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Implementación de antenas ópticas para enlaces de comunicación cuántica empleando estados coherentes débiles en el espacio libre

Implementation of antennas for optical quantum communication links using weak coherent states in free space

Joel Santos Aguilar Arturo Arvizu Mondragón JOSUE AARON LOPEZ LEYVA (2016)

Los sistemas de comunicación óptica clásicos en espacio libre han sido ampliamente es-tudiados en contraste con los sistemas cuánticos, los cuales hasta fechas relativamente recientes han ido adquiriendo gran interés para aplicaciones satelitales y distribución de llave cuántica. El adecuado diseño de los elementos que recolectan la luz en el receptor es crítico para un buen desempeño. Así, el objetivo principal del presente trabajo es presentar una metodología de diseño de antenas ópticas empleadas en comunicación cuántica. Se muestra la factibilidad y utilidad de la teoría paraxial para este diseño, permitiendo el empleo de componentes ópticos, tales como telescopios astronómicos usados en esquemas clásicos convencionales. Con la ayuda de herramientas de simulación, diseñamos una antena óptica para 1550 nm, empleando un telescopio tipo Cassegrain, y realizamos una prueba de concepto en laboratorio siendo capaces de captar tres fotones por bit validando la metodología sugerida

The classical optical communication systems in free space have been extensively studied, in contrast to quantum systems which until relatively recently have acquired great interest for satellite applications and quantum key distribution. Proper design of the elements that collect light in the receiver is critical for good performance. So, the main objective of this paper is to present an optical antennas design methodology used in quantum communications. This article shows feasibility and utility of paraxial theory use for this design which allows the use of optical components such as astronomical telescopes used in conventional classical schemes. An optical antenna for 1550 nm was designed with the help of simulation tools and a commercial Cassegrain type telescope. Also, a proof of concept in the laboratory was performed where three photons per bit were captured, validating as well the suggested methodology.

Article

CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS Y CIENCIAS DE LA TIERRA Enlaces ópticos en espacio libre Antenas ópticas Estados coherentes débiles Enlace cuántico Telescopio tipo Cassegrain Free space optical communications Quantum communications Optical antenna Weak coherent states Cassegrain reflector

An energy harvesting antenna array for the 28 ghz band

Hidai Cárdenas (2019)

Recently, electromagnetic harvesting technologies have attracted the attention as an energy source for the future. The key element of an RF energy harvesting system (EHS) is the rectenna, which is a combination between a rectifying circuit and an antenna. The antenna receives the electromagnetic power and the rectifying circuit converts it to DC electric power.

The research on antennas for EHS have been focused on frequencies below 10 GHz and only some of them in tens of GHz. The antennas for EHS that work below 10 GHz currently have many sources of energy, but the trade-o_ is their large size. Therefore, it is important to harvest energy at higher frequencies with a large amount of energy available. The new 5G network, which works about the 28 GHz band (27.5-28.35 GHz) and nearby frequencies, will be available in 2020, It will provide a large amount of available energy to be harvested. In this work, due to its light weight, easy integration into circuits and low cost, a 2x2 microstrip antenna array with circular polarization to harvest electromagnetic energy at 28 GHz band is proposed. The array has two resonance bands, one of 6.61 GHz (25.07-31.68 GHz) and a second one of 0.92 GHz (34.83-35.75 GHz). The bandwidth of the circular polarization is 0.73 GHz (27.75-28.49 GHz). At 28 GHz, an axial ratio of 0.91 dB and a gain of 10.4 dBi are presented.

Recientemente, las tecnologías de recolección electromagnética (EHS) han atraído la atención como fuente de energía para el futuro. El elemento clave de un sistema de recolección de energía de RF es la rectenna, que es una combinación entre un circuito rectificador y una antena. La antena recibe la energía electromagnética y el circuito rectificador la convierte en energía eléctrica de CC. Las investigaciones sobre antenas para EHS se han centrado en frecuencias inferiores a 10 GHz y sólo algunas de ellas en décadas de GHz. Las antenas para EHS que funcionan por debajo de 10 GHz actualmente tienen muchas fuentes de energía, pero tienen gran tamaño. Por lo tanto, es importante cosechar energía en frecuencias más altas con una gran cantidad de energía disponible. La nueva red 5G, que funciona en la banda de 28 GHz (27.5-28.35 GHz) y frecuencias cercanas, estará disponible en 2020 y proporcionará una gran cantidad de energía para ser cosechada. En este estudio, debido a su peso ligero, fácil integración en circuitos y bajo costo, se propone un arreglo de 2x2 antenas de microstrip con polarización circular para recolección de energía electromagnética en la banda de 28 GHz. El arreglo tiene dos bandas de resonancia, una de 6.61 GHz (25.07-31.68 GHz) y una segunda pequeña de 0.92 GHz (34.83-35.75 GHz). El ancho de banda de la polarización circular es 0.73 GHz (27.75-28.49 GHz). A 28 GHz, se presenta una relación axial de 0.91 dB y ganancia de 10 dBi.

Master thesis

Antenna 28 GHz Harvesting CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS Y CIENCIAS DE LA TIERRA FÍSICA ELECTRÓNICA ELECTRÓNICA

Antena diplexada para telecomunicaciones

DAVID SERRANO RICARDO (2016)

La antena, los filtros y los diplexores juegan un papel importante en los sistemas

de comunicación inalámbrica. En este trabajo se presenta una antena diplexada plana

para telecomunicaciones. La antena diplexada combina una antena parche convencional

y dos filtros pasa de banda de 5 polos con frecuencias centrales a 1,95 GHz y 2,44

GHz.

Los filtros fueron diseñados utilizando resonadores cuadrados de lazo abierto de

microcinta. La antena diplexada propuesta se realizada mediante el reemplazo del

último resonador de cada filtro por la antena rectangular. El circuito se desarrolló sobre

un sustrato Rogers RT5880 (Ɛ rel = 2.2, tan δ = 0.0009, 3.15 mm). El circuito

fue simulado, fabricado y medido. Se presentan los resultados experimentales de los

parámetros S y del patrón de radiación. Es importante mencionar que los resultados

simulados y experimentales concuerdan.

Master thesis

Antenna Filter Doplexers CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS Y CIENCIAS DE LA TIERRA FÍSICA ELECTRÓNICA

Implementación de un interferómetro para el monitoreo de fluctuaciones de fase en microondas que se propagan en la atmósfera

OMAR ALBERTO ROLDAN MENDOZA (2013)

Se presenta la implementación de un interferómetro de dos elementos basado en el

diseño propuesto por (Hiriart et al, 2002). Se describen los métodos aplicados para su

correcta operación, incluyendo principalmente el montaje, la puesta en marcha y la obtención de datos del instrumento.

El sistema se forma de dos antenas parabólicas de 0.60 m de diámetro separadas una

distancia de 50 m, su funcionamiento consiste en recibir simultáneamente, en ambas antenas,

una misma señal monocromática de 11.715 GHz emitida por el faro ("beacon")

del satélite geoestacionario Satmex 5. Cada antena procesa la señal recibida mediante un

sistema heterodino, el cual convierte la frecuencia de la señal detectada a una frecuencia

intermedia de 880 MHz. Posteriormente las dos señales procesadas sirven como entrada a

un demodulador IQ, donde son correlacionadas para encontrar la diferencia de fase existente

entre ellas. El demodulador IQ entrega a su salida dos datos, el valor I y el valor Q.

Matemáticamente, la obtención de I es proporcional a la multiplicación de las dos

señales de entrada en el demodulador y el resultado es promediado por unidad de tiempo,

lo que físicamente sígnica utilizar un mezclador y un integrador. Mientras que para

obtener Q, una de las señales de entrada es desfasada 90_ con respecto a la otra, posteriormente

se multiplican y, de igual manera, el resultado es promediado por unidad de

tiempo, físicamente se tiene un retardador que desfasa la señal 90_, para posteriormente

utilizar un mezclador y un integrador.

La técnica de interferometría se ve reejada en el valor I, que representa el resultado

obtenido al utilizar un interferómetro de correlación. La comparación que se hace entre I

y Q para obtener la diferencia de fase, equivale a una relación trigonométrica entre ambos

valores, la cual arroja como resultado un ángulo de fase relativa entre las dos señales detectadas

desde un inicio. La metodología descrita es repetida periódicamente y en tiempo

real, consiguiendo así monitorear las fluctuaciones de fase en señales a longitudes de onda

centimétricas, debidas a la no homogeneidad de la atmósfera terrestre.

Master thesis

Interferometers Atmospheric turbulence Antenna CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS Y CIENCIAS DE LA TIERRA ASTRONOMÍA Y ASTROFÍSICA

Exploración de cuasi partículas elásticas de cristal líquido inducidas por campo en movimiento

Cuanalo Fernandez Juan Pablo (2019)

Liquid crystals are intriguing materials that lead to a new field of physics due to the wide range of applications and characteristics they present, for example: birefringence, phase transitions, anisotropy (electrical, optical and mechanical) and solid-liquid duality. The main objective of this work is the study of the generation and characterization of the dynamics of micro structures in a nematic liquid cristal films under different anchoring conditions. The destabilization of a system in a state of equilibrium is achieved by the application of an electric and/or magnetic field, which causes the formation of patterns that can induce an in homogeneous distribution in the orientation of the liquid crystal molecules. As a result, localized micro structures may arise, whose direction of displacement depends on the initial orientation of the molecules. This phenomenon was found in two different liquid crystals with several spatial distributions of the homogeneous initial director. The reproduction of recent results, in the simple case of uniform alignment (published in 2018 [1]), was successfully achieved, as well as the detection of structures in a liquid crystal cell with non-uniform planar anchoring and homeotrope anchoring, which led to original research results.

Los cristales líquidos son materiales intrigantes que dieron paso a un nuevo campo de la física debido a la amplia gama de aplicaciones y características que presentan, por ejemplo: birrefringencia, transiciones de fase, anisotropía, dualidad sólido-líquido. El presente trabajo tiene como objetivo principal el estudio de la generación y caracterización de la dinámica de micro estructuras en una película de cristal líquido nemático, bajo diferentes condiciones de anclaje. Las moléculas de un cristal líquido confinadas en una celda es un sistema en equilibrio, el director puede ser desestabilizado al aplicar un campo eléctrico y/o magnético, que provoca la formación de patrones que a su vez pueden inducir una distribución no homogénea en la orientación del director. Como resultado, pueden surgir micro estructuras localizadas, cuya dirección de desplazamiento depende de la orientación inicial de las moléculas. Este fenómeno se encontró en dos cristales líquidos diferentes con varias distribuciones espaciales del director inicial homogéneo. La reproducción de resultados recientes, en el caso simple de alineación plana uniforme (publicado en 2018 [1]), se logró exitosamente, así como la detección de estructuras en una celda de cristal líquido con anclaje plano no uniforme y anclaje homeótropo, que condujeron a obtener resultados de investigación originales.

Master thesis

Liquid crystals Antenna arrangement Director vector CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS Y CIENCIAS DE LA TIERRA FÍSICA ÓPTICA ÓPTICA

Innovative planar antenna designs in the microwave range

ALEJANDRO RAMIREZ MENDEZ (2020)

Planar antennas are a type of antenna that uses a flat plate mounted over a substrate as a radiator. Popular for their advantages like low cost and ease of fabrication and integration. However, they have low efficiency and suffer from spurious radiation from feeds, junctions, and surface waves. With a pursuit in low-cost and low-profile devices and due to other useful properties of the planar antennas, substantial work has been expended to enhance performance and surpass their limitations. This work presents three new antenna designs. The designs pretend to different applications. The first design presents an antenna sensor of dielectric properties of liquids, which uses a differential feed, and it can work in standalone mode or in a wireless system as a tag. The second designs consist of a dual-polarized array that manages common and differential excitation with a single balanced feed to generate each polarization. The last design is an Archimedean spiral antenna that generates beams with different orbital angular momentum orders at the same frequency.

Master thesis

Planar antennas Microwave Common excitation Differential excitation Microwave sensor Dual-polarization Orbital angular momentum Spiral antenna OAM generation. CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS Y CIENCIAS DE LA TIERRA FÍSICA ELECTRÓNICA ELECTRÓNICA

Diseño, modelado y caracterización de arreglo de antenas microstrip para aplicaciones del internet de las cosas

KAREN NALLELY OLAN NUÑEZ (2019)

The Internet of Things (IoT), also known as the Internet of Everything (IoE), is one of the most attention gathering developments in recent years. Generally speaking, IoT is a concept based on the interconnection of any device with any number of nearby devices. This interconnection is done wirelessly, by means of antennas. It is expected that with the development of IoT in health care applications, devices will have to communicate with a host of health institutions, by means of dedicated antennas. These antennas have to be precise, physically and electrically robust, efficient and economical, so that communication can be trustworthily established between any number of wireless devices. The type of antenna that has received more attention by research groups for many years are those based on microstrip technology, as they present many advantages over other types, in spite of their limitations. But these shortcomings have been the subject matter for many research teams all around the world, who have proposed novel and more versatile, reliable and efficient structures, both for individual antennas as well as for antenna arrays. In this work, the conception, design and fabrication of two-patch antenna arrays are presented. These include slot antennas on the ground plane of the same structure, in the manner of Defected Ground Structures (DGS), working at a central frequency of 5.8 GHz. This value was selected because there is less interference in this frequency range; it is an ISM band (Industrial, Scientific and Medical); it is license free; and it is suitable for IPv6 addressing. In addition, the central working frequency belongs to the UNII band (Unlicensed National Information Infrastructure- IEEE 802.11a), which covers the interval from 5.15 to 5.95 GHz, which is also license-free. The patch design was based on the empirical transmission line model. On the other hand, the design of the slot antennas was initially performed using an empirical model which considers the aperture as a discontinuity of the microstrip line. The dimensions of the structures were calculated based on both types of antennas; the influence of one on the other was determined through simulations using a full-wave numerical analysis program, and further corroborated by experiment.

El Internet de las cosas (IoT), también conocido como el Internet de todo (IoE,), es uno de los desarrollos más llamativos en los últimos años. En términos generales, IoT es un concepto basado en la interconexión de cualquier dispositivo con cualquier número de dispositivos cercanos. Esta interconexión se realiza de forma inalámbrica, mediante antenas. Se espera que con el desarrollo de IoT en aplicaciones de atención médica, los dispositivos tengan que comunicarse con una gran cantidad de instituciones de salud, por medio de antenas dedicadas. Estas antenas deben ser precisas, físicamente y eléctricamente robustas, eficientes y económicas, para que la comunicación pueda establecerse de manera confiable entre cualquier número de dispositivos inalámbricos. El tipo de antena que ha recibido más atención por parte de los grupos de investigación durante muchos años son los basados en la tecnología de microstrip, ya que presentan muchas ventajas sobre otros tipos, a pesar de sus limitaciones. Pero estas deficiencias han sido el tema de muchos equipos de investigación de todo el mundo, que han propuesto estructuras novedosas y más versátiles, confiables y eficientes, tanto para antenas individuales como para arreglos de antenas. En este trabajo, se presenta la concepción, diseño y fabricación de arreglos de antenas de dos parches. Estas incluyen antenas de ranura en el plano de tierra de la misma estructura, en la forma de estructuras de tierra defectuosas (DGS), que funcionan a una frecuencia central de 5.8 GHz.

Se seleccionó este valor porque hay menos interferencia en este rango de frecuencia; es una banda ISM (Industrial, Scientific and Medical); es libre de licencia; y es adecuada para direccionamiento IPv6. Además, la frecuencia de trabajo central pertenece a la banda UNII (Unlicensed National Information Infrastructure- IEEE 802.11a), que cubre el intervalo de 5,15 a 5,95 GHz, que también es libre de licencia. El diseño del parche se basó en el modelo empírico de línea de transmisión. Por otro lado, el diseño de las antenas de ranura se realizó inicialmente utilizando un modelo empírico que considera la apertura como una discontinuidad de la línea de microcinta. Las dimensiones de las estructuras se calcularon con base en ambos tipos de antenas; la influencia de uno en el otro se determinó mediante simulaciones utilizando un programa de análisis numérico de onda completa, y se corroboró mediante experimentos.

Master thesis

Internet of things Antenna arrangement Microstrip 5.8 Ghz CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS Y CIENCIAS DE LA TIERRA FÍSICA ELECTRÓNICA ELECTRÓNICA

Metodología de desacople para antenas de parche con aplicación en sistemas de imagenología

JOAN ALONSO BUITRAGO MOLINA (2012)

Due to the wide use of antenna arrays in microwave imaging systems, it is important to know the interaction of each pair of antennas that conforms them. Therefore, in this thesis, a methodology to decrease the mutual coupling between two patch antennas is proposed.

Different decoupling methods are studied, in order to find an efficient solution to reduce coupling. The proposed methodology is based on the entry of the U-shaped structures to change the sign of the coupling, in the change of the sign, the coupling needs to cross by zero, and so then the minimum coupling has reach. The methodology consists of 8 steps and at the end the decoupling between two patch antennas in microstrip technologies is achieved. Finally, the proposed methodology was tested by means of simulations and experiments. For this, a pair of antennas at 5.2 GHz were designed and fabricated over a RO4003C Rogers substrate. The obtained results were: an increase of 3dB around the peak of radiation between the two antennas, a 59% reduction in the required separation, that finally leads to a 22.6% reduction in the substrate´s area.

Debido al variado uso de arreglos de antenas en sistemas de imagenología, es de vital importancia conocer la interacción entre un par de antenas como elementos básicos del arreglo para disminuir la distancia entre ellas por medio del desacoplamiento. Por tanto, en esta tesis se propone una metodología para desacoplar dos antenas de parche contiguas, dichas antenas son implementadas como resonadores de λ/2.

Con el fin de buscar una solución eficiente para reducir el acoplamiento, se estudian diferentes métodos en el desacoplamiento de antenas, buscando proponer una metodología eficiente en el desacoplamiento. La metodología propuesta, se basa en el ingreso de estructuras en forma de U, para cambiar el signo en el acoplamiento entre los parches, ya que, en el cambio de signo del acoplamiento es necesario pasar por el acoplamiento cero, siendo este el objetivo principal de este trabajo; la metodología consta de 8 etapas con las cuales se logra como resultado final un desacoplamiento entre antenas de parche en tecnología de microcinta. Con dicha metodología se analizan un par de antenas, diseñadas a la frecuencia de 5.2 GHz sobre un substrato Rogers RO4003C. Los resultados obtenidos mediante simulaciones y experimentos al aplicar la longitud óptima de las estructuras en U son: 3dB de ganancia en el punto máximo de radiación, reducción de la separación de antenas de un 59% y reducción en el área del substrato del 22.6% para un par de antenas.

Master thesis

Antenna arrays Microwave antennas Microstrip antenna arrays Microstrip resonators Microstrip imaging CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS Y CIENCIAS DE LA TIERRA FÍSICA ELECTRÓNICA

Radiative aspects of termal emitters

Ana Hiza Ramirez Andrade (2018)

A thermally-excited object acts as a broadband source of infrared radiation. This thesis examines theoretically (based on fluctuational electrodynamics) the termal emission of spherical antennas made of tungsten (W) and silicon carbide (SiC) (materials with high melting temperatures) as the antenna size and temperatura vary. In addition, a measure for the radiation quality factor (related to stored electromagnetic energy and radiated power) for a polychromatic source such as a thermal emitter is proposed. Specifically, the emissivity (the ratio of the spectral radiated power by an object and that by an ideal blackbody), the spectral stored electromagnetic energy (normalized with respect to thermal energy of a quantum oscillator, and decomposed into multipolar contributions together with their electric and magnetic parts) surrounding the antenna, and the radiation Q-factor (related to stored electromagnetic energy and radiated power) are analyzed. For a SiC-source, the emissivity and the spectral density of the stored energy exhibit multiple narrow resonances corresponding to phonon-polariton and whispering gallery modes; while for a W-antenna, high ohmic losses yield broad spectra corresponding to the aforementioned quantities (only an interband resonance shows up). These spectra depend strongly on the temperature and particle size. There is an optimal size of the antenna for which the emissivity is maximal; the aforementioned materials yield an emissivity larger than one. The multipolar contributions of the stored energy become more confined to the surface of the sphere as the multipolar order increases. The radiation Q-factor decreases as the particle radius and temperature increase, implying that the radiation efficiency of the thermal emitter increases as these parameters grow. The Q-factor for a Wantenna is smaller than that for a SiC-antenna (same size and temperature). Our work might have implications on the development of efficient broadband sources.

Objetos excitados térmicamente actúan como fuentes infrarrojas con un ancho de banda espectral amplio. En este trabajo de tesis se examina teóricamente (en base a la electrodinámica fluctuacional) la emisión térmica de antenas esféricas de tungsteno (W) y carburo de silicio (SiC) (materiales con una temperatura alta de fusión) para diversos tamaños y temperaturas. Además, se propone una definición del factor de calidad de radiación para medir la eficiencia de emisión de estas fuentes policromáticas. Específicamente, se analiza la emisividad (razón de la potencia espectral emitida por la antena y la de un cuerpo negro ideal), la energía electromagnética espectral almacenada (normalizada con la energía térmica de un oscilador cuántico y descompuesta en contribuciones multipolares junto con sus partes eléctricas y magnéticas) en el espacio que rodea a la antena y el factor-Q de radiación (obtenido en función de estas dos últimas cantidades). En las esferas de SiC, se encuentra que la emisividad y la densidad de energía almacenada exhiben múltiples resonancias angostas de modos plasmón-polaritón o de galería susurrante mientras que, para las antenas de W, las altas pérdidas óhmicas ocasionan que los espectros de estas cantidades sean anchos (sólo una resonancia de transición interbanda se manifiesta). Estos espectros dependen fuertemente de la temperatura y el tamaño de la partícula. Existe un tamaño óptimo de la antena para el cual la emisividad es máxima; para estos materiales puede ser mayor a uno. Las contribuciones multipolares de la energía almacenada se vuelven más confinadas en la superficie de la esfera a medida que aumenta el orden multipolar. El factor-Q de radiación decrece al incrementar el tamaño de la fuente y la temperatura, lo que implica que la eficiencia de radiación de emisores termales aumenta a medida que estos parámetros crecen. Las antenas de W presentan un factor-Q de radiación menor que las antenas de SiC. Este trabajo podría tener implicaciones en el desarrollo de emisores térmicos eficientes.

Master thesis

nano/Micro/nano antenna Thermal radiation Radiation Q-factor CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS Y CIENCIAS DE LA TIERRA FÍSICA ELECTRÓNICA MICROELECTRÓNICA

Generation of high-energy pulses from an all-normal-dispersion figure-8 fiber laser¹

BALDEMAR IBARRA ESCAMILLA EVGENY KUZIN (2010)

We propose and study numerically an all-normal-dispersion Ytterbium-doped figure-eight fiber laser scheme for generation of high-energy pulses. The monotonous pulse stretching that takes place in the fiber under the combined actions of normal dispersion and nonlinear Kerr effect is compensated by the amplitude modulation effect of a bandpass filter inserted in the ring section of the laser. The Nonlinear Optical Loop Mirror (NOLM) also contributes to shorten the pulses. An output coupler with a large output coupling ratio is inserted at the amplifier output in order to extract the maximal energy from the laser. A short segment of Ytterbium-doped fiber compensates for the losses. Stable single-pulse operation is predicted over a wide range of values of the laser parameters. If the laser parameters (ring and NOLM length, dispersion, filter bandwidth, output coupling ratio) are optimized, pulses with several tens of nanojoules energy are readily obtained, with picosecond duration and a large positive chirp which is linear near the peak. If small-signal gain is large enough, the use of very large output coupling ratios opens the way to pulse energies close to 100 nJ and, after dechirping outside the laser, to durations of ~50 fs and peak powers of 1 MW.

Article

Generation of High-Energy Nonlinear optical CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS Y CIENCIAS DE LA TIERRA FÍSICA ÓPTICA ÓPTICA