Esta tesis trata de resolver el problema de la interconexión (acoplo) entre un circuito integrado fotónico de silicio (chip) y el mundo exterior, es decir una fibra óptica. Se trata de uno de los temas más importantes a los que hoy en día se enfrenta la comunidad científica en óptica integrada de silicio. A pesar de que pueden realizarse circuitos integrados fotónicos de silicio de muy alta calidad utilizando herramientas estándar de fabricación CMOS, la interfaz con la fibra óptica sigue siendo la fuente más importante de pérdidas, debido a la gran diferencia en el tamaño entre los modos de propagación de la fibra y de las guías de los circuitos integrados fotónicos. Abordar el problema es, por lo tanto, muy importante para poder utilizar los circuitos integrados fotónicos de silicio en una aplicación práctica. Objetivos: El propósito de este trabajo es hacer frente a este problema en la interfaz del acoplamiento fibra-chip, con énfasis en el ensamblado o empaquetado final. Por lo tanto, los objetivos principales son: 1) estudio, modelado y optimización de diseños de diferentes técnicas eficientes de acoplamiento entre fibras ópticas y circuitos integrados fotónicos de silicio, 2) fabricación y demostración experimental de los diseños obtenidos, 3) ensamblado y empaquetado de algunos de los prototipos de acoplamiento fabricados. Metodología: Este trabajo se desarrolla a lo largo de dos líneas de investigación, en conformidad con las dos principales estrategias de acoplamiento que pueden encontrarse en la literatura, concretamente, estructuras de acoplamiento tipo "grating" (la fibra acopla verticalmente sobre la superficie de circuito), y estructuras del tipo ¿inverted taper¿ (la fibra acopla horizontalmente por el extremo de circuito). Resultados: tanto en el caso de estructuras tipo "grating" como en el caso de estructuras "inverted taper", son importantes los avances conseguidos sobre el estado del arte. En lo que respecta al "grating", se ha demostrado dos tipos de estructuras. Por un lado, se ha demostrado "gratings" adecuados para acoplo a guías de silicio convencionales. Por otra parte, se ha demostrado por primera vez el funcionamiento de "gratings" para guías de silicio tipo "slot" horizontal, que son un tipo de guía muy prometedora para aplicaciones de óptica no lineal. En relación con el acoplamiento a través de "inverted taper", se ha demostrado una estructura novedosa basada en este tipo de acoplamiento. Con esta estructura, importantes son los avances conseguidos en el empaquetado de fibras ópticas con el circuito de silicio. Su innovadora integración con estructuras de tipo "V-groove" se presenta como un medio para alinear pasivamente conjuntos de múltiples fibras a un mismo circuito integrado fotónico. También, se estudia el empaquetado de conjuntos de múltiples fibras usando acopladores tipo "grating", resultando en un prototipo de empaquetado de reducido tamaño. / Galán Conejos, JV. (2010). Addressing Fiber-to-Chip Coupling Issues in Silicon Photonics [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/9196 / Palancia

Debido a la imparable aparición de dispositivos móviles multifunción junto con aplicaciones que requieren cada vez más un mayor ancho de banda en cualquier momento y en cualquier lugar, las futuras redes de acceso deberán ser capaces de proporcionar servicios tanto inalámbricos como cableados. Es por ello que una solución a seguir es el uso de sistemas de comunicaciones ópticas como medio de transporte de señales inalámbricas en enlaces de radio sobre fibra. Con ello, se converge a un dominio óptico reduciendo y aliviando el cuello de botella entre los estándares de acceso inalámbrico y cableado. En esta tesis, como parte de los objetivos establecidos en el proyecto europeo HELIOS en el que está enmarcada, se han investigado y desarrollado los bloques funcionales básicos necesarios para realizar un transceptor fotónico integrado trabajando en el rango de longitudes de onda milimétricas, y haciendo uso de los formatos de modulación más robustos y que mejor se adaptan al ámbito de aplicación considerado. El trabajo que se presenta en esta tesis se puede dividir básicamente en tres partes. La primera de ellas ofrece una descripción general de los beneficios del uso de la fotónica en silicio para el desarrollo de enlaces inalámbricos a velocidades de Gbps, así como el estado del arte de los transceptores desarrollados por los grupos de investigación más activos y punteros para satisfacer las necesidades de mercado, cada vez más exigentes. La segunda parte se centra en el estudio y desarrollo del transmisor integrado de onda milimétrica. Primero realizamos una breve introducción teórica tanto del funcionamiento de los dispositivos que forman parte del transmisor, como a los formatos de modulación existentes, centrando la atención en la modulación por desplazamiento de fase (PSK) que es la que se va a utilizar en el desarrollo de los dispositivos implicados, y más concretamente en la modulación (diferencial) de fase en cuadratura ((D)QPSK). También se presentan los bloques básicos que integran nuestro transmisor y se fijan las especificaciones que deben cumplir dichos bloques para conseguir una transmisión libre de errores. El transmisor está compuesto por un filtro/demultiplexor encargado de separar dos portadoras ópticas separadas una frecuencia de 60 GHz. Una de estas portadoras es modulada al pasar por un modulador DQPSK basado en una estructura de dos MachZehnders (MZs) anidados, para ser nuevamente combinada con la otra portadora óptica que se ha mantenido intacta. Una vez combinadas, éstas son fotodetectadas para ser transmitidas inalámbricamente. En la tercera parte de esta tesis, se investiga el uso de un esquema de diversidad en polarización junto a un receptor DQPSK integrado para la demodulación de la señal recibida. El esquema de diversidad en polarización está formado básicamente por dos bloques: un separador de polarización con el objetivo de separar la luz a la entrada del chip en sus dos componentes ortogonales; y un rotador de polarización. En lo que se refiere al receptor DQPSK propiamente dicho, se ha investigado y optimizado cada uno de los bloques funcionales que lo componen. Éstos son básicamente un divisor de potencia termo-ópticamente sintonizable basado en un interferómetro MZ, en serie con un interferómetro MZ que introduce un retardo de duración de un bit en uno de sus brazos, para obtener una correcta demodulación diferencial. El siguiente bloque que forma parte de nuestro receptor DQPSK es un 2x4 acoplador de interferencia multimodal actuando como un híbrido de 90 grados, cuyas salidas van a parar a dos fotodetectores balanceados de germanio. Las contribuciones principales de esta tesis han sido: ¿ Demostración de un filtro/demultiplexor con tres grados de sintonización con una relación de extinción superior a 25dB. ¿ Demostración de un rotador con una longitud de tan sólo 25µm y CMOS compatible. ¿ Demostración de un modulador DPSK a una velocidad máxima de 20 Gbit/s. ¿ Demostración de un demodulador DQPSK a una velocidad máxima de 20 Gbit/s. / Due to the relentless emergence of multifunction mobile devices with applications that require increasingly greater bandwidth at anytime and anywhere, future access networks must be capable of providing both wireless and wired services. The use of optical communications systems as transport medium of wireless signals over fiber radio links is a steady solution to be taken into account. This will make possible a convergence to an optical domain reducing and alleviating the bottleneck between wireless access standards and current wired access. In this thesis, as part of the objectives of the European project HELIOS in which it is framed, we have investigated and developed the basic functional blocks needed to achieve an integrated photonic transceiver working in the range of millimetre wavelengths, and using robust modulation formats that best fit the scope considered. The work presented in this thesis can be basically divided into three parts. The first one provides an overview of the benefits of using silicon photonics for the development of wireless links at rates of Gbps, and the state of the art of the transceivers reported by the most important research groups in order to meet the increasingly demanding needs¿ market. The second part focuses on the study and development of millimetre-wave integrated transmitter. First we provide a brief theoretical introduction of the operation principles of the devices involved in the transmitter such as a modulation formats, focusing on the phase shift keying (PSK) which is the one that will be used, particularly the (differential) quadrature phase shift keying ((D) QPSK). We also present the building blocks involved in our transmitter and we set the specifications that must be met by these devices in order to achieve an error-free transmission. The transmitter includes a filter/demultiplexer which must separate two optical carriers 60 GHz separated. One of these optical carriers is modulated by passing through a DQPSK Mach-Zehnder-based modulator (MZM) by arranging two MZMs in a nested configuration. Using a combiner, the modulated optical signal and the un-modulated carrier are combined and photodetected to be transmitted wirelessly. In the third part of this thesis, we investigate the use of a polarization diversity scheme with an integrated DQPSK receiver for demodulating of the wireless signal. The polarization diversity scheme basically consists of two blocks: a polarization splitter in order to separate the random polarization state of the incoming light into its two orthogonal components, and a polarization rotator. Regarding the DQPSK receiver itself, all the functional blocks that comprise it have been investigated and optimized. It basically includes a thermo-optically tunable MZ interferometer power splitter, in series with a MZ interferometer that introduces, in one of its arms, a delay of one bit length in order to obtain a correct differential demodulation. The next building block of our DQPSK receiver is a 2x4 multimode interference coupler acting as a 90 degree hybrid, whose outputs are connected to two balanced germanium photodetectors. The main contributions of this thesis are: ¿ Demonstration of a filter/demultiplexer with three degrees of tuning and an extinction ratio greater than 25dB. ¿ Demonstration of a polarization rotator with a length of only 25¿m and CMOS compatible. ¿ Demonstration of a DPSK modulator at a maximum rate of 20 Gbit/s. ¿ Demonstration of a DQPSK demodulator to a maximum rate of 20 Gbit/s. / Aamer, M. (2013). Development of an integrated silicon photonic transceiver for access networks [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/31649 / TESIS

[ES] Las nanopartículas de alto índice admiten multipolos electromagnéticos que determinan su respuesta a una onda incidente. Cuando se excitan diferentes multipolos, estos pueden interferir, dando lugar a fenómenos sorprendentes. Por ejemplo, a partir de la oscilación en antifase del dipolo toroidal y eléctrico (o magnético) cartesiano o de los correspondientes multipolos de orden superior surgen los llamados estados anapolares, caracterizados por una reducción sustancial de la dispersión de campo lejano y una fuerte localización de la energía dentro del disco. Una de las estructuras de alto índice más sencillas que soportan la interferencia multipolar es el disco, que se puede construir fácilmente sobre un sustrato de sílice utilizando herramientas estándar de nanofabricación de silicio. La mayoría de los estudios de estados de anapolos en discos dieléctricos de alto índice han abordado anapolos que pueden excitarse bajo iluminación normal, pero la incidencia en el plano es necesaria para construir circuitos integrados fotónicos de silicio cuando la luz está completamente unida al plano del chip. En esta tesis investigamos mediante simulaciones numéricas anexas a medidas experimentales la aparición de interferencias multipolares en discos de silicio cuando excitamos en el plano a través de guías de ondas. Primero, investigamos los efectos en discos aislados del tamaño de una sublongitud de onda y luego ampliamos nuestra investigación a cadenas periódicas unidimensionales. Bajo la excitación en el plano de un disco de silicio del tamaño de una sublongitud de onda, observamos anapolos magnéticos y eléctricos de varios órdenes, cambiando la geometría del sistema. Curiosamente, observamos un desacoplamiento del mínimo en la dispersión de campo lejano y el máximo de localización de energía en el disco, que tienen lugar en longitudes de onda bien separadas para la excitación en el plano del anapolo en comparación con el caso de incidencia normal habitual. Por otro lado, a través de la excitación del dipolo toroidal, demostramos la transmisión eficiente por encima del cono de luz en una estructura periódica formada por discos de silicio del tamaño de una sublongitud de onda. Finalmente, predecimos el cierre de la banda prohibida de Bragg debido a la interacción entre dipolos eléctricos y magnéticos en una estructura periódica formada por nanobloques de silicio. Nuestros resultados resaltan diferencias significativas entre las interferencias multipolares cuando las partículas se iluminan desde diferentes direcciones y tienen implicaciones directas para el uso de discos del tamaño de la longitud de onda en circuitos integrados fotónicos de alto índice para aplicaciones que van desde la biodetección y la espectroscopia hasta el procesamiento de señales no lineales. / [CA] Les nanopartícules d'alt índex admeten multipols electromagnètics que determinen la seua resposta a una ona incident. Quan s'exciten diferents multipols, aquests poden interferir, donant lloc a fenòmens sorprenents. Per exemple, a partir de l'oscil·lació en antifase del dipol toroidal i elèctric (o magnètic) cartesià, o dels corresponents multipols d'ordre superior, sorgeixen els anomenats estats anapolars, caracteritzats per una reducció substancial de la dispersió de camp llunyà i una forta localització de l'energia dins del disc. Una de les estructures d'alt índex més senzilles que suporten la interferència multipolar és el disc, que es pot construir fàcilment sobre un substrat de sílice utilitzant eines estàndard de nano fabricació de silici. La majoria dels estudis d'estats d'anapols en discos dielèctrics d'alt índex han abordat anapols que poden excitar-se sota il·luminació normal, però la incidència en el pla és necessària per a construir circuits integrats fotònics de silici quan la llum està completament unida al pla del xip. En aquesta tesi investiguem mitjançant simulacions numèriques annexes a mesures experimentals l'aparició d'interferències multipolars en discos de silici quan excitem en el pla a través de guies d'ones. Primer, investiguem els efectes en discos aïllats de la grandària d'una sublongitud d'ona i després ampliem la nostra investigació a cadenes periòdiques unidimensionals. Sota l'excitació en el pla d'un disc de silici de la grandària d'una sublongitud d'ona, observem anapols magnètics i elèctrics de diversos ordres, canviant la geometria del sistema. Curiosament, observem un desacoblament del mínim en la dispersió de camp llunyà i el màxim de localització d'energia en el disc, que tenen lloc en longituds d'ona ben separades per a l'excitació en el pla del anapol en comparació amb el cas d'incidència normal habitual. D'altra banda, a través de l'excitació del dipol toroidal, vam demostrar la transmissió eficient per damunt del con de llum en una estructura periòdica formada per discos de silici de la grandària d'una sublongitud d'ona. Finalment, prediem el tancament de la banda prohibida de Bragg a causa de la interacció entre dipols elèctrics i magnètics en una estructura periòdica formada per nanobloques de silici. Els nostres resultats ressalten diferències significatives entre les interferències multipolars quan les partícules s'il·luminen des de diferents direccions i tenen implicacions directes per a l'ús de discos de la grandària de la longitud d'ona en circuits integrats fotònics d'alt índex per a aplicacions que van des de la biodetecció i l'espectroscòpia fins al processament de senyals no lineals. / [EN] High-index nanoparticles support electromagnetic multipoles that determine their response to an incident wave. When different multipoles are excited, they can interfere, giving rise to surprising phenomena. For example, from the antiphase oscillation of the Cartesian toroidal and electric (or magnetic) dipole or the corresponding higher-order multipoles arise the so-called anapole states, characterized by a substantial reduction in the far-field scattering and a strong localization of energy inside the disk. One of the simplest high-index structures supporting multipolar interference is the disk, which can be easily built on a silica substrate using standard silicon nanofabrication tools. Most studies of anapole states in high-index dielectric disks have addressed anapoles that can be excited under normal illumination, but the in-plane incidence is necessary for building silicon photonic integrated circuits (PICs) when light is completely bound to the chip plane. In this thesis, we investigate via numerical simulations annex experimental measurements the appearance of multipolar interferences in silicon disks when we excited in-plane through waveguides. First, we investigate the effects on isolated subwavelength-sized disks and then extend our investigation to one-dimensional (1D) periodic chains. Under the in-plane excitation of a silicon subwavelength-sized disk, we observe magnetic and electric anapoles of various orders, changing the geometry of the system. Interestingly, we observed a decoupling of the minimum in the far-field scattering and the maximum of energy localization in the disk, which takes place at well-separated wavelengths for in-plane excitation of the anapole as compared to the usual normal incidence case. On the other hand, through the excitation of the toroidal dipole, we demonstrate the efficient transmission above the light cone in a periodic structure formed by silicon subwavelength-sized disks. Finally, we predict the closure of the Bragg bandgap due to the interaction between electric and magnetic dipoles in a periodic structure formed by silicon nanobricks. Our results highlight significant differences between multipoles interferences when the particles are illuminated from different directions and have direct implications for the use of wavelength-size disks in high-index PICs for applications ranging from biosensing and spectroscopy to nonlinear signal processing. / Debo agradecer a la Generalitat Valenciana que con su programa de becas Santiago Grisolía GRISOLIAP/2018/164 me permitió comenzar este camino. Al Instituto de Tecnología Nanofotónica y a la Universidad Politécnica de Valencia por darme la oportu- nidad de labrar mi camino hacia el título de Doctor of Philosophy in Telecommunications Engineering en sus instalaciones. / Díaz Escobar, E. (2023). Investigation of Multipolar Interference in Silicon Disks for on-Chip Photonics [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/192830

[ES] Esta tesis se ha centrado en el modelado, diseño y demostración experimental de un sensor espectroscópico integrado basado en un AWG (del inglés Arrayed Waveguide Grating). El dispositivo ha sido diseñado y fabricado en una nueva plataforma de nitruro de silico (Si3N4) en oxido de silico (SiO2) desarrollada en España. El trabajo realizado en esta tesis se puede dividir en dos secciones principalmente. En la primera parte, se describe el panorama general de las plataformas de Si3N4 existentes y su estado del arte, junto con la descripción de los procesos de fabricación y caracterización de nuestra plataforma de Si3N4 con 300 nm de altura en la capa de guiado. En la segunda parte, se presenta el dispositivo bautizado como Integrated Optical Spectroscopic Sensor (IOSS). El IOSS consiste en un AWG cuyo conjunto de guías de onda está dividido en dos subgupos diseñados para replicar los canales del AWG. Las guías de uno de los subgrupos contienen ventanas de sensado, que están definidas por secciones en las que el núcleo de las guías está al descubierto y, por tanto, en contacto con el medio que las rodea. De esta manera, el sensado se lleva a cabo mediante la interacción del campo evanescente con la muestra depositada. Las guías del segundo subconjunto permanecen inalteradas. Por lo tanto, el dispositivo proporciona al mismo tiempo los espectros de sensado y de referencia. El modelo matemático del IOSS, su procedimiento de diseño y la prueba de concepto del sensor configurado para espectroscopía de absorción se describen en esta tesis. / [CAT] La present tesi s'ha centrat en el modelatge, disseny i demostració experimental d'un sensor espectroscòpic integrat basat en un AWG (de l'anglès Arrayed Waveguide Grating). El dispositiu ha sigut dissenyat i fabricat en una nova plataforma de nitrur de silici (Si3N4) en òxid de silici (SiO2) desenvolupada a Espanya. El treball realitzat en aquesta tesi es pot dividir en dues seccions principalment. En la primera part, es descriu el panorama general de les plataformes de Si3N4 existents i el seu estat de l'art, juntament amb la descripció dels processos de fabricació i caracterització de la nostra plataforma de Si3N4 amb 300 nm d'altura en la capa de guiat. En la segona part, es presenta el dispositiu batejat com Integrated Optical Spectroscopic Sensor (IOSS). El IOSS consisteix en un AWG en el que el seu conjunt de guies d'ona està dividit en dos subgrups dissenyats per a replicar els canals del AWG. Les guies d'un dels subgrups conté finestres de detecció, que estan definides per seccions en les quals el nucli de les guies d'ona està al descobert i en contacte amb el mitjà que li envolta. D'aquesta manera, la detecció es duu a terme mitjançant la interacció del camp evanescent amb la mostra depositada. Les guies del segon subconjunt romanen inalterades. Per tant, el dispositiu proporciona al mateix temps els espectres de detecció de referència. El model matemàtic del IOSS, el seu procediment de disseny i la prova de concepte del sensor configurat per a espectroscopia d'absorció es descriuen en aquesta tesi. / [EN] This thesis is focused on the model, design and experimental demonstration of an integrated spectroscopic sensor based on a modified Arrayed Waveguide Grating (AWG). The device has been designed and fabricated in a new silicon nitride (Si3N4) on silicon oxide (SiO2) platform developed in Spain. The work performed for this thesis can be then divided into two main sections. In the first part, an overview of the existing Si3N4 platforms and their state of art is described, alongside the report on the fabrication and characterization of our 300 nm guiding film height Si3N4 platform. On the second part, the device named Integrated Optical Spectroscopic Sensor (IOSS) is presented. The IOSS consists of an AWG which arrayed waveguides are divided into two sub-sets engineered to replicate the AWG channels. The waveguides of one of the sub-sets contain sensing windows, defined as waveguides sections which core is in contact with the surrounding media. Thus, the sensing is performed through evanescent field interaction with the sample deposited. The waveguides from the second sub-set remain isolated. Therefore, the device provides both sensing and reference spectra. The IOSS mathematical model, design procedure and proof of concept configured for absorption spectroscopy are reported in this thesis. / Micó Cabanes, G. (2020). Integrated Spectroscopic Sensor fabricated in a novel Si3N4 platform [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/159381 / TESIS