The exploration of the dynamics of bioinspired neural networks has allowed neuroscientists to understand some clues and structures of the brain. Electronic neural network implementations are useful tools for this exploration. However, appropriate architectures are necessary due to the extremely high complexity of those networks. There has been an extraordinary development in reconfigurable computing devices within a short period of time especially in their resource availability, speed, and reconfigurability (FPGAs), which makes these devices suitable to emulate those networks. Reconfigurable parallel hardware architecture is proposed in this thesis in order to emulate in real time complex and biologically realistic spiking neural networks (SNNs). Some relevant SNN models and their hardware approaches have been studied, and analyzed in order to create an architecture that supports the implementation of these SNN models efficiently. The key factors, which involve flexibility in algorithm programmability, high performance processing, low area and power consumption, have been taken into account. In order to boost the performance of the proposed architecture, several techniques have been developed: time to space mapping, neural virtualization, flexible synapse-neuron mapping, specific learning and execution modes, among others. Besides this, an interface unit has been developed in order to build a bio-inspired system, which can process sensory information from the environment. The spiking-neuron-based system combines analog and digital multi-processor implementations. Several applications have been developed as a proof-of-concept in order to show the capabilities of the proposed architecture for processing this type of information. / L'estudi de la dinàmica de les xarxes neuronals bio-inspirades ha permès als neurocientífics entendre alguns processos i estructures del cervell. Les implementacions electròniques d'aquestes xarxes neuronals són eines útils per dur a terme aquest tipus d'estudi. No obstant això, l'alta complexitat de les xarxes neuronals requereix d'una arquitectura apropiada que pugui simular aquest tipus de xarxes. Emular aquest tipus de xarxes en dispositius configurables és possible a causa del seu extraordinari desenvolupament respecte a la seva disponibilitat de recursos, velocitat i capacitat de reconfiguració (FPGAs ). En aquesta tesi es proposa una arquitectura maquinari paral·lela i configurable per emular les complexes i realistes xarxes neuronals tipus spiking en temps real. S'han estudiat i analitzat alguns models de neurones tipus spiking rellevants i les seves implementacions en maquinari , amb la finalitat de crear una arquitectura que suporti la implementació d'aquests models de manera eficient . S'han tingut en compte diversos factors clau, incloent flexibilitat en la programació d'algorismes, processament d'alt rendiment, baix consum d'energia i àrea. S'han aplicat diverses tècniques en l'arquitectura desenvolupada amb el propòsit d'augmentar la seva capacitat de processament. Aquestes tècniques són: mapejat de temps a espai, virtualització de les neurones, mapeig flexible de neurones i sinapsis, modes d'execució, i aprenentatge específic, entre d'altres. A més, s'ha desenvolupat una unitat d'interfície de dades per tal de construir un sistema bio-inspirat, que pot processar informació sensorial del medi ambient. Aquest sistema basat en neurones tipus spiking combina implementacions analògiques i digitals. S'han desenvolupat diverses aplicacions usant aquest sistema com a prova de concepte, per tal de mostrar les capacitats de l'arquitectura proposada per al processament d'aquest tipus d'informació.

Key to the success of the mobile telecommunication systems is provision of mobility and more specifically, continuity of communication sessions on the move. However, from engineering point of view the cobination of scarce radio resource capacity, radio channel randomness, cellular structure, and user mobility can lead to call interruptions. The latter are regarded as highly undesirable by mobile users. One essential part of the solution to this problem is to address resource insufficiency. To this end admission control algorithms are incorporated into the system. In this thesis we concentrate on admission control as a means of guaranteeing uninterrupted service to users with active calls on the move.The research work reported in the monograph can be briefly summarised as follows. We explored the extensive empirical, analytical, and simulation results concerning teletraffic random variables of mobile cellular systems from the perspective of admission control. We proposed a conceptually different from prior work admission control solution based on the scientific evidence about the statistical nature of system variables and on the main result of renewal theory namely, decision making based on estimated system behaviour. In particular, we proposed a new admission control metric that uses statistical estimates. We evaluated the performance of the devised admission control strategy, which we named MRT (Mean Remaining Time) after the admission control condition, using both analytical and simulation approaches. We mathematically modelled system performance for traditional exponential conditions through a Markov chain. To study the MRT performance for non-conventional teletraffic scenarios we developed a simulation pure performance model. We examined the MRT for conditions that matched measured data from real, live mobile cellular networks. The results show that the scheme can guarantee call continuity and that it achieves a continuous working interval in contrast to the discrete one of the common cut-off scheme, yet the MRT strategy meets the important practical requirement for simplicity. We proposed an approximation to the MRT strategy for the case when not all of the required statistical information is readily available. Next, we studied in-depth the implications of novel techniques introduced in advanced mobile telecommunication systems. In particular, we examined the effect of the adaptive modulation and coding (AMC) technique on system performance and consequently on admission control design in mobile WiMAX. The dynamic tuning to time-varying radio link conditions introduces new random variables that drastically change the traditional mobile cellular system model. In particular, cell capacity and call resource demands are not constant but random, determined by wireless link quality. We analytically modelled the radio channel randomness and the consequent non-deterministic resource demand for a streaming service with constant bit rate and strict delay requirements through a zone-based cell model. Furthermore, we examined system-level fairness, which metric had not been explored in previous studies on mobile WiMAX. Additionally, we studied the effect of AMC on system performance under the two basic admission control approaches proposed in the literature by incorporating them in the analytical model. The results show that the total new call blocking probability and forced call termination probability of a constant bit rate calls deteriorate when the radio channel conditions are quickly varying and the offered load is moderate to heavy. Furthermore, the results show important differences in blocking and dropping probabilities of calls belonging to the same service (voice) and call (either new or handoff) class but being served in different modulation and coding zones. The results also indicate that if the admission control is not adapted to the actual environment (non-deterministic) the system performance is considerably worsened.

In this thesis the pinch-off behavior in nanoscale Multi-Gate MOSFETs was reviewed and with compact models described. For this a 2D approach with Schwarz-Christoffel conformal mapping technique was used. A model to calculate the current in single gate MOSFETs was derived and compared to device simulations from TCAD Sentaurus down to 50nm. For the DoubleGate MOSFET a new way to define the saturation point was found. A fully 2D closed-form model to locate this point was created. It was also found that with quantum mechanics effects a pinch-off point can occur and can be described with the same model. Furthermore the model was extended to describe the coupled pinch-off points in an asymmetrical biased DoubleGate MOSET with an even an odd mode. Also the saturation point behavior in FinFETs was examinated.

Aquesta tesi doctoral presenta models analítics electrostàtics i de transport de diferents tipus de transistors MOSFET de porta múltiple: Double-Gate (DG) MOSFET, Gate-All-Around MOSFETs i FinFETs.Les estructures de porta múltiple són les més adequades per aconseguir la miniaturització dels circuits CMOS per sota dels 50 nm de longitud de canal. La reducció del tamany implica més velocitat i més densitat de circuits a un xip, però també dóna lloc a problemes (efectes de canal curt) que empitjoren les prestacions dels transistors; aquests problemes es deuen a un control més deficient del canal per la porta, que causa un augment del corrent de fuites (degradant la relació on/off del corrent) i disminució de la resistència de sortida (degradant el guany). Amb les estructures de porta múltiple el control electrostàtic del canal per la porta augmenta considerablement i els efectes de canal curt es redueixen dràsticament.El disseny de circuits nanomètrics necessita models acurats dels dispositius MOS de porta múltiple. A més, els models han d'ésser analítics, de manera que els puguin utilitzar els simuladors de circuits, amb temps de simulació petits i sense problemes de convergencia.Aquesta tesi presenta models analítics dels transistors multi-gate MOSFETs, tant per al comportament electrostàtic com pels mecanismes de transport. L'electrostàtica ha estat modelada a partir de l'equació de Poisson en 2 o 3 dimensions. S'han desenvolupat tècniques per resoldre analíticament l'equació de Poisson. El fet de què els models es derivin d'una anàlisi bidimensional o tridimensional fa que els efectes de canal curt s'incloguin de manera física, sense paràmetres empírics. Els models analítics resultants s'han comparat amb simulacions numèriques bidimensionals i tridimensionals, i s'ha observat una concordància quasi perfecta fins als 20 nm de longitud de canal. En el cas del FinFET, a més, s'ha pogut realitzar una comparació amb mesures experimentals, que ha resultat bastant exitosa.Aquesta tesi està recolzada per un total 7 articles publicats o acceptats a revistes internacionals, i dos més d'enviats. / En esta tesis hemos estudiado las características de los dispositivos MOSFET nodopados de puerta múltiple (multiple-gate MOSFETs), con dimensiones nanométricas.Hemos introducido modelos compactos de los efectos de canal corto (SCEs) para trestipos de dispositivos MOS de puerta múltiple (surrounding-gate MOSFET, double-gateMOSFET, y FinFET). Se han conseguido modelar los principales parámetros afectadospor los efectos de canal corto. Este trabajo supone un avance muy importante en el modelado de los nuevosdispositivos nanométricos MOS de puerta múltiple. Una buena prueba de ello es que lamayor parte de los resultados presentados en esta tesis se han publicado (o estánaceptados para publicación) en prestigiosas revistas internacionales y en actas decongresos internacionales de reconocido prestigio.

En esta tesis hemos desarrollado los modelos compactos explícitos de carga y de capacitancia adaptados para los dispositivos dopados y no dopados de canal largo (DG MOSFETs dopados, DG MOSFETs no dopados, UTB MOSFETs no dopados y SGT no dopados) de un modelo unificado del control de carga derivado de la ecuación de Poisson. El esquema de modelado es similar en todos estos dispositivos y se adapta a cada geometría. Los modelos de la C.C. y de la carga son completamente compatibles. Las expresiones de la capacitancia se derivan del modelo de la carga. La corriente, la carga total y las capacitancias se escriben en términos de las densidades móviles de la carga en los extremos de fuente y drenador del canal. Las expresiones explícitas e infinitamente continuas se utilizan para las densidades móviles de la carga en la fuente y drenador. Las capacitancias modeladas demuestran el acuerdo excelente con las simulaciones numéricas 2D y 3D (SGT), en todos los regímenes de funcionamiento. Por lo tanto, el modelo es muy prometedor para ser utilizado en simuladores del circuito. Desafortunadamente, no mucho trabajo se ha dedicado a este dominio de modelado. Las cargas analíticas y las capacitancias, asociadas a cada terminal se prefieren en la simulación de circuito. Con respecto al SGT MOSFET, nuestro grupo fue el primero en desarrollar y publicar un modelo de las cargas y de las capacitancias intrínsecas, que es también analítico y explícito. La tesis es organizada como sigue: el capítulo (1) presenta el estado del arte, capítulo (2) el modelado compacto de los cuatro dispositivos: DG MOSFETs dopados, DG MOSFETs no dopados, UTB MOSFETs no dopados y SGT no dopados; en el capítulo (3) estudiamos las capacitancias de fricción en MuGFETs. Finalmente el capítulo (4) resuma el trabajo hecho y los futuros objetivos que necesitan ser estudiados. Debido a la limitación de los dispositivos optimizados disponibles para el análisis, la simulación numérica fue utilizada como la herramienta principal del análisis. Sin embargo, cuando estaban disponibles, medidas experimentales fueron utilizadas para validar nuestros resultados. Por ejemplo, en la sección 2A, en el caso de DG MOSFETs altamente dopados podríamos comparar nuestros resultados con datos experimentales de FinFETs modelados como DG MOSFETs. La ventaja principal de este trabajo es el carácter analítico y explícito del modelo de la carga y de la capacitancia que las hace fácil de implementar en simuladores de circuitos. El modelo presenta los resultados casi perfectos para diversos casos del dopaje y para diversas estructuras no clásicas del MOSFET (los DG MOSFETs, los UTB MOSFETs y los SGTs). La variedad de las estructuras del MOSFET en las cuales se ha incluido nuestro esquema de modelado y los resultados obtenidos, demuestran su validez absoluta. En el capítulo 3, investigamos la influencia de los parámetros geométricos en el funcionamiento en RF de los MuGFETs. Demostramos el impacto de parámetros geométricos importantes tales como el grosor de la fuente y del drenador o, el espaciamiento de las fins, la anchura del espaciador, etc. en el componente parásito de la capacitancia de fricción de los transistores de la múltiple-puerta (MuGFET). Los resultados destacan la ventaja de disminuir el espaciamiento entre las fins para MuGFETs y la compensación entre la reducción de las resistencias parásitas de fuente y drenador y el aumento de capacitancias de fricción cuando se introduce la tecnología del crecimiento selectivo epitaxial (SEG). La meta de nuestro estudio y trabajo es el uso de nuestros modelos en simuladores de circuitos. El grupo de profesor Aranda, de la Universidad de Granada ha puesto el modelo actual de SGT en ejecución en el simulador Agilent ADS y buenos resultados fueron obtenidos. / In this thesis we have developed explicit compact charge and capacitance models adapted for doped and undoped long-channel devices (doped Double-Gate (DG) MOSFETs, undoped DG MOSFETs, undoped Ultra-Thin-Body (UTB) MOSFETs and undoped Surrounding Gate Transistor (SGT)) from a unified charge control model derived from Poisson's equation. The modelling scheme is similar in all these devices and is adapted to each geometry. The dc and charge models are fully compatible. The capacitance expressions are derived from the charge model. The current, total charges and capacitances are written in terms of the mobile charge sheet densities at the source and drain ends of the channel. Explicit and infinitely continuous expressions are used for the mobile charge sheet densities at source and drain. As a result, all small signal parameters will have an infinite order of continuity. The modeled capacitances show excellent agreement with the 2D and 3D (SGT) numerical simulations, in all operating regimes. Therefore, the model is very promising for being used in circuit simulators. Unfortunately, not so much work has been dedicated to this modelling domain. Analytical charges and capacitances, associated with each terminal are preferred in circuit simulation. Regarding the surrounding-gate MOSFET, our group was the first to develop and publish a model of the charges and intrinsic capacitances, which is also analytic and explicit. The thesis is organized as follows: Chapter (1) presents the state of the art, Chapter (2) the compact modeling of the four devices: doped DG MOSFETs, undoped DG MOSFETs, undoped UTB MOSFETs and undoped SGT; in Chapter (3) we study the fringing capacitances in MuGFETs. Finally Chapter (4) summarizes the work done and the future points that need to be studied. Due to the limitation of available optimized devices for analysis, numerical simulation was used as the main analysis tool. However, when available, measurements were used to validate our results. The experimental part was realised at the Microelectronics Laboratory, Université Catholique de Louvain, Louvain-la Neuve, Belgium. For example, in section 2A, in the case of highly-doped DG MOSFETs we could compare our results with experimental data from FinFETs modeled as DG MOSFETs. The main advantage of this work is the analytical and explicit character of the charge and capacitance model that makes it easy to implement in circuit simulators. The model presents almost perfect results for different cases of doping (doped/undoped devices) and for different non classical MOSFET structures (DG MOSFET, UTB MOSFETs and SGT). The variety of the MOSFET structures in which our modeling scheme has been included and the obtained results, demonstrate its absolute validity. In chapter 3, we investigate the influence of geometrical parameters on the RF performance in MuGFETs. We show the impact of important geometrical parameters such as source and drain thickness, fin spacing, spacer width, etc. on the parasitic fringing capacitance component of multiple-gate field-effect transistors (MuGFET). Results highlight the advantage of diminishing the spacing between fins for MuGFETs and the trade-off between the reduction of parasitic source and drain resistances and the increase of fringing capacitances when Selective Epitaxial Growth (SEG) technology is introduced. The goal of our study and work is the usage of our models in circuit simulators. This part, of implementing and testing our models of these multi gate MOSFET devices in circuit simulators has already begun. The group of Professor Aranda, from the University of Granada has implemented the SGT current model in the circuit simulator Agilent ADS and good results were obtained.

En esta tesis se muestran arquitecturas y circuitos CMOS para el control de actuadores electroestáticos MEMS y para la generación y procesado de las señales proveniente de microsistemas. En el primer capítulo se introducen dos circuitos para la estimación de distancia o capacidad entre armaduras de actuadores electroestáticos y se muestran aplicaciones de los mismos, incluyendo la caracterización de la estática y dinámica de los actuadores, la detección de fallos y envejecimiento y su aplicación dentro de osciladores digitales pulsados y como parte de un sistema de actuación resonante de baja tensión. En el segundo capítulo se muestra un estudio sobre la viabilidad de la fabricación monolítica de actuadores electroestáticos dentro del proceso CMOS utilizando un sencillo proceso de wet etching de bajo coste para liberar las estructuras. En el tercer capítulo se presentan dos elementos translineales CMOS de alto ancho de banda y alta precisión y su aplicación como multiplicadores, divisores, filtros y como parte integrante de una celda reconfigurable con la que construir una FPAA capaz de realizar numerosas funciones del procesado analógico de señal. En el cuarto capítulo se muestran diseños adicionales como una ley para el control de la dinámica de actuadores electroestáticos con la que se pueden ajustar eléctricamente todos los parámetros que gobiernan su movimiento y un convertidor de potencia integrado con control digital basado en una máquina de estados asíncrona. Finalmente, en el capítulo cinco, se presentan las conclusiones finales de este trabajo.

En este trabajo tesis se estudia el procesado de señales impulsivas generadas por impactos entre cuerpos rígidos. Uno de los problemas que se encuentran al trabajar con impactos es que su análisis generalmente se ve limitado a mediciones indirectas: debido a que las colisiones no se desarrollan directamente sobre el sensor, o bien, porque no es posible instrumentalizar el objeto de colisiona. Esto ocasiona que entre el sensor y el punto de impacto exista un medio de propagación que distorsiona la señal medida. El desarrollo principal de esta tesis se enfoca al problema de cómo compensar o reducir los efectos de dicha distorsión. Para ello, se han investigado y desarrollado los siguientes puntos:1) Estudio de la teoría mecánica del impacto y desarrollo de un modelo matemático del proceso de impacto entre dos cuerpos rígidos. A través de este estudio se investigan las características de las señales impulsivas generadas por colisiones. 2) Definición de una metodología experimental para generar impactos repetibles y determinar los parámetros del modelo matemático. La metodología se sustenta en el diseño e implementación de un prototipo experimental para generar impactos controlados, entre un objeto de prueba y un impactor sensorizado. Para realizar los experimentos se han seleccionado como objetos de prueba un conjunto de cilindros, de aluminio, acero, bronce y latón, en distintos tamaños. Mediante un minucioso estudio y cálculo de los parámetros experimentales, se ha comprobado la validez del modelo matemático. 3) Estudio del problema de la medición indirecta y propuesta de un método de procesado de señales, basado en redes neuronales artificiales, para determinar un filtro inverso que permite estimar la señal del impacto (la fuerza del impacto en función del tiempo). Esta metodología adapta el proceso de entrenamiento a las características de las señales impulsivas que se generan durante una colisión, y que se han identificado a través del estudio y modelado del proceso de impacto. El entrenamiento hace uso de señales reales, que provienen de impactos experimentales generados a distintas velocidades de impacto, y de señales generadas por el modelo matemático. 4) Propuesta de una metodología para estimar el tipo de material y la masa de los objetos de prueba que colisionan. La problemática que se encuentra en este análisis radica en que tanto los objetos como sus respuestas, tienen características similares. Con el método que se propone en este trabajo de tesis, se busca identificar de forma correcta las características de los objetos. El procedimiento considera la extracción de parámetros de las señales vibratorias de los objetos y del uso de redes neuronales para identificar las respuestas.5) Proceso de evaluación experimental de los métodos propuestos. Para determinar la validez de los métodos de procesado antes descrito, primero se analizan los sensores más adecuados para este tipo de señales, que al ser de muy corta duración tienen un ancho de banda muy grande. En segundo lugar, se ha implementado un sistema medición y adquisición para señales impulsivas. Los resultados obtenidos muestran la validez de los métodos propuestos. Con respecto al modelo, se ha verificado su validez con los datos de los distintos objetos de prueba. Asimismo, se ha comprobado que con las señales experimentales, también de los distintos objetos de prueba, el método propuesto para mitigar la distorsión debida a la medición indirecta opera de forma correcta. De la misma forma, el método propuesto para identificar el tipo de material y la masa de los objetos, ha generado resultados satisfactorios. / In this thesis, the processing of impulsive signals generated by impacts between rigid bodies is investigated. One of the problems found when working with impacts is that their analysis is generally limited to indirect measurements: because collisions do not develop directly on the sensor, or it is not possible to install the sensor on the colliding bodies. This means that between the sensor and the point of impact there is a propagation medium that distorts the measured signal.The main effort of this thesis focuses on the problem of how to compensate or to reduce the effects of such distortion. To do this, the following points have been investigated and developed:1) The study of the mechanical impact theory and the development of a mathematical model of the impact process between two rigid bodies. Through this study, the characteristics of the impulsive signals generated by collisions are investigated.2) Definition of an experimental methodology for generating repeatable impacts and for determining the parameters of the mathematical model. The methodology is based on the design and implementation of an experimental prototype for generating controlled impacts between a test object and a sensorized impactor. To perform the experiments, a set of different test objects have been selected, cylinders made form aluminum, steel, bronze and brass in different sizes. Through a careful study and calculation of the experimental parameters, the validity of the mathematical model has been verified.3) Study of the indirect measurement problem, and proposal of a signal processing method, based on artificial neural networks, to determine an inverse filter in order to estimate the impacting signal (the impact force as a function of the time). This methodology adapts the training process to the characteristics of the impulsive signals that are generated during a collision, and that have been identified through the study and modeling of the impact process. The training uses real signals, which come from experimental impacts generated at different impacting velocities, and signals generated by a mathematical model of the impacting force.4) Proposal for a methodology to estimate the type of material and mass of test objects that collide. The problem found in this analysis is that both, the objects and their responses, have similar characteristics. With the method proposed in this thesis, it is possible to identify correctly the characteristics of one of the objects. The procedure considers the extraction of parameters from the vibrating signals of the objects, and then uses a neural network to classify those parameters.5) Evaluation process of the proposed methods. To determine the validity of the processing methods described above, first, the selection of the most appropriate sensors to acquire these signals has been analyzed (this signals have a very short duration and very large bandwidth). Secondly, a measurement and acquisition system for impulsive signals has been implemented.The experimental results show the validity of the proposed methods. In the case of the model, its validity has been verified with data from different test objects, made from different materials. Also, the proposed method used to deal with the distortion due to the indirect measurement has been tested with experimental data, from impacts with different test objects, and the results show that it operates properly. Likewise, the proposed method to identify the type of material and mass of the test objects has generated satisfactory results.

En esta tesis se aborda el entrenamiento discriminativo de unidades subléxicas utilizando bases de datos de propósito geneal. Las unidades subléxicas son la base de funcionamiento de los sistemas de reconocimiento de grandes vocabularios en habla continua, los cuales constituyen uno de los retos de máxima actualidad y la puerta de acceso a otras propuestas aún más ambiciosas como el dictado automático o los sistemas de diálogo.Por su parte, el entrenamiento discriminativo ha demostrado ser una herramienta sumamente potente en el modelado acústico de sistemas de reconocimiento del habla. Su funcionamiento se basa en aumentar la probabilidad de que el sistema reconozca la frase correcta aplicando, más o menos, la misma regla de decisión empleada en condiciones reales de reconocimiento. Una limitación habitual de los sistemas de entrenamiento discriminativo propuestos hasta la fecha es la necesidad de bases de datos formadas por material específico de la tarea a reconocer.En la primera parte de la tesis se presenta la propuesta propia de esta tesis para la aplicación de entrenamiento discriminativo a unidades subléxicas para su aplicación a tareas de reconocimiento del habla continua: el entrenamiento de mínima confusibilidad en segmentos acústicos de longitud limitada.Se proponen dos variantes. En la primera, el conocimiento del lenguaje de la tarea a reconocer es aprovechado para minimizar el número de errores de posible comisión en la tarea, utilizando segmentos acústicos extraídos de una base de datos de propósito general. A continuación, esta misma idea se extiende al caso en que la tarea es desconocida,obteniéndose modelos acústicos de propósito general. Se muestran resultados experimentales en el reconocimiento de las cadenas de dígitos en inglés TIDIGITS utilizando modelos de fonema y semifonema entrenados con TIMIT.

Thesis: DESIGN, FABRICATION AND CHARACTERIZATION OF POROUS SILICON MULTILAYER OPTICAL DEVICESAuthor: Elisabet Xifré PérezDirectors: Lluís F. Marsal Garví i Josep Pallarès Marzal Aquesta tesi està centrada en el disseny i fabricació de dispositius òptics multicapa realitzats en silici porós. El silici porós és un material dielèctric que s'obté amb l'atac electroquímic del silici mitjançant solucions d'àcid fluorhídric. Aquest material té unes excel·lents propietats mecàniques i tèrmiques i és totalment compatible amb la tecnologia del silici. És un material molt adient per a la fabricació de multicapes ja que l'índex de refracció i el gruix de cadascuna de les capes que les formen es determinen durant el procés de fabricació. Escollint de forma adient aquests dos paràmetres de les capes, es poden fabricar diferents dispositius òptics. Per a assolir el principal objectiu d'aquesta tesi que és la fabricació de dispositius òptics multicapa de silici porós per aplicacions en el camp de les telecomunicacions s'han realitzat els següents passos. En primer lloc s'han realitzat programes de simulació per a l'estudi teòric del comportament òptic de les multicapes. Amb aquests programes s'ha realitzat l'estudi i el disseny de diversos dispositius òptics: Distributed Bragg Reflectors, microcavitats, miralls omnidireccionals i guies d'ona tant basades en reflexió total interna com basades en les propietats dels cristalls fotònics. Una vegada simulats i dissenyats, aquests dispositius òptics de silici porós s'han fabricat. S'ha posat en marxa un sistema complert de fabricació de silici porós i s'ha realitzat la seva calibració. Amb aquest sistema s'han fabricat monocapes i multicapes de silici porós que s'han caracteritzat física i òpticament mitjançant diversos mètodes: SEM, espectroscopia FTIR i el·lipsometria espectroscòpica. Un d'aquests mètodes de caracterització, l'el·lipsometria, s'ha dut a terme durant una estada predoctoral de tres mesos a l'Ecole Polytechnique de Paris. Aquest mètode es diferencia de tots els altres utilitzats en que ha permès analitzar l'anisotropia de les capes en funció de la porositat. Tots aquests passos han estat necessaris per assolir l'objectiu final d'aquesta tesi que és la fabricació de dispositius òptics multicapa. Els dispositius de silici porós fabricats han estat Distributed Bragg Reflectors, microcavitats (amb aplicacions de sensor d'humitat) i miralls omnidireccionals amb estructures diferents a les utilitzades fins ara que optimitzen les seves característiques òptiques. Les aportacions científiques del treball desenvolupat durant la realització d'aquesta tesi han estat: - el disseny i desenvolupament de noves estructures multicapa que permeten obtenir miralls omnidireccionals amb una amplada de banda omnidireccional independent de les limitacions que fins ara presentava el material i amb una baixa complexitat de fabricació.- la fabricació d'aquestes estructures mirall el que implica la introducció de les multicapes de silici porós en aplicacions làsers i de guies d'ona- el disseny i anàlisi de guies d'ona basades en cristalls fotònics (miralls omnidireccionals).- la introducció de multicapes de silici porós com a sensors òptics d'humitat.- la creació de programes de simulació de multicapes que són utilitzats actualment pel grup NePhos- la posta en marxa i calibració d'un sistema de fabricació de silici porós al Departament d'Enginyeria Electrònica, Elèctrica i Automàtica (DEEEA), que serà utilitzat en un futur pròxim per a realitzar el treball de nous doctorands sobre noves aplicacions del silici porós, - l'anàlisi el·lipsomètric de multicapes de silici porós iniciant les relacions entre el DEEEA i el LPICM de l'Ecole Polytechnique de París. Aquest anàlisi ha determinat el comportament anisotròpic del silici porós i iniciant una nova línia de simulació de multicapes de materials anisòtrops. Del treball desenvolupat durant la tesi s'han realitzat 7 publicacions a revistes internacionals, 7 comunicacions a congressos internacionals i 6 comunicacions a congressos nacionals. Cal destacar que una part del treball realitzat s'ha dut a terme durant una estada de tres mesos a la Universitat Ecole Polytechnique (Palaiseau, Paris) de França. Thesis: DESIGN, FABRICATION AND CHARACTERIZATION OF POROUS SILICON MULTILAYER OPTICAL DEVICESAuthor: Elisabet Xifré PérezDirectors: Lluís F. Marsal Garví i Josep Pallarès Marzal This thesis is focused on the design and fabrication of multilayer optical devices based on porous silicon. Porous silicon is a dielectric material obtained with the electrochemical etching of silicon with hydrofluoric acid solutions. This material has excellent mechanical and thermal properties and is completely compatible with the well-established silicon technology. It is a very suitable material for the fabrication of multilayers because the refractive index and the thickness of each of the layers of the multilayer are determined during the fabrication process. Selecting, in an appropriate way, these two parameters of the layers different optical devices can be fabricated. In order to achieve the main objective of this thesis that is the fabrication of multilayer optical devices made of porous silicon, different steps have been realized. Firstly, different simulation programs have been developed to theoretically study the optical behavior of the multilayers. With these simulation programs, it has been realized the study and design of different optical devices: Distributed Bragg Reflectors, microcavities, omnidirectional mirrors, and waveguides not only based on total internal reflection but also based on the photonic crystal properties. Once simulated and designed, these porous silicon multilayer devices have been fabricated. For this purpose, a fabrication system has been established and calibrated and several porous silicon monolayers and multilayers have been fabricated. These fabricated layers have been characterized to determine their physical and optical properties using different methods: SEM, FTIR spectrometry, and spectroscopic ellipsometry. One of these methods, the ellipsometry, has been carried out during a three-month predoctoral stage at the Ecole Polytechnique in Paris. This method has allowed the analysis of the anisotropy of the porous silicon layers. All these steps were necessary to achieve our main and final objective: the fabrication of porous silicon multilayer optical devices. The optical devices fabricated with porous silicon multilayers are Distributed Bragg Reflectors, microcavities (with applications as humidity sensors) and omnidireccional mirrors with structures different to the ones used until this moment that optimize their optical characteristics. The scientific contributions derived from the work realized during this thesis are: - the design and development of new multilayer structures that permitted to obtain omnidirectional mirrors with a low fabrication complexity and with an omnidirectional bandgap width independent of the limitations that the material presented until this moment.- the fabrication of these mirror structures that introduces porous silicon multilayers for laser applications and waveguides.- the design and analysis of waveguides based on the photonic crystals properties (omnidirectional mirrors).- the introduction of porous silicon multilayers for humidity sensors applications.- the creation of programs for the simulation of multilayers, that are used nowadays by the NePhos group.- the establishment and calibration of a porous silicon fabrication system at the Departament d'Enginyeria Electrònica, Elèctrica i Automàtica (DEEEA), that will be used in a near future by new doctoral students for new applications of porous silicon. - the ellipsometric analysis of porous silicon multilayers beginning the relations between the DEEEA and the LPICM at the Ecole Polytechnique in Paris. This analysis has determined the anisotropic behavior of porous silicon and started a new simulation line of multilayers with anisotropic materials. From the work realized during this thesis 7 publications in international journals, 7 communications to international conferences and 6 communications to national conferences have been realized. It is worth to emphasize that one part of the work has been realized during a stage at the Ecole Polytechnique (Palaiseau, Paris) in France.

This thesis discusses the fabrication and characterization of self-ordered porous alumina structures. Two anodizing techniques 'two step anodization' and 'hard anodization' were used to prepare porous alumina structures. The physical properties of several porous alumina structures were studied using various characterization techniques: namely, X-ray diffraction, optical spectroscopy in the visible-ultraviolet (UV-Vis) and infrared range (FT-IR), photoluminescence spectroscopy (PL), nanoindentation and friction measurements. Derived applications such as metal nanowire arrays and polymer nanopillar arrays were prepared using porous alumina templates. The preliminary results from the novel and promising anodization approach of discontinuous anodization showed that the pore diameter in porous alumina could be modulated. A three-dimensional porous alumina structure makes novel applications possible in the fields of nanostructured materials and optical nanodevices. / La disertación ha sido organizada de la siguiente manera. En el primer capítulo se presenta el estado del arte, donde se exponen algunos conceptos básicos de las propiedades electroquimicaselectroquímicas del alumino, las fases del crecimiento de los poros y el proceso de auto-ordenación de los mismos. El segundo capítulo de la tesis esta relacionado con la preparación y caracterización morfológica de las muestras de alumina porosa. >En el capítulo 4 se desglosan los resultados obtenidos de las caracterizaciones realizadas a las distintas estructuras obtenidas durante el desarrollo de la tesis. Las muestras fabricadas fueron analizadas mediante varias técnicas como difracción de rayos X (XRD), espectroscopia óptica en rango de ultravioleta-visible (UV-Vis), espectroscopia de infrarrojo con transformación de Furrier (FT-IR), espectroscopia de fotoluminiscencia, técnica nanoidentación y prueba de fricción. Finalmente, el capítulo 5 esta dedicada a las aplicaciones derivadas de la alumina porosa.