Feasibility analysis of photonic integrated circuits for temperature detection in absolute radiometers

Long-term monitoring of Total Solar Irradiance (TSI) is essential for climate studies, but standard flight-based Electrical Substitution Radiometers (ESRs) face significant limitations: (i) non-equivalence between optical power and electrical heating due to the Joule effect; (ii) an inverse relationship between sensitivity and bandwidth due to thermal time constants; and (iii) thermal noise affecting the signal-to-noise ratio (SNR). This thesis explores an integrated photonic approach using a Mach-Zehnder interferometer (MZI) as a thermooptical temperature sensor for phase-based reading in a compact radiometer. It includes a feasibility assessment of MZIs with a Ta₂O₅ pedestal and a benchtop protocol for materials evaluation, both of which address manufacturing-induced variations that affect performance. The study develops a polarization-assisted strategy to enhance the robustness of phase extraction, highlighting the weakness of intensity-based open-loop methods. The results provide guidelines for future integrated radiometric sensors, focusing on closed-loop operation and resilience to thermal and optical variations. RESUMO: O monitoramento de longo prazo da Irradiância Solar Total (TSI) é essencial para estudos climáticos, porém os Radiômetros de Substituição Elétrica (ESRs) padrão para voo enfrentam limitações importantes: (i) não equivalência entre potência óptica e aquecimento elétrico por efeito Joule; (ii) uma relação inversa entre sensibilidade e largura de banda devido às constantes de tempo térmicas; e (iii) ruído térmico que afeta a relação sinal-ruído (SNR). Esta tese explora uma abordagem fotônica integrada utilizando um interferômetro de Mach-Zehnder (MZI) como sensor de temperatura termo-óptico para leitura baseada em fase em um radiômetro compacto. Inclui uma avaliação de viabilidade de MZIs com pedestal de Ta₂O₅ e um protocolo de bancada para avaliação de materiais, ambos abordando variações induzidas pela fabricação que afetam o desempenho. O estudo desenvolve uma estratégia assistida por polarização para aprimorar a robustez da extração de fase, destacando a fragilidade dos métodos de malha aberta baseados em intensidade. Os resultados fornecem diretrizes para futuros sensores radiométricos integrados, com foco na operação em circuito fechado e na resiliência a variações térmicas e ópticas.