[ES] El interés en desarrollar biosensores de alta sensibilidad para identificar y cuantificar una amplia gama de moléculas ha aumentado notablemente durante las últimas décadas en numerosos campos de aplicación. Entre ellos probablemente el más demandado sea el diagnóstico médico, el cual ha sido impulsado por el descubrimiento de nuevos biomarcadores de enfermedades, tales como los miRNAs. No obstante, la mayoría de las técnicas existentes para realizar la detección requieren el uso de marcadores debido a la falta de sensibilidad para detectar analitos en bajas concentraciones. Las estructuras ópticas basadas en campo evanescente, donde la luz es usada para transformar interacciones bioquímicas en variaciones de las señales ópticas, constituyen una interesante alternativa para el desarrollo de este tipo de biosensores sin la necesidad de utilizar marcadores (label-free). Concretamente las estructuras fotónicas integradas en tecnología Silicon On Insulator exhiben alta sensibilidad, bajo límite de detección y alto nivel de multiplexación en aplicaciones de detección, especialmente cuando se utilizan materiales y procesos basados en silicio y compatibles con CMOS. En esta Tesis Doctoral se muestra el desarrollo de un biosensor fotónico integrado label-free para la detección de oligonucleótidos, y más concretamente biomarcadores de cáncer miRNAs. Este biosensor está basado en la combinación de estructuras de band gap fotónico y la inmovilización de sondas de tipo molecular beacon sobre su superficie. La combinación de sendos elementos de transducción y bioreconomiento ha proporcionado una elevada sensibilidad en la detección de oligonucleótidos manteniendo un footprint por debajo de 100 µm2. El uso de este biosensor fotónico ha permitido también estudiar experimentalmente una novedosa técnica de amplificación de detección. Esta técnica explota el cambio conformacional sufrido por la sonda molecular beacon tras la hibridación con su oligonucleótido complementario, permitiendo alejar una partícula/molécula de la superficie del sensor, lo cual podría ser utilizado para amplificar la respuesta de detección del sensor. Finalmente se propone una estrategia de regeneración en línea de los biosensores nanofotónicos desarrollados mediante una estrategia química basada en el uso de formamida. Esta estrategia no solo permite ahorrar tiempo sino que también reduce la variación entre las medidas obtenidas en experimentos diferentes, siendo especialmente útil cuando se testean niveles similares de analito. / [CA] L'interés en desenvolupar biosensors d'alta sensibilitat per a identificar i quantificar una àmplia gamma de molècules ha augmentat notablement durant les últimes dècades en nombrosos camps d'aplicació. Entre ells probablement el més demandat siga el diagnòstic mèdic, el qual ha sigut impulsat pel descobriment de nous biomarcadors de malalties, com ara els miRNAs. No obstant això, la majoria de les tècniques existents per a realitzar la detecció requereixen l'ús de marcadors a causa de la falta de sensibilitat per a detectar anàlits en baixes concentracions. Les estructures òptiques basades en camp evanescent, on la llum és usada per a transformar interaccions bioquímiques en variacions dels senyals òptics, constitueixen una interessant alternativa per al desenvolupament d'aquesta tipus de biosensors sense la necessitat d'utilitzar marcadors (label-free). Concretament les estructures fotòniques integrades en tecnologia Silicon On Insulator exhibeixen alta sensibilitat, baix límit de detecció i alt nivell de multiplexació en aplicacions de detecció, especialment quan s'utilitzen materials i processos basats en silici i compatibles amb CMOS. En aquesta Tesi Doctoral es mostra el desenvolupament d'un biosensor fotònic integrat label-free per a la detecció d'oligonucleòtids, i més concretament biomarcadors de càncer miRNAs. Aquest biosensor està basat en la combinació d'estructures de band gap fotònic i la immobilització de sondes de tipus molecular beacon sobre la seua superfície. La combinació d'ambdós elements de transducció i bioreconeixement ha proporcionat una elevada sensibilitat en la detecció d'oligonucleòtids mantenint un footprint per davall de 100 µm². L'ús d'aquest biosensor fotònic ha permés també estudiar experimentalment una nova tècnica d'amplificació de detecció. Aquesta tècnica explota el canvi conformacional patit per la sonda molecular beacon després de la hibridació amb el seu oligonucleòtid complementari, permetent allunyar una partícula/molècula de la superfície del sensor, la qual cosa podria ser utilitzada per amplificar la resposta de detecció del sensor. Finalment es proposa una estratègia de regeneració en línia dels biosensors nanofotònics desenvolupats mitjançant una estratègia química basada en l'ús de formamida. Aquesta estratègia no sols permet estalviar temps sinó que també redueix la variació entre les mesures obtingudes en experiments diferents, sent especialment útil quan es testen nivells similars d'anàlit. / [EN] The interest in developing highly sensitive biosensors to identify and quantify a wide range of molecules has remarkably been increasing during the last decades in numerous application fields. Among them, medical diagnosis is probably the most demanded, which has been driven by the discovery of new biomarkers of diseases, such as miRNAs. However, most of the existing techniques to perform the detection require the use of labels due to the lack of sensitivity to detect analytes at low concentrations. Evanescent-wave optical structures, where light is used to transduce biochemical interactions into variations of the optical signals, are an interesting alternative for the development of this type of biosensors allowing a label-free detection. Specifically, the planar integrated photonic structures based on Silicon On Insulator technology exhibit an extremely high sensitivity, a low detection limit and a high level of multiplexing in detection applications, especially when using materials and processes based on silicon and being CMOS compatible. This PhD Thesis is focused on the development of label-free integrated photonic biosensors for the detection of oligonucleotides, and more specifically miRNA cancer biomarkers. This biosensor is based on the combination of photonic band gap structures and the immobilization of molecular beacon probes on its surface. The combination of both transduction and biorecognition elements has provided a very high sensitivity towards the detection of target oligonucleotides while keeping a sensor footprint below 100 µm2. The use of this photonic biosensor also allowed the experimental study of a novel detection amplification technique. This technique exploits the conformational change suffered by the molecular beacon probe after hybridization with its complementary oligonucleotide, allowing the displacement of a particle/molecule away from the sensor surface, what might be used for amplifying the sensor's detection response. Finally, an online regeneration strategy for nanophotonic biosensors developed through a chemical strategy based on the use of formamide is proposed. This strategy not only saves time but also reduces the variation between measurements obtained in different experiments, being especially useful when testing similar levels of analyte. / Ruiz Tórtola, Á. (2021). Desarrollo de biosensores nanofotónicos de alta sensibilidad para la detección de biomarcadores microRNA en aplicaciones de diagnóstico médico [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/172631

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

[ES] La presente tesis se ha centrado en el modelado, diseño y demonstración experimental por primera vez del dispositivo Reconfigurable Reflective Arrayed Waveguide Grating (R-RAWG). Para la consecución de este dispositivo que tiene posibilidades de uso en la espectrometría, una plataforma de nitruro de silicio llamada CNM-VLC se ha usado, ya que este material permite operar en un gran ancho de banda. Esta plataforma posee ciertas limitaciones y los elementos necesarios para el funcionamiento de este dispositivo tenían un performance bajo. Por ello, se ha desarrollado y validado una metodología que ha permitido obtener mejores divisores. Además, se ha diseñado un inverted taper que ha mejorado considerablemente el acoplo de luz al chip. Esto ha sido gracias a un exhaustivo análisis de opciones existentes en la literatura que también ha permitido escoger la mejor opción para realizar un espejo reconfigurable en la plataforma sin cambiar ni añadir ningún proceso de fabricación. Se han demostrado espejos reconfigurables gracias a utilizar divisores ópticos realimentados y también se ha desarrollado códigos que predicen el comportamiento del dispositivo experimentalmente. Con todo el trabajo realizado, se ha diseñado un R-RAWG para que pudiera operar en un gran ancho de banda y que los actuadores de fase no tuvieran peligro de estropearse. También se ha desarrollado un código para el modelado del R-RAWG que permite imitar la fabricación de estos dispositivos y que, gracias a esto, se ha desarrollado un método o algoritmo llamado DPASTOR, que usa algoritmos usados en machine learning, para optimizar la respuesta con tan sólo la potencia óptica de salida. Finalmente, se ha diseñado una PCB para poder conectar eléctricamente el chip fotónico y se ha desarrollado un método de medida que ha permitido tener una respuesta estable consiguiendo demostrar multitud de respuestas de filtros ópticos con el mismo dispositivo. / [CAT] La present tesi s'ha centrat en el modelatge, disseny i demonstració experimental per primera vegada del dispositiu Reconfigurable Reflective Arrayed Waveguide Grating (R-RAWG). Per a la consecució d'aquest dispositiu que té possibilitats d'ús en l'espectrometria, una plataforma de nitrur de silici anomenada CNM-VLC s'ha usat ja que aquest material permet operar en una gran amplada de banda. Aquesta plataforma posseeix certes limitacions i els elements necessaris per al funcionament d'aquest dispositiu tenien un performance baix. Per això, s'ha desenvolupat i validat una metodologia que ha permés obtindre millors divisors i també, gràcies als processos de fabricació, s'ha dissenyat un acoplador que ha millorat considerablement l'acoble de llum al xip. Això ha sigut gràcies a un exhaustiu analisis d'opcions existents en la literatura que també ha permés triar la millor opció per a realitzar un espill reconfigurable en la plataforma sense canviar ni afegir cap procés de fabricació. S'han demonstrat espills reconfigurables gràcies a utilitzar divisors realimentats i també s'ha desenvolupat codis que prediuen el comportament del dispostiu experimentalment. Amb tot el treball realitzat, s'ha dissenyat un R-RAWG fent ús de determinades consideracions perquè poguera operar en una gran amplada de banda i que els actuadors de fase no tingueren perill de desbaratar-se. També s'ha desenvolupat un codi per al modelatge del R-RAWG que permet imitar la fabricació d'aquests dispositius i que, gràcies a això, s'ha desenvolupat un mètode o algorisme anomenat DPASTOR, que usa algorismes usats en machine learning, per a optimitzar la resposta amb tan sols la potència òptica d'eixida. Finalment, s'ha dissenyat una PCB per a poder connectar elèctricament el xip fotònic i s'ha desenvolupat un mètode de mesura que ha permés tindre una resposta estable aconseguint demostrar multitud de respostes de filtres òptics amb el mateix dispositiu. / [EN] This thesis is focused on the modelling, design and experimental demonstration for the first time of Reconfigurable Reflective Arrayed Waveguide Grating (R-RAWG) device. In order to build this device, that can be employed in spectrometry, a silicon nitride platform termed CNM-VLC has been chosen since this material allows to operate in broad range of wavelengths. This platform has the necessary elements, but some limitations because the operation of this device had a low performance. Therefore, a methodology has been developed and validated, which has allowed to obtain better splitters. Also an inverted taper has been designed, which has considerably improved the coupling of light to the chip. This has been possible thanks to an exhaustive analysis of existing options in the literature, that has allowed choosing the best option to make a reconfigurable mirror on the platform without changing or adding new manufacturing steps. Reconfigurable mirrors have been demonstrated by using feedback splitters. Furthermore, codes have been developed to predict the behaviour of the actual device. With all the work done, a R-RAWG has been designed by using certain considerations so that it can operate over a broad wavelength range and the phase actuators are not in danger of being damaged. A code has also been developed for the modelling of the R-RAWG, which allows manufacturing imperfections to be considered, thanks to this, a method or algorithm called DPASTOR has been developed. DPASTOR resembles machine learning to optimise the response by just using the optical output power. Finally, a PCB and an assembly with the chip interconnected to it have been made and designed. Moreover, a measurement method has been developed, which has made it possible to have a stable response and to demonstrate a multitude of optical filter responses with the same device. / Fernández Vicente, J. (2021). Reconfigurable Reflective Arrayed Waveguide Grating on Silicon Nitride [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/165783

Durante los últimos años, ha adquirido importancia creciente el estudio de la interacción radiación visible-materia (fotónica), en la que la primera queda confinada a volúmenes de dimensiones mucho menores que la longitud de onda de la luz. El conocimiento de los procesos físicos que ocurren en dicha interacción permiten, entre otras cosas, el desarrollo de innumerables aplicaciones en diversos campos de la ciencia y la tecnología que abarcan desde la biomedicina hasta las telecomunicaciones. La materia en escala nanométrica presenta propiedades ópticas, eléctricas, y magnéticas muy diferentes de las que posee en estado macroscópico. El estudio de las propiedades ópticas de estructuras nanométricas constituye un área de gran importancia no totalmente resuelta para el posible desarrollo de nuevos materiales y aplicaciones. Esta Tesis combina un aspecto de desarrollo experimental y otro relacionado con el modelado teórico de las propiedades ópticas de nanoestructuras esféricas simples y núcleo-recubrimiento con el fin de complementar, reforzar y enriquecer la interpretación de los resultados obtenidos. El desarrollo experimental está relacionado con la fabricación de partículas nanométricas y subnanométricas en medios líquidos por ablación láser de blancos sólidos de cobre y plata con pulsos ultracortos de Ti:Za, a diferentes energías y en distintos medios. Asimismo se obtienen espectros de extinción óptica y Raman a partir de las suspensiones coloidales generadas. El aspecto teórico de esta Tesis abarca el modelado teórico de la función dieléctrica compleja de cobre y plata, y el estudio por separado del comportamiento de la contribución de los electrones libres y ligados considerando las modificaciones por tamaño para radios menores a 10 nm. Teniendo en cuenta estas correcciones, se analizan los coeficientes de extinción de ambos metales para distintos tamaños de partículas nanométricas y subnanométricas y diferentes estructuras en función de la longitud de onda. A partir del ajuste de los espectros de extinción experimentales de las suspensiones coloidales generadas para ambos metales nobles, se determina la composición, estructura, configuración y distribución de tamaños. Por otra parte, se presentan aplicaciones orientadas al diseño de dos tipos de sensores plasmónicos de oxígeno: uno de ellos, basado en espectroscopía de extinción óptica de nanopartícula aislada de plata, y el otro de películas de plata de espesor nanométrico fundamentado en la resonancia del polaritón plasmón superficial en la configuración de Kretschmann. Para ambos casos, la presencia de oxígeno se determina a través de la medición del espesor de óxido de plata crecido sobre la nanoestructura de plata. Finalmente, mediante el análisis de determinados parámetros característicos del espectro de extinción de las nanopartículas aisladas de plata, se establece un protocolo sencillo para conocer el tamaño del radio del núcleo y el espesor del recubrimiento de óxido. Para el caso del sensor de película delgada de plata, el estudio del comportamiento de parámetros característicos como el mínimo de la reflectividad, ancho total a altura media y reflectividad a determinados ángulos de la multicapa de plata-óxido de plata para polarizaciones de onda p y s, permite establecer un protocolo de medición de reflectividad híbrido de Resonancia del Polaritón Plasmón Superficial - Acoplamiento del Modo de Guía de Onda Óptica para determinar y controlar in situ el espesor de la capa de óxido durante el proceso de crecimiento. / In recent years, it has become increasingly important the study the visible radiation-matter interaction field (photonics), wherein the former is confined to volume dimensions much smaller than the wavelength of light. Knowledge of the physical processes that occur in such interactions allow, among other things, the development of numerous applications in various fields of science and technology ranging from biomedicine to telecommunications. Nanoscale material present optical, electrical, and magnetic properties very different from those observed in macroscopic state. The study of the optical properties of nanometric structures is an area of great importance not fully resolved for the possible development of new materials and applications. This Thesis combines an experimental aspect and a theoretical modeling of the optical properties of simple and core-shell spherical nanostructures in order to complement, enhance and enrich the interpretation of the results. Experimental development is related to the manufacture of nanometric and subnanometric particles in liquid media by laser ablation of solid copper and silver targets by ultrashort pulsed Ti:Sa laser, at different energies and different media. Likewise, optical extinction spectra and Raman spectra are obtained from the generated colloidal solutions. The theoretical aspect of this Thesis covers theoretical modeling of complex dielectric function of copper and silver, and the separate study of the behavior of the contribution of free and bound electrons considering changes by size for radii smaller than 10 nm. Given these corrections, an analysis of the extinction coefficients of both metals for different nanometric and subnanometric particle sizes proceeds. From the fit of the extinction spectra of the experimentally generated colloidal suspensions for both noble metals, composition, structure, configuration and size distribution could be determined. Applications are oriented to the design of two types of plasmonic oxygen sensors: one based on optical extinction spectroscopy of single silver nanoparticle and the other is based on surface plasmon polariton resonance of nanometric thickness silver films based on Kretschmann configuration. For both cases, the presence of oxygen is determined by measuring the thickness of oxide grown on the silver nanostructure. Finally, by analyzing certain characteristic parameters of the extinction spectrum of single silver nanoparticles, a simple core radius - shell thickness sizing protocol can be developed. In the case of thin-film silver sensor, studying the behavior of characteristic parameters such as minimum reflectivity, full width at half maximum and fixed-angle reflectivity of the multilayer silver-silver oxide p and s wave polarizations, protocol allows for a measurement of reflectivity hybrid Surface Plasmon Polariton Resonance - Coupling Mode Optical Waveguide to determine and monitor in situ the thickness of the oxide layer during the growth process.

El desarrollo de las tecnologías ópticas de transmisión permite disponer hoy en día de grandes anchos de banda y elevadas velocidades de transmisión, lo que permite proporcionar servicios de una calidad cada vez mayor a un mayor número de usuarios. Para dar un paso más en el campo de las comunicaciones ópticas es necesario el desarrollo de dispositivos fotónicos que puedan realizar directamente en el dominio óptico las tareas de procesado de la red, sin necesidad de una conversión al dominio eléctrico que limite la velocidad de transmisión final. Una de las posibles alternativas para conseguir este tipo de dispositivos de procesado óptico es el uso de estructuras periódicas como los cristales fotónicos. En esta tesis doctoral se ha estudiado la utilización de estructuras periódicas para la realización de funciones de procesado directamente en el dominio óptico, como el guiado, la creación de líneas de retardo y compensadores de dispersión ultracompactos, o la implementación de una puerta lógica XOR basada en elementos de onda lenta. Además de estas funcionalidades, también se han estudiado diversos aspectos de interés de este tipo de estructuras periódicas, como son la influencia de la longitud finita en guías de cristal fotónico, el uso de estructuras de onda lenta para la mejora de los efectos no lineales de los materiales, o el incremento de las pérdidas de propagación en las regiones de baja velocidad de grupo. También se ha propuesto una nueva configuración de cristal fotónico consistente en una red de columnas de Silicio en un medio de sílice, la cual proporciona una serie de ventajas respecto a las configuraciones de agujeros en un medio de alto índice utilizadas habitualmente. Se han podido fabricar y caracterizar diversas muestras de algunas de las estructuras estudiadas teóricamente, lo que ha permitido comprobar que su comportamiento real se ajusta a los resultados obtenidos en la fase de diseño. Comentar que, tanto en la fase de diseño como en la de f / García Rupérez, J. (2008). Estudio de los fenómenos de onda lenta y dispersión en estructuras periódicas de fotónica integrada [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/2963

[ES] En los últimos años, distintos proyectos alrededor del mundo se han centrado en el diseño de supercomputadores capaces de alcanzar la meta de la computación a exascala, con el objetivo de soportar la ejecución de aplicaciones de gran importancia para la sociedad en diversos campos como el de la salud, la inteligencia artificial, etc. Teniendo en cuenta la creciente tendencia de la potencia computacional en cada generación de supercomputadores, este objetivo se prevee accesible en los próximos años. Alcanzar esta meta requiere abordar diversos retos en el diseño y desarrollo del sistema. Uno de los principales es conseguir unas comunicaciones rápidas y eficientes entre el inmenso número de nodos de computo y los sitemas de memoria. La tecnología fotónica proporciona ciertas ventajas frente a las redes eléctricas, como un mayor ancho de banda en los enlaces, un mayor paralelismo a nivel de comunicaciones gracias al DWDM o una mejor gestión del cableado gracias a su reducido tamaño. En la tesis se ha desarrollado un estudio de viabilidad y desarrollo de redes de interconexión haciendo uso de la tecnología fotónica para los futuros sistemas a exaescala dentro del proyecto europeo ExaNeSt. En primer lugar, se ha realizado un análisis y caracterización de aplicaciones exaescala. Este análisis se ha utilizado para conocer el comportamiento y requisitos de red que presentan las aplicaciones, y con ello guiarnos en el diseño de la red del sistema. El análisis considera tres parámetros: la distribución de mensajes en base a su tamaño y su tipo, el consumo de ancho de banda requerido a lo largo de la ejecución y la matriz de comunicación espacial entre los nodos. El estudio revela la necesidad de una red eficiente y rápida, debido a que la mayoría de las comunaciones se realizan en burst y con mensajes de un tamaño medio inferior a 50KB. A continuación, la tesis se centra en identificar los principales elementos que diferencian las redes fotónicas de las eléctricas. Identificamos una secuencia de pasos en el diseño de un simulador, ya sea haciéndolo desde cero con tecnología fotónica o adaptando un simulador de redes eléctricas existente para modelar la fotónica. Después se han realizado dos estudios de rendimiento y comparativas entre las actuales redes eléctricas y distintas configuraciones de redes fotónicas utilizando topologías clásicas. En el primer estudio, realizado tanto con tráfico sintético como con trazas de ExaNeSt en un toro, fat tree y dragonfly, se observa como la tecnología fotónica supone una clara mejora respecto a la eléctrica. Además, el estudio muestra que el parámetro que más afecta al rendimiento es el ancho de banda del canal fotónico. El segundo estudio muestra el comportamiento y rendimiento de aplicaciones reales en simulaciones a gran escala en una topología jellyfish. En este estudio se confirman las conclusiones obtenidas en el anterior, revelando además que la tecnología fotónica permite reducir la complejidad de algunas topologías, y por ende, el coste de la red. En los estudios realizados se ha observado una baja utilización de la red debido a que las topologías utilizadas para redes eléctricas no aprovechan las características que proporciona la tecnología fotónica. Por ello, se ha propuesto Segment Switching, una estrategia de conmutación orientada a reducir la longitud de las rutas mediante el uso de buffers intermedios. Los resultados experimentales muestran que cada topología tiene sus propios requerimientos. En el caso del toro, el mayor rendimiento se obtiene con un mayor número de buffers en la red. En el fat tree el parámetro más importante es el tamaño del buffer, obteniendo unas prestaciones similares una configuración con buffers en todos los switches que la que los ubica solo en el nivel superior. En resumen, esta tesis estudia el uso de la tecnología fotónica para las redes de sistemas a exascala y propone aprovechar / [CA] Els darrers anys, múltiples projectes de recerca a tot el món s'han centrat en el disseny de superordinadors capaços d'assolir la barrera de computació exascala, amb l'objectiu de donar suport a l'execució d'aplicacions importants per a la nostra societat, com ara salut, intel·ligència artificial, meteorologia, etc. Segons la tendència creixent en la potència de càlcul en cada generació de superordinadors, es preveu assolir aquest objectiu en els propers anys. No obstant això, assolir aquest objectiu requereix abordar diferents reptes importants en el disseny i desenvolupament del sistema. Un dels principals és aconseguir comunicacions ràpides i eficients entre l'enorme nombre de nodes computacionals i els sistemes de memòria. La tecnologia fotònica proporciona diversos avantatges respecte a les xarxes elèctriques actuals, com ara un major ample de banda als enllaços, un major paral·lelisme de la xarxa gràcies a DWDM o una millor gestió del cable a causa de la seva mida molt més xicoteta. En la tesi, s'ha desenvolupat un estudi de viabilitat i desenvolupament de xarxes d'interconnexió mitjançant tecnologia fotònica per a futurs sistemes exascala dins del projecte europeu ExaNeSt. En primer lloc, s'ha dut a terme un estudi de caracterització d'aplicacions exascala dels requisits de xarxa. Els resultats de l'anàlisi ajuden a entendre els requisits de xarxa de les aplicacions exascale i, per tant, ens guien en el disseny de la xarxa del sistema. Aquesta anàlisi considera tres paràmetres principals: la distribució dels missatges en funció de la seva mida i tipus, el consum d'ample de banda requerit durant tota l'execució i els patrons de comunicació espacial entre els nodes. L'estudi revela la necessitat d'una xarxa d'interconnexió ràpida i eficient, ja que la majoria de comunicacions consisteixen en ràfegues de transmissions, cadascuna amb una mida mitjana de missatge de 50 KB. A continuació, la tesi se centra a identificar els principals elements que diferencien les xarxes fotòniques de les elèctriques. Identifiquem una seqüència de passos en el disseny i implementació d'un simulador: tractar la tecnologia fotònica des de zero o per ampliar un simulador de xarxa elèctrica existent per modelar la fotònica. Després, es presenten dos estudis principals de comparació de rendiment entre xarxes elèctriques i diferents configuracions de xarxes fotòniques mitjançant topologies clàssiques. En el primer estudi, realitzat tant amb trànsit sintètic com amb traces d'ExaNeSt en un toro, fat tree i dragonfly, vam trobar que la tecnologia fotònica representa una millora notable respecte a la tecnologia elèctrica. A més, l'estudi mostra que el paràmetre que més afecta el rendiment és l'amplada de banda del canal fotònic. Aquest darrer estudi analitza el rendiment d'aplicacions reals en simulacions a gran escala en una topologia jellyfish. Els resultats d'aquest estudi corroboren les conclusions obtingudes en l'anterior, revelant també que la tecnologia fotònica permet reduir la complexitat d'algunes topologies i, per tant, el cost de la xarxa. En els estudis anteriors ens adonem que la xarxa estava infrautilitzada principalment perquè les topologies estudiades per a xarxes elèctriques no aprofiten les característiques proporcionades per la tecnologia fotònica. Per aquest motiu, proposem Segment Switching, una estratègia de commutació destinada a reduir la longitud de les rutes mitjançant la implementació de memòries intermèdies en nodes intermedis al llarg de la ruta. Els resultats experimentals mostren que cadascuna de les topologies estudiades presenta diferents requisits de memòria intermèdia. Per al toro, com més gran siga el nombre de memòries intermèdies a la xarxa, major serà el rendiment. Per al fat tree, el paràmetre clau és la mida de la memòria intermèdia, aconseguint un rendiment similar tant amb una configuració amb memòria intermèdia en tots els co / [EN] In the last recent years, multiple research projects around the world have focused on the design of supercomputers able to reach the exascale computing barrier, with the aim of supporting the execution of important applications for our society, such as health, artificial intelligence, meteorology, etc. According to the growing trend in the computational power in each supercomputer generation, this objective is expected to be reached in the coming years. However, achieving this goal requires addressing distinct major challenges in the design and development of the system. One of the main ones is to achieve fast and efficient communications between the huge number of computational nodes and the memory systems. Photonics technology provides several advantages over current electrical networks, such as higher bandwidth in the links, greater network parallelism thanks to DWDM, or better cable management due to its much smaller size. In this thesis, a feasibility study and development of interconnection networks have been developed using photonics technology for future exascale systems within the European project ExaNeSt. First, a characterization study of exascale applications from the network requirements has been carried out. The results of the analysis help understand the network requirements of exascale applications, and thereby guide us in the design of the system network. This analysis considers three main parameters: the distribution of the messages based on their size and type, the required bandwidth consumption throughout the execution, and the spatial communication patterns between the nodes. The study reveals the need for a fast and efficient interconnection network, since most communications consist of bursts of transmissions, each with an average message size of 50 KB. Next, this dissertation concentrates on identifying the main elements that differentiate photonic networks from electrical ones. We identify a sequence of steps in the design and implementation of a simulator either i) dealing with photonic technology from scratch or ii) to extend an existing electrical network simulator in order to model photonics. After that, two main performance comparison studies between electrical networks and different configurations of photonic networks are presented using classical topologies. In the former study, carried out with both synthetic traffic and traces of ExaNeSt in a torus, fat tree and dragonfly, we found that photonic technology represents a noticeable improvement over electrical technology. Furthermore, the study shows that the parameter that most affects the performance is the bandwidth of the photonic channel. The latter study analyzes performance of real applications in large-scale simulations in a jellyfish topology. The results of this study corroborates the conclusions obtained in the previous, also revealing that photonic technology allows reducing the complexity of some topologies, and therefore, the cost of the network. In the previous studies we realize that the network was underutilized mainly because the studied topologies for electrical networks do not take advantage of the features provided by photonic technology. For this reason, we propose Segment Switching, a switching strategy aimed at reducing the length of the routes by implementing buffers at intermediate nodes along the path. Experimental results show that each of the studied topologies presents different buffering requirements. For the torus, the higher the number of buffers in the network, the higher the performance. For the fat tree, the key parameter is the buffer size, achieving similar performance a configuration with buffers on all switches that locating buffers only at the top level. In summary, this thesis studies the use of photonic technology for networks of exascale systems, and proposes to take advantage of the characteristics of this technology in current electrical network topologies. / This thesis has been conceived from the work carried out by Polytechnic University of Valencia in the ExaNeSt European project / Duro Gómez, J. (2021). Photonic Interconnection Networks for Exascale Computers [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/166796

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

[ES] Las fibras de multiplexación por división espacial surgieron en la última década como solución al cuello de botella en la capacidad en las redes de comunicación de fibra óptica monomodo. Utilizan el espacio, la última técnica de multiplexación en comunicaciones ópticas, para aumentar la capacidad total en comunicaciones digitales al tiempo que reducen las necesidades de espacio. Las fibras multinúcleo, un tipo de fibras de multiplexación por división espacial compuestas por varios núcleos individuales dentro de la misma cubierta, son prometedoras para las comunicaciones de largo alcance por su compatibilidad inmediata con las redes de fibra actuales. Además, las fibras multinúcleo han despertado interés en otros campos de aplicación, como las interconexiones de centros de datos, las comunicaciones cuánticas, las redes de acceso radio y la Fotónica de Microondas. Además, estas fibras presentan un gran potencial no sólo para la distribución de señales, sino también para su procesado. Las funcionalidades de procesado de señal pueden beneficiarse significativamente del uso de estas fibras en términos de compacidad y peso, garantizando al mismo tiempo versatilidad, reconfigurabilidad y rendimiento estable de banda ancha. En esta Tesis, proponemos la explotación del paralelismo inherente que se encuentra en las fibras multinúcleo para implementar el procesado distribuido de señales ópticas y de microondas. En primer lugar, estudiamos la realización de un componente óptico clave en el procesado de señales en Fotónica de Microondas, la línea de retardo en tiempo real muestreada, con fibras multinúcleo heterogéneas. Esto comprende la validación del rendimiento de una fibra heterogénea de 7 núcleos previamente fabricada, la demostración experimental de las funcionalidades de procesado de señales de microondas; incluyendo el filtrado de señales, la conformación óptica de haces y la generación de formas de onda arbitrarias; y el diseño y fabricación de una fibra heterogénea de 19 núcleos que se comporta como una línea de retardo en tiempo real sintonizable. Esta fibra se fabricó escalando 3 preformas diferentes, cada una con un perfil de índice refractivo específico, para obtener núcleos con unas características de propagación determinadas. Por último, proponemos diferentes diseños de fibras multinúcleo heterogéneas específicos para aplicaciones novedosas de distribución y procesado de señales ópticas, incluyendo la distribución de claves cuánticas, la compensación paralela de la dispersión cromática y los efectos Talbot temporales paralelos. / [CA] Les fibres de multiplexació per divisió espacial van sorgir en la darrera dècada per a solucionar el coll de botella en la capacitat de les xarxes de comunicació de fibra òptica monomode. Utilitzen l'espai, l'última tècnica de multiplexació en comunicacions òptiques, per a incrementar la capacitat total en comunicacions digitals al mateix temps que redueixen les necessitats espacials. Les fibres multinucli, un tipus de fibres de multiplexació per divisió espacial compostes per diversos nuclis individuals situats dins la mateixa coberta, són prometedores per a les comunicacions de llarg abast per la immediata compatibilitat amb les xarxes de fibra òptica actuals. Per aquest motiu, les fibres multinucli han despertat interès en altres àmbits d'aplicació, com les interconnexions de centres de dades, les comunicacions quàntiques, les xarxes d'accés radio i la Fotònica de Microones. A més, aquestes fibres presenten un gran potencial no només per a la distribució de senyals, sinó també per al seu processament. Les funcionalitats de processament de senyals poden beneficiar-se significativament del seu ús en relació a la compacitat i al pes, mentre garanteixen versatilitat, reconfigurabilitat i rendiment estable de banda ampla. En aquesta Tesi, proposem l'explotació del paral·lelisme inherent de les fibres multinucli per a implementar processament distribuït de senyals òptiques i de microones. En primer lloc, estudiem la realització d'un component òptic clau en el processament de senyals en la Fotònica de Microones, la línia de retard en temps real mostrejada, amb fibres multinucli heterogènies. Això comprèn la validació del rendiment d'una fibra de heterogènia 7 nuclis fabricada prèviament, la demostració experimental de les funcionalitats de processament de senyals de microones sobre aquesta mateixa fibra; la qual cosa inclou el filtrat de senyals, la conformació òptica de feixos i la generació de formes d'ona arbitràries; i el disseny i fabricació d'una fibra heterogènia de 19 nuclis que es comporta com una línia de retard en temps real sintonitzable. Aquesta fibra es va fabricar escalant 3 preformes diferents, cadascuna amb un perfil d'índex refractiu específic, per obtindre nuclis amb característiques de propagació determinades. Per últim, proposem diversos dissenys específics de fibres multinucli heterogènies per a aplicacions innovadores de distribució i processament de senyals òptiques, incloent la distribució de claus quàntiques, la compensació paral·lela de la dispersió cromàtica i els efectes Talbot temporals en paral·lel. / [EN] Space-division multiplexing fibers emerged in the last decade as a solution to the capacity bottleneck in single-mode optical fiber communication networks. They utilize space, the last multiplexing technique in optical communications, to increase the total capacity in digital communications whilst reducing space needs. Multicore fibers, a type of space-division multiplexing fibers comprised of multiple individual cores within the same cladding, are promising for long-reach communications because of their immediate compatibility with current fiber networks. Moreover, multicore fibers have raised interest in other fields of application such as data-center interconnects, quantum communications, radio access networks and Microwave Photonics. Apart from that, these fibers exhibit great potential not only for signal distribution but also for signal processing. Signal processing functionalities can benefit significantly from using these fibers in terms of compactness and weight, while assuring broadband versatility, reconfigurability, and performance stability. In this Thesis, we propose the exploitation of the inherent parallelism found in multicore fibers to implement distributed signal processing for optical and microwave signals. First, we study the realization of a key optical component in Microwave Photonics signal processing, the sampled true-time delay line, with heterogeneous multicore fibers. This comprises the performance validation of a previously fabricated heterogeneous 7-core fiber, the experimental demonstration of microwave signal processing functionalities including signal filtering, optical beamforming, and arbitrary waveform generation, and the design and fabrication of a heterogeneous 19-core fiber that behaves as a tunable true-time delay line. This fiber was fabricated by scaling down 3 different preforms, each with a specific refractive index profile, with a different ratio to obtain cores with determined propagation characteristics. Lastly, we propose different custom heterogeneous multicore fiber designs for novel optical signal distribution and processing applications, including quantum key distribution, parallel chromatic dispersion compensation and parallel temporal Talbot effects. / Ureña Gisbert, M. (2023). Novel Multicore Optical Fibers for Signal Distribution and Processing [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/196862

[ES] El desarrollo de los biosensores está permitiendo llevar a cabo análisis bioquímicos cada vez más rápidos, de manera mucho más sencilla y utilizando una menor cantidad de muestra. Esto está dando lugar a aplicaciones en las que se monitorizan parámetros de manera continua y autónoma, aumentando la eficiencia y reduciendo los costes. El tema principal de esta Tesis ha sido el desarrollo y la evaluación de biosensores que se basan en técnicas de transducción óptica, fabricados en silicio poroso, un material nanoestructurado que puede llegar a alcanzar una gran sensibilidad. El trabajo ha consistido en el estudio de la fabricación y la caracterización de membranas de silicio poroso obtenidas a partir de substratos tipo p de baja resistividad. Para ello se ha desarrollado un modelo matemático realista que permite simular el comportamiento del transductor y calcular sus parámetros experimentales. Gracias a esto, se han estudiado propiedades del material como el efecto térmico, llevando a caracterizar el efecto termo-óptico del silicio poroso en el rango infrarrojo del espectro. Además, se ha analizado la infiltración de la muestra en el transductor con el objetivo de mejorar su funcionamiento. Por este motivo, se han examinado diferentes morfologías de poros y se ha implementado un flujo activo durante el sensado, en el cual la sustancia a analizar fluye a través de la membrana porosa, resolviendo problemas de rellenado del sensor y mezclado con otras sustancias. / [CA] El desenvolupament dels biosensors està permetent realitzar anàlisis bioquímics cada vegada més ràpids, de manera molt més senzilla i utilitzant una menor quantitat de mostra. Això està donant lloc a aplicacions en les quals es monitoritzen paràmetres de manera contínua i autònoma, augmentant l'eficiència i reduint els costos. El tema principal d'aquesta Tesis ha sigut el desenvolupament i l'avaluació de biosensors basats en tècniques de transducció òptica, fabricats en silici porós, un material nanoestructurat que pot arribar a aconseguir una gran sensibilitat. El treball ha consistit en l'estudi de la fabricació i la caracterització de membranes de silici porós obtingudes a partir de substrats tipus p de baixa resistivitat. Per a fer-ho, s'ha desenvolupat un model matemàtic realista que permet simular el comportament del transductor i calcular els seus paràmetres experimentals. Gràcies a això, s'han estudiat propietats del material com l'efecte tèrmic, el que ha permés caracteritzar l'efecte termo-òptic del silici porós en el rang infraroig de l'espectre. A més, s'ha analitzat la infiltració de la mostra en el transductor amb l'objectiu de millorar el seu funcionament. Per aquest motiu, s'han examinat diferents morfologies de porus i s'ha implementat un flux actiu durant el sensat, en el qual la substància a analitzar fluïx a través de la membrana porosa, resolent problemes d'ompliment del sensor i mesclat amb altres substàncies. / [EN] The development of biosensors is leading to faster and simpler analyses of biochemical samples, using them in lower quantities. Over the last years, these advances have allowed the emergence of applications where parameters can be monitored continuously and autonomously, increasing the efficiency and reducing the costs. This Thesis has focused on the development and evaluation of biosensors based on optical transducers, which are fabricated with porous silicon, a nanostructured material that is able to reach a high sensitivity. In this work, the fabrication and characterization of porous silicon membranes using heavily doped p-type silicon wafers have been studied. A realistic mathematical model has been developed in order to simulate the transducer's behavior and calculate the experimental parameters. This has led to the study of physical properties such as the thermal effect, where we were able to characterize the thermo-optic coefficient in the near-infrared range. Moreover, the penetration of the sample into the structure has been analyzed. For this purpose, several pore morphologies were examined and an active flow has been implemented during the sensing experiments, where the substance of interest flows through the porous membrane, to solve problems such as the partial filling of the sensor or the mixture of different substances during the experiments. / Martín Sánchez, D. (2019). Desarrollo de biosensores fotónicos basados en membranas de silicio poroso [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/125695

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