[ES] En los últimos años, la fotónica integrada programable ha evolucionado desde considerarse un paradigma nuevo y prometedor para implementar la fotónica a una escala más amplia hacia convertirse una realidad sólida y revolucionaria, capturando la atención de numerosos grupos de investigación e industrias. Basada en el mismo fundamento teórico que las matrices de puertas lógicas programables en campo (o FPGAs, en inglés), esta tecnología se sustenta en la disposición bidimensional de bloques unitarios de lógica programable (en inglés: PUCs) que -mediante una programación adecuada de sus actuadores de fase- pueden implementar una gran variedad de funcionalidades que pueden ser elaboradas para operaciones básicas o más complejas en muchos campos de aplicación como la inteligencia artificial, el aprendizaje profundo, los sistemas de información cuántica, las telecomunicaciones 5/6-G, en redes de conmutación, formando interconexiones en centros de datos, en la aceleración de hardware o en sistemas de detección, entre otros. En este trabajo, nos dedicaremos a explorar varias aplicaciones software de estos procesadores en diferentes diseños de chips. Exploraremos diferentes enfoques de vanguardia basados en la optimización computacional y la teoría de grafos para controlar y configurar con precisión estos dispositivos. Uno de estos enfoques, la autoconfiguración, consiste en la síntesis automática de circuitos ópticos -incluso en presencia de efectos parasitarios como distribuciones de pérdidas no uniformes a lo largo del diseño hardware, o bajo interferencias ópticas y eléctricas- sin conocimiento previo sobre el estado del dispositivo. Hay ocasiones, sin embargo, en las que el acceso a esta información puede ser útil. Las herramientas de autocalibración y autocaracterización nos permiten realizar una comprobación rápida del estado de nuestro procesador fotónico, lo que nos permite extraer información útil como la corriente eléctrica que suministrar a cada actuador de fase para cambiar el estado de su PUC correspondiente, o las pérdidas de inserción de cada unidad programable y de las interconexiones ópticas que rodean a la estructura. Estos mecanismos no solo nos permiten identificar rápidamente cualquier PUC o región del chip defectuosa en nuestro diseño, sino que también revelan otra alternativa para programar circuitos fotónicos en nuestro diseño a partir de valores de corriente predefinidos. Estas estrategias constituyen un paso significativo para aprovechar todo el potencial de estos dispositivos. Proporcionan soluciones para manejar cientos de variables y gestionar simultáneamente múltiples acciones de configuración, una de las principales limitaciones que impiden que esta tecnología se extienda y se convierta en disruptiva en los próximos años. / [CA] En els darrers anys, la fotònica integrada programable ha evolucionat des de considerarse un paradigma nou i prometedor per implementar la fotònica a una escala més ampla cap a convertir-se en una realitat sòlida i revolucionària, capturant l'atenció de nombrosos grups d'investigaciò i indústries. Basada en el mateix fonament teòric que les matrius de portes lògiques programable en camp (o FPGAs, en anglès), aquesta tecnología es sustenta en la disposición bidimensional de blocs units lògics programables (en anglès: PUCs) que -mitjançant una programación adequada dels seus actuadors de fase- poden implementar una gran varietat de funcionalitats que poden ser elaborades per a operacions bàsiques o més complexes en molts camps d'aplicació com la intel·ligència artificial, l'aprenentatge profund, els sistemes d'informació quàntica, les telecomunicacions 5/6-G, en xarxes de comutació, formant interconnexions en centres de dades, en l'acceleració de hardware o en sistemes de detecció, entre d'altres. En aquest treball, ens dedicarem a explorar diverses capatitats de programari d'aquests processadors en diferents dissenys de xips. Explorem diferents enfocaments de vanguardia basats en l'optimització computacional i la teoría de grafs per controlar i configurar amb precisió aquests dispositius. Un d'aquests enfocaments, l'autoconfiguració, tracta de la síntesi automática de circuits òptics -fins i tot en presencia d'efectes parasitaris com ara pèrdues no uniformes o crosstalk òptic i elèctric- sense cap coneixement previ sobre l'estat del dispositiu. Tanmateix, hi ha ocasions en les quals l'accés a aquesta información pot ser útil. Les eines d'autocalibració i autocaracterització ens permeten realizar una comprovació ràpida de l'estat del nostre procesador fotònic, el que ens permet obtener informació útil com la corrent eléctrica necessària per alimentar cada actuador de fase per canviar l'estat del seu PUC corresponent o la pèrdua d'inserció de cada unitat programable i de les interconnexions òptiques que envolten l'estructura. Aquests mecanisms no només ens permeten identificar ràpidament qualsevol PUC o área del xip defectuosa en el nostre disseny , sinó que també ens mostren una altra alternativa per programar circuits fotònics en el nostre disseny a partir de valors de corrent predefinits. Aquestes estratègies constitueixen un pas gegant per a aprofitar tot el potencial d'aquests dispositius. Proporcionen solucions per a gestionar centenars de variables i alhora administrar múltiples accions de configuració, una de les principals limitacions que impideixen que aquesta tecnología esdevingui disruptiva en els pròxims anys. / [EN] In recent years, programmable integrated photonics (PIP) has evolved from a promising, new paradigm to deploy photonics to a larger scale to a solid, revolutionary reality, bringing up the attention of numerous research and industry players. Based on the same theoretical foundations than field-programmable gate arrays (FPGAs), this technology relies on common, two-dimensional integrated optical hardware configurations based on the interconnection of programmable unit cells (PUCs), which -by suitable programming of their phase actuators- can implement a variety of functionalities that can be elaborated for basic or more complex operation in many application fields, such as artificial intelligence, deep learning, quantum information systems, 5/6-G telecommunications, switching, data center interconnections, hardware acceleration and sensing, amongst others. In this work, we will dedicate ourselves to explore several software capabilities of these processors under different chip designs. We explore different cutting-edge approaches based on computational optimization and graph theory to precisely control and configure these devices. One of these, self-configuration, deals with the automated synthesis of optical circuit configurations -even in presence of parasitic effects such as nonuniform losses, optical and electrical crosstalk- without any need for prior knowledge about hardware state. There are occasions, though, in which accessing to this information may be of use. Self-calibration and self-characterization tools allow us to perform a quick check to our photonic processor's status, allowing us to retrieve useful pieces of information such as the electrical current needed to supply to each phase actuator to change its corresponding PUC state arbitrarily or the insertion loss of every unit cell and optical interconnection surrounding the structure. These mechanisms not only allow us to quickly identify any malfunctioning PUCs or chip areas in our design, but also reveal another alternative to program photonic circuits in our design from current pre-sets. These strategies constitute a gigantic step to unleash all the potential of these devices. They provide solutions to handle with hundreds of variables and simultaneously manage multiple configuration actions, one of the main limitations that prevent this technology to scale up and become disruptive in the years to come. / López Hernández, A. (2023). Multipurpose Programmable Integrated Photonics: Principles and Applications [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/196867

[ES] La fotónica de microondas, la cual une los mundos de la ingeniería de radiofrecuencia y la optoelectrónica, ha generado un gran interés en las últimas décadas. Su valor añadido se deriva del hecho de que, por un lado, permite la realización de funcionalidades clave en los sistemas de microondas que son complejas o directamente imposibles en el dominio de la radiofrecuencia. Por otro lado, crea nuevas oportunidades para los sistemas y redes de información y comunicación. Por lo tanto, la fotónica de microondas se utiliza para habilitar funciones especializadas como generación de señales de alta frecuencia, modulación, procesamiento de señales, particularmente en aplicaciones de comunicación, radar y detección. En el contexto de la fotónica programable, la versatilidad surge al permitir la manipulación dinámica de las señales de luz, haciéndolas adaptables para propósitos genéricos a través de redes ópticas, computación óptica, óptica adaptativa, investigación y desarrollo y fotónica cuántica. Por lo que, proporciona una plataforma flexible para aplicaciones ópticas, mostrando funciones complementarias a la tecnología fotónica moderna. Por lo tanto, los circuitos integrados fotónicos programables proponen y prometen ser una solución para competir con diseños específicos de aplicaciones. Sin embargo, las demostraciones actuales y las pruebas de concepto solo han integrado un número limitado de componentes y representan circuitos de complejidad pequeña y moderada. Este trabajo tiene como objetivo responder a las preguntas relacionadas con la escalabilidad del sistema y la evolución de futuros circuitos integrados fotónicos programables. El análisis y propuesta de soluciones constará de dos partes principales: la primera estudiará la escalabilidad de los circuitos programables en términos de integración de sistemas, incluyendo un estudio exhaustivo de las interfaces ópticas. En segundo lugar, debido a la necesidad de compensación de pérdidas que surge al utilizar fotónica integrada, consideraremos el rendimiento de modelos analíticos de fotónica de microondas de extremo a extremo con enlaces amplificados (balance de potencia óptica, ruido de señal, indicadores clave de rendimiento de enlaces fotónicos de microondas y consumo de energía). Una vez completado, utilizaremos diseños de complejidad moderada para evaluar nuestros estimadores de rendimiento tanto para el procesamiento de señales ópticas como para aplicaciones fotónicas de microondas. / [CA] La fotònica de micrones, la qual uneix els mons de l'enginyeria de radiofreqüència i l'optoelectrònica, ha generat un gran interés en les últimes dècades. El seu valor afegit es deriva del fet que, d'una banda, permet la realització de funcionalitats clau en els sistemes de microones que són complexes o directament impossibles en el domini de la radiofreqüència. D'altra banda, crea noves oportunitats per als sistemes i xarxes d'informació i comunicació. Per tant, la fotònica de microones s'utilitza per a habilitar funcions especialitzades com a generació de senyals d'alta freqüència, modulació, processament de senyals, particularment en aplicacions de comunicació, radar i detecció. En el context de la fotònica programable, la versatilitat sorgeix en permetre la manipulació dinàmica dels senyals de llum, fent-les adaptables per a propòsits genèrics a través de xarxes òptiques, computació òptica, òptica adaptativa, recerca i desenvolupament i fotònica quàntica. Pel que, proporciona una plataforma flexible per a aplicacions òptiques, mostrant funcions complementàries a la tecnologia fotònica moderna. Per tant, els circuits integrats fotònics programables proposen i prometen ser una solució per a competir amb dissenys específics d'aplicacions. No obstant això, les demostracions actuals i les proves de concepte sol han integrat un nombre limitat de components i representen circuits de complexitat xicoteta i moderada. Aquest treball té com a objectiu respondre a les preguntes relacionades amb l'escalabilitat del sistema i l'evolució de futurs circuits integrats fotònics programables. L'anàlisi i proposta de solucions constarà de dues parts principals: la primera estudiarà l'escalabilitat dels circuits programables en termes d'integració de sistemes, incloent-hi un estudi exhaustiu de les interfícies òptiques. En segon lloc, a causa de la necessitat de compensació de pèrdues que sorgeix quan s'utilitza fotònica integrada, considerarem el rendiment de models analítics de fotònica de microones d'extrem a extrem amb enllaços amplificats (balanç de potència òptica, soroll de senyal, indicadors clau de rendiment d'enllaços fotònics de microones i consum d'energia). Una vegada completat, utilitzarem dissenys de complexitat moderada per a avaluar els nostres estimadors de rendiment tant per al processament de senyals òptics com per a aplicacions fotòniques de microones. / [EN] Microwave photonics brings together the worlds of radiofrequency engineering and optoelectronics and it has attracted great interest in the last few decades. It added value stems from the fact that, on one hand, it enables the realization of key functionalities in microwave systems that either are complex or even not directly possible in the radiofrequency domain. On the other hand, it creates new opportunities for information and communication systems and networks. Hence, microwave photonics is used to enable specialized functions such as high-frequency signal generation, modulation, and signal processing, particularly in communication, radar, and sensing applications. In the context of programmable photonics, versatility emerges by allowing dynamic manipulation of light signals, making them adaptable for generic purposes across optical networks, optical computing, adaptive optics, research and development, and quantum photonics. Then, it provides a flexible platform for optical applications, showcasing their complementary roles in modern photonics technology. Hence, programmable photonic integrated circuits have been recently proposed and promise to be a solution to compete with application-specific designs. However, current demonstrations and proof-of-concepts have only integrated a limited number of components and represent small and moderate-complex circuits. This work aims to answer the questions dealing with the system scalability and evolution of future programmable photonic integrated circuits. The analysis and proposal of solutions will include two main parts: the first one will study the scalability of programmable circuits in terms of system integration, including a comprehensive study of optical interfacing. Secondly, due to the need for loss compensation that arises when using integrated photonics, we will consider the performance of end-to-end analytical microwave photonics models with amplified links (optical power budget, signal noise, microwave photonic links key performance indicators, and power consumption). Once completed, we will make use of moderate complexity designs to evaluate our performance estimators for both optical signal processing and microwave photonic applications. / Sánchez Gomariz, E. (2024). Scalability Analysis and Designs for Large-Scale Programmable RF-Photonic Integrated Circuits: Modelling, Design and Implementation [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/202894

[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 / TESIS