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

Visão de profundidade em microscopia óptica para detecção de anomalias em tecidos biológicos

Mestrado em Engenharia BiomédicaA visualização tridimensional de uma anomalia num tecido biológico constitui um problema prático em diagnóstico clínico. A escolha de medidas terapêuticas depende do conhecimento mais preciso da localização e de outras características morfológicas da patologia. A informação tridimensional é produzida através do processamento de uma pilha de imagens digitalizadas do objecto em análise, obtidas a diferentes níveis de profundidade de campo, num microscópio óptico equipado com varrimento vertical. Apesar de comercialmente se encontrarem disponíveis vários métodos de reconstrução tridimensional de objectos a partir de imagens bidimensionais adquiridas em planos axiais onde a dimensão linear do objecto é da gama do cm, pouca informação se encontra disponível nas condições limite de visualização de patologias a nível celular. É de notar que a espessura típica do glóbulo vermelho é da ordem de grandeza do mícron e dimensão de estruturas sub celulares da gama dos sub-mícron. Este trabalho foi motivado pelo problema prático de interpretação clínica das inclusões citoplasmáticas em glóbulos vermelhos, denominadas de pontuado basófilo, observados em imagens de esfregaços de sangue de pacientes com patologia associada à deficiência de P5’N. As imagens foram obtidas em microscopia óptica de elevada resolução. O principal objectivo da dissertação apresentada consiste na avaliação de desempenho de algoritmos de desconvolução para reconstrução tridimensional a partir de uma pilha de imagens referentes a planos axiais de células de glóbulos vermelhos com estruturas patológicas. Foram estudadas duas classes de algoritmos, algoritmos iterativos e não iterativos. O procedimento de desconvolução necessita do conhecimento prévio da resposta impulsional do sistema de formação de imagem (Point-Spread-Function - PSF). Foram testados dois procedimentos diferentes para determinação da PSF. Num dos casos, a PSF foi extraída de pequenas estruturas visíveis na própria imagem e, no outro, foram usadas PSFs teóricas de parâmetros variáveis. A eficiência dos algoritmos foi primeiro testada em dados obtidos por simulação do processo de formação de imagem sobre dados sintéticos, tendo em conta que objectos experimentais com estruturas na gama dos sub-mícron não se encontravam disponíveis. Os resultados do estudo mostram que, apesar das estruturas analisadas serem da ordem de grandeza do comprimento de onda da luz, os algoritmos iterativos optimizados podem contribuir para a melhoria do contraste global das imagens e em alguns casos são conseguidas estimativas da profundidade relativa das estruturas anómalas. No sentido de fornecer informação adicional ao estudo foram efectuadas estimativas de parâmetros morfológicos do pontuado basófilo.Visualization in three dimensions of an anomaly in the body or in the tissue is an important problem in clinical diagnostics; the choice of the therapeutic measures depends upon the reliable knowledge of the localization and other geometrical features of the pathology. The three-dimensional information is produce by processing a digitalized stack of 2-D images taken at different levels of depth through the sample, on an optical microscopy system. Though many methods are commercially available for reconstructing the object in 3-D from the two dimensional images taken at various axial sections, in the cases the typical linear dimension of the object is in the cm range, very little information is available when the challenge is to visualize the pathologies at the cellular level. It is to be recalled that the typical thickness of a red blood cell is in the micron range and the pathologies in the cell are in the submicron region. The work was motivated by a practical problem of understanding the clinical implications of geometrical features of basophilic stippling that is observed in the high resolution optical microscopy images of blood smear of patients with pyrimidine 5'-nucleotidase deficiency. The main objective of the thesis presented here is to analyse the effectiveness of some of the available deconvolution algorithms in reconstructing the pathological features of a red blood cell from a Z-stack of the X-Y images. Two classes, iterative and non iterative, of algorithms were studied. The deconvolution procedure necessitates the availability of Point Spread Function (PSF). Two different kinds of procedures for PSF were tested. In one case PSF was extracted from the smallest visible feature in the image itself and in another case a theoretical PSF with the possibility of varying the parameters was used. The effectiveness of the algorithms was tested on data obtained by simulating the imaging process on synthetic objects since suitable phantom objects with submicron features were not available. The results of the study show that despite the fact that features are of the order of the wavelength of the probing light, optimised iterative algorithms can contribute to the enhancement of the global contrast of the images and some clinically useful estimates of the relative depths of the anomalies can also be made. Additionally, some relevant statistical parameters of the geometry of the stippling were also determined

Characterisation of microbial attack on archaeological bone

As part of an EU funded project to investigate the factors influencing bone preservation in the archaeological record, more than 250 bones from 41 archaeological sites in five countries spanning four climatic regions were studied for diagenetic alteration. Sites were selected to cover a range of environmental conditions and archaeological contexts. Microscopic and physical (mercury intrusion porosimetry) analyses of these bones revealed that the majority (68%) had suffered microbial attack. Furthermore, significant differences were found between animal and human bone in both the state of preservation and the type of microbial attack present. These differences in preservation might result from differences in early taphonomy of the bones. © 2003 Elsevier Science Ltd. All rights reserved