Tesis por compendio / [ES] El desarrollo científico y tecnológico de las últimas décadas ha dado lugar a sistemas sensores capaces de obtener, procesar y transmitir información sobre multitud de aspectos físicos y químicos, y utilizarla para mejorar aspectos clave de multitud de áreas de nuestra sociedad. Los sensores químicos son dispositivos compactos y miniaturizados capaces de ofrecer soluciones alternativas a las técnicas de análisis instrumental convencionales. En especial, los biosensores han adquirido gran relevancia por los avances que han supuesto para sectores estratégicos como el diagnóstico clínico, la industria alimentaria y el medio ambiente. Los biosensores ópticos se basan en interacciones entre la luz y la materia para transducir eventos de bioreconocimiento y presentan prestaciones importantes como la estabilidad, inmunidad a estímulos externos y versatilidad en el desarrollo de aproximaciones sin marcaje (label-free). Este último aspecto suele aprovechar fenómenos nanoscópicos y su desarrollo se encuentra muy ligado al progreso de la nanociencia y nanotecnología. Un aspecto clave en el biosensado sin marcaje consiste en descubrir y desarrollar nuevas estrategias de transducción. En este sentido, aunque se encuentren aun en una etapa temprana de desarrollo, los biosensores difractivos presentan un gran potencial en términos de simplicidad, miniaturización, y capacidad para minimizar señales no deseadas fruto de interacciones no específicas, entre otros aspectos. / [CA] El desenvolupament científic i tecnològic de les últimes dècades ha donat lloc a sistemes sensors capaços d'obtindre, processar i transmetre informació sobre multitud d'aspectes físics i químics, i utilizar-la per a millorar aspectes clau de multitud d'arees de la nostra societat. Els sensors químics són dispositius compactes i miniaturitzats capaços d'oferir solucions alternatives a les tècniques d'analisi instrumental convencionals. Especialment, els biosensors han adquirit gran rellevància pels avanços que han suposat per als sectors estratègics com el diagnòstic clínic, la industria alimentària i el medi ambient. Els biosensors òptics es basen en interaccions entre la llum i la matèria per a transduir esdeveniments de bioreconèixement i presenten prestacions importants com estabilitat, immunitat a estímuls externs i versatilitat en el desenvolupament d'aproximacions sense marcatge (label-free). Aquest últim aspecte sol aprofitat fenòmens nanoscòpics i el seu desenvolupament es troba molt lligat al progrés de la nanociència i nanotecnologia. Un aspecte clau en el biosensat sense marcatge consisteix a descobrir i desenvolupar noves estratègies de transducció. En aquest sentit, encara que es troben fins i tot en una etapa primerenca de desenvolupament, els biosensors difractius presenten un gran potencial en termes de simplicitat, miniaturització, i capacitat per a minimitzar senyals no desitjats fruit d'interaccions no específiques, entre altres aspectes. / [EN] The scientific and technological progress in recent decades has given rise to sensor systems capable of obtaining, processing, and transmitting information on a multitude of physical and chemical aspects and using it to improve key aspects of many areas of our society. Chemical sensors are compact, miniaturized devices capable of offering alternative solutions to conventional instrumental analysis techniques. In particular, biosensors have become highly relevant due to the progress they have brought to strategic sectors such as clinical diagnostics, the food industry, and the environment. Optical biosensors rely on interactions between light and matter to transduce biosensing events and provide important features such as stability, immunity to external stimuli, and versatility in the development of label-free approaches. This last aspect usually exploits nanoscopic phenomena and its development in closely linked to the progress in nanoscience and nanotechnology. A key aspect of label-free biosensing is the discovery and development of new transduction strategies. In this regard, although they are at an early stage of development, diffractive biosensors offer great potential in terms of simplicity, miniaturization, and the ability to minimize unwanted signals from non-specific interactions, among other aspects. / This work was financially supported by the Ministerio de Ciencia e Innovación/Agencia Estatal de Investigación (MCIN/AEI/10.13039/501100011033) co-funded by the European Union “ERDF A way of making Europe” (PID2019-110713RB-I00, TED2021-132584B-C21, PID2019-110877GB-I00), Ministerio de Economía y Competitividad (TEC2016-80385-P), Generalitat Valenciana (PROMETEO/2019/048 PROMETEO/2020/094, PROMETEO/2021/015, IDIFEDER/2021/046). A.J.D. ackowledges the FPI-UPV 2017 grant program. The authors acknowledge Instituto de Microelectrónica de Barcelona CNM-CSIC for the support in the fabrication of the measured chip samples on the Multiproject CNM-VLC silicon nitride technology platform. / Juste Dolz, AM. (2023). Biogratings: Diffractive Transducers for Biosensing in Photonic Platforms [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/194251 / Compendio

[ES] Esta tesis aborda la caracterización de circuitos fotónicos integrados (PIC) usando interferometría óptica en el domino de las frecuencias (OFDI). OFDI tiene una implementación razonablemente simple e interroga al dispositivo bajo test (DUT) proporcionando su respuesta en el dominio del tiempo, en la que los distintos caminos ópticos seguidos por la luz se manifiestan en contribuciones que contienen información de posición, amplitud y fase. Junto con un "setup" OFDI construido en nuestros laboratorios y estructuras de test integradas que involucran anillos resonantes, interferómetros, etc., proponemos e implementamos técnicas para obtener parámetros ópticos cruciales tales como el índice de grupo, dispersión cromática, rotación de polarización y pérdidas de propagación en guías de onda. También para caracterizar acopladores ópticos. Se realizan evaluaciones directas de fase óptica en diferentes experimentos para, entre otras aplicaciones, caracterizar efectos de calor en chips. En la culminación de la tesis, se aborda la integración conjunta de los interferómetros de OFDI junto con el DUT, concibiéndolo como una estructura de caracterización integrada. El uso de guías de onda integradas proporciona una alta estabilidad y adaptación al DUT, además de un mecanismo inherente de compensación de la dispersión. Se realiza un análisis y prueba de concepto experimental caracterizando un "arrayed waveguide grating" en tecnología de nitruro de silicio. Seguidamente, se da un paso adelante proponiendo una arquitectura interferométrica de tres brazos novedosa que permite reducir la complejidad de la medida. Se lleva a cabo una validación experimental amplia usando distintos equipos de laboratorio, acoplamiento horizontal y vertical al chip, y diferentes DUTs en tecnologías de nitruro de silicio y "silicon-on-insulator". / [CAT] Aquesta tesi aborda la caracterització de circuits fotònics integrats (PIC) usant interferometria òptica al domini de les freqüències (OFDI). OFDI té una implementació raonablement simple i interroga el dispositiu sota test (DUT) proporcionant la seva resposta en el domini del temps, en què els diferents camins òptics seguits per la llum es manifesten en contribucions que contenen informació de posició, amplitud i fase. Juntament amb un "setup" OFDI construït als nostres laboratoris i estructures de test integrades que involucren anells ressonants, interferòmetres, etc., proposem i implementem tècniques per obtenir paràmetres òptics crucials com ara l'índex de grup, dispersió cromàtica, rotació de polarització i pèrdues de propagació en guies d'ona. També per caracteritzar acobladors òptics. Es fan avaluacions directes de fase òptica en diferents experiments per, entre altres aplicacions, caracteritzar efectes de calor en xips. A la culminació de la tesi, s'aborda la integració conjunta dels interferòmetres d'OFDI juntament amb el DUT, concebent-ho com una estructura de caracterització integrada. L'ús de guies d'ona integrades proporciona una alta estabilitat i adaptació al DUT, a més d'un mecanisme inherent de compensació de la dispersió. Es realitza una anàlisi i prova de concepte experimental caracteritzant un "arrayed waveguide grating" en tecnologia de nitrur de silici. Seguidament, es fa un pas avant proposant una arquitectura interferomètrica de tres braços nova que permet reduir la complexitat de la mesura. Es du a terme una validació experimental àmplia usant diferents equips de laboratori, acoblament horitzontal i vertical al xip, i diferents DUTs en tecnologies de nitrur de silici i "silicon-on-insulator". / [EN] This PhD thesis covers the characterization of complex photonic integrated circuits (PIC) by using Optical Frequency Domain Interferometry (OFDI). OFDI has a fairly simple implementation and interrogates the device under test (DUT) providing its time domain response, in which the different optical paths followed by light manifest in contributions with position, amplitude and phase information. Together with a working OFDI setup built in our laboratory and integrated test structures involving devices such as ring resonators, interferometers, etc., we propose and implement techniques to get crucial optical parameters such as waveguide group refractive index, chromatic dispersion, polarization rotation, and propagation loss. Also, to characterize optical couplers. Direct optical phase assessment is made in different experiments permitting, amongst others, the characterization of on-chip heat effects. In the culmination of the thesis, the co-integration of the OFDI interferometers with the DUT is addressed, conceiving it as an integrated characterization structure. The use of integrated waveguides provide high stability and adaptation to the DUT, as well as an inherent dispersion de-embedding mechanism. It is provided analysis and experimental proof of concept with an arrayed waveguide grating as DUT in a silicon nitride platform. A considerable leap forward is then taken by proposing a novel three-way interferometer architecture, reducing the measurement complexity. Wide experimental validation is carried out using different laboratory equipment, horizontal and vertical chip coupling, and different DUTs in silicon nitride and silicon-on-insulator. / Bru Orgiles, LA. (2022). Optical Frequency Domain Interferometry for the Characterization and Development of Complex and Tunable Photonic Integrated Circuits [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/181635 / TESIS

[ES] La tomografía por difracción surge para mejorar las técnicas de imagen al considerar la naturaleza ondulatoria de la luz. Mientras que los primeros sistemas de imagen médica se basaban únicamente en fuentes sin difracción, este enfoque consigue mejorar la reconstrucción del índice de refracción de los objetos, lo que permite, por ejemplo, el estudio de estructuras subcelulares. Del mismo modo, la demanda de redes de telecomunicaciones cada vez más rápidas y seguras ha propiciado la aparición de la fotónica. Hace dos décadas, la combinación de estos dos campos dio lugar a los primeros sistemas de tomografía por difracción óptica (ODT), los cuáles han evolucionado rápidamente durante este siglo. En esta tesis, presentamos dos nuevas aplicaciones de la ODT. La primera está relacionada con el concepto del microscopio tomográfico de fase (TPM), una versión de la ODT que permite el estudio de células aisladas, con muchas aplicaciones biomédicas, como el diagnóstico y la prognosis del cáncer. Sin embargo, los sistemas TPM actuales son caros, pesados y complejos. Para resolver estos problemas, proponemos el concepto de TPM en chip. Con este fin, diseñamos una hoja de ruta hacia el primer dispositivo tomográfico integrado en el marco de la tecnología lab-on-a-chip (LoC), y desarrollamos los primeros pasos para ello: 1) Hasta ahora, sólo se han utilizado detectores planos para obtener los mapas de índice de refracción de los objetos estudiados en TPM, basados en la detección del campo difractado hacia delante. Sin embargo, los principios físicos fundamentales indican que medir también el campo difractado hacia detrás debería mejorar la resolución de las imágenes. Además, un detector plano no es la configuración óptima para el TPM en chip. En esta línea, hemos explorado la posibilidad de usar detectores circulares en este escenario, como una técnica más adecuada para las configuraciones en chip, demostrando al mismo tiempo que este enfoque proporciona una mejor resolución que el lineal. 2) Proponemos un esquema de TPM en chip basado en el uso de nanoantenas dieléctricas como fuente de luz y píxeles detectores ODT, y caracterizamos experimentalmente su comportamiento mediante microscopía óptica de campo cercano. En cuanto a la segunda aplicación, estudiamos el potencial de la ODT como nuevo paradigma en la detección de capas de invisibilidad realistas, una de las aplicaciones más importantes de los metamateriales. Hasta ahora, el scattering cross section (SCS) se ha utilizado como modelo de referencia para diseñar y observar la eficacia de estos dispositivos para ocultar objetos. En nuestro estudio, demostramos que la ODT puede detectar las capas de invisibilidad prácticas con una sensibilidad superior a la que ofrece el SCS, incluso a las frecuencias de trabajo óptimas. Además, es posible obtener una imagen representativa del tamaño y la forma de la capa, revelando claramente su existencia. Finalmente, se discuten las conclusiones extraídas de los resultados obtenidos. Además, se detallan las futuras líneas de trabajo para abordar los retos que no se han completado en esta tesis doctoral. / [CA] La tomografia per difracció sorgeix per millorar les tècniques d'imatge anteriors en considerar la naturalesa ondulatòria de la llum. Mentre que els primers sistemes d'imatge mèdica es basaven únicament en fonts sense difracció, aquest enfocament aconsegueix millorar la reconstrucció de l'índex de refracció dels objectes, la qual cosa permet, per exemple, l'estudi d'estructures subcelulars. De la mateixa manera, la demanda de xarxes de telecomunicacions cada vegada més ràpides i segures ha propiciat l'aparició de la fotònica. Fa dues dècades, la combinació d'aquests dos camps va portar als primers sistemes de tomografia per difracció òptica (ODT), els quals han evolucionat ràpidament durant aquest segle. En aquesta tesi, presentem dues noves aplicacions de la ODT. La primera està relacionada amb el concepte del microscopi tomogràfic de fase (TPM), una versió de la ODT que permet l'estudi de cèl·lules aïllades, amb moltes aplicacions en biomedicina, com el diagnòstic i prognosi del càncer. No obstant això, els sistemes TPM actuals són cars, pesats i complexos. Per resoldre aquests problemes, proposem el concepte de TPM en xip. Per fer-ho, dissenyem un full de ruta cap al primer dispositiu tomogràfic integrat en el marc de la tecnologia lab-on-a-chip (LoC), i desenvolupem els primers passos a aquest efecte: 1) Fins ara, només s'han utilitzat detectors plans per a obtindre els mapes d'índex de refracció dels objectes estudiats en TPM, basats en la detecció del camp difractat cap avant. No obstant això, els principis físics fonamentals indiquen que mesurar també el camp difractat cap endarrere hauria de millorar la resolució de les imatges. A més, un detector pla no és la configuració òptima per al TPM en xip. En aquesta línia, hem explorat la possibilitat d'usar detectors circulars en aquest escenari, com una tècnica més adequada per a les configuracions en xip, demostrant al mateix temps que aquest enfocament proporciona una millor resolució que el lineal. 2) Proposem un esquema de TPM en xip basat en l'ús de nanoantenes dielèctriques com a font de llum i píxels detectors ODT, i caracteritzem experimentalment el seu comportament en camp pròxim mitjançant microscòpia òptica de camp pròxim. Pel que fa a la segona aplicació, estudiem el potencial de la ODT com a nou paradigma en la detecció de capes d'invisibilitat realistes, una de les aplicacions més importants dels metamaterials. Fins ara, el scattering cross section (SCS) s'ha utilitzat com a model de referència per a dissenyar i observar l'eficàcia d'aquests dispositius per a ocultar objectes. En el nostre estudi, vam demostrar que la ODT pot detectar les capes d'invisibilitat pràctiques amb una sensibilitat superior a la que ofereix el SCS, fins i tot a les freqüències de treball òptimes. A més, és possible obtindre una imatge representativa de la grandària i la forma de la capa, revelant clarament la seua existència. Finalment, es discuteixen les conclusions extretes dels resultats obtinguts i es detallen les futures línies de treball per a abordar els reptes que no s'han completat en aquesta tesi doctoral. / [EN] Diffraction Tomography arises to improve previous imaging techniques by considering the wave nature of light. Whereas the first medical imaging systems relied only on non-diffracting sources, this approach results in an enhanced reconstruction of the object's refractive index distribution, allowing, for example, the study of subcellular structures. Likewise, the demand for increasingly faster and secure telecommunication networks led to the advent of photonics. Two decades ago, the combination of these two fields gave rise to the first optical diffraction tomography (ODT) systems, which have rapidly evolved during this century. In this thesis, we present two novel applications of ODT. The first one is related to the concept of tomographic phase microscopy (TPM), a version of ODT that enables the study of isolated cells, with many applications in biomedicine, such as the diagnosis and prognosis of cancer. Nevertheless, current TPM systems are expensive, heavy, and cumbersome. To solve these issues we propose the concept of on-chip TPM. For this purpose, we design a roadmap towards the first integrated tomographic device in the frame of lab-on-a-chip (LoC) technology and develop the first steps to this end: 1) Until now, only flat detectors have been used to obtain the refractive index maps of the objects studied in TPM, based on the detection of the forward scattering. However, fundamental physical principles indicate that measuring also the backscattered field should improve the resolution of the images. Moreover, a flat detector is not the optimal configuration for on-chip TPM. In this vein, we have explored the possibility of using circular detectors in this scenario as a more suitable technique for on-chip configurations, demonstrating at the same time that this approach provides a better resolution than the linear one. 2) We propose a TPM on-chip scheme based on the use of dielectric nanoantennas as the ODT light source and detector pixels, and experimentally characterize their near-field behavior via scanning near-field optical microscopy. As for the second application, we study the potential of ODT as a new paradigm in the detection of realistic invisibility cloaks, one of the most important applications of metamaterials. Up to now, the scattering cross section (SCS) has been used as the gold standard to design and observe the effectiveness of these devices in hiding objects. In our study, we show that ODT can detect practical invisibility cloaks with a higher sensitivity than that offered by the SCS, even at the optimal working frequencies. Moreover, it is possible to obtain an image depicting the size and shape of the cloak, clearly revealing their existence. Finally, the conclusions drawn from the obtained results are discussed. In addition, future lines of action to address the challenges that have not been completed in this doctoral thesis are detailed. / Díaz Fernández, FJ. (2021). Novel Applications of Optical Diffraction Tomography: On-chip Microscopy and Detection of Invisibility Cloaks [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/180125 / TESIS