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Workshop Industrial, Madrid, Diciembre 2012
Workshop Industrial, Madrid, Diciembre 2012
Capacidades y resultados
• Metamateriales en radiofrecuencia (RF) • Metamateriales en microondas • Metamateriales en milimétricas/THz • Metamateriales en fotónica • Metamateriales en acústica
Workshop Industrial, Madrid, Diciembre 2012
Capacidades y resultados
• Metamateriales en radiofrecuencia (RF) • Metamateriales en microondas • Metamateriales en milimétricas/THz • Metamateriales en fotónica • Metamateriales en acústica
Workshop Industrial, Madrid, Diciembre 2012
Metamateriales en RF
• Aplicación de Metamateriales en RF: imagen médica por Resonancia Magnética (RM).
• Técnicas de obtención de imagen médica: TM, TAC, PET, Ecografía. • RM y TAC: alta resolución de imagen.
– TAC: hace uso de radiación ionizante (rayos X) – RM: el tiempo de adquisición es mayor que con el TAC pero hace
uso de radiación no ionizante. • Principal objetivo en la RM: incrementar SNR y reducir tiempo de
adquisición (redunda en confort para el paciente, reduce listas de espera, esencial en cardiología).
• RM: se basa en la aplicación de ondas electromagnéticas en el rango de los MHz (RF) y campos magnéticos estáticos muy intensos (escáneres comercializados entre 0.2 y 3 Tesla) . – Avances actuales: encaminados a usar campos magnéticos más
intensos (1.5T ≈ 1M€, 3T ≈ 2M€). – Alternativa: optimización en la detección de la RF. ¡¡Los Metamateriales pueden ofrecer esta alternativa!!
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Metamateriales en RF
• Los Metamateriales en general presentan una respuesta en frecuencia de banda estrecha: esto no es ningún incoveniente en RM donde se detectan señales de decenas MHz con anchos de banda de decenas de KHz.
• Metamateriales para RM: han de interaccionar con un campo magnético de RF a frecuencias de MHz y no interactuar con campos magnéticos estáticos.
• Como se construyen: arrays 3D de resonadores magnéticos (circuitos LC) con µ diseñada a priori.
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Metamateriales en RF
• Capacidades
Diseño y fabricación de metamateriales para RM
Diseño y fabricación de antenas de RM y
phantoms Adquisición de imágenes en
escáner de RM y postprocesado
14cm
Workshop Industrial, Madrid, Diciembre 2012
Metamateriales en RF
• Resultados
Lentes con µ=-1 para aumentar la sensibilidad de antenas de superficie
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Metamateriales en RF
• Resultados
Láminas con µ=0 (rechazan el flujo de RF) para incrementar el
SNR localmente.
Aplicación en sistemas con número de canales reducido.
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Metamateriales en RF
• Resultados
La reducción del tiempo de adquisición en RM se realiza mediante técnicas de imagen en
paralelo. Para ello es esencial localizar el campo de visión de cada canal.
Las lentes de Metamaterial permiten hacer esto.
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Metamateriales en RF
•Resultados Desarrollo de antenas convencionales. Ejemplo: antena de órbitas oculares para el Servicio de Radiología del Hospital Universitario Virgen Macarena de Sevilla.
Antena de órbitas
desarrollada
Sistema de antenas
empleado normalmente
Mayor SNR incluso con
reducción del tiempo de
adquisición en un factor 2
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Metamateriales en RF
• Resultados
Detección de pequeña lesión ( ≈ 1 mm ) con la
antena de órbitas
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Metamateriales en RF
• Resultados
Nuevo diseño con preamplificadores de bajo ruido integrados en la máscara.
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Capacidades y resultados
• Metamateriales en radiofrecuencia (RF) • Metamateriales en microondas • Metamateriales en milimétricas/THz • Metamateriales en fotónica • Metamateriales en acústica
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UPNa-GA
Grupo de Antenas Departamento de Ingeniería de Eléctrica y Electrónica
Universidad Pública de Navarra
Metamateriales en microondas
Workshop Industrial, Madrid, Diciembre 2012
Metamateriales en microondas • Capacidades UPNa-GA
ANTENNAS
Multi-functional Multi-frequency
Compact Improved Gain and
matching
GPS ANTENNA ON BOARD
Same RF performance Reduced Size
Simplified BFN Low cost
TT&C ANTENNA ON
BOARD
Same RF performance Reduced Size
Low Mass Simplified BFN
Compact
RADAR (RCS REDUCTION)
Planar configuration Easily integrable High operational
bandwidth Tunability
SENSOR
Ferromagnetic microwires
Resonance frequency depends on elongation
Reduced Size
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Metamateriales en microondas • Capacidades UPNa-GA
Clean-room ISO 7
DRIE NGP80 ICP65, SI3-1 with Bosch Si Etching
SUSS MJB4 Mask Aligner
QUORUM Q150 TS Sputtering System
SUSS Labspin 6
Spin
TPT HB16D Wire & Die Bonder LPKF ProtoLaser 200
LPKF ProtoMat H100
DISCO Automatic Dicing Saw DAD321
LPKF MiniContact RS
LPKF MultiPress S
Workshop Industrial, Madrid, Diciembre 2012
• Capacidades UPNa-GA
Metamateriales en microondas
Agilent E8361C Vector Network Analyzer Agilent PNA-X N5242A
75-110 GHz WR-10 VDI 90-140 GHz WR-08 OML. 140-220 GHz WR-05 OML. 220-340 GHz WR-3.4 VDI 340-500 GHz WR-4.4 VDI
Teraview TPS Spectra 3000
Mitutoyo Hyper MF-U measuring microscope
X Y Z positioning unit
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Metamateriales en microondas • Chessboard for RCS reduction
Working Bandwidth from 14.8GHz to 21.2GHz
Bandwitdh = 36.44 %
Chess
PEC
PEC
Metallic Plane
ChessBoard Structure
Power in Specular Direction
is Minimized RCS Reduction
Working Bandwidth from
9.4GHz to 18.8GHz
-10dB
Bandwitdh= 66.67 %
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• Metamaterial based antenna for GPS/TT&C satellite applications
SourceGround Plane
Partially ReflectiveSurface
Height
ApertureField
Intensity
Position
SourceGround Plane
Partially ReflectiveSurface
Height
ApertureField
Intensity
Position
Computed vs measured directivity Computed vs measured Axial Ratio
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
25
-90 -75 -60 -45 -30 -15 0 15 30 45 60 75 90Elevation [deg]
Direc
tivity
RHCP
[dBi]
Measured, Cut Phi= 0 deg.Predicted, Cut Phi= 0 deg.Specification
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
8.0
9.0
10.0
-30 -20 -10 0 10 20 30Elevation [deg]
Axial
Ratio
[dB]
Measured, Cut Phi= 0 deg.
Predicted, Cut Phi= 0 deg.
Specification
3,78GHz 4,12GHz
Frequency
Predicted Measured Predicted Measured Predicted Measured3700 20.51 19.80 17.86 17.00 0.53 1.113710 20.67 19.99 18.00 17.13 0.46 0.963720 20.80 20.18 18.11 17.27 0.41 0.843730 20.92 20.38 18.20 17.41 0.36 0.793740 21.01 20.53 18.26 17.53 0.34 0.693750 21.08 20.69 18.31 17.61 0.34 0.603760 21.14 20.83 18.33 17.67 0.39 0.583770 21.18 20.91 18.33 17.69 0.43 0.643780 21.21 21.00 18.32 17.68 0.48 0.64
3740 20.95 20.48 18.19 17.44 0.41 0.76
3740 20.51 19.80 17.86 17.00 0.53 1.11
RHCP Peak Direcivity Worst RHCP FoV* Directivity
Worst FoV* Axial Ratio
[dBi][dBi] [dB]
* FoV is ±8.9º
[MHz]
Average over the Channel Bandwidth
Worst over the Channel Bandwidth
Metamateriales en microondas
EBG superstrate array antenna
Central Frequency
3.63 GHz and 4.1 GHz
Bandwidth 100 MHz
Gain over Coverage > 16.6 dB
Edge of Coverage 9º
Return Loss < -37.0 dB
Polarization RHCP & LHCP
Cross-polarization < -30.2 dB
Isolation > 25.0 dB
Power handling 10 Watt
Mass 870 g
Envelope 92 mm (< 1.0 λ)
GPS
TT&C
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• Multi-Functional MTM Antenna
• A dual-frequency antenna placed between two meta-surfaces working at the two antenna bands.
• The design leads to a compact, multi-functional, dual-frequency antenna, which radiates at a different half-space at each frequency band
LOW-FREQUENCY BAND HIGH-FREQUENCY BAND
Metamateriales en microondas
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Metallic Core (0.8µm - 50µm)
Pyrex Coating (2µm - 15µm)
• Ferromagnetic microwires as sensors
Metamateriales en microondas
FE-RICH WIRES FOR SELF-SENSING MATERIALS
(a) Resistance and (b) reactance of an Fe Si B wire of metallic
radius m for different elongation values.
Properties
Resonance frequecny function of the microwire elongation
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GFO-UPV
Grupo de Fenómenos Ondulatorios Departamento de Ingeniería Electrónica
Universidad Politécnica de Valencia
Metamateriales en microondas
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Metamateriales en microondas • Capacidades GFO – UPV (1/1)
Banco de medida con VNA (<24 GHz)
Sistema automático de mapeado de campo eléctrico en 2D
Prototipado de dispositivos en aluminio y otros materiales
mediante CNC
Laboratorio de simulación EM y multifísico con software licenciado:
Comsol multiphysics
Ansys HFSS
Colaboración: UPM
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Metamateriales en microondas
Sensores de posición y frecuencia a partir de metamateriales
Estructuras de múltiples capas a base de
resonadores planos (SRR)
• Resultados GFO – UPV (1/3)
Colaboración: Naval Research Laboratory
(USA)
Detección por medidas de triangulación
Detección de la frecuencia de la fuente de radiación
(b) (a) (c)
50 mm 1
0
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Metamateriales en microondas • Resultados GFO – UPV (2/3)
• Resonadores de alto factor de calidad • Régimen de gran longitud de onda (rext << λ)
• Eficiencia de transferencia hasta 70% • Transferencia sin contacto a distancias
moderadas (10 x tamaño del resonador) r
a-layers
z
θ
b-layers
da
db
rext
coaxial probe
Transferencia inalámbrica de potencia (Wireless Power Transfer)
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Metamateriales en microondas
Metamateriales con modos radiativos superficiales para absorción de energía
rext = 10.5mm 10 layers
Q = 8.9
rext = 8,5mm 8 layers Q = 12.3
rext = 6,5mm 6 layers Q = 19.0
rext = 4,5mm 4 layers Q = 39.5
da = db = 1 mm rint = 0.5mm
• Modos resonantes excitados en la superficie de los dispositivos
• Misma frecuencia de resonancia independiente del tamaño total del resonador
• Factores de calidad decrecientes en función del tamaño del resonador
fres = 3.34 GHz
• Resultados GFO – UPV (3/3)
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GIC-UMA Departamento de Ingeniería de Comunicaciones
E.T.S. Ingeniería de Telecomunicación Universidad de Málaga
Departamento de Electromagnetismo y Teoría de Circuitos
E.T.S. Ingenieros de Telecomunicación Universidad Politécnica de Madrid
Metamateriales en microondas
Workshop Industrial, Madrid, Diciembre 2012
Metamateriales en microondas
← Semi Automatic Probe Station SUMMIT 10000
• Capacidades GIC-UMA (1)
Manual Wire Bonder K&S 4526
← PNA-X N5247A (10 MHz – 67 GHz, 4-port)
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Metamateriales en microondas
↑ Sistema híbrido de mecanizado
fresadora / láser
Fresadoras micromecanizado
↓
• Capacidades GIC-UMA (2)
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Metamateriales en microondas
• Resultados GIC-UMA (1) Síntesis analítica de dispositivos de doble banda
Respuesta Chebyshev, binomial,...
Divisor 3dB (strip-line)
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Metamateriales en microondas
• Resultados GIC-UMA (2) Software para el diseño de superficies artificiales
Wire-medium Cross patches
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Metamateriales en microondas
• Resultados GIC-UMA (3)
Simulated and measured amplifier gains Fabricated MMIC photograph
* en colaboración con la Universidad de Roma ‘Tor Vergata’
Dual-band MMIC Distributed Amplifier*
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Metamateriales en microondas
• Resultados GIC-UMA (4)
* en colaboración con la Universidad de Roma ‘Tor Vergata’
Active GaN MMIC Diplexer*
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Metamateriales en microondas
• Resultados GIC-UMA (5) The Power Recycling Distributed Amplifier
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Metamateriales en microondas
• Resultados GIC-UMA (6) The Power Recycling Distributed Amplifier (monolithic*)
* en colaboración con la Universidad de Roma ‘Tor Vergata’
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Metamateriales en microondas
• Resultados GIC-UMA (7) CRLH waveguide-based beam-stearable array with state-of-the-art performance (1)
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Metamateriales en microondas
• Resultados GIC-UMA (8) CRLH waveguide-based beam-stearable
array with state-of-the-art performance (2)
Measured performance
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Metamateriales en microondas
• Resultados GIC-UMA (9) Wideband Microstrip-Fed Slot Radiating Element (1)
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Metamateriales en microondas
• Resultados GIC-UMA (10) Wideband Microstrip-Fed Slot Radiating Element (2)
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CIMITEC-UAB
Centro de Investigación en Metamateriales para la Innovación en Tecnología Electrónica y de Comunicaciones
Departamento de Ingeniería Electrónica Universitat Autònoma de Barcelona
Metamateriales en microondas
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Metamateriales en microondas
• Capacidades CIMITEC-UAB
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Metamateriales en microondas
TEM Cell: 9 KHz-2.7 GHz
Vector Signal Analyzer: 20 Hz-3.6 GHz
Vector Signal Generator: 100 KHz-3 GHz
Amplifier: 10 MHz-1 GHz
Load (50 Ω)
Analizadores de redes: • 4-port, hasta 13.5 GHz
• 2-port, hasta 50 GHz Caracterización antenas-RFID
Fabricación prototipos en PCB
Software diseño componentes
Agilent Advanced Design System
CST Microwave Studio
• Capacidades CIMITEC-UAB
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Metamateriales en microondas
• Resultados CIMITEC-UAB
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5-50
-40
-30
-20
-10
0
S-pa
ram
eter
s (d
B)
Frequency (GHz)
S11 Measurement S21 Measurement S31 Measurement S41 Measurement S11 EM Simulation S21 EM Simulation S31 EM Simulation S41 EM Simulation
(b)
Componentes multibanda Filtros Bandas GSM
(900-1800 MHz)
Bandas GSM (900-1800MHz) y GPS (1176.45-1575.42 MHz)
Aplicación a georadares
Colaboración con
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Metamateriales en microondas
2 3 4-50
-40
-30
-20
-10
0
30V25V20V
15V
10V5V
0V
S(2,
1) (d
B)
Frequency (GHz)
DC DC
Alumina BST
Chrome
Gold
• Resultados CIMITEC-UAB Componentes reconfigurables
Resonadores cargados con varactores
Sustrato BST
MEMS
DCBA
ABCD
DCBA
ABCD
6 8 10 12 14-60
-40
-20
0
S 21(d
B)
Frequency (GHz)-30
-20
-10
0
S11 (dB)
Colaboración con
Colaboración con
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Metamateriales en microondas
• Resultados CIMITEC-UAB Antenas - RFID
Antenas Multibanda
Antenas banda dual para tags UHF-RFID
Bandas Bluetooth, IEEE 802.11y & IEEE 802.11a/b/g/n
0,86 0,88 0,90 0,92 0,94 0,96-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
|s|2 (d
B)
Frequency (GHz)
0,80 0,85 0,90 0,95 1,000
2
4
6
8
10
Measure
Simulation Simulation (with |s|2 correction)
Read
rang
e (m
)Frequency (GHz)
Antenas para tags UHF-RFID globales
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Metamateriales en microondas
• Resultados CIMITEC-UAB
RF-bar codes
Líneas MIW para Chipless µwave-RFID
00 10
Antenas - RFID
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Metamateriales en microondas
• Resultados CIMITEC-UAB
SRR∆yW
G
l1
l2c
SRR∆x
SRR y
backside strip
vias
SRR x
Port 1
Port 2
y
x
SRR∆i (i=x, y): displacement sensing resonatorSRR i (i=x, y): direction sensing resonator
Estructuras para sensores de alineamiento, posición, rotación…
Interés de
Sensores
Síntesis automatizada de componentes Síntesis de componentes mediante Agressive Space Mapping
Colaboración con
Interés de ASM
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Capacidades y resultados
• Metamateriales en radiofrecuencia (RF) • Metamateriales en microondas • Metamateriales en milimétricas/THz • Metamateriales en fotónica • Metamateriales en acústica
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Metamateriales en milimétricas/THz
• Capacidades UPNA-CSM Teralab
• Caracterización de sustancias y materiales
• Medida de antenas, filtros, polarizadores…
• Imagen
• Aplicaciones: biomedicina, defensa,
comunicaciones…
ABmm MVNA:
• 40 – 1000 GHz
• Margen dinámico: 110 dB
BANCO CUASIÓPTICO
• Txón y Rxón
• Posicionador angular
• Posicionador X-Y
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Metamateriales en milimétricas/THz
• Capacidades UPNA-CSM Teralab
• Caracterización de sustancias y materiales: muchos
compuestos y sustancias tienen picos de absorción en FIR, MIR
• Medida de filtros, polarizadores…
• Imagen
• Aplicaciones: biomedicina, defensa, comunicaciones…
Medidas criogénicas en FIR (THz)
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Metamateriales en milimétricas/THz
• Capacidades
• Sistemas de Comunicaciones
• Redes de Sensores
Código de Simulación 3D RL
• Aproximación GTD-UTD
• Lanzado de Rayos 3D
• Reflexión/Refracción/Difracción
• Scattering Difuso
• Simulación de Sistema
• Posibilidad de Hibridación de
código 3D EM completo CLUSTER COMPUTACION
• Programación Distribuida
• 60 núcleos 2.66GHz
• 320 Gb RAM
• Conmutación Ethernet 1Gbps/160Gbps
• Escalable
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Metamateriales en milimétricas/THz
• Resultados
• Respuesta muy selectiva en frecuencia
• Bajas pérdidas incluso en THz!!
• Sensores, filtros…
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Metamateriales en milimétricas/THz
• Resultados
• Respuesta muy selectiva en
frecuencia
• Relación de extinción: 30dB
• Conversores de
polarización, sensores…
Conversión de polarización circular a polarización lineal
Workshop Industrial, Madrid, Diciembre 2012
Metamateriales en milimétricas/THz
• Resultados
Conversión de polarización circular a polarización lineal
• Mayor anchura de banda
• Bajas pérdidas
• Sensores, filtros…
Workshop Industrial, Madrid, Diciembre 2012
Metamateriales en milimétricas/THz
• Resultados
Pol. vertical: refracción negativa
Pol. horizontal: refracción positiva
• Prisma basado en
polarizadores apilados
• Separación de polarización en
ángulos positivos y negativos.
Workshop Industrial, Madrid, Diciembre 2012
Metamateriales en milimétricas/THz
• Resultados
Angle (deg)
-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80
Pow
er in
tens
ity
(dB)
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
10Freq = 53.5 GHz E-Plane co
H-Plane coE-Plane xH-Plane x
• Adaptación perfecta al espacio libre
• Alta directividad
Diagrama de radiación
Freq = 53.5 GHz
Transversal displacement (mm)
-30 -20 -10 0 10 20 30
Tra
nsm
issi
on C
oeff
icie
nt (
a.u.
)
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0z = 35 mmz = 45 mmz = 50 mmz = 75 mm
16 mm
15.5 mm
16.5 mm
19 mm
Freq = 53.5 GHz
Transversal displacement (mm)
-30 -20 -10 0 10 20 30
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0z = 35 mmz = 45 mmz = 50 mmz = 75 mm
12 mm
11 mm
11.5 mm
12.5 mm
HPBW
Foco en 45mm
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Metamateriales en milimétricas/THz
• Resultados
• Estructura “no-recíproca”
20 dB
Workshop Industrial, Madrid, Diciembre 2012
Conclusiones
• Resultados
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Metamateriales en milimétricas/THz • Capacidades UPNA_GA
DRIE NGP80 ICP65, SI3-1 with Bosch Si Etching
QUORUM Q150 TS Sputtering System
SUSS Labspin 6
Spin
SUSS MJB4 Mask Aligner
Teraview TPS Spectra 3000 Agilent PNA-X N5242A
and external heads
X Y Z positioning unit
SUBMM-WAVE IMAGING SYSTEMS
High degree of integration
Planar configuration Low coupling
Improved performances
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Metamateriales en milimétricas/THz
• Sub-mm wave MTM imaging technology • 3D EBG Crystals suppress the propagation of radiation inside a certain
frequency range: – Reduced excitation of substrate modes – Reduced mutual coupling – Lower losses – Increased gain – Planar configuration
cavity
LO input
RF input
diode
IF output
C2
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Metamateriales en milimétricas/THz
Complete EBG Mixer Circuit
Silicon Machined Waveguide
UMS Diode Pair
EBG backed double dipole
IF output
• Sub-mm wave MTM imaging technology
Sub-harmonic MTM mixer @ 220GHz
Waveguide MTM technology (220 and 100GHz)
Dual band dipole antenna on MTM
substrate (100GHz) 4 dipole antenna array
mixer (100GHz)
Horn antenna array integrated into the MTM structure
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Metamateriales en milimétricas/THz
• Capacidades: Centro de Tecnología Nanofotónica (NTC) 1. Fabricación de metamateriales planares mono y multicapa sobre sustratos
rígidos y flexibles (litografía óptica) Resolución < 1 micra Superficie > 10x10 cm2
5 micras
Workshop Industrial, Madrid, Diciembre 2012
Metamateriales en milimétricas/THz
• Capacidades: Centro de Tecnología Nanofotónica (NTC) 2. Caracterización de metamateriales planares en el THz: espectrómetro
FTIR con bolómetro de silicio Medidas de transmisión y reflexión (módulo)
Variación ángulo de incidencia > 500 GHz
Evaluación de firmas espectrales en el THz de cualquier tipo de material
Workshop Industrial, Madrid, Diciembre 2012
Metamateriales en milimétricas/THz
• Capacidades: Centro de Tecnología Nanofotónica (NTC) 2. Caracterización de metamateriales planares en el THz: terahertz time-
domain spectroscopy (THz-TDS) Medidas de transmisión y reflexión (módulo y fase)
2 THz > f > 50 GHz
Setup de caracterización ÚNICO en España
Workshop Industrial, Madrid, Diciembre 2012
Metamateriales en milimétricas/THz
• Resultados: Centro de Tecnología Nanofotónica (NTC) Diseño, fabricación y caracterización de metamateriales para control de la radiación en el THz (polarizadores, filtros, absorbedores, etc.)
Aplicación: detección de sustancias tales como explosivos o drogas
Absorción
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Metamateriales en milimétricas/THz
• Resultados: Centro de Tecnología Nanofotónica (NTC) Diseño, fabricación y caracterización de metamateriales para control de la radiación en el THz (polarizadores, filtros, absorbedores, etc.)
Ejemplo: absorbedor a una determinada frecuencia de THz (grupo de Willie Padilla)
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Capacidades y resultados
• Metamateriales en radiofrecuencia (RF) • Metamateriales en microondas • Metamateriales en milimétricas/THz • Metamateriales en fotónica • Metamateriales en acústica
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Metamateriales en fotónica
UPV-NTC
Centro de Tecnología Nanofotónica (www.ntc.upv.es) Universidad Politècnica de València
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Metamateriales en fotónica
• Capacidades: sala limpia de 500 m2 con línea de micro-nanofabricación en silicio
Equipamiento de última generación para proceso sobre obleas de 6 pulgadas
– Litografía óptica y electrónica (hasta 10 nm de resolución con EB)
– Deposición de Polisilicio y dieléctricos – Deposición de metales – Deposición de Polímeros – Deposición de Semiconductores – Ataque y limpiezas químicas – Reactive Ion Etching / ICP – Rapid Thermal Annealing – Caracterización física (FMA)
Workshop Industrial, Madrid, Diciembre 2012
Metamateriales en fotónica
Ejemplo de micro-nano-fabricación: metamateriales fotónicos en el IR
Workshop Industrial, Madrid, Diciembre 2012
Metamateriales en fotónica
Ejemplo de micro-nano-fabricación: estructuras nanofotónicas en silicio
Workshop Industrial, Madrid, Diciembre 2012
Metamateriales en fotónica
• Capacidades: diseño de metamateriales fotónicos
CST Microwave Studio
COMSOL
Sin capa Con capa
Workshop Industrial, Madrid, Diciembre 2012
Metamateriales en fotónica
• Capacidades: caracterización de metamateriales fotónicos
FTIR
Medidas espaciales y no lineales a 1550 nm
Sistemas de caracterización avanzados de dispositivos nanofotónicos a 1550 nm: nanoposicionadores, láseres,
amplificadores, láseres pulsados (ps), moduladores, EO, analizador de redes vectorial todo-óptico.
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Metamateriales en fotónica
• Resultados: 1. IR absorber 2. Filtros 3. Sensores 4. Óptica de transformación
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Metamateriales en fotónica
1. IR absorber Se puede realizar un absorbedor independiente de la polarización y del ángulo de incidencia a cualquier longitud de onda Ejemplo: metamaterial con pico de absorción en el IR (hasta 1 micra detectores CMOS) En el visible muestra colores que cambian según la polarización y/o la dirección de incidencia
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Metamateriales en fotónica
1. IR absorber
Red 2D de nanocruces/nanorods de oro sobre una delgada capa de sílice sobre
una capa de oro (reflector perfecto) Se puede implementar en Aluminio
(más barato) y sobre sustratos flexibles (polipropileno)
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Metamateriales en fotónica
1. IR absorber Muestra fabricada: Nanorods dispuestos en forma de T rodeada por nanorods de distinto periodo y orientación
IR absorpt. dep. de
pol
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Metamateriales en fotónica
2. Filtros
(a) Esquemático de un hole-array rodeado por un dieléctrico de bajo índice. (b) Resultados numéricos de transmisión (CST) a través de un array de agujeros
(curva continua roja) y a través de una película de oro sin agujeros (curva discontinua azul) para un grosor de dieléctrico d = 4 μm.
Una capa metálica delgada perforada por un array periódico de agujeros soporta picos d etransmisión controlados por la periodicidad de la red (fenómeno de transmisión extraordinaria) filtros ultra compactos en IR y visible
Mejora de prestaciones mediante diseño optimizado y stacking (colocación de varias capas no acopladas)
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Metamateriales en fotónica
Periodo = 5 μm
En el IR (3-5, 8-12 micras) detección de gases tóxicos
2. Filtros
-Desventajas: transmisión relativamente baja, elevado ancho de banda
-Ventajas: posibilidad de arrays de NxN filtros en un solo paso de fabricación
(mismo grosor de la capa de metal)
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Metamateriales en fotónica
3. Sensores
f
T
Funcionamiento básico de un sensor bioquímico basado en metamateriales fotónicos para detectar monocapas o nanopartículas de una determinada
naturaleza
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Metamateriales en fotónica
(a) Desplazamiento frecuencial de la resonancia plasmónica antes y después de la funcionalización de la superficie de
oro y del sensado del analito. (b) Fotografía de microscopio electrónico
(SEM) de la muestra de nanocruces
500 - 700 nm/RIU
3. Sensores Sensado de una monocapa de COOH-terminated alkanethiol depositada sobre el metal
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Metamateriales en fotónica
Funcionalización del silicio: el sensor es reusable (se calienta y se liberan las monocapas depositadas uso comercial)
Funcionalización +inmersión en vapor de Etilendiamina
SPR
3. Sensores
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Metamateriales en fotónica
Evolución: integración de miles de sensores de metamateriales en un chip con técnicas de fabricación de bajo coste Lectura de cada sensor por separado: guiado de ondas, técnicas WDM inserción de sensores plasmónicos en chips nanofotónicos de silicio fabricados con tecnología CMOS
3. Sensores
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Metamateriales en fotónica
4. Óptica de transformación
Diseño de una capa adaptadora para poder excitar plasmones de superficie sobre una superficie metálica mediante una onda plana
Permite el diseño de un dispositivo que controle la luz en la forma en que nosotros deseemos metamateriales a la carta Ejemplos: capas de invisibilidad, agujeros negros, superlentes, etc. Implementación práctica: quasi conformal mapping (nanoestructuración 3D de medios dieléctricos)
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Metamateriales en fotónica
4. Óptica de transformación
Diseño 3D de un acoplador sin pérdidas desde aire a una guía nanofotónica
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Metamateriales en fotónica
UPM
Grupo de Ingeniería Óptica Universidad Politécnica de Madrid
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¿ Qué significa Perfect Imaging ?
Plano objeto
Plano Imagen
Airy Disk
L
L ≈ 0.3λ λ, longitud de onda de la radiación
Causa: Ondas evanescentes desde el plano objeto hasta el sistema óptico
Metamateriales en fotónica
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¿Cómo obtener Perfect Imaging ?
x
y
ε=1 µ=1
ε=-1 µ=-1 ε=1
µ=1
Plano objeto
Plano Imagen
Materiales con refracción negativa. Recuperan las ondas evanescentes.
Estructuras de ondas guiadas. Materiales de índice gradual. No existencia de ondas evanescentes.
Metamateriales en fotónica
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Perfect Imaging con una estructura de ondas guiadas
Medida una imagen de tamaño λ/10. Máxima resolución que se puede obtener con el mismo prototipo λ/25. Experimento realizado en microondas, actualmente preparando experimento para óptica.
Metamateriales en fotónica
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Aplicaciones de los sistemas con Perfect Imaging
- Litografía para industria microelectrónica. - Microscopía óptica de alta resolución. - Instrumentación óptica para alta resolución
Metamateriales en fotónica
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Capacidades y resultados
• Metamateriales en radiofrecuencia (RF) • Metamateriales en microondas • Metamateriales en milimétricas/THz • Metamateriales en fotónica • Metamateriales en acústica
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Metamateriales en Acústica • Capacidades GFO – UPV (1/1)
Mecanizado de piezas
Caracterización de vibraciones sin contacto
Medida de impedancias en tubo y en cámara 2D
Laboratorio de simulación Acústica y visco-elasticidad software licenciado:
COMSOL multiphysics
Impresora 3D
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Metamateriales en Acústica
Estructuras de cilindros microperforados para atenuación de ruido
• Diseño de barreras acústicas adaptadas a frentes de ruido
Atenuación de ruido en función de la frecuencia y su comparación con una barrera de hormigón
Ventajas de la nueva tecnología: • Permiten el paso del aire (baja o nula cimentación) • Son parcialmente transparentes al paso de luz (en contraste con las barreras de hormigón) • Altamente estéticas (apropiadas para entornos urbanos) • Diseño ajustable a frentes de ruido originado por maquinaria pesada
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Metamateriales en acústica • Estructuras para la absorción acústica omnidireccional
Estructura para guiado y disipación del sonido (agujero negro acústico)
Qα =1
∆υ
α υ( )dυυ i
υ f∫ %0.591 =NQ %6.79=BHQ
Factor de calidad: Núcleo: Núcleo+Capa (Agujero Negro):
Coe
ficie
nte
de a
bsor
ción
α(ν
)
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Metamateriales en Acústica • Determinadas vibraciones pueden ser absorbidas en regiones
espaciales delimitadas (Agujero negro elástico)
• Determinadas vibraciones pueden ser desviadas de regiones espaciales delimitadas (Anti Agujero negro elástico)
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Metamateriales en Acústica • Diseño de dispositivos para la invisibilidad acústica
Estructura para ocultar una esfera a 8.55 KHz
Sonido objeto Pantalla
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Metamateriales en Acústica • Diseño de dispositivos para la invisibilidad acústica
Características de las estructuras de invisibilidad acústica diseñadas hasta ahora: • Son dependientes de los objetos para los han sido diseñados • Funcionan en un rango de frecuencias muy reducido • Funcionan para frentes de sonido provenientes de una única dirección
Retos para el futuro: • Diseñarla para que sean independiente de la geometría de los objetos que ocultan • Diseñarlos con un mayor ancho de banda • Diseñarlos para que sean omnidireccionales • Diseñarlos para que sean sumergibles y funcionen bajo el agua
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Discusión, ejemplos, ruegos y preguntas
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