Multiport VNA Measurements

This article presents some of the most recent multiport VNA measurement methodologies used to characterize these highspeed digital networks for signal integrity. There will be a discussion of the trends and measurement challenges of high-speed digital systems, followed by a presentation of the multiport VNA measurement system details, calibration, and measurement techniques, as well as some examples of interconnect device measurements. The intent here is to present some general concepts and trends for multiport VNA measurements as applied to computer system board-level interconnect structures, and not to promote any particular brand or produc

Engineering Photon Sources for Practical Quantum Information Processing:If you liked it then you should have put a ring on it

Integrated quantum photonics offers a promising route to the realisation of universal fault-tolerant quantum computers. Much progress has been made on the theoretical aspects of a future quantum information processor, reducing both error thresholds and circuit complexity. Currently, engineering efforts are focused on integrating the most valuable technologies for a photonic quantum computer; pure single-photon sources, low-loss phase shifters and passivecircuit components, as well as efficient single-photon detectors and corresponding electronics.Here, we present efforts to target the former under the constraints imposed by the latter. We engineer the spectral correlations of photons produced by a heralded single-photon source, such that they produce photons in pure quantum states (99.1±0.1 % purity), and enable additional optimisation using temporal shaping of the pump field. Our source also has a high intrinsicheralding efficiency (94.0 ± 2.9 %) and produces photon pairs at a rate (4.4 ± 0.1 MHz mW−2) which is an order of magnitude better than previously predicted by the literature for a resonant source of this purity. Additionally, we present tomographic methodologies that fully describe the photonic quantum states that we produce, without the use of analytical models, and as a means of verifying the quantum states we create, entitled – "Quantum-referenced SpontaneousEmission Tomography" (Q-SpET). We also design reconfigurable photonic circuits that can be operated at cryogenic temperatures, with zero static power consumption, entitled – "Cladding Layer Manipulation" (CLM). These devices function as on-chip phase shifters, enabling the local reconfiguration of circuit elements using established technologies but removing the need for active power consumption to maintain the reconfigured circuit. These devices are capable ofan Lπ = 12.3 ± 0.3 µm, a ∼7x reduction in length when compared to the thermo-optic phaseshifters used throughout this thesis. Finally, we investigate how pure photon sources operate as part of larger circuits within the typical design rules of photonic quantum circuits. Using this information to accurately model all of the spurious contributions to the final photonic quantumstate, which we call a form of nonlinear noise. This noise can decrease source purity to below 40 %, significantly affecting the fidelity of Hong-Ou-Mandel interference, and subsequently, our ability to reliably create fundamental resources for photonic quantum computers. All of this contributes to our design of a fundamental building block for integrated quantum photonic processors, the functionality of which can be predicted at scale, under the conditions imposed by the rest of the processor

Multi-zone trapped-ion qubit control in an integrated photonics QCCD device

Multiplexed operations and extended coherent control over multiple trapping sites are fundamental requirements for a trapped-ion processor in a large scale architecture. Here we demonstrate these building blocks using a surface electrode trap with integrated photonic components which are scalable to larger numbers of zones. We implement a Ramsey sequence using the integrated light in two zones, separated by 375 $\mu$m, performing transport of the ion from one zone to the other in 200 $\mu$s between pulses. In order to achieve low motional excitation during transport we developed techniques to measure and mitigate the effect of the exposed dielectric surfaces used to deliver the integrated light to the ion. We also demonstrate simultaneous control of two ions in separate zones with low optical crosstalk, and use this to perform simultaneous spectroscopy to correlate field noise between the two sites. Our work demonstrates the first transport and coherent multi-zone operations in integrated photonic ion trap systems, forming the basis for further scaling in the trapped-ion QCCD architecture.Comment: 15 pages, 10 figure

Otimização de soluções de fotónica integrada para sistemas óticos de nova geração

Next generation optical systems can highly benefit from optimized photonic integrated solutions. Photonic integrated circuits (PIC) appear as a promising technology under the current demand for flexibility/reconfigurability in optical systems and telecommunications networks. PIC-based optical systems offer an efficient and cost-effective solution to data transmission increasing claims. In order to contribute to the development of integrated photonic technology, optimized PIC solutions addressing different steps of the PIC development chain, mainly design, testing, and packaging processes, are investigated. Optical signal data compression techniques are progressing to sustain the fast processing/storing of large amounts of bandwidth demanding data, with the advantage of resorting to photonic integrated solutions for the implementation of optical transforms, e.g., Haar transform (HT). This demand motivated the research of an optimized PIC design solution in silicon nitride (Si3N4) based platform comprising a two-level HT network for compression, and a switching network as a framework that supplies all logical inputs of the HT network for testing/characterization purposes. Optimized design models for the multimode interference key building block structure of the PIC design solution, are proposed. Additionally, a first test and characterization of PIC solutions implementing the HT for compression applications in indium phosphide (InP) based platform and in a new organic-inorganic hybrid material were realized. Taking advantage of a tunable lattice filter dispersion compensator in Si3N4-based integrated platform, it was demonstrated a real-time extended reach PAM-4 transmission over 40 km enabled by the photonic integrated dispersion compensator, with application in data center interconnects. Under photonic integrated high-Q resonators need for accurate performance measurement, a technique based on RF calibrated Mach-Zehnder interferometer, and Brillouin gain measurements through Lorentzian fitting analysis were successfully attained. Finally, as technical and functional requirements of PIC demand a thorough characterization/testing to provide an accurate prediction of its performance, and current testing platforms can be expensive and have low flexibility, a proof of concept of a new soft-packaging flexible platform for photonic integrated processors and spatial division multiplexing systems, based in spatial light modulation operation principle is proposed.Os sistemas óticos de nova geração beneficiam com a otimização de fotónica integrada. Com os circuitos de fotónica integrada (PIC) avançados a surgir como uma tecnologia promissora, dentro da crescente procura por flexibilidade/ reconfigurabilidade dos sistemas óticos e redes de telecomunicações. Os sistemas óticos baseados em PIC oferecem soluções eficientes e rentáveis em resposta às necessidades crescentes de transmissão de dados. De modo a contribuir para o desenvolvimento tecnológico associado à fotónica integrada, são investigados no âmbito desta dissertação diferentes soluções otimizadas de PIC, abordando diferentes estágios do seu desenvolvimento, nomeadamente projeto/design, teste e encapsulamento. Técnicas de compressão de sinais óticos estão a progredir no sentido de apoiar a expansão de velocidade de processamento e quantidade de armazenamento com elevada largura de banda associada. São esperadas vantagens recorrendo a PIC para a implementação de transformadas óticas, e.g., transformada de Haar (HT). Esta necessidade motivou a investigação de soluções de PIC com design otimizado, desenvolvidas em plataforma integrada de nitreto de silício (Si3N4). O PIC desenhado é constituído por uma rede 2D a executar a HT para fins de compressão e uma rede de comutação para produzir todas as entradas lógicas esperadas para teste e caracterização. São propostos modelos de design otimizados para a estrutura elementar que compõe o PIC, i.e., componente de interferência multimodal. Adicionalmente, foi realizado o primeiro teste e caracterização experimental de um PIC implementando a HT para fins de compressão, numa plataforma integrada de fosfato de índio (InP) e num material orgânico-inorgânico híbrido. Tirando partido de um filtro sintonizável para compensação de dispersão, desenvolvido em plataforma integrada de Si3N4, foi demostrado um link de transmissão alargada (40 km) em modulação PAM-4, com possível aplicação em centros de processamento de dados de interconexão. A necessidade de medições precisas de desempenho para a caracterização efetiva de soluções integradas de ressoadores de elevado fator de qualidade, motivou a implementação de uma técnica de medição eficaz. Esta é baseada num interferómetro de Mach-Zehnder calibrado em rádio frequência e na realização de mediações de ganho de Brillouin por análise Lorentziana de ajuste de curva. Por fim, tendo em conta os rigorosos requisitos técnicos e funcionais associados ao teste/caracterização precisa de PIC e o facto de as atuais soluções serem dispendiosas e pouco flexíveis. Uma prova de conceito de uma nova plataforma flexível de encapsulamento por software é proposta com aplicação em processadores PIC e sistemas com multiplexagem por divisão espacial.Programa Doutoral em Telecomunicaçõe

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

Photonic Reflectometer on Silicon-on-Insulator

A photonic reflectometer on Silicon-on-Insulator is designed and experimentally characterized. The reflectometer is a six-port device, composed of multimode interference couplers (MMIs). We propose a design approach for high-performance MMIs, and describe a minimum phase technique to characterize both the MMIs and the reflectometer. Furthermore, a single-etch fibre-to-chip grating coupler is demonstrated

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

Metamateriales sub-longitud de onda para microdispositivos fotónicos de altas prestaciones

Tesis inédita de la Universidad Complutense de Madrid, Facultad de Ciencias Físicas, leída el 28-04-2020Photonics has become of paramount importance in many areas of our everyday life owing to its inherent potential to develop not only telecom and datacom solutions, but also many other applications such as metrology [DeMiguel’18], energy generation and saving [Polman’12, Miller’17], spectrometry [Velasco’13a], sensing [Rodríguez-Barrios’10], medicine [Morgner’00] and industrial manufacturing [Malinauskas’16], to name a few. Particularly, integrated optics has attracted increasing industrial attention and scientific efforts to implement photonic integrated circuits (PICs) capable of tackling all abovementioned tasks in compact and efficient systems.Among all the available materials, silicon photonics leverages the maturity of the fabrication techniques reached by the microelectronics industry, enabling cost-effective mass production [Chen’18]. Different material platforms with a high refractive index contrast have been proposed for silicon photonics to achieve higher integration levels and perform more complex functions in a single chip, such as silicon-on-insulator (SOI) and silicon nitride (Si3N4, commonly simplified to SiN). The increased integration capacity of silicon photonics has enabled to tackle one of our greatest technological challenges: global data traffic inside data centers. Besides short-range optical interconnects for telecom and datacom applications, the progress in silicon photonics also encompasses many other untapped applications that are being explored by academia and industry: absorption spectroscopy and bio-sensing [Herrero-Bermello’17, Wangüemert-Pérez’19], light detection and ranging (LIDAR) [Poulton’17a], quantum computing [Harris’16], microwave and terahertz photonics [Marpaung’19, Harter’18], nonlinear optics [Leuthold’10], and many others...La fotónica ha adquirido una importancia fundamental en muchos ámbitos de nuestra vida cotidiana debido a su potencial intrínseco para desarrollar soluciones no sólo en el campo de las telecomunicaciones y las interconexiones de corto alcance, sino también en otras muchas áreas como la metrología [DeMiguel’18], la generación de energía [Polman’12, Miller’17], la espectrometría [Velasco’13a], la detección [Rodríguez-Barrios’10], la medicina [Morgner’00] y la fabricación industrial [Malinauskas’16]. En particular, la óptica integrada ha atraído tanto la atención de la industria como los esfuerzos científicos para implementar circuitos fotónicos integrados (PICs, Photonic Integrated Circuits) capaces de abordar todas las tareas mencionadas anteriormente en sistemas compactos y eficientes. Entre todos los materiales disponibles, la fotónica de silicio aprovecha la madurez de las técnicas de fabricación alcanzadas por la industria de la microelectrónica, permitiendo una producción en masa rentable [Chen’18]. Para maximizar su densidad de integración y poder realizar funciones más complejas en un único chip, diferentes plataformas materiales con un alto contraste de índice de refracción se han propuesto, como por ejemplo las plataformas de silicio sobre aislante (SOI, Silicon-On-Insulator) y de nitruro de silicio (Si3N4, comúnmente simplificada a SiN, Silicon Nitride). Esta mayor densidad de integración ha permitido abordar uno de nuestros mayores desafíos tecnológicos hasta la fecha: el tráfico de datos global dentro de los centros de datos. Además de las interconexiones ópticas de corto alcance, el progreso de la fotónica de silicio también comprende muchas otras aplicaciones inexploradas que están siendo estudiadas en el ámbito académico e industrial como, por ejemplo, la espectroscopía de absorción y biodetección [Herrero-Bermello’17, Wangüemert-Pérez’19], LIDAR (Light Detection And Ranging) [Poulton’17a], computación cuántica [Harris’16], fotónica de microondas y terahercios [Marpaung’19, Harter’18], óptica no lineal [Leuthold’10], y muchas otras...Fac. de Ciencias FísicasTRUEunpu