuis le début des années 2000, la photonique intégrée a offert une solution pour un système de transduction compatible avec les besoins du LOC. En particulier, les micro-résonateurs à anneaux en silicium représentent un transducteur compact et sensible adapté aux appareils LOC. En accord avec les exigences des dispositifs LOC, l’objectif de ce projet est de concevoir et d’évaluer les performances d’un biocapteur photonique compact. Le système sera basé sur une transduction photonique intégrée. Les exigences sont : une simple fonctionnalisation, la compatibilité avec une plateforme de fabrication industrielle et des systèmes fluidiques, avec une sensibilité égale ou supérieure à l’état de l’art. Ce projet détaille la conception, la fabrication et la caractérisation d’un tel biocapteur. Nous avons constaté que les résonateurs en anneau avec une section transversale de guide d’ondes hybrides plasmoniques (HPWG) remplissent les exigences LOC et sont compétitifs en comparaison avec l’état de l’art des biocapteurs photoniques. Par ailleurs, basée sur un principe appelé mode lift, une nouvelle géométrie de HPWG a été brevetée et fera l’objet d’un article. Nous avons simulé la structure HPWG pour comprendre les mécanismes de couplage des modes photoniques à l’intérieur de la structure (plus précisément les modes plasmoniques et les modes diélectriques du guide d’onde à ruban). La fabrication a été possible grâce à la collaboration de la salle blanche industrielle de STMicroelectronics et des salles blanches universitaires de l’université de Sherbrooke et de l’Institut de Nanotechnologies de Lyon. Un avantage de la production industrielle est que nous pouvons créer de manière reproductible la géométrie des composants nécessaires pour le LOC à haut débit, réduisant ainsi le coût par unité. Une fois que les wafers de 300 mm ont été structurés, le processus de fabrication en salle blanche universitaire permet d’ajouter le métal des guides d’ondes plasmoniques. La méthode du lift-off a été utilisée pour la nanostructuration Au sur les dispositifs caractérisés dans ce projet. Des mesures préliminaires ont permis de définir le liquide d’essai optimal (glucose monohydrate) ainsi que l’incertitude des mesures. Les échantillons HPWG ont montré une sensibilité expérimentale inférieure aux simulations. Après avoir ajusté les paramètres de fabrication (principalement les taux et les épaisseurs de dépôt d’Au et de Cr), les dispositifs HPWG de deuxième génération suggèrent que le mode lift améliore la sensibilité des guides d’ondes en dessous de la coupure (la sensibilité augmente de 210 nm/RIU à 320 nm/RIU lorsque seulement 10 % du résonateur en anneau a une section HPWG). Même par rapport aux guides d’ondes au-dessus de la coupure, la sensibilité augmente de 40 nm/RIU lors de l’utilisation du mode lift. Nous avons également montré la compatibilité de la surface des appareils fabriqués avec la fonctionnalisation différentielle en utilisant des nanoparticules fluorescentes. Pour des contraintes de temps, la présence des nanoparticules ne sera mesurée que dans des futures expériences

NanoPhotonic structures for biosensing applications

Photonics -“ science of optics“ - has become one of the emerging sciences in many applications nowadays. The study of light interaction with matter has opened a lot of interesting phenomena that differ in their applications including sensing, modulation, demultiplexing, etc. Sensing applications represent a major part in the photonics field owing to their crucial role in the detecting and diagnosis of diseases in many medical applications. On the other hand, gas sensing is considered an important application in many industrial centers. During the manufacturing of several products, toxic gases may be generated and hence the ability to detect such types of gases becomes a necessity. The first part of this thesis is concerned with sensing applications using plasmonic and photonic structures. Several plasmonic and photonic structures are proposed that are characterized by their ultimate sensitivity and high performance. Other parameters are taken into consideration like the CMOS compatibility of our design and the possibility of being integrated with electronic chips. Beside optical sensing and their important role in biomedical and environmental applications, optical demultiplexers are considered from the main blocks in different communication systems that are based on wavelength division multiplexing (WDM). The need to highly select certain wavelength to carry the data during transmission is increasing. In the second part of the thesis, the design methodology of an optical filter is discussed. The optical filter can fit into many applications including demultiplexing and sensing. An optical demultiplexer is proposed and characterized by its high selectivity of wavelength in the near-infrared range to fit with the telecommunication systems. In addition, the transmission levels are of an acceptable range to ensure high signal to noise ratio. 9 The third and the last part of the thesis is concerned with optical coupling from free-space to guided structures. In the last part, an optical grating coupler is proposed that is characterized by its high transmission levels. The grating coupler couples the light from free-space to a shallow waveguide with a narrow lateral dimension. Such system can fit in many applications including sensing and modulation applications

Waveguide-Based Photonic Sensors: From Devices to Robust Systems

Integrated photonic sensor systems are miniaturized, mass-producible devices that leverage the mature semiconductor fabrication technology and a well-established ecosystem for photonic circuits. This book aims at a holistic treatment of waveguide-based photonic sensor systems by analyzing photonic waveguide design, photonic circuit design and readout design. Across all levels, a special emphasis is given to system-level performance optimization under realistic environmental conditions

Atom Interferometers

Interference with atomic and molecular matter waves is a rich branch of atomic physics and quantum optics. It started with atom diffraction from crystal surfaces and the separated oscillatory fields technique used in atomic clocks. Atom interferometry is now reaching maturity as a powerful art with many applications in modern science. In this review we first describe the basic tools for coherent atom optics including diffraction by nanostructures and laser light, three-grating interferometers, and double wells on AtomChips. Then we review scientific advances in a broad range of fields that have resulted from the application of atom interferometers. These are grouped in three categories: (1) fundamental quantum science, (2) precision metrology and (3) atomic and molecular physics. Although some experiments with Bose Einstein condensates are included, the focus of the review is on linear matter wave optics, i.e. phenomena where each single atom interferes with itself.Comment: submitted to Reviews of Modern Physic

Waveguide-Based Photonic Sensors: From Devices to Robust Systems

Integrierte photonische Sensorsysteme bestehen aus miniaturisierten, massenproduktionstauglichen Bauelementen, die sich einerseits die ausgereifte Halbleitertechnologie zu Nutze machen, und die sich andererseits aus dem Baukasten vorhandener photonischer Komponenten bedienen, welche ins-besondere für Telekommunikationsanwendungen entwickelt wurden. Integrierte photonische Sensorsysteme kombinieren einen integrierten photonischen Schaltkreis (photonic integrated circuit, PIC), optoelektronische Lichtquellen und Photodetektoren, sowie elektronische Komponenten für die Signalerzeugung und Signalverarbeitung. Die optoelektronischen Komponenten sind entweder direkt auf dem PIC integriert oder sind externe Komponenten, in beiden Fällen wird das Licht in Wellenleiter auf dem PIC ein- und anschließend wieder ausgekoppelt. In solch einem System dient der PIC als Sensorelement, welches so entworfen wird, dass sich die optische Transmission mit hoher Sensitivität von den zu detektierenden Änderungen in seiner Umgebung beeinflusst wird. Ein wichtiges Beispiel ist ein biochemischer Sensor-PIC, welcher über Wellenleiter mit funktionalisierten Wellenleiteroberflächen die Adsorbtion von Molekülen detektieren kann. Eine Besonderheit ist, dass hierfür keine Markierung der zu detektierenden Molekülgruppen wie z.B. Floureszenzfarbstoffe notwendig sind, weshalb solche Verfahren als „label-free“ bezeichnet werden. Durch die Kompaktheit der entsprechenden Sensorelemente können eine Vielzahl von Sensoren parallel innerhalb eines einzelnen Chips auf einer Fläche im Bereich von nur einem Quadratmillimeter realisiert werden. Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist eine ganzheitliche Betrachtung von integrierten photonischen Sensorsystemen auf mehreren Abstraktionsebenen. Die Betrachtung beinhaltet eine detaillierte Analyse des photonischen Wellenleiterdesigns auf der untersten Abstraktionsebene, des photonischen Schaltungsdesigns und des Systemdesigns inklusive der Elektronik, der Lichtquellen und der Photodetektoren auf der mittleren Abstraktionsebene, sowie eine Analyse des Ansteuer- sowie Ausleseverfahrens um hochpräzise, eindeutige Messdaten zu generieren auf der obersten Abstraktionsebene. Ein besonderes Augenmerk liegt hierbei auf der Optimierung der Leistungsfähigeit auf der Gesamtsystemebene, sowie auf der Kompensation von unvermeidbaren Variationen der Komponenteneigenschaften, welche unweigerlich mit einer Massenproduktion sowie mit einem energieeffizienten Sensorbetrieb unter realistischen Umgebungsbedingungen einhergehen. Nach einem kurzen Überblick über wesentliche Ergebnisse dieser Arbeit folgt in den Kapiteln 1 bis 6 die eigentliche Abhandlung der Inhalte. Die darauffolgenden Anhänge beinhalten weiterführende konzeptionelle und mathematische Details sowie Verzeichnisse der Literaturangaben, der Akronyme, der verwendete mathematischen Symbole, der Figuren, der Tabellen und der Publikationen. Im Anschluss daran folgt eine Danksagung so-wie ein Lebenslauf des Autors. Teile dieser Arbeit wurden bereits in Patenten [P1], [P2], internationalen Fachjournalen [J1], [J2], sowie in einem Konferenzbeitrag [C1] publiziert. Die Hauptkapitel 1 bis 6 dieser Arbeit sind wie folgt strukturiert: Kapitel 1 gibt eine Einführung in das Gebiet der integrierten photonischen Sensorsysteme und behandelt hierbei optische Sensoren, relevante Anwendungen und die Entstehung der integrierten photonischen Technologie aus der elektronischen Halbleiterindustrie. Weiterhin wird der Umfang der in dieser Arbeit durchgeführten Analyse aufgezeigt. Kapitel 2 stellt die mathematischen und konzeptionellen Grundlagen integrierter photonischer Sensorsysteme zusammen und behandelt hierbei die Propagation von elektromagnetischen Wellen in photonischen Wellenleitern und den wellenleiterbasierten Sensormechanismus über den effektiven Brechungsindex einer optischen Mode. Weiterhin bietet es einen umfassenden Überblick über das komplette Sensorsystem ausgehend von phasensensitiven photonischen Schaltkreisen über die wichtigsten Systemkomponenten und deren technologischen Herausforderungen bis hin zu einer Gegenüberstellung der geläufigsten Systemkonfigurationen und Auslesekonzepte. Kapitel 3 analysiert das Design integrierter photonischer Wellenleiter für Sensoranwendungen. Dieses Kapitel bietet physikalische Einsichten und umfängliche Designleitlinien, mit Hilfe derer für eine bestimmte Messaufgabe eine passende photonische Integrationsplattform, ein Wellenleitertypus, eine Modenfamilie sowie eine optimierte Wellenleitergeometrie aus-gewählt werden können. Grundlage hierfür ist die Wechselwirkung einer geführten Wellenleitermode mit einer Änderung des Wellenleiterquerschnittes, die durch die zu bestimmende Messgröße hervorgerufen wird. Diese Wechselwirkung wird quantitativ durch den Feldinteraktionsfaktor beschrieben. Kapitel 4 analysiert die Leistungsfähighkeit und die Limitierungen des gesamten photonischen Systems inklusive der phasensensitiven photonischen Schaltkreise, der Lichtquellen und Photodetektoren, sowie des elektrischen Ansteuer- sowie Ausleseverfahrens. Ein besonderes Augenmerk liegt hier-bei auf Systemen, welche für eine kosteneffiziente Großserienproduktion ausgelegt wurden. Hierbei spielen insbesondere Variationen der Komponenteneigenschaften eine Rolle, welche unweigerlich mit einer Massenproduktion sowie einem energieeffizienten Sensorbetrieb unter realistischen Umgebungsbedingungen einhergehen. Kapitel 5 stellt ein besonders robustes photonisches Sensorsystem vor, welches, basierend auf den Erkenntnissen aus den Kapiteln 3 und 4, für Sensoranwendungen außerhalb idealisierter Laborbedingungen und explizit für eine Großserienproduktion geeignet ist. Basierend auf einem integrierten Mach-Zehnder-Interferometer mit drei um 120° phasenverschobenen Ausgangssignalen wird ein spezielles Ansteuer- und Ausleseverfahren demonstriert, welches eine instantane Selbstkalibration und eine jederzeit eindeutige Phasenmessung ermöglicht. Kapitel 6 fasst die wesentlichen Ergebnisse und Schlussfolgerungen zusammen und identifiziert offene Herausforderungen für eine erfolgreiche Kommerzialisierung integrierter photonischer Sensorsysteme

Programmable photonics : an opportunity for an accessible large-volume PIC ecosystem

We look at the opportunities presented by the new concepts of generic programmable photonic integrated circuits (PIC) to deploy photonics on a larger scale. Programmable PICs consist of waveguide meshes of tunable couplers and phase shifters that can be reconfigured in software to define diverse functions and arbitrary connectivity between the input and output ports. Off-the-shelf programmable PICs can dramatically shorten the development time and deployment costs of new photonic products, as they bypass the design-fabrication cycle of a custom PIC. These chips, which actually consist of an entire technology stack of photonics, electronics packaging and software, can potentially be manufactured cheaper and in larger volumes than application-specific PICs. We look into the technology requirements of these generic programmable PICs and discuss the economy of scale. Finally, we make a qualitative analysis of the possible application spaces where generic programmable PICs can play an enabling role, especially to companies who do not have an in-depth background in PIC technology

Photonic Applications Based on Bimodal Interferometry in Periodic Integrated Waveguides

Tesis por compendio[ES] La fotónica de silicio es una tecnología emergente clave en redes de comunicación e interconexiones de centros de datos de nueva generación, entre otros. Su éxito se basa en la utilización de plataformas compatibles con la tecnología CMOS para la integración de circuitos ópticos en dispositivos pequeños para una producción a gran escala a bajo coste. Dentro de este campo, los interferómetros integrados juegan un papel crucial en el desarrollo de diversas aplicaciones fotónicas en un chip como sensores biológicos, moduladores electro-ópticos, conmutadores totalmente ópticos, circuitos programables o sistemas LiDAR, entre otros. Sin embargo, es bien sabido que la interferometría óptica suele requerir caminos de interacción muy largos, lo que dificulta su integración en espacios muy compactos. Para mitigar algunas de estas limitaciones de tamaño, surgieron varios enfoques, incluyendo materiales sofisticados o estructuras más complejas, que, en principio, redujeron el área de diseño pero a expensas de aumentar los pasos del proceso de fabricación y el coste. Esta tesis tiene como objetivo proporcionar soluciones generales al problema de tamaño típico de los interferómetros ópticos integrados, con el fin de permitir la integración densa de dispositivos basados en silicio. Para ello, aunamos los beneficios tanto de las guías de onda bimodales como de las estructuras periódicas, en términos de la mejora del rendimiento y la posibilidad para diseñar interferómetros monocanal en áreas muy reducidas. Más específicamente, investigamos los efectos dispersivos que aparecen en estructuras menores a la longitud de onda y en las de cristal fotónico, para su implementación en diferentes configuraciones interferométricas bimodales. Además, demostramos varias aplicaciones potenciales como sensores, moduladores y conmutadores en tamaños ultra compactos de unas pocas micras cuadradas. En general, esta tesis propone un nuevo concepto de interferómetro integrado que aborda los requisitos de tamaño de la fotónica actual y abre nuevas vías para futuros dispositivos basados en funcionamiento bimodal.[CA] La fotònica de silici és una tecnologia emergent clau en xarxes de comunicació i interconnexions de centres de dades de nova generació, entre altres. El seu èxit es basa en la utilització de plataformes compatibles amb la tecnologia CMOS per a la integració de circuits òptics en dispositius diminuts per a una producció a gran escala a baix cost. Dins d'aquest camp, els interferòmetres integrats juguen un paper crucial en el desenvolupament de diverses aplicacions fotòniques en un xip com a sensors biològics, moduladors electro-òptics, commutadors totalment òptics, circuits programables o sistemes LiDAR, entre altres. No obstant això, és ben sabut que la interferometría òptica sol requerir camins d'interacció molt llargs, la qual cosa dificulta la seua integració en espais molt compactes. Per a mitigar algunes d'aquestes limitacions de grandària, van sorgir diversos enfocaments, incloent materials sofisticats o estructures més complexes, que, en principi, van reduir l'àrea de disseny però a costa d'augmentar els processos de fabricació i el cost. Aquesta tesi té com a objectiu proporcionar solucions generals al problema de grandària típica dels interferòmetres òptics integrats, amb la finalitat de permetre la integració densa de dispositius basats en silici. Per a això, combinem els beneficis tant de les guies d'ones bimodals com de les estructures periòdiques, en termes de funcionament d'alt rendiment per a dissenyar interferòmetres monocanal compactes en àrees molt reduïdes. Més específicament, investiguem els efectes dispersius que apareixen en estructures menors a la longitud d'ona i en les de cristall fotònic, per a la seua implementació en diferents configuracions interferomètriques bimodals. A més, vam demostrar diverses aplicacions potencials com a sensors, moduladors i commutadors en grandàries ultres compactes d'unes poques micres cuadrades. En general, aquesta tesi proposa un nou concepte d'interferòmetre integrat que aborda els requisits de grandària de la fotònica actual i obri noves vies per a futurs dispositius basats en funcionament bimodal.[EN] Silicon photonics is a key emerging technology in next-generation communication networks and data centers interconnects, among others. Its success relies on the ability of using CMOS-compatible platforms for the integration of optical circuits into small devices for a large-scale production at low-cost. Within this field, integrated interferometers play a crucial role in the development of several on-chip photonic applications such as biological sensors, electro-optic modulators, all-optical switches, programmable circuits or LiDAR systems, among others. However, it is well known that optical interferometry usually requires very long interaction paths, which hinders its integration in highly compact footprints. To mitigate some of these size limitations, several approaches emerged including sophisticated materials or more complex structures, which, in principle, reduced the design area but at the expense of increasing fabrication process steps and cost. This thesis aims at providing general solutions to the long-standing size problem typical of optical integrated interferometers, in order to enable the densely integration of silicon-based devices. To this end, we combine the benefits from both bimodal waveguides and periodic structures, in terms of high-performance operation and compactness to design single-channel interferometers in very reduced areas. More specifically, we investigate the dispersive effects that arise from subwavelength grating and photonic crystal structures for their implementation in different bimodal interferometric configurations. Furthermore, we demonstrate various potential applications such as sensors, modulators and switches in ultra-compact footprints of a few square microns. In general, this thesis proposes a new concept of integrated interferometer that addresses the size requirements of current photonics and open up new avenues for future bimodal-operation-based devices.Financial support is also gratefully acknowledged through postdoctoral FPI grants from Universitat Politècnica de València (PAID-01-18). European Commission through the Horizon 2020 Programme (PHC-634013 PHOCNOSIS project). The authors acknowledge funding from the Generalitat Valenciana through the AVANTI/2019/123, ACIF/2019/009 and PPC/2020/037 grants and from the European Union through the operational program of the European Regional Development Fund (FEDER) of the Valencia Regional Government 2014–2020.Torrijos Morán, L. (2021). Photonic Applications Based on Bimodal Interferometry in Periodic Integrated Waveguides [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/172163TESISCompendi