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Autores
Orientador(es)
Resumo(s)
Abstract
Photonic integrated circuits (PICs) have appeared in response to current technological challenges such as increased speed, demand for greater bandwidth and processing capacity, especially for applications that require extremely fast, high-performance data processing that Integrated Circuits (ICs) cannot satisfy. The range of applications for this technology includes ultra-fast data centers, optical communications, biosensors, sensors for vehicles, quantum processors, and Artificial Intelligence (AI). As this technology continues to advance, there is a growing academic and scientific need to contribute to technology, which in turn opens new market opportunities. In this work, we will analyze the main optoelectronic properties of the materials used for PIC design and the latest advances in waveguide and coupler topologies, focusing on hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) as the main material and directional couplers as the main structure. An architecture will be proposed that looks to respond to problems in conventional directional couplers. It is also intended to use this new coupler design to create a programmable circuit that can be controlled by the Thermo-Optic Effect (TOE) and the Carrier Depletion Phenomenon (CDP). The methodology used integrates the most recent and classic studies of the mathematical and physical principles that govern these structures and materials, using analysis tools such as MATLAB and Python, with the aim of laying the theoretical foundations for the use of professional design tools. in our case, we will use Synopsys' Rsoft-CAD Layout, which implements advanced algorithms such as: Finite Difference Time Domain (FDTD), Beam Propagation Method (BPM), and Finite Element Method (FEM). In conclusion, a document will be presented that has the relevant theory of PICs and their control methods, as well as two functional solutions and their applications.
Os circuitos integrados fotónicos (PICs) surgem em resposta aos desafios tecnológicos atuais, como o aumento da velocidade, a procura por maior largura de banda e capacidade de processamento, especialmente para aplicações que exigem processamento de dados extremamente rápido e de alto desempenho que os circuitos integrados (ICs) não conseguem satisfazer. A gama de aplicações para esta tecnologia inclui centros de dados ultrarrápidos, comunicações óticas, biossensores, sensores para veículos, processadores quânticos e inteligência artificial (AI). À medida que esta tecnologia continua a avançar, há uma necessidade académica e científica crescente de contribuir para a tecnologia, o que, por sua vez, abre novas oportunidades de mercado. Neste trabalho, analisaremos as principais propriedades optoeletrónicas dos materiais utilizados para o design de PIC e os últimos avanços em topologias de guias de onda e acopladores, com foco no silício amorfo hidrogenado (a-Si:H) como principal material e nos acopladores direcionais como estruturas principais. Será proposta uma arquitetura que procura responder aos problemas dos acopladores direcionais convencionais. Pretende-se também utilizar este novo design de acoplador para criar um circuito programável que possa ser controlado pelo efeito termo-óptico (TOE) e pelo fenómeno de depleção de carga (CDP). A metodologia utilizada integra o estudo mais recente e clássico dos princípios matemáticos e físicos que regem estas estruturas e materiais, utilizando ferramentas de análise como MATLAB e Python, com o objetivo de estabelecer as bases teóricas para a utilização de ferramentas de design profissionais. No nosso caso, utilizaremos o Rsoft-CAD Layout da Synopsys, que implementa algoritmos avançados como: Finite Difference Time Domain (FDTD), Beam Propagation Method (BPM) e Finite Element Method (FEM). Em conclusão, será apresentado um documento com a teoria relevante dos PICs e seus métodos de controlo, bem como duas soluções funcionais e suas aplicações.
Os circuitos integrados fotónicos (PICs) surgem em resposta aos desafios tecnológicos atuais, como o aumento da velocidade, a procura por maior largura de banda e capacidade de processamento, especialmente para aplicações que exigem processamento de dados extremamente rápido e de alto desempenho que os circuitos integrados (ICs) não conseguem satisfazer. A gama de aplicações para esta tecnologia inclui centros de dados ultrarrápidos, comunicações óticas, biossensores, sensores para veículos, processadores quânticos e inteligência artificial (AI). À medida que esta tecnologia continua a avançar, há uma necessidade académica e científica crescente de contribuir para a tecnologia, o que, por sua vez, abre novas oportunidades de mercado. Neste trabalho, analisaremos as principais propriedades optoeletrónicas dos materiais utilizados para o design de PIC e os últimos avanços em topologias de guias de onda e acopladores, com foco no silício amorfo hidrogenado (a-Si:H) como principal material e nos acopladores direcionais como estruturas principais. Será proposta uma arquitetura que procura responder aos problemas dos acopladores direcionais convencionais. Pretende-se também utilizar este novo design de acoplador para criar um circuito programável que possa ser controlado pelo efeito termo-óptico (TOE) e pelo fenómeno de depleção de carga (CDP). A metodologia utilizada integra o estudo mais recente e clássico dos princípios matemáticos e físicos que regem estas estruturas e materiais, utilizando ferramentas de análise como MATLAB e Python, com o objetivo de estabelecer as bases teóricas para a utilização de ferramentas de design profissionais. No nosso caso, utilizaremos o Rsoft-CAD Layout da Synopsys, que implementa algoritmos avançados como: Finite Difference Time Domain (FDTD), Beam Propagation Method (BPM) e Finite Element Method (FEM). Em conclusão, será apresentado um documento com a teoria relevante dos PICs e seus métodos de controlo, bem como duas soluções funcionais e suas aplicações.
Descrição
Palavras-chave
Photonic integrated circuits Thermo-optic effect Charge depletion phenomenon Finite difference time domain algorithm Beam propagation method Finite element method Programmable circuit Directional coupler Circuitos fotónicos integrados Efeito termo-óptico Fenómeno de esgotamento de carga Domínio do tempo de diferença finita Método de propagação de feixe Método dos elementos finitos Circuito programável Acoplador direcional