Μελέτη οπτικής στοιχειοκεραίας σε πολυμερική πλατφόρμα φωτονικής ολοκλήρωσης για εφαρμογές τηλεσκόπησης.

Γεωργιόπουλος, Μιχαήλ; Georgiopoulos, Michail

dc.contributor.author	Γεωργιόπουλος, Μιχαήλ	el
dc.contributor.author	Georgiopoulos, Michail	en
dc.date.accessioned	2022-02-10T10:53:15Z
dc.date.available	2022-02-10T10:53:15Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/54670
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.22368
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού - Μη Εμπορική Χρήση - Παρόμοια Διανομή 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/gr/	*
dc.subject	Οπτική στοιχειοκεραία	el
dc.subject	Οπτική σάρωση δέσμης	el
dc.subject	Οπτικά πολυμερή	el
dc.subject	Τρισδιάστατη φωτονική ολοκλήρωση	el
dc.subject	Συστήματα ανίχνευσης και σκόπευσης φωτός.	el
dc.subject	Optical phased arrays	en
dc.subject	Οptical beam scanning	en
dc.subject	Οptical polymers	en
dc.subject	3D photonic integration	en
dc.subject	LIDAR systems.	en
dc.title	Μελέτη οπτικής στοιχειοκεραίας σε πολυμερική πλατφόρμα φωτονικής ολοκλήρωσης για εφαρμογές τηλεσκόπησης.	el
heal.type	bachelorThesis
heal.generalDescription	Η παρούσα διπλωματική εργασία εκπονήθηκε στα πλαίσια διεθνούς συνεργασίας του Ερευνητικού Εργαστηρίου Φωτονικών Επικοινωνιών (Photonics Communications Research Laboratory – PCRL) το οποίο ανήκει στη Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών (School of Electrical and Computer Engineering) του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου (National Technical University of Athens – NTUA) και το περιεχόμενο της αποτέλεσε μέρος δημοσίευσης στο Ινστιτούτο Ηλεκτρολόγων και Ηλεκτρονικών Μηχανικών (Institute of Electrical and Electronics Engineers – IEEE), με τίτλο ΄΄2D Optical Phased Arrays for Laser Beam Steering Based on 3D Polymer Photonic Integrated Circuits΄΄	el
heal.classification	Οπτικές Επικοινωνίες	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2021-09-15
heal.abstract	Στη παρούσα διπλωματική εργασία μελετάται μια καινοτόμα ιδέα για την υλοποίηση μιας δισδιάστατης οπτικής στοιχειοκεραίας (OPAs), της οποίας τα στοιχεία (antenna elements – AEs) είναι αξονικοί κυματοδηγοί (end-fire waveguides). Η καινοτομία αφορά την κατασκευή της σε ένα τρισδιάστατο ολοκληρωμένο φωτονικό κύκλωμα (Photonic integrated circuits - PICs) με πολλαπλά επίπεδα κυματοδήγησης με χρήση της πολυμερικής πλατφόρμας PolyBoard. Στην απλούστερη μορφή του ένα τρισδιάστατο PICs περιλαμβάνει τα στοιχεία της στοιχειοκεραίας κατανεμημένα στα επίπεδα του, κάθετους και οριζόντιους συζεύκτες για την διανομή του φωτός στα στοιχεία της και ολισθητές φάσης για την εκτέλεση της σάρωσης του οπτικού σήματος και στις δυο διαστάσεις. Χρησιμοποιώντας την αρχή της ισοδυναμίας πεδίου μοντελοποιήθηκε το προφίλ ακτινοβολίας (στο μακρινό πεδίο) του αξονικού κυματοδηγού, που αποτελεί το βασικό στοιχείο της στοιχειοκεραίας και υπολογίστηκε ότι το εύρος ημίσειας ισχύος του κύριου λοβού του είναι 12.7ο. Επιπλέον μοντελοποιείται το προφίλ ακτινοβολίας για OPAs με 2,4,8 και 16 στοιχεία και με αποστάσεις μεταξύ τους (pitch) οι οποίες κυμαίνονται από 4μm έως 10μm για κάθε μια από τις προηγούμενες περιπτώσεις. Για όλες αυτές τις περιπτώσεις παρουσιάζονται αναλυτικά διαγράμματα για το προφίλ ακτινοβολίας και τα εύρη ημίσειας ισχύος τους καθώς και για τις κύριες παραμέτρους σάρωσης, όπως η μέγιστη γωνία στροφής της κατεύθυνσης του κύριου λοβού και η σχετική ένταση μεταξύ κύριου και grating lobe. Για OPAs αποτελούμενα από 4 στοιχεία και απόσταση 6μm μεταξύ τους, υπολογίστηκε ότι η μέγιστη γωνία στροφής της κατεύθυνσης του κύριου λοβού είναι 14ο ενώ το γωνιακό εύρος που μπορεί να επιτευχθεί, ώστε η ένταση του κύριου λοβού να παραμείνει μεγαλύτερη από την ένταση του/των grating lobe κατά 3,6 και 10 dB είναι 10.8ο, 7.6ο και 2.8ο αντίστοιχα. Στο Κεφάλαιο 1 περιγράφεται το ερευνητικό πεδίο στο οποίο αναφέρεται η διπλωματική, παρουσιάζεται η πλατφόρμα PolyBoard και πως αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή τρισδιάστατων PICs επιτρέποντας έτσι την υλοποίηση δισδιάστατων OPAs από αξονικούς κυματοδηγούς. Στο Κεφάλαιο 2 παρουσιάζονται ορισμένες από τις θεμελιώδης αρχές της θεωρίας κεραιών. Στο Κεφάλαιο 3 μοντελοποιείται ο αξονικός κυματοδηγός στην πολυμερική πλατφόρμα και υπολογίζεται το μακρινό του πεδίο μέσο της αρχής ισοδυναμίας πεδίου και της θεωρίας των κεραιών διαφράγματος. Στη συνέχεια η μοντελοποίηση επεκτείνεται για τις μονοδιάστατες και δισδιάστατες οπτικές στοιχειοκεραίες. Στο Κεφάλαιο 4 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων και τέλος στο Κεφάλαιο 5 παρουσιάζονται τα συμπεράσματα και σκιαγραφούνται τα επόμενα βήματα.	el
heal.abstract	We investigate a novel concept for the implementation of 2-dimensional (2D) optical phased arrays (OPAs) with end-fire waveguides as antenna elements (AEs), and we present its theoretical model and simulation results. The concept is based on the use of 3-dimensional (3D) photonic integrated circuits (PICs) with multiple waveguiding layers on the PolyBoard platform. In their simplest form, the 3D PICs comprise AEs at different layers, vertical and lateral couplers for the distribution of light among the AEs, and phase shifters for the execution of the 2D beam scanning process. Using the field equivalence principle, we model the radiated field from the single-mode waveguide of the platform at 1550 nm, and we find that the expected beam width is 12.7o. We then model the radiated field for OPAs with 2,4,8 and 16 AEs while the pitch varies from 4 μm to 10μm for each one of the previous cases. For all of the cases mentioned before we demonstrate detailed diagrams for the beam profiles, their full-width at half maximum (FWHM) and the main scanning parameters such as the maximum steering angle and the relative intensity between the main and the grating lobes. For OPAs with 6 µm pitch and 4 AEs, we find that the maximum steering angle is 14.0o and the expected angular clearance, wherein the main radiation lobe is higher than any grating lobe by at least 3, 6 and 10 dB is 10.8o, 7.6o and 2.8o, respectively. The remainder of the thesis is organized as follows: In Chapter 1 we describe the research field to which this thesis refers. We also present the PolyBoard platform and describe its possibility for development of 3D PICs with multiple waveguiding layers and for light transition between those layers via vertical couplers. We describe next how this possibility enables the development of 2D OPAs with end-fire antennas. In Chapter 2 we introduce some of the fundamental principles of antenna theory which are necessary for the understanding of the concepts. In Chapter 3 we introduce the standard single-mode waveguide of the PolyBoard platform as an elementary optical antenna, we calculate its far-field using the field equivalence principle and the theory of aperture antennas, and we extend our modelling to the case of 1D and 2D OPAs. In Chapter 4 we present the simulation results through detailed figures. Finally in Chapter 5 we outline our next steps and conclude.	en
heal.advisorName	Αβραμόπουλος, Ηρακλής	el
heal.committeeMemberName	Ματσόπουλος, Γεώργιος	el
heal.committeeMemberName	Παναγόπουλος, Αθανάσιος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών. Τομέας Συστημάτων Μετάδοσης Πληροφορίας και Τεχνολογίας Υλικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	113 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false