This research is developed in the context of the Next Generation of Passive Optical Networks (NG-PON) for Fibre to the Home (FTTH) network. In this thesis, several techniques are proposed in order to increase the network capacity, dealing with the main optical impairments present in PON with minimum infrastructure, and with the goals of wavelength transparency and cost effectiveness. The main issues in this work are the photodetection process over chromatic dispersion (CD) and ASE noise impairments, the mitigation strategies for Rayleigh Backscattering (RB) effect and the WDM-PON RSOA-based ONUs, with their limitations of bandwidth and chirp. Regarding photodetection, a novel module which performs the mathematical function SQRT has demonstrated its linearizing capability at partially compensating the square-law of the photon to electron conversion process after reception. Improvements in RoF systems in terms of harmonics level reduction and in digital transmissions with linear FFE equalizers have been achieved. Also, the complexity requirements in MLSE receivers are reduced after the SQRT module. This module has been implemented electronically, first, by using the intrinsic non-linearity of the schottky diodes, on a microstrip circuit. After that, a MMIC chip has been designed and experimentally tested. But the SQRT module is also useful for other applications as downstream cancellation in the upstream signal in bidirectional transmissions, and to reduce the amplitude differences of the different packets in burst mode receivers, relaxing the adjustment requirements for the following limiting amplifiers. The statistics of the received signals in optically amplified (ASE dominant) systems have been also studied. The optimum function, capable of recovering the Gaussian distribution after detection, has been obtained. For systems working at FEC limit, like with MLSE, the improvement over SQRT is small, validating the good performance of the SQRT module. RB effect has been mitigated by using wavelength shifting at the ONU premises. Several wavelength shifter devices have been proposed for the first time, based in 2 and 3 arms capable of translating (in several GHz) the wavelength that comes from the OLT to avoid the overlap between the upstream signal and the RB, while maintaining the signal in the same AWG channel. These devices are less complex than the recently proposed 4-arm structures and require simpler signals than the sawtooth that is necessary for a 1-arm phase modulator. Experimental validation of the WS technique for RB mitigation has been performed, first with a commercial dual arm MZM and after by using a RSOA with a low duty square signal with improvements of 5 to 7dB in tolerance to RB. The new standards that have just been approved (XG-PON, 10G-EPON) propose the upgrading of the network towards symmetrical 10G/10G operation. However, RSOA’s bandwidth and chirp still limit the performance at these bit rates. The first 10Gb/s transmission in real time and with low BER (10-9) using a RSOA as an intensity modulator has been reported by using some of the techniques presented in this thesis: duobinary transmission and detuned optical filtering plus DFE-FFE equalization. Other techniques proposed and experimentally tested are the phase adjustment with a programmable optical filter and the direct detection together with MLSE equalization. / Aquest treball de recerca està desenvolupat en el context de la nova generació de xarxes òptiques passives (NG-PON) de fibra fins a la llar (Fibre to the Home (FTTH)). En aquesta tesi, s’han proposat diverses tècniques que permeten augmentar la capacitat de la xarxa, tractant les principals degradacions presents en les xarxes PON amb la mínima infrestuctura, amb els objectius de mínim cost i transparència front a la longitud d’ona triada per a la transmissió. Els principals temes d’aquest treball són el procés de fotodetecció després d’una transmissió amb dispersió cromàtica (CD) i soroll d’emissió espontània (ASE), les estratègies per combatre l’efecte de Rayleigh Backscattering (RB) en la trasmissió bidireccional amb la mateixa longitud d’ona i les xarxes PON basades en unitats d’usuari (ONU) que utilitzen l’ amplificador semiconductor reflexiu (RSOA) com a transmissor, amb les seves limitacions d’ample de banda i chirp. Pel que fa a la fotodetecció, un dispositiu novedós que realitza la funció matemàtica arrel quadrada (SQRT) ha demostrat la seva capacitat de linearització al compensar parcialment la funció quadrada del procés de conversió de fotó a electró després de recepció. S’ha aconsegit millorar les prestacions en xarxes de ràdio sobre fibra en termes de reducció del nivel d’harmònics i també en transmissió de senyals digitals amb equalitzadors electrònics lineals. La complexitat de l’ equalitzador de màxima verosimilitud, o MLSE, es redueix si s’utilitza el mòdul SQRT. Aquest dispositiu s’ha implementat electrònicament en un circuit microstrip amb dos diodes schottky i també en un xip MMIC . El bloc SQRT també és útil per aplicacions de cancel•lació del senyal de baixada present en el senyal de pujada en les transmissions bidireccionals i per igualar l’amplitud dels paquets en senyals que es reben a ràfegues (burst mode). L’estadística del senyal rebut en sistemes amplificats òpticament (on domina el soroll ASE) també ha estat estudiat. La funció òptima, capaç de recuperar la distribució estadistica Gaussiana després de detecció, ha estat obtinguda. Per sistemes que treballen amb un nivell de errors en el límit FEC, com el MLSE, la millora de la funció òptima és molt petita front la SQRT, demostrant el bon funcionament del mòdul SQRT. L’efecte de RB s’ha minimitzat utilitzant la tècnica de desplaçar la longitud d’ona del senyal de baixada a la ONU. S’han disenyat diversos dispositius electro-òptics capaços de realitzar aquest desplaçament, utilitzant unes configuracions novedoses basades en 2 i 3 branques. L’efecte RB és redueix evitant el sol•lapament espectral però mantenint la longitud d’ona dins el mateix canal del AWG. Aquests dispositius són més senzills que les recentment proposades estructures basades en 4 branques i requereixen senyals més simples que el dent de serra necessari per al modulador de fase d’una branca. La tècnica WS s’ha validat experimentalment usant un MZM comercial i també usant un RSOA, aconseguint-se unes millores de 5 a 7 dB en tolerància a RB. Els nous estàndards que han estat recentment aprovats (XG-PON, 10G-EPON) proposen l’evolució de la xarxa passiva cap a la transmissió simètrica a 10Gb/s. La realitat és, però, que l’ample de banda i el chirp limiten la utilització de RSOAs a aquesta velocitat. La primera transmissió a 10Gb/s en temps real amb baixa tasa d’errors (BER=10-9) usant el RSOA com a modulador d’intensitat a la ONU ha estat presentat utilitzant les tècniques explicades en aquesta tesi: modulació duobinaria i filtrat òptic desplaçat amb equalització electrònica (DFE-FFE). Altres mètodes utilitzats han estat l’adjust de la fase amb un filtre òptic programable i el MLSE.

The advances in the communications systems has brought new requirements and challenges in terms of compactness and efficient systems that looking for increase the signal coverage area. The reconfigurable antennas are a promising solution for the communication systems when looking to improve the channel capacity and/or to extend the signal coverage. The main advantages of the reconfigurable antennas are the capabilities to change their frequency, polarization and radiation beam steering at a low cost. The reconfigurable antennas can be designed to operate in a determined changing environment keeping good electromagnetic characteristics. The design of reconfigurable RF repeaters is a relevant application of this reconfigurable antenna principle. This thesis is devoted to study and propose new repeater architectures in which a set of reconfigurable parasitic elements as part of the repeater are used for reducing the electromagnetic coupling between the Rx and Tx antennas. It is shown that the use of the parasitic elements as a reconfigurable mechanism gives the flexibility to adapt the repeater electromagnetic characteristics to changing environments while keeping a good system performance. The determination of the minimum number of parasitic elements is an important parameter and it is determined by a modal analysis to define the minimum number of parasitic elements able to fulfill specific repeater electromagnetic characteristics. In order to validate the analytical results, different reconfigurable repeater prototypes controlled electronically are manufactured. A reconfigurable repeater prototype that is using eight reconfigurable parasitic elements has been designed for operating at different scatterer environments. The repeater reconfigurable capabilities are studied to evaluate the repeater performance in realistic indoor locations. Finally, in order to obtain a repeater with reconfigurable frequency isolation capabilities between the Rx and Tx antennas over a wide frequency range, a repeater prototype based on a pixeled layer as reconfigurable mechanism has been designed and measured.

Electric conductivity is a good estimator of water quality. It can be measured by using cells with direct contact between the electrodes and the electrolyte, inductive cells or cells with capacitive electrodes. The use of capacitive electrodes is a need when measurements are made from the outside of an insulating container, and it is advisable when electrode degradation is to be avoided. Electrical impedance models for measurements using capacitive electrodes often obviate parasitic capacitances that may affect the measured values. The instruments commonly used for measuring the electrical impedance of materials are insensitive to some of these capacitances, but not to all of them. Some authors have pointed that parasitic capacitances may lead to unpredicted results, suck as inductive effects, but most of the described phenomena are related to direct contact electrodes. Regarding capacitive electrodes there are few descriptions of stray impedances, even fewer analysis and no known solution. The main objective of this work is to define and to verify a method to measure the conductivity of water in non-conductive containers using capacitive electrodes on the outer side of the recipient. The impedance of water (Rx, which contains the information about conductivity, and Cx), the impedance of the electrode (Re and Ce), and the impedance between electrodes (Rhl and Chl) are modelled by a resistance in parallel with a capacitance. The parasitic capacitance Cg between the material under test and erath ground is an element with distributed parameters, and its effects are different depend on the measuring system. This study is focused on those systems that apply a voltage to the material and that measure the output current at the material, in particular on auto-balancing bridges. Cg disminishes the measured current, which is shown as an inductive effect as the calculated impedance increases with frequency. The analysis performed shows the gyration undergone by Cg and the effect is an ¿apparent¿ impedance connected in series with the impedance under test and the impedance of the electrodes. For materials modeled by Rx in parallel with Cx, besides the inductive effect, there are resistive and capacitive effects also due to Cg. This effects due to Cg depend on the ratio Cg/Ce. When direct contact electrodes are used, the impedance of the electrodes and the leakage impedance have no significant effect. Electrodes have influence at the lower frequencies whereas the effects of Cg appear at higher frequencies. In the middle range, there is a flat frequency band where Rx can be easily measured. If Cg is higher than Cx, peaks in the magnitude of the impedance as well as positive phases may be found. The relevant parameter is not the value of Cg but the ratio Cg/Cx. Measurements using four electrodes do not avoid the effects of Cg. In addition to inductive effects and resonances at high frequency, There is, when Cg increases, also an increment of the impedance that is independent from the frequency. The effects of Cg and Chl are more noticeable for capacitive electrodes. The leakage resistance Rhl shunts Re, and when Rhl decreases, the real part of the impedance increases at low frequencies. The effect of the parasitic capacitance between the electrodes Chl is a reduction of the real part of the impedance that is frequency independant. When Cg increases, the real part of the impedance increases, and this increment is not frequency dependant either. If Ce and Chl are known, Cg can be obtained from the measurement at low frequency of the imaginary part of the impedance, since increasing Cg makes the equivalent capacitance between the electrodes to decrease. Once Ce, Chl and Cg are known, Rx can be calculated in the frequency band where the real part of the impedance is flat. In addition, setting Chl and Cg, for instance by shielding the measurement cell, the parameters that depend on Ce, Chl and Cg can be included in an equivalent constant cell. / La conductivitat elèctrica de l’aigua és un bon indicador de la seva qualitat. Es mesura amb cel·les d’elèctrodes de contacte directe entre l’elèctrode i l’electròlit, cel·les inductives o cel·les d’elèctrodes capacitius. La mesura amb elèctrodes capacitius és una necessitat quan es mesura des de l’exterior d’un recipient aïllant, i una conveniència quan es vol evitar la degradació dels elèctrodes. Els models de les mesures d’impedància elèctrica sense contacte amb elèctrodes capacitius solen obviar les capacitats paràsites que podrien afectar les mesures. Els instruments habitualment emprats per mesurar la impedància elèctrica dels materials són insensibles a algunes d’aquestes capacitats paràsites però no a totes. Diversos autors han sospitat que algunes d’elles provoquen resultats imprevistos, com ara efectes inductius, però la majoria dels efectes descrits a la bibliografia s’han observat en mesures amb elèctrodes de contacte directe. Per elèctrodes capacitius, hi ha poques observacions, menys anàlisis, i cap solució coneguda. L’objectiu principal d’aquesta tesi és concebre i verificar un mètode de mesura de la conductivitat elèctrica de l’aigua dins de recipients de parets elèctricament aïllants, mitjançant elèctrodes capacitius situats a l’exterior del recipient. La impedància de l’aigua (Rx, que conté la informació de la conductivitat, i Cx), de l’elèctrode (Re i Ce) i entre elèctrodes (Rhl i Chl) s’han modelitzat com una resistència en paral·lel amb una capacitat. La capacitat paràsita Cg entre el material que es mesura i terra és de paràmetres distribuïts, i té efectes diferents segons els sistema de mesura usat. L’estudi s’ha centrat en els sistemes que apliquen una tensió i mesuren el corrent que surt del material, i en particular en els pseudoponts automàtics. Cg redueix el corrent que es mesura, i això s’interpreta com un efecte inductiu perquè fa que la impedància calculada augmenti amb la freqüència. L’anàlisi mostra que Cg es ¿gira¿ i queda en sèrie amb la impedància del material i dels elèctrodes. Quan es mesura un material modelitzat com Rx en paral·lel amb Cx, a més d’un efecte inductiu hi ha efectes resistius i capacitius, deguts a Cg. Cg canvia la influència de la impedància dels elèctrodes en la mesura segons el valor de la relació Cg/Ce. Mesurant amb elèctrodes de contacte directe, les impedàncies dels elèctrodes i la de fuites no tenen efectes significatius. Els elèctrodes influeixen a baixa freqüència i els efectes de Cg es veuen més a alta freqüència. Entre mig, hi ha una banda plana on es pot mesurar bé la Rx. Si Cg es prou gran respecte a Cx, hi ha pics en el mòdul, i fins i tot fases positives. El paràmetre rellevant no és el valor de Cg sinó la relació Cg/Cx. Les mesures amb quatre elèctrodes no solucionen els efectes de Cg sinó que també s’observen efectes inductius i ressonàncies a alta freqüència, i a més hi ha un augment de la impedància que no depèn de la freqüència quan augmenta Cg. La mesura amb elèctrodes capacitius està més afectada per Cg i Chl que en el cas de contacte directe. La Rhl queda en paral·lel amb Re i si Rhl disminueix, augmenta la part real de la impedància a baixes freqüències. L’efecte de la capacitat paràsita Chl és una disminució de la part real de la impedància, independent de la freqüència. Quan augmenta Cg, augmenta la part real de la impedància; aquest augment també és independent de la freqüència. Si augmenta Cg, augmenta l’efecte de Chl, i fa disminuir l’interval freqüencial de treball. Coneixent el valor de Ce i de Chl es pot obtenir Cg a partir de la mesura de la part imaginària de la impedància a baixa freqüència perquè augmentar Cg fa disminuir la capacitat equivalent entre els elèctrodes de mesura. Conegudes Ce, Chl i Cg es pot calcular Rx en la banda on la part real de la impedància és plana. A més, si fixem Chl i Cg, per exemple apantallant la cel·la de mesura, els factors que depenen de Ce, Chl i Cg es poden incloure a una constant de cel·la equivalent.

Optical quantum memories are important devices in quantum information science. In particular, they are building blocks of quantum repeater architectures that have been proposed to increase the range of quantum communication beyond the limits set by losses in optical fibers. In this thesis, we report experiments with a quantum memory based on cold atoms. We focus on two important aspects relevant for using the memories as quantum repeater nodes: the connectivity to the optical fiber network, and the ability to operate in a time-multiplexed fashion. The core of the work presented in this thesis was the implementation of a quantum memory based on spontaneous Raman scattering, following the protocol of Duan, Lukin, Cirac and Zoller (DLCZ). The memory is implemented with a cold ensemble of 87Rb atoms loaded in a magneto optical trap. Single collective atomic spin excitations (spin-waves) are created in a heralded manner, before being retrieved by conversion into strongly non-classically correlated single photons. Our system showed measured second-order cross-correlation function values up to 200, an inferred intrinsic retrieval efficiency inside the science chamber up to 44%, and a memory lifetime up to 55 µs. Current realizations of DLCZ quantum memories present several limitations, reducing the maximum practical distance achievable for quantum repeaters based on these systems. We partially addressed two of them. The first one originates from high absorption in optical fibers at the operating wavelength of 780 nm. The second one is that current demonstrations only allow the creation of spin-waves in single temporal modes, limiting the entanglement generation rates in quantum repeaters protocols. A good solution to alleviate the first limitation is to translate the wavelength of the single photons to the telecom C-band, where absorption is minimal, while preserving their quantum characteristics. For this, we demonstrated an ultra-low-noise solid state photonic quantum interface based on an integrated-waveguide in a non-linear PPLN crystal. We converted heralded single photons emitted by the DLCZ quantum memory at 780 nm to the telecommunication wavelength of 1552 nm. We achieved a maximum signal-to-noise ratio of 80 for a mean input photon number of 1, allowing us to show significant non-classical correlations between the heralding and converted photons via the violation of the Cauchy-Schwarz inequality. To address the second limitation, we demonstrated the first experimental steps towards the realization of a temporally multiplexed DLCZ-type quantum repeater node. We showed active control of the spin-waves created in our quantum memory by means of an external magnetic field gradient inducing an inhomogeneous broadening of the atomic hyperfine levels. Acting on this gradient allows active dephasing and rephasing of individual spin-waves, enabling spin-wave creation in multiple temporal modes and read out a specific time-bin only. We showed that the active rephasing technique preserves the non-classical statistics of the heralded photons via the observation of anti-bunching. We then created spin-waves in two temporal modes and demonstrated selective read-out of only one of them with a selectivity up to 92%. All these results pave the way towards the realization of future temporally multiplexed quantum repeater nodes based on the DLCZ protocol. / Les memòries quàntiques òptiques son dispositius importants en el camp científic de la informació quàntica. En particular, són peces fonamentals de les estructures de repetidors quàntics, les quals han estat proposades per tal d’incrementar la distància en la comunicació quàntica més enllà dels límits imposats per les pèrdues en fibres òptiques. En aquesta tesi mostrem experiments duts a terme amb una memòria quàntica basada en àtoms freds. Ens hem centrat en dos aspectes importants que són rellevants a l’hora d’usar les memòries com a nodes de repetidors quàntics: la connectivitat cap a la xarxa de fibres òptiques i l’habilitat d’operar amb multiplexació temporal. La part central del treball presentat en aquesta tesi és la implementació d’una memòria quàntica basada en la dispersió Raman espontània, seguint el protocol de Duan, Lukin, Cirac i Zoller (DLCZ). La memòria és implementada en un conjunt d’àtoms de 87Rb en una trampa òptico-magnètica. Excitacions individuals col·lectives d’espins atòmics (ones d’espín) són creades de manera anunciada, abans de ser recuperades en una conversió cap a fotons individuals amb fortes correlacions no-clàssiques. En el nostre sistema vam mostrar mesures de la funció de correlació creuada de segon ordre amb valors de fins a 200, una eficiència de recuperació intrínseca dins la cambra experimental de fins a un 44% i un temps de vida de la memòria de 55 µs. Les realitzacions actuals de memòries quàntiques DLCZ presenten varies limitacions, les quals redueixen la distància màxima que els repetidors quàntics basats en aquests sistemes poden assolir. Nosaltres n’hem adreçat parcialment dues d’elles. La primera és originada per l’alta absorció en fibres òptiques de la longitud d’ona de 780 nm. La segona té a veure amb el fet que altres experiments actuals només permeten la creació d’ones d’espín en un únic mode temporal, limitant el ritme de la generació d’entrellaçament en protocols de repetidors quàntics. Una bona solució per mitigar la primera limitació és traslladar la longitud d’ona dels fotons individuals, cap a la banda C de telecomunicacions en la que l’absorció és mínima, preservant les seves característiques quàntiques. Per això, vam demostrar l’operació d’una interfície fotònica quàntica d’estat sòlid amb un soroll ultra-baix basada en una guia d’ones integrada en un cristall PPLN. Vam convertir fotons individuals anunciats emesos per la memòria quàntica DLCZ a 780 nm cap a la longitud d¿ona de telecomunicacions de 1552 nm. Vam aconseguir una relació senyal-soroll màxima de 80 per a un nombre mitjà incident de fotons de 1, permetent-nos mostrar correlacions no-clàssiques significatives entre el fotó anunciat i el convertit, mitjançant la violació de la desigualtat de Cauchy-Schwarz. Per tal d’adreçar la segona limitació, vam demostrar els primers passos experimentals cap a la realització d’un node de repetidor quàntic de tipus DLCZ amb multiplexació temporal. Vam mostrar el control actiu d’ones d’espín creades a la nostra memòria quàntica, utilitzant un gradient de camp magnètic extern que indueix un eixamplament inhomogeni dels nivells atòmics hiperfins. Actuar en aquest gradient permet el desfasament i refasament actiu d’ones d’espín individuals, permetent crear ones d’espín en múltiples modes temporals i llegir només un mode temporal específic. Vam mostrar que la tècnica de refasament actiu preserva les estadístiques no-clàssiques dels fotons anunciats a través de l’observació d’anti-agrupament. Seguidament vam crear ones d'espín en dos modes temporals i vam demostrar la lectura selectiva de només un mode amb una selectivitat de fins a un 92%. Tots aquest resultats obren la porta a la realització de futurs nodes de repetidors quàntics amb multiplexació temporal basats en el protocol DLCZ.

In recent decades, the industry of communications has acquired huge significance, and nowadays constitutes an essential tool for the society information. Thus, the exponential growth in demand of broadband services and the increasing amount of information to be transmitted have spurred the evolution of the access network infrastructure to effectively meet the user needs in an effective way in terms of costs of both installation and maintenance. Passive optical networks (PON) are currently considered the most efficient and least costly alternative to deploy fiber to the home environment. In order to allow many users simultaneously coexist PONs based on time multiplexing (TDMA) have been developed. Looking ahead, however, it is expected that these techniques do not meet the requirements on access networks. In consequence, other multiple access techniques such as Wavelength Division Multiplexing Access (WDMA) or Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access (OFDMA) are currently under study and development for use in the next generation of PONs. Particularly, in recent years OFDM has stood out among the scientific community to be considered a solution with great potential on future implementation of PONs. This is especially true due to the capacity of OFDM to work with multilevel modulations, its high tolerance to chromatic dispersion, and its high flexibility and granularity in terms of bandwidth management. Given the above, the aim of this Thesis is to study deeply the advantages and challenges of implementing the standard OFDM as an access network solution; likewise, it offers solutions to improve its performance. In order to evaluate the main structures and strategies for OFDM-based PON, a comparative analysis of all of them is performed firstly, highlighting their sensitivity levels, maximum range and number of users. A key aspect for network providers is the cost of operation, deployment and maintenance of networks. As a low-cost solution, this Thesis proposes a network model called Statistical-OFDMA-PON based on intensity modulation and direct detection. In addition, dynamic bandwidth management strategies are applied into this model getting an improvement in the power balance which in turn, allows to increase the maximum range and the scalability in number of users. One of the main OFDM problems is the Peak-to-Average Power Ratio (PAPR) which increases with the number of carriers. This thesis proposes a new algorithm based on folding the signal and transmitting auxiliary information in order to compensate the PAPR effect and thus increase the sensitivity of the optical system. On the other hand, OFDMA requires a large number of operations in the digital domain resulting in a high computational effort, which in turn results in an increased cost. For this reason, this Thesis presents a study on the optimization of the required resolution in the Digital-to-Analog / Analog-to-Digital Converters (DAC/ADCs) maintaining the transmission quality. The optimization of the computation time may make the OFDMA-based optical network more attractive for future PONs. Finally, another problem concerning the OFDM optical networks is their sensitivity to Phase Noise (PN). In this regard, this Thesis presents a study of the effect of the laser linewidth and its dependence on signal bandwidth. A mitigation technique based on pilot tones is implemented and the limiting values for the laser linewidth are found to be within the reach of present low-cost light sources. / En estas últimas décadas, la industria de las comunicaciones ha adquirido gran importancia y hoy en día, constituye una herramienta imprescindible para el funcionamiento en la sociedad de la información. Así pues, el crecimiento exponencial en la demanda de servicios de banda ancha y la carga de información cada vez mayor que se necesita transmitir ha estimulado la evolución de las infraestructuras del tramo de acceso a la red para poder satisfacer las necesidades del usuario de forma efectiva en términos de costes de instalación y de mantenimiento. Las redes ópticas pasivas (Passive Optical Networks, PON) son actualmente consideradas la alternativa más eficiente y de menor coste para desplegar fibra hasta los hogares. Con el fin de permitir que muchos usuarios coexistan simultáneamente se han desarrollado PONs basadas en multiplexación en tiempo (Time Division Multiplexing Access, TDMA). De cara al futuro, sin embargo, se prevé que estas técnicas no permitan cubrir las exigencias sobre las redes de acceso. En consecuencia, otras técnicas de acceso múltiple al medio como el acceso múltiple por división de longitud de onda (Wavelength Division Multiplexing Access, WDMA) o el acceso múltiple por división de frecuencia ortogonal (Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access, OFDMA) se encuentran actualmente en proceso de estudio y desarrollo para su uso en la futura generación de PONs. En concreto, en los últimos años OFDM se ha destacado entre la comunidad científica al considerarse una solución con gran potencial para su futura implantación en redes de acceso pasivas. Esto es especialmente cierto debido a la capacidad que el OFDM para trabajar con modulaciones multinivel, así como su alta tolerancia a la dispersión cromática y a la gran flexibilidad y granularidad que posibilita en términos de gestión del ancho de banda. Por todo lo anterior, el objetivo de esta Tesis es estudiar con profundidad las ventajas y los retos de aplicar el estándar OFDM como solución de red de acceso; del mismo modo, ofrece soluciones para mejorar su rendimiento. Con el objetivo de evaluar las principales estructuras basadas en OFDM-PON, en primer lugar se realiza un análisis comparativo de todas ellas destacando sus niveles de sensibilidad, máximo alcance y número de usuarios. Un aspecto fundamental para los proveedores de red es el coste de operación, despliegue y mantenimiento de las redes. Como solución de bajo coste, esta Tesis propone un modelo de red llamado Statistical-OFDMA-PON que se basa en modulación de intensidad y detección directa. Además, este modelo se completa con estrategias de gestión dinámica del ancho de banda de los usuarios que conforman la estructura de red propuesta consiguiendo una mejora en el balance de potencias que permite aumentar distancia y número de usuarios. Uno de los principales problemas del OFDM es el alto nivel de la relación de potencia de pico a potencia media (Peak-to-Average Power Ratio, PAPR) creciente con el número de portadoras. Esta Tesis propone un nuevo algoritmo basado en el pliegue de la señal y la transmisión de información auxiliar para compensar el efecto del PAPR aumentando así la sensibilidad del sistema óptico. Por otro lado, OFDMA requiere un número elevado de operaciones en el dominio digital resultando en un alto esfuerzo computacional que a su vez se traduce en un aumento del coste. Por esta razón, esta Tesis presenta un estudio sobre la optimización de la resolución requerida en los conversores analógicodigital (Digital-to-Analog/Analog-to-Digital Converters, DAC/ADCs) manteniendo la calidad de transmisión. La optimización del tiempo de cómputo requerido puede dotar de un mayor atractivo la solución de red óptica basada en OFDMA. Finalmente, otro de los problemas que presentan las redes ópticas OFDM es su sensibilidad frente al ruido de fase (Phase Noise, PN). En este aspecto, esta Tesis presenta un estudio del efecto del ancho de línea del láser y su dependencia con el ancho de banda de la señal. Técnicas de mitigación basadas en tonos piloto han sido implementadas y se han encontrado los valores limitantes del ancho de línea dentro del alcance de los láseres de bajo coste.

Over the past 30 years, high speed railway in Europe has experienced a great development due to, among other things, the reduction of travel times, the increase of frequency and the continuous improvement of service quality. However, the construction of a new high speed railway infrastructure requires an enormous mobilization of resources, has a long lifetime but the alternative uses of this huge investment are very few. Consequently, this kind of investment is always preceded by a rigorous analysis in order to ensure the best possible result. In an analysis of these characteristics, there are different variables that have an influence on costs and benefits that a high speed line could generate and, therefore, it can be asserted that there are certain railway parameters with direct impact on the profitability of a high speed line. Among them, maximum design speed of a high speed line can be highlighted; speed plays a crucial role in a framework in which the efficiency and the social benefit are essential. The design speed has an impact on the profitability and, especially, on the economic and financial Net Present Value (NPV) of a high speed line; for example, a higher design speed implies higher investment costs (this impact is different depending on the type of terrain) and, sometimes, implies greater maintenance costs, but also brings journey time reductions and, consequently, an increase in the number of passengers that implies an increase in revenues and time savings. Besides, design speed has a direct impact on the exploitation costs of the railway undertakings. In short, the effects of the speed on the profitability are countless and complex. However, this parameter is usually a default parameter; usually it has been previously established (pre-determined) to an economic appraisal. Actually, if we analyse real experiences, real high speed lines currently in service or under construction, maximum design speed is essentially the same all over the European high speed networks (350 km/h), although it hasn¿t been found out a solid reason behind this pre-determined speed. This problem becomes more complex when the line is considered as a set of shorter sections. If each one of these sections is assigned a maximum design speed, it will arise many maximum speeds combinations per line, therefore, there is no longer a single speed, but now there is a combination of maximum speeds. Each combination of maximum speeds entails different investment cost, thereby, there will be multiple investment costs per line and, therefore, different economic and financial profitability in a single project as it is a railway infrastructure. At this point, this study develops a methodology capable of obtaining the maximum design speeds combination that allows to obtain the maximum incomes with the minimal cost, which implies to achieve the maximum profitability of a high speed line. In short, it will be developed and defined a methodology which determines the combination of maximum speeds that obtains the best results in terms of social-economic benefit (greater social-economic NPV) taking into account certain limitations (financial profitability and investment cost restrictions). The methodology proposed is applied in a theoretical scenario which corresponds to the Madrid-Valencia high speed line with a single route. The objective is to determine the economic and financial profitability of the scenario proposed, considering a new railway layout and different to the one nowadays exists. This economic and financial analysis is assessed for four different ticket prices, allowing not only to determine the combination of maximum speeds that obtains the maximum profitability of the line, but also allows to know the effect of the ticket price paid by the travellers on the economic and financial profitability. / En los últimos 20 años, el sistema ferroviario de alta velocidad en Europa ha sufrido un gran desarrollo, debido entre otras cosas, a la reducción de tiempos de viaje, al incremento en las frecuencias y a la mejora en la calidad del servicio. Sin embargo, la construcción de una nueva infraestructura ferroviaria requiere una ingente movilización de recursos, tiene una vida útil muy larga y son pocos los posibles usos alternativos de la inversión realizada. No debe extrañar por ello que cualquier inversión de este tipo esté siempre precedida de un análisis minucioso con el fin de asegurar el mejor resultado posible. Dentro de un análisis de estas características, existen diferentes parámetros que influyen en los costes y los beneficios atribuibles a una línea de alta velocidad y, por lo tanto, puede decirse que existen determinados parámetros que influyen en su rentabilidad. Entre todos ellos, se destaca la velocidad máxima de diseño; la velocidad (en todas sus posibles acepciones) juega un papel muy importante en un escenario de eficiencia, es una pieza básica en la rentabilidad socio-económica de una infraestructura ferroviaria. La velocidad de diseño influyen en la rentabilidad y en concreto en el VAN socio-económico y financiero de una línea de múltiples formas: por ejemplo, una velocidad de diseño mayor supone costes mayores de inversión (con incidencia diferente según el tipo de terreno) y, en ocasiones, mayores costes de mantenimiento, pero también reduce el tiempo de viaje y, como consecuencia, generalmente implica un incremento en el número de viajeros dispuestos a viajar (mayor atractivo), lo que supone mayores ingresos y ahorros de tiempo. Además tienen un efecto directo sobre los costes de explotación del operador de transporte. En suma, los efectos de la velocidad sobre la rentabilidad son muy numerosos y complejos. Sin embargo, este parámetro, generalmente se predetermina, es decir, suele estar definido con anterioridad a la evaluación socio-económica de la línea. La velocidad máxima de diseño es prácticamente la misma a lo largo de toda la red de alta velocidad europea (350 km/h), lo que no ofrece, sin embargo, la información de si otras decisiones previas (otras velocidades máximas de diseño) conducirían a un mejor resultado. Este problema toma mayor grado de complejidad cuando se considera la línea (trazado) como un conjunto de tramos más pequeños. Si a cada uno de estos tramos se le asigna una velocidad máxima de diseño, aparecerán múltiples combinaciones de velocidades máximas por línea, por lo tanto, ya no se dispone de una única velocidad sino que se dispone de una combinación de velocidades. Cada combinación de velocidades máximas supondrá un coste de inversión diferente, por lo que existirán múltiples costes por cada trazado y, como consecuencia, diferentes rentabilidades. Ante esta situación compleja, se plantea una metodología capaz de determinar la combinación de velocidades máximas que permite obtener los máximos retornos con los mínimos costes. En definitiva, se desarrollará y definirá una metodología capaz de determinar la combinación de velocidades máximas que obtenga mejores resultados en términos socio-económicos (mayor VAN socio-económico) sujetos a las restricciones que se determinen (limitación de la rentabilidad financiera y de los coste de inversión). La metodología propuesta se aplica en un escenario teórico que corresponde a la línea Madrid-Valencia con una única ruta. El objetivo consiste en estimar la rentabilidad económica y financiera del conjunto para la ruta Madrid-Valencia, considerando un trazado nuevo y diferente al que hoy en día existe. Este análisis económico y financiero se realiza para cuatro precios de billete diferentes, lo que permite no solo determinar el cuadro de velocidades máximas que obtiene la máxima rentabilidad de la línea sino que también permite conocer el efecto del precio del billete pagado por los viajeros en la rentabilidad del proyecto.

Satellite communication will play a central role towards fulfilling next generation 5G communication requirements. As a matter of fact, anytime-anywhere connectivity cannot be conceived without the presence of the satellite segment. Indeed, satellite communication industry is not only targeting popular markets but also to high dense populated areas where the satellite will become an essential element to decongest the terrestrial wireless network. In order to deliver broadband interactive data traffic, satellite payloads are currently implementing a multibeam radiation pattern. The use of a multibeam architecture brings several advantages in front of a single global beam transmission. First, as an array fed reflector is employed, the antenna gain to noise ratio can be increased leading to high gain in the achievable throughput. Second, different symbols can be simultaneously sent to geographically separated areas, allowing a spatially multiplexed communication. Last but not least, the available bandwidth can be reused in sufficiently separated beams, increasing the spectrum reuse in the overall coverage area. Whenever the system designers target the terabit satellite system the aforementioned multibeam architecture shall be reconsidered. Indeed, the achievable rates can be extremely increased in case a more aggressive frequency reuse is deployed and interference mitigation techniques are implemented either at the user terminal (multiuser detection) or in the transmitter (precoding). Our study deals with the problem of precoding and linear filtering receiving methods for multibeam satellite systems when full frequency reuse is considered. Concretely, we consider the particular restrictions of satellite communications which, in contrast to terrestrial communication systems, suffer from additional drawbacks. First, the feeder link shall aggregate the overall data traffic leading to a very large rate requirement. This required data rate is even increased whenever linear filtering at the return link and precoding in the forward link are deployed. This is because the feed signals, which are larger than the number of beams, shall be computed on ground. In order to solve this problem, we propose a hybrid architecture where the satellite payload is equipped with a fixed processing. This on-board processing linearly transforms the received and transmitted data in order to keep the feeder link rate requirement low. The on-board processing results to be the same for both return and forward links, leading to a large reduction of the payload complexity, mass and cost. Second, as the data traffic can be generated by different gateways, the precoding method shall be designed accordingly. In contrast to previous works, this work studies the case where the collaboration between different gateways is limited. In addition to the aforementioned contribution, in this work some unexplored aspects of multi-gateway multibeam precoding are also investigated. Finally, we consider an important phenomena that currently needs to be treated in multibeam systems: the fact that a single codeword is embedded the information of multiple users in each beam. This leads to the difficult so-called multigroup multicast model, whose optimization requires computationally complex operations. In order to solve this problem: i) we propose a two-stage precoding design in order to both limit the multibeam interference and to enhance the intra-beam minimum user signal power, ii) a robust version of the proposed precoder based on a first perturbation model is presented. This mechanism behaves well when the channel state information is corrupted, iii) we propose a per beam user grouping mechanism so as its robust version in order to increase the precoding gain. Forth, a method for dealing with the multiple gateway architecture is presented that offers high throughputs with a low inter-gateway communication. / La comunicación por satélite desempeñará un papel central en el cumplimiento de los requisitos de comunicación 5G de próxima generación. Como cuestión de hecho, la conectividad cualquier momento y lugar no se puede concebir sin la presencia del segmento satelital. De hecho, la industria de la comunicación por satélite no sólo se dirige a los mercados populares, sino también a la alta densas zonas pobladas donde el satélite se convertirá en un elemento esencial para descongestionar la red inalámbrica terrestre. Para entregar el tráfico de datos interactiva de banda ancha, las cargas útiles de satélites están implementando un diagrama de radiación de haces múltiples. El uso de una arquitectura multihaz aporta varias ventajas frente a un único haz de transmisión global. En primer lugar, como se emplea un reflector alimentado matriz, la ganancia de antena a ruido puede aumentar dando lugar a una alta ganancia en el rendimiento alcanzable. En segundo lugar, diferentes símbolos pueden ser enviados simultáneamente a las áreas separadas geográficamente, lo que permite una comunicación multiplexada espacialmente. Por último, pero no menos importante, el ancho de banda disponible puede ser reutilizado en las vigas suficientemente separadas, el aumento de la reutilización del espectro en el área de cobertura global. Cada vez que los diseñadores de sistemas se dirigen el sistema de satélites terabit se reconsideró la arquitectura multihaz mencionado. De hecho, las tasas alcanzables pueden ser extremadamente aumentaron en caso de reutilización de frecuencias más agresiva está desplegado y las técnicas de reducción de interferencias se implementan ya sea en el terminal de usuario (detección multiusuario) o en el transmisor (precodificación). Nuestros estudio aborda el problema de precodificación y filtrado lineal recibir métodos para sistemas de satélites multihaz cuando se considera la reutilización de frecuencias completa. Concretamente, consideramos las restricciones particulares de comunicaciones por satélite que, en contraste con los sistemas de comunicación terrestres, sufren de desventajas adicionales. En primer lugar, el enlace de conexión deberá agregar el tráfico global de datos que conduce a un requisito tasa muy grande. Esta velocidad de datos requerida es incluso aumentó cada vez filtrado lineal en el enlace de retorno y precodificación en el enlace directo se despliegan. Esto se debe a que las señales de alimentación, que son más grandes que el número de haces, se computarán en el suelo. Con el fin de resolver este problema, se propone una arquitectura híbrida, donde la carga útil del satélite está equipado con un procesamiento fijo. Este procesamiento a bordo transforma linealmente los datos recibidos y transmitidos con el fin de mantener el requisito de baja tasa de enlace de conexión. Los resultados del procesamiento de a bordo para ser el mismo para ambos enlaces directo y de retorno, dando lugar a una gran reducción de la complejidad de carga útil, la masa y el coste. En segundo lugar, como el tráfico de datos puede ser generada por diferentes puertas de enlace, el método de precodificación deberá ser diseñado en consecuencia. A diferencia de los trabajos anteriores, este trabajo estudia el caso en que la colaboración entre las diferentes pasarelas es limitado. Además de la contribución anterior, en este trabajo también se investigan algunos aspectos inexplorados de multi-gateway multihaz precodificación. Finalmente, consideramos un fenómeno importante que necesita actualmente para ser tratados en sistemas multihaz: el hecho de que una sola palabra de código se incrusta la información de múltiples usuarios en cada viga. Esto conduce a la denominada modelo de multidifusión multigrupo difícil, cuya optimización requiere operaciones computacionalmente complejos. En tal escenario, el diseño de precodificación en el enlace directo será dirigido.

This PhD dissertation describes the research and development of a new low-cost medium wavelength infrared MWIR monolithic imager technology for high-speed uncooled industrial applications. It takes the baton on the latest technological advances in the field of vapour phase deposition (VPD) PbSe-based medium wavelength IR (MWIR) detection accomplished by the industrial partner NIT S.L., adding fundamental knowledge on the investigation of novel VLSI analog and mixed-signal design techniques at circuit and system levels for the development of the readout integrated device attached to the detector. The work supports on the hypothesis that, by the use of the preceding design techniques, current standard inexpensive CMOS technologies fulfill all operational requirements of the VPD PbSe detector in terms of connectivity, reliability, functionality and scalability to integrate the device. The resulting monolithic PbSe-CMOS camera must consume very low power, operate at kHz frequencies, exhibit good uniformity and fit the CMOS read-out active pixels in the compact pitch of the focal plane, all while addressing the particular characteristics of the MWIR detector: high dark-to-signal ratios, large input parasitic capacitance values and remarkable mismatching in PbSe integration. In order to achieve these demands, this thesis proposes null inter-pixel crosstalk vision sensor architectures based on a digital-only focal plane array (FPA) of configurable pixel sensors. Each digital pixel sensor (DPS) cell is equipped with fast communication modules, self-biasing, offset cancellation, analog-to-digital converter (ADC) and fixed pattern noise (FPN) correction. In-pixel power consumption is minimized by the use of comprehensive MOSFET subthreshold operation. The main aim is to potentiate the integration of PbSe-based infra-red (IR)-image sensing technologies so as to widen its use, not only in distinct scenarios, but also at different stages of PbSe-CMOS integration maturity. For this purpose, we posit to investigate a comprehensive set of functional blocks distributed in two parallel approaches: • Frame-based “Smart” MWIR imaging based on new DPS circuit topologies with gain and offset FPN correction capabilities. This research line exploits the detector pitch to offer fully-digital programmability at pixel level and complete functionality with input parasitic capacitance compensation and internal frame memory. • Frame-free “Compact”-pitch MWIR vision based on a novel DPS lossless analog integrator and configurable temporal difference, combined with asynchronous communication protocols inside the focal plane. This strategy is conceived to allow extensive pitch compaction and readout speed increase by the suppression of in-pixel digital filtering, and the use of dynamic bandwidth allocation in each pixel of the FPA. In order make the electrical validation of first prototypes independent of the expensive PbSe deposition processes at wafer level, investigation is extended as well to the development of affordable sensor emulation strategies and integrated test platforms specifically oriented to image read-out integrated circuits. DPS cells, imagers and test chips have been fabricated and characterized in standard 0.15μm 1P6M, 0.35μm 2P4M and 2.5μm 2P1M CMOS technologies, all as part of research projects with industrial partnership. The research has led to the first high-speed uncooled frame-based IR quantum imager monolithically fabricated in a standard VLSI CMOS technology, and has given rise to the Tachyon series [1], a new line of commercial IR cameras used in real-time industrial, environmental and transportation control systems. The frame-free architectures investigated in this work represent a firm step forward to push further pixel pitch and system bandwidth up to the limits imposed by the evolving PbSe detector in future generations of the device. / La present tesi doctoral descriu la recerca i el desenvolupament d'una nova tecnologia monolítica d'imatgeria infraroja de longitud d'ona mitja (MWIR), no refrigerada i de baix cost, per a usos industrials d'alta velocitat. El treball pren el relleu dels últims avenços assolits pel soci industrial NIT S.L. en el camp dels detectors MWIR de PbSe depositats en fase vapor (VPD), afegint-hi coneixement fonamental en la investigació de noves tècniques de disseny de circuits VLSI analògics i mixtes pel desenvolupament del dispositiu integrat de lectura unit al detector pixelat. Es parteix de la hipòtesi que, mitjançant l'ús de les esmentades tècniques de disseny, les tecnologies CMOS estàndard satisfan tots els requeriments operacionals del detector VPD PbSe respecte a connectivitat, fiabilitat, funcionalitat i escalabilitat per integrar de forma econòmica el dispositiu. La càmera PbSe-CMOS resultant ha de consumir molt baixa potència, operar a freqüències de kHz, exhibir bona uniformitat, i encabir els píxels actius CMOS de lectura en el pitch compacte del pla focal de la imatge, tot atenent a les particulars característiques del detector: altes relacions de corrent d'obscuritat a senyal, elevats valors de capacitat paràsita a l'entrada i dispersions importants en el procés de fabricació. Amb la finalitat de complir amb els requisits previs, es proposen arquitectures de sensors de visió de molt baix acoblament interpíxel basades en l'ús d'una matriu de pla focal (FPA) de píxels actius exclusivament digitals. Cada píxel sensor digital (DPS) està equipat amb mòduls de comunicació d'alta velocitat, autopolarització, cancel·lació de l'offset, conversió analògica-digital (ADC) i correcció del soroll de patró fixe (FPN). El consum en cada cel·la es minimitza fent un ús exhaustiu del MOSFET operant en subllindar. L'objectiu últim és potenciar la integració de les tecnologies de sensat d'imatge infraroja (IR) basades en PbSe per expandir-ne el seu ús, no només a diferents escenaris, sinó també en diferents estadis de maduresa de la integració PbSe-CMOS. En aquest sentit, es proposa investigar un conjunt complet de blocs funcionals distribuïts en dos enfocs paral·lels: - Dispositius d'imatgeria MWIR "Smart" basats en frames utilitzant noves topologies de circuit DPS amb correcció de l'FPN en guany i offset. Aquesta línia de recerca exprimeix el pitch del detector per oferir una programabilitat completament digital a nivell de píxel i plena funcionalitat amb compensació de la capacitat paràsita d'entrada i memòria interna de fotograma. - Dispositius de visió MWIR "Compact"-pitch "frame-free" en base a un novedós esquema d'integració analògica en el DPS i diferenciació temporal configurable, combinats amb protocols de comunicació asíncrons dins del pla focal. Aquesta estratègia es concep per permetre una alta compactació del pitch i un increment de la velocitat de lectura, mitjançant la supressió del filtrat digital intern i l'assignació dinàmica de l'ample de banda a cada píxel de l'FPA. Per tal d'independitzar la validació elèctrica dels primers prototips respecte a costosos processos de deposició del PbSe sensor a nivell d'oblia, la recerca s'amplia també al desenvolupament de noves estratègies d'emulació del detector d'IR i plataformes de test integrades especialment orientades a circuits integrats de lectura d'imatge. Cel·les DPS, dispositius d'imatge i xips de test s'han fabricat i caracteritzat, respectivament, en tecnologies CMOS estàndard 0.15 micres 1P6M, 0.35 micres 2P4M i 2.5 micres 2P1M, tots dins el marc de projectes de recerca amb socis industrials. Aquest treball ha conduït a la fabricació del primer dispositiu quàntic d'imatgeria IR d'alta velocitat, no refrigerat, basat en frames, i monolíticament fabricat en tecnologia VLSI CMOS estàndard, i ha donat lloc a Tachyon, una nova línia de càmeres IR comercials emprades en sistemes de control industrial, mediambiental i de transport en temps real.

As CMOS technology scales down, Process, Voltage, Temperature and Ageing (PVTA) variations have an increasing impact on the performance and power consumption of electronic devices. These issues may hold back the continuous improvement of these devices in the near future. There are several ways to face the variability problem: to increase the operating margins of maximum clock frequency, the implementation of lithographic friendly layout styles, and the last one and the focus of this thesis, to adapt the circuit to its actual manufacturing and environment conditions by tuning some of the adjustable parameters once the circuit has been manufactured. The main challenge of this thesis is to develop a low-area variability compensation mechanism to automatically mitigate PVTA variations in run-time, i.e. while integrated circuit is running. This implies the development of a sensor to obtain the most accurate picture of variability, and the implementation of a control block to knob some of the electrical parameters of the circuit. / A mesura que la tecnologia CMOS escala, les variacions de Procés, Voltatge, Temperatura i Envelliment (PVTA) tenen un impacte creixent en el rendiment i el consum de potència dels dispositius electrònics. Aquesta problemàtica podria arribar a frenar la millora contínua d'aquests dispositius en un futur proper. Hi ha diverses maneres d'afrontar el problema de la variabilitat: relaxar el marge de la freqüència màxima d'operació, implementar dissenys físics de xips més fàcils de litografiar, i per últim i com a tema principal d'aquesta tesi, adaptar el xip a les condicions de fabricació i d'entorn mitjançant la modificació d'algun dels seus paràmetres ajustables una vegada el circuit ja ha estat fabricat. El principal repte d'aquesta tesi és desenvolupar un mecanisme de compensació de variabilitat per tal de mitigar les variacions PVTA de manera automàtica en temps d'execució, és a dir, mentre el xip està funcionant. Això implica el desenvolupament d'un sensor capaç de mesurar la variabilitat de la manera més acurada possible, i la implementació d'un bloc de control que permeti l'ajust d'alguns dels paràmetres elèctrics dels circuits.

Fast and Complex Data Memory systems has become a necessity in modern computational units in today's integrated circuits. These memory systems are integrated in form of large embedded memory for data manipulation and storage. This goal has been achieved by the aggressive scaling of transistor dimensions to few nanometer (nm) sizes, though; such a progress comes with a drawback, making it critical to obtain high yields of the chips. Process variability, due to manufacturing imperfections, along with temporal aging, mainly induced by higher electric fields and temperature, are two of the more significant threats that can no longer be ignored in nano-scale embedded memory circuits, and can have high impact on their robustness. Static Random Access Memory (SRAM) is one of the most used embedded memories; generally implemented with the smallest device dimensions and therefore its robustness can be highly important in nanometer domain design paradigm. Their reliable operation needs to be considered and achieved both in cell and also in architectural SRAM array design. Recently, and with the approach to near/below 10nm design generations, novel non-FET devices such as Memristors are attracting high attention as a possible candidate to replace the conventional memory technologies. In spite of their favorable characteristics such as being low power and highly scalable, they also suffer with reliability challenges, such as process variability and endurance degradation, which needs to be mitigated at device and architectural level. This thesis work tackles such problem of reliability concerns in memories by utilizing advanced reconfiguration techniques. In both SRAM arrays and Memristive crossbar memories novel reconfiguration strategies are considered and analyzed, which can extend the memory lifetime. These techniques include monitoring circuits to check the reliability status of the memory units, and architectural implementations in order to reconfigure the memory system to a more reliable configuration before a fail happens. / Actualmente, el diseño de sistemas de memoria en circuitos integrados busca continuamente que sean más rápidos y complejos, lo cual se ha vuelto de gran necesidad para las unidades de computación modernas. Estos sistemas de memoria están integrados en forma de memoria embebida para una mejor manipulación de los datos y de su almacenamiento. Dicho objetivo ha sido conseguido gracias al agresivo escalado de las dimensiones del transistor, el cual está llegando a las dimensiones nanométricas. Ahora bien, tal progreso ha conllevado el inconveniente de una menor fiabilidad, dado que ha sido altamente difícil obtener elevados rendimientos de los chips. La variabilidad de proceso - debido a las imperfecciones de fabricación - junto con la degradación de los dispositivos - principalmente inducido por el elevado campo eléctrico y altas temperaturas - son dos de las más relevantes amenazas que no pueden ni deben ser ignoradas por más tiempo en los circuitos embebidos de memoria, echo que puede tener un elevado impacto en su robusteza final. Static Random Access Memory (SRAM) es una de las celdas de memoria más utilizadas en la actualidad. Generalmente, estas celdas son implementadas con las menores dimensiones de dispositivos, lo que conlleva que el estudio de su robusteza es de gran relevancia en el actual paradigma de diseño en el rango nanométrico. La fiabilidad de sus operaciones necesita ser considerada y conseguida tanto a nivel de celda de memoria como en el diseño de arquitecturas complejas basadas en celdas de memoria SRAM. Actualmente, con el diseño de sistemas basados en dispositivos de 10nm, dispositivos nuevos no-FET tales como los memristores están atrayendo una elevada atención como posibles candidatos para reemplazar las actuales tecnologías de memorias convencionales. A pesar de sus características favorables, tales como el bajo consumo como la alta escabilidad, ellos también padecen de relevantes retos de fiabilidad, como son la variabilidad de proceso y la degradación de la resistencia, la cual necesita ser mitigada tanto a nivel de dispositivo como a nivel arquitectural. Con todo esto, esta tesis doctoral afronta tales problemas de fiabilidad en memorias mediante la utilización de técnicas de reconfiguración avanzada. La consideración de nuevas estrategias de reconfiguración han resultado ser validas tanto para las memorias basadas en celdas SRAM como en `memristive crossbar¿, donde se ha observado una mejora significativa del tiempo de vida en ambos casos. Estas técnicas incluyen circuitos de monitorización para comprobar la fiabilidad de las unidades de memoria, y la implementación arquitectural con el objetivo de reconfigurar los sistemas de memoria hacia una configuración mucho más fiables antes de que el fallo suceda