[ES] En la última década, la plataforma de silicio ha emergido como la plataforma por excelencia para desarrollar circuitos fotónicos integrados debido a su versatilidad, la posibilidad de miniaturización y de una producción de bajo coste y a gran escala compatible con los sistemas CMOS ("complementary metal-oxide semiconductor"). La conversión de señales eléctricas a alta velocidad en señales ópticas es una función crítica hoy en día tanto para el procesamiento de datos como en el ámbito de las telecomunicaciones. La forma más eficaz de implementar actualementeuna ,modulación electro-óptica ultra-rápida se basa en el efecto Pockels que, de hecho,se encuentra en el corazón de los moduladores comerciales basados en niobato de litio y polímeros. Sin embargo, la implementación de esta funcionalidad se ve impedida en la plataforma de silicio debido a la simetría de inversión de la red cristalina del silicio. En este contexto, el silicio deformado surgió hace más de un decenio como una solución revolucionaria para romper esa centrosimetría y, de ese modo, hacer emerger no-linealidades de segundo orden en el propio silicio. Sin embargo, y a pesar de los alentadores resultados iniciales, estudios posteriores cuestionaron el origen de las respuestas obtenidas, achacando dichos resultados principalmente al efecto de dispersión de plasma. De hecho, más tarde se puso de manifiesto la presencia de varios factores limitantes y, más recientemente, se estimó que el valor del coeficiente χ(2) debía encontrarse en torno a varios pm/V. El trabajo desarrollado en esta tesis tiene como objetivo contribuir a impulsar el campo de silicio deformado mediante la investigación y el abordaje de dichos factores limitantes para, de esta fora, conseguir un efecto Pockels eficiente. Además, las características de captura de carga libre observadas en las estructuras de silicio deformado se han explotado para desarrollar un dispositivo fotónico no volátil. / [CA] En l'última dècada, la plataforma de silici ha emergit com la plataforma per excelència per a desenvolupar circuits fotònics integrats a causa de la seua versatilitat i la possibilitat de miniaturització i d'una producció de baix cost i a gran escala compatible amb els sistemes CMOS ("complementary metall-oxide semiconductor"). La conversió de senyals elèctrics a alta velocitat en senyals òptics és una funció crítica hui dia tant per al processament de dades com en l'àmbit de les telecomunicacions. La forma més eficaç d'implementar una modulació electro-òptica ultra-ràpida actualemente es basa en l'efecte *Pockels, que de fet,es troba en el cor dels moduladors comercials basats en el niobato de liti i polímers. No obstant això, la implementació d'aquesta funcionalitat es veu impedida en la plataforma de silici degut a la simetria d'inversió de la xarxa cristal·lina del silici. En aquest context, el silici deformat va sorgir fa més d'un decenni com una solució revolucionària per a trencar aqueixa centrosimetría i, d'aqueixa manera, fer emergir no-linealitats de segon ordre en el propi silici. No obstant això, malgrat els encoratjadors resultats inicials, estudis posteriors van qüestionar l'origen de la resposta obtinguda, atribuint-la principalment a aquest efecte de dispersió de plasma. De fet, més tard es va posar en relleu la presència de diversos factors limitants i, més recentment, es va estimar un valor de χ(2) en el rang de diversos pm/V. El treball desenvolupat en aquesta tesi té com a objectiu contribuir a impulsar el camp de silici deformat mitjançant la investigació i l'abordatge d'aquests factors limitants per a aconseguir un efecte Pockels eficient. A més, les característiques de captura de càrrega lliure observades en les estructures de silici deformat s'han explotat per a desenvolupar un dispositiu fotònic no volàtil. / [EN] In the last decade, silicon has emerged as the platform of choice for developing photonic integrated circuits due to its versatility, small footprint and the possibility of a low cost, large-scale CMOS compatible production. The conversion of high-speed electrical signals into optical digital data is a critical function for modern data communication technology. The most effective way for enabling ultra-fast electro-optical modulation is currently based on the Pockels effect, which is the basis of commercial modulators based on lithium niobate and polymers. However, the implementation of such functionality is prevented in the silicon platform due to the inversion symmetry of the silicon lattice. In this context, strained silicon emerged more than a decade ago as a revolutionary solution for breaking that centrosymmetry and, thus, allowing Pockels effect in the silicon material itself. However, despite the encouraging results from initial findings, following studies questioned the origin of the measured electro-optic response. In fact, the presence of several limiting factors was also later highlighted and a rather low strain induced χ(2) in the range of several pm/V was more recently estimated. The work developed on this thesis aims at contributing to push forward the strained silicon field by investigating and tackling such limiting factors to enable an efficient Pockels effect. Furthermore, the trapping properties observed in strained silicon structures have been exploited to develop a non-volatile photonic device. / Olivares Sánchez-Mellado, I. (2021). Development of Photonic Devices Based on the Strained Silicon Technology [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/167055

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

[ES] Esta tesis 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] La búsqueda de nuevas soluciones e ideas innovadoras en el campo de la fotónica de silicio mediante la integración de nuevos materiales con prestaciones únicas es un tema de alta actualidad entre la comunidad científica en fotónica y con un impacto potencial muy alto. Dentro de esta temática, esta tesis pretende contribuir hacia una nueva generación de dispositivos fotónicos basados en la integración de óxidos metálicos en tecnología de silicio. Los óxidos metálicos elegidos pertenecen a la familia de óxidos conductores transparentes (TCO), concretamente el óxido de indio y estaño (ITO) y el óxido de cadmio (CdO), y materiales de cambio de fase (PCM) como el dióxido de vanadio (VO2). Dichos materiales se caracterizan especialmente por una variación drástica de sus propiedades optoelectrónicas, tales como la resistividad o el índice de refracción, frente a un estímulo externo ya sea en forma de temperatura, aplicación de un campo eléctrico o excitación óptica. De esta forma, nuestro objetivo es diseñar, fabricar y demostrar experimentalmente nuevas soluciones y dispositivos clave tales como dispositivos no volátiles, desfasadores y dispositivos con no linealidad óptica. Tales dispositivos podrían encontrar potencial utilidad en diversas aplicaciones que comprenden las comunicaciones ópticas, redes neuronales, LiDAR, computación, cuántica, entre otros. Las prestaciones clave en las que se pretende dar un salto disruptivo son el tamaño y capacidad para una alta densidad de integración, el consumo de potencia, y el ancho de banda. / [CA] La recerca de noves solucions i idees innovadores al camp de la fotònica de silici mitjançant la integració de nous materials amb prestacions úniques és un tema d'alta actualitat entre la comunitat científica en fotònica i amb un impacte potencial molt alt. D'aquesta temàtica, aquesta tesi pretén contribuir cap a una nova generació de dispositius fotònics basats en la integració d'òxids metàl·lics en tecnologia de silici. Els òxids metàl·lics elegits pertanyen a la família d'òxids conductors transparents (TCO), concretament l'òxid d'indi i estany (ITO) i l'òxid de cadmi (CdO), i materials de canvi de fase (PCM) com el diòxid de vanadi (VO2). Aquests materials es caracteritzen especialment per una variació dràstica de les propietats optoelectròniques, com ara la resistivitat o l'índex de refracció, davant d'un estímul extern ja siga en forma de temperatura, aplicació d'un camp elèctric o excitació òptica. D'aquesta manera, el nostre objectiu és dissenyar, fabricar i demostrar experimentalment noves solucions i dispositius clau com ara dispositius no volàtils, desfasadors i dispositius amb no-linealitat òptica. Aquests dispositius podrien trobar potencial utilitat en diverses aplicacions que comprenen les comunicacions òptiques, xarxes neuronals, LiDAR, computació, quàntica, entre d'altres. Les prestacions clau en què es pretén fer un salt disruptiu són la grandària i la capacitat per a una alta densitat d'integració, el consum de potència i l'amplada de banda. / [EN] The search for new solutions and innovative ideas in the field of silicon photonics through the integration of new materials featuring unique optoelectronic properties is a hot topic among the photonics scientific community with a very high potential impact. Within this topic, this thesis aims to contribute to a new generation of photonic devices based on the integration of metal oxides in silicon technology. The chosen metal oxides belong to the family of transparent conducting oxides (TCOs), namely indium tin oxide (ITO) and cadmium oxide (CdO), and phase change materials (PCMs) such as vanadium dioxide (VO2). These materials are characterized by a drastic variation of their optoelectronic properties, such as resistivity or refractive index, in response to an external stimulus either in the form of temperature, application of an electric field, or optical excitation. Therefore, our objective is to design, fabricate and experimentally demonstrate new solutions and key devices such as non-volatile devices, phase shifters, and devices with optical nonlinearity. Such devices could find potential utility in several applications, including optical communications, neural networks, LiDAR, computing, and quantum. The key features in which we aim to take a leapfrog are footprint and capacity for high integration density, power consumption, and bandwidth. / This work is supported in part by grants ACIF/2018/172 funded by Generaliltat Valenciana, and FPU17/04224 funded by MCIN/AEI/10.13039/501100011033 and by “ESF Investing in your future”. / Parra Gómez, J. (2022). Toward a new generation of photonic devices based on the integration of metal oxides in silicon technology [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/190883