Para abordar el análisis de estas estructuras de forma altamente eficiente, se pretenden utilizar dos enfoques distintos, que llevarían a dos técnicas distintas y eficientes, pero cada una de ellas con sus ventajas e inconvenientes respecto de la otra, que podremos concluir una vez finalizado el trabajo de investigación. Por un lado, se pretende utilizar el Método de los Momentos, una técnica numérica que convierte las ecuaciones integrales de un problema electromagnético en un sistema linear, expandiendo la magnitud desconocida usando un conjunto de funciones con coeficientes desconocidos. Al forzar las condiciones de contorno, en este caso de potencial eléctrico, en un determinado número de puntos, se obtiene un sistema linear de ecuaciones que será resuelto numéricamente. Por otro lado, según el segundo enfoque, pretende utilizar una expansión en modos cilíndricos del campo, tanto incidente como dispersado. Dada la geometría circular de las vías éstas pueden ser caracterizadas de forma analítica mediante espectros circulares. Posteriormente se resolverá el acoplo entre las vías mediante el método de [1] pero generalizado al caso de objetos inmersos en un medio dieléctrico infinito, y se desarrollará un nuevo método de acoplo modal entre modos cilíndricos y modos guiados proyectando las ecuaciones del acoplo modal tanto sobre modos cilíndricos como sobre modos guiados para evitar las singularidades que aparecen con el método de de [2] cuando los planos de referencia están muy próximos al objeto dispersor. Por tanto, esta técnica caracterizará las vías de forma analítica y resolverá las integrales del acoplo de modos mediante la transformada rápida de Fourier. Para aumentar más aún la eficiencia de ambos métodos se evitará repetir los cálculos para cada punto en frecuencia, y se implementará la técnica de barrido rápido en frecuencia similar descrita en [3], adaptándola al caso particular de cada método de análisis, aunque se prevé que quizá dicho procedimiento sea más difícil de implementar en el segundo método. Se espera que ambas técnicas puedan proporcionar unos tiempos de computación inferiores a los del software comercial de análisis electromagnético más habitual (i.e. HFSS), y también inferiores a otros métodos de análisis recientemente aparecidos en la bibliografía técnica ([4],[5],[6]). En concreto, se espera que los tiempos de computación para barrido discreto en frecuencia sea inferior con el segundo método ya que usa únicamente expresiones analíticas y transformada rápida de Fourier, pero, dado que el primer método es más susceptible de realizar barrido rápido en frecuencia, éste puede ser muy útil a la hora de realizar muchos análisis consecutivos. Una vez se disponga de métodos eficientes para el análisis de dispositivos SIW, se abordará el diseño de varios dispositivos pasivos en esta tecnología (filtros de diferentes topologías, diplexores, multiplexores, híbridos, acopladores, etc.). Como se dispone de una vasta experiencia en el grupo de investigación en el diseño de dispositivos en guía de onda rectangular, se puede como primera aproximación realizar el diseño en guía, y luego transformar esta estructura guiada en otra en tecnología SIW mediante unas reglas empíricas que relacionan ambas tecnologías [7]. Posteriormente se debe ajustar el diseño en el dispositivo SIW ya que estas reglas empíricas no consiguen que la respuesta sea idéntica a la del dispositivo guiado original, principalmente debido al hecho de que los irises rectangulares de la guía son transformados en vías metalizadas con geometría circular, no rectangular. Para minimizar este ajuste, se diseñará el dispositivo guiado con irises con esquinas redondeadas en la cavidad (método de [8] pero con un simulador más eficiente [9]), haciendo que el radio de esas esquinas redondeadas coincida con el de las vías metalizadas que se van a utilizar en el dispositivo SIW. Esto permitirá [...] (Ver documento anexo) / Díaz Caballero, E. (2013). Efficient analysis and design of devices in Substrate Integrated Waveguide (SIW) technology [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/34627

[ES] Esta tesis se ha centrado en el modelado, diseño y demostración experimental de un sensor espectroscópico integrado basado en un AWG (del inglés Arrayed Waveguide Grating). El dispositivo ha sido diseñado y fabricado en una nueva plataforma de nitruro de silico (Si3N4) en oxido de silico (SiO2) desarrollada en España. El trabajo realizado en esta tesis se puede dividir en dos secciones principalmente. En la primera parte, se describe el panorama general de las plataformas de Si3N4 existentes y su estado del arte, junto con la descripción de los procesos de fabricación y caracterización de nuestra plataforma de Si3N4 con 300 nm de altura en la capa de guiado. En la segunda parte, se presenta el dispositivo bautizado como Integrated Optical Spectroscopic Sensor (IOSS). El IOSS consiste en un AWG cuyo conjunto de guías de onda está dividido en dos subgupos diseñados para replicar los canales del AWG. Las guías de uno de los subgrupos contienen ventanas de sensado, que están definidas por secciones en las que el núcleo de las guías está al descubierto y, por tanto, en contacto con el medio que las rodea. De esta manera, el sensado se lleva a cabo mediante la interacción del campo evanescente con la muestra depositada. Las guías del segundo subconjunto permanecen inalteradas. Por lo tanto, el dispositivo proporciona al mismo tiempo los espectros de sensado y de referencia. El modelo matemático del IOSS, su procedimiento de diseño y la prueba de concepto del sensor configurado para espectroscopía de absorción se describen en esta tesis. / [CAT] La present tesi s'ha centrat en el modelatge, disseny i demostració experimental d'un sensor espectroscòpic integrat basat en un AWG (de l'anglès Arrayed Waveguide Grating). El dispositiu ha sigut dissenyat i fabricat en una nova plataforma de nitrur de silici (Si3N4) en òxid de silici (SiO2) desenvolupada a Espanya. El treball realitzat en aquesta tesi es pot dividir en dues seccions principalment. En la primera part, es descriu el panorama general de les plataformes de Si3N4 existents i el seu estat de l'art, juntament amb la descripció dels processos de fabricació i caracterització de la nostra plataforma de Si3N4 amb 300 nm d'altura en la capa de guiat. En la segona part, es presenta el dispositiu batejat com Integrated Optical Spectroscopic Sensor (IOSS). El IOSS consisteix en un AWG en el que el seu conjunt de guies d'ona està dividit en dos subgrups dissenyats per a replicar els canals del AWG. Les guies d'un dels subgrups conté finestres de detecció, que estan definides per seccions en les quals el nucli de les guies d'ona està al descobert i en contacte amb el mitjà que li envolta. D'aquesta manera, la detecció es duu a terme mitjançant la interacció del camp evanescent amb la mostra depositada. Les guies del segon subconjunt romanen inalterades. Per tant, el dispositiu proporciona al mateix temps els espectres de detecció de referència. El model matemàtic del IOSS, el seu procediment de disseny i la prova de concepte del sensor configurat per a espectroscopia d'absorció es descriuen en aquesta tesi. / [EN] This thesis is focused on the model, design and experimental demonstration of an integrated spectroscopic sensor based on a modified Arrayed Waveguide Grating (AWG). The device has been designed and fabricated in a new silicon nitride (Si3N4) on silicon oxide (SiO2) platform developed in Spain. The work performed for this thesis can be then divided into two main sections. In the first part, an overview of the existing Si3N4 platforms and their state of art is described, alongside the report on the fabrication and characterization of our 300 nm guiding film height Si3N4 platform. On the second part, the device named Integrated Optical Spectroscopic Sensor (IOSS) is presented. The IOSS consists of an AWG which arrayed waveguides are divided into two sub-sets engineered to replicate the AWG channels. The waveguides of one of the sub-sets contain sensing windows, defined as waveguides sections which core is in contact with the surrounding media. Thus, the sensing is performed through evanescent field interaction with the sample deposited. The waveguides from the second sub-set remain isolated. Therefore, the device provides both sensing and reference spectra. The IOSS mathematical model, design procedure and proof of concept configured for absorption spectroscopy are reported in this thesis. / Micó Cabanes, G. (2020). Integrated Spectroscopic Sensor fabricated in a novel Si3N4 platform [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/159381

[ES] La Teoría de Modos Característicos (TCM), desarrollada por R.F. Harrington a mediados de los años 60, se ha convertido desde los inicios del siglo XXI, en una herramienta fundamental para el diseño sistemático de antenas, gracias a la visión física que aporta de los fenómenos de radiación. Actualmente, numerosos grupos de investigación a nivel mundial han adoptado esta teoría dentro de su metodología de diseño. No obstante, la teoría de modos característicos ha sido utilizada mayormente para el análisis de estructuras planas, existiendo pocos ejemplos de aplicación de la teoría a estructuras 3D, dada la dificultad que implica su análisis. Esta tesis tiene como objetivo diseñar antenas multi-alimentadas con un gran ancho de banda usando la TMC. La principal novedad que aporta, es la aplicación de la teoría de modos característicos al análisis de estructuras 3D y el empleo de multi alimentación para excitar de forma selectiva modos concretos de radiación. Inicialmente se presenta un análisis de estructuras planas que interactúan entre sí, y se utiliza una combinación de puertos para forzar la excitación de ciertos modos con buen comportamiento radiante. Además, se demuestra que las resonancias de una antena, no solamente son causadas por un modo en resonancia, sino que también aparecen como resultado de la combinación de modos magnéticos y eléctricos. En la tesis se proponen diseños de antenas con muy bajo perfil, obtenidas a partir del plegado progresivo de las estructuras planas previamente estudiadas. Con las técnicas de plegado se consiguen antenas compactas y de bajo perfil, fácilmente integrables, que presentan muy buenas características de radiación y una forma de excitación sencilla. Se realiza un estudio sistemático de estructuras canónicas en 3 dimensiones, como las guías de onda rectangular y circular. En primer lugar, las guías de onda y cavidades equivalentes se analizan con un enfoque clásico, obteniendo los modos de campo transversal eléctrico TE y transversal magnético TM. A continuación, se analizan las mismas guías y cavidades aplicando la teoría de modos característicos, unificando y comparando por primera vez los dos tipos de analisis. Las conclusiones extraídas del análisis de las guías de onda rectangular y circular, se han aplicado para diseñar dos tipos de antenas, que proporcionan buen ancho de banda y características de radiación óptimas para aplicaciones 5G. La tesis incluye un capítulo en el que se proponen distintos prototipos de antenas, diseñados a partir de la aplicación de la teoría de modos característicos. Se aprovechan las conclusiones obtenidas en cada uno de los capítulos de la tesis y se aplican a diseños específicos, demostrando que empleando la TCM, es posible diseñar antenas que tengan buenas características de radiación y que pueden integrarse fácilmente en dispositivos que operen con nuevas tecnologías, como 5G o IoT. / [CA] La Teoria de Modes Característics (TCM), desenvolupada per R.F. Harrington a mitjans dels anys 60, s'ha convertit des dels inicis de segle XXI, en una eina fonamental per al disseny sistemàtic d'antenes, gràcies a la visió física que aporta dels fenòmens de radiació. Actualment, nombrosos grups d'investigació a nivell mundial han adoptat aquesta teoria dins de la seva metodologia de disseny. No obstant això, la teoria de modes característics ha estat utilitzada majorment per l'anàlisi d'estructures planes, i hi ha pocs exemples d'aplicació de la teoria a estructures 3D, donada la dificultat que implica el su anàlisi. Aquesta tesi té com a objectiu dissenyar antenes multi-alimentades amb un gran ample de banda usant la TMC. La principal novetat que aporta és l'aplicació de la teoria de modes característics a l'anàlisi d'estructures 3D i l'us de multi alimentació per excitar de forma selectiva modes concrets de radiació. Inicialment es presenta un anàlisi d'estructures planes que interactuen entre si, i s'utilitza una combinació de ports per forçar l'excitació de determinats modes amb bon comportament radiant. A més, es demostra que les ressonàncies d'una antena, no solament són causades per un mode en ressonància, sinó que també apareixen com a resultat de la combinació de modes magnètics i elèctrics. A la tesi es proposen dissenys d'antenes amb molt baix perfil, obtingudes a partir del plegat progressiu de les estructures planes prèviament estudiades. Amb les tècniques de plegat s'aconsegueixen antenes compactes i de baix perfil, fàcilment integrables, que presenten molt bones característiques de radiació i una forma d'excitació senzilla. Es realitza un estudi sistemàtic d'estructures canòniques en 3 dimensions, com les guies d'ona rectangular i circular. En primer lloc, les guies d'ona i cavitats equivalents s'analitzen amb un enfocament clàssic, obtenint els modes de camp transversal elèctric ET i transversal magnètic TM. A continuació, s'analitzen les mateixes guies i cavitats aplicant la teoria de modes característics, unificant i comparant per primera vegada els dos tipus d'anàlisi. Les conclusions extretes de l'anàlisi de les guies d'ona rectangular i circular, s'han aplicat per dissenyar dos tipus d'antenes, que proporcionen bon ample de banda i característiques de radiació òptimes per a aplicacions 5G. La tesi inclou un capítol en el qual es proposen diferents prototips d'antenes, dissenyats a partir de l'aplicació de la teoria de modes característics. S'aprofiten les conclusions obtingudes en cada un dels capítols de la tesi i s'apliquen a dissenys específics, demostrant que emprant la TCM, és possible dissenyar antenes que tinguen bones característiques de radiació i que poden integrar-se fàcilment en dispositius que operen amb noves tecnologies, com 5G o IoT. / [EN] The Theory of Characteristic Modes (TCM), developed by R.F. Harrington in the mid 1960's, has become, since the beginning of the 21st century, a fundamental tool for systematic antenna design, thanks to the physical vision it provides of radiation phenomena. Currently, many research groups worldwide have adopted this theory as part of their design methodology. However, the theory of characteristic modes has been used mainly for the analysis of planar structures, and there are few examples of application of the theory to 3D structures, given the difficulty involved in its analysis. This thesis aims to design multi-fed antennas with high bandwidth using TCM. The main novelty contribution is providing the application of characteristic modes theory to the analysis of 3D structures and the use of multi-feed to selectively excite specific radiation modes. Initially, an analysis of plane structures that interact with each other is presented, and a combination of ports is used to force the excitation of certain modes with good radiant behavior. Furthermore, it is shown that the resonances of an antenna are not only caused by a resonance mode, but also appear as a result of the combination of magnetic and electrical modes. The thesis proposes antenna designs with very low profile, obtained from the progressive folding of the previously studied planar structures. With the folding techniques, compact and low-profile antennas are designed, easily integrated, with very good radiation characteristics and a simple form of excitation. A systematic study of 3-dimensional canonical structures, such as rectangular and circular waveguides, is carried out. First, the waveguides and equivalent cavities with a classical approach are analyzed, obtaining the transverse electric TE and transverse magnetic TM field modes. Then, the same waveguides and cavities are analyzed applying the theory of characteristic modes, unifying and comparing for the first time the two types of analysis. The conclusions drawn from the analysis of the rectangular and circular waveguides have been applied to design two types of antennas, which provide good bandwidth and optimal radiation characteristics for 5G applications. The thesis includes a chapter in which different antenna prototypes are proposed, designed from the application of the characteristic modes theory. The conclusions obtained in each chapters of the thesis are taken advantage of and applied to specific designs, showing that using TCM, it is possible to design antennas that have good radiation characteristics and that can be easily integrated into devices that operate with new technologies. like 5G or IoT. / Peñafiel Ojeda, CR. (2021). Design of Multi-feed UWB Antennas using the Theory of Characteristic Modes [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/175186

Tesis por compendio / [ES] La creciente urbanización e industrialización de las sociedades en las últimas décadas han provocado una alta demanda de energía. No obstante, mientras no se desarrollen fuentes de energía renovables que se constituyan como un reemplazo plausible de las actuales, la liberación de gases de efecto invernadero y sus consecuencias sobre el cambio climático difícilmente serán atajadas. Por ello, se está llevando a cabo una intensa búsqueda de energías renovables para un futuro inmediato. En los últimos años, la perovskita ha alcanzado una gran popularidad, centrando numerosos esfuerzos de investigación debido a sus propiedades ópticas y eléctricas únicas. Como por ejemplo su alto coeficiente de absorción y su alta movilidad de carga. Esta tesis comprende seis artículos científicos en torno a las perovskitas. Por un lado, 3 trabajos estudian los fenómenos ópticos que ocurren en el seno del material, con la finalidad de lograr una mejor comprensión de éstos. Puesto que el conocimiento de estos fenómenos ópticos a nivel individual (cristales aislados) permite modular y adaptar su síntesis y morfología para aplicaciones determinadas. Por otro lado, las perovskitas han sido implementadas en distintos dispositivos para su aplicación en tres campos: fotocatálisis, sensores y fotovoltaica. Por primera vez, se ha logrado utilizar este material para la obtención de hidrógeno llevando a cabo la reacción en fase vapor. Asimismo, diversas composiciones de perovskita se han usado para decorar grafeno y detectar niveles traza de Compuestos Orgánicos Volátiles (COV) como benceno y tolueno. Y finalmente se ha desarrollado una estrategia para insertar en la estructura de la perovskita moléculas orgánicas, de forma que se permite una ampliación de la fotorespuesta en el espectro visible. Por lo tanto, las perovskitas se han implementado exitosamente en aplicaciones de diversa índole, constituyéndose como un material prometedor y fácilmente adaptable a los distintos requisitos de cada campo de estudio. / [CAT] La creixent urbanització i industrialització de les societats durant les últimes dècades han provocat una alta demanda d'energia. No obstant això, fins que no es desenvolupen fonts d'energia renovables que puguen ser un reemplaçament plausible de les actuals, l'alliberament de gasos d'efecte hivernacle i les seues conseqüències sobre el canvi climàtic seran difícilment aturades. Per tant, s'està duent a terme una intensa cerca d'energies renovables per a un futur immediat. En els últims anys, la perovskita ha aconseguit una gran popularitat, centrant nombrosos esforços de recerca a causa de les seues propietats òptiques i elèctriques úniques. Per exemple, el seu al coeficient d'absorció i la seua alta mobilitat de càrrega. Aquesta tesi reuneix sis articles científics al voltant de les perovskites. Per una banda, 3 treballs estudien els fenòmens òptics que ocorren en el material, amb la finalitat d'assolir una major comprensió d'aquests. Donat que el coneixement d'aquests fenòmens òptics a nivell individual (cristalls aïllats) permeten modular i adaptar la seua síntesi i morfologia per a determinades aplicacions. Per altra banda, les perovskites han sigut implementats en diferents dispositius per a la seua aplicació en tres camps: fotocatàlisi, sensors i fotovoltaica. Per primera vegada, s'hi ha aconseguit utilitzar aquest material per a l'obtenció d'hidrogen duent a terme la reacció en fase vapor. Així mateix, diverses composicions de perovskita s'han utilitzat per a decorar grafè i detectar nivells traça de Compostos Orgànics Volàtils (COV) com benzè i toluè. I finalment s'ha desenvolupat una estratègia per a inserir en l'estructura de la perovskita molècules orgàniques, de forma que es permet una ampliació de la fotoresposta en l'espectre del visible. Per tant, les perovskites s'han implementat exitosament en aplicacions de diversa índole, constituint-se com un material prometedor i fàcilment adaptable als diferents requisits de cada camp d'estudi. / [EN] During the last decades, the growing urbanization and industrialization result in a significant need for energy. However, since feasible renewable energy sources should be further developed to replace the current energy source, the release of greenhouse gases and their climate change consequences are difficult to overcome. For that reason, the development of renewable energy sources has been attracting growing research efforts. Recently, perovskites gathered great interest owing to their outstanding optical and electrical properties. For instance, their high absorption coefficient and superior charge mobility. This thesis comprises six scientific articles about perovskites. On one hand, 3 works study the optical phenomena that occur within the material in order to achieve a better understanding. The deep knowledge of these optical phenomena's at the individual level (isolated crystals) enable the modulation and tuning of their synthesis and morphology to match specific applications. On another hand, perovskites have been implemented in several devices for their application in three research fields: photocatalysis, sensors, and photovoltaic. For the first time, this nanomaterial was successfully employed for obtaining hydrogen carrying out the reaction in the vapor phase. Likewise, several perovskite compositions have been used for decorating graphene and detect trace levels of Volatile Organic Compounds (VOC) as benzene and toluene. And finally, it has been developed a strategy to insert organic molecules in the perovskite structure, resulting in an enhanced photoresponse in the visible range. Therefore, perovskites have been successfully implemented in several applications, becoming a promising material and easily adaptable to the different requirements needed in each field of study. / Financial support from the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness (Severo Ochoa, SEV-2016-0683), Intramural CSIC project 201680I006, and Fundación Ramón Areces (XVII Concurso Nacional para la adjudicación de Ayudas a la Investigación en Ciencias de la Vida y de la Materia) is gratefully acknowledged. This research was financially supported by the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness (Mineco) of Spain (TQ2011-26455)2, MAT2015-69669-P, and regional government grant PrometeoII/2017/026. This work was supported by Spanish ministry of Economy, Industry and Competitiveness (MINECO) through the projects TEC2015-74405-JIN, MAT2015-69669-P as well as the regional projects of both Provincia Autonoma di Trento (PAT) of Italy, through the call Grandi Progetti 2012: SIQURO and the Comunidad Valenciana of Spain project PrometeoII/2014/026. This work was supported in part by MICINN and FEDER via grants no. RTI2018-101580- B-I00, by AGAUR under grant. 2017SGR418. S. R.-B. thanks the Research Executive Agency (REA) and the European Commission for the funding received under the Marie Skłodowska Curie actions (H2020-MSCA-IF-2015/Grant agreement number 709023/ZESMO). R. G. A. acknowledges the FPI scholarship from MINECO MAT2015-69669-P. P. A. acknowledges the financial support from the Spanish Government through ‘Severo Ochoa” (SEV-2016-0683, MINECO) and PGC2018-099744-B-I00 (MCIU/AEI/FEDER) / García Aboal, R. (2021). Propiedades optoelectrónicas en perovskitas halogenadas y su aplicación en energía y sensores [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/175357 / Compendio

[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

[EN] The general goal of this thesis is the development of a basic tool for the analysis of passive microwave and millimetre-wave devices used in the new generation of communication systems. In particular, the work is focused on the development of a tool for an efficient and accurate modal characterization of passive devices composed of waveguides with arbitrary cross section. In order to achieve this goal, a method recently arisen and called BI-RME (Boundary Integral - Resonant Mode Expansion) is extended. This method has been revealed as one of the most appropriate, for its high computational efficiency, to characterize waveguides with arbitrary cross section. Regarding the original BI-RME method, this one will improve the precision and the efficiency of the modal solution in presence of circular and elliptic perturbations in the arbitrary waveguide contour. Then, the first work consists on extending the original BI-RME method theory to circular and elliptic geometries including the possibility to connect these two new types of segments (circular and elliptic) with the straight segments used until now in the practical implementation of the method. In order to validate the new developed theory, a set of parameters as the cut-off frequencies, the cut-off wavelengths or the electromagnetic fields of canonical waveguides and arbitrarily shaped waveguides of great practical interest, are calculated. These results are compared with analytical well-known solutions or results published in the literature. Once the electromagnetic modal chart of different arbitrarily shaped waveguides is obtained, the following step is the computation of the coupling integrals between these modes and the ones of the rectangular waveguide that completely surrounds the arbitrary contour. Such integrals are essential for the modal analysis of microwave passive structures involving waveguides with arbitrary cross section. For this purpose, the new extended BI-RME method is included into a software package tool based on the integral equation method, which allows to characterize efficiently waveguide discontinuities by means of inmitance matrices (admittance or impedance). This efficient full-wave analysis method requires the knowledge of the modal chart related to all the waveguides included in the devices under consideration, as well as the coupling integrals between the modes of the two waveguides composing the discontinuity. In the rectangular waveguides case this modal information can be easily obtained in an analytical way. However, when a waveguide or both have arbitrary cross section, the accurate and efficient modal analysis can be obtained by means of the BI-RME method. The use of the integral equation method based on admittance or impedance matrices to characterize devices composed of cascading waveguides is specially advantageous because it leads to a linear system of equations. The coefficients matrix of this linear system presents a banded structure that can be appropriately exploited to increase the computational efficiency associated to the resolution of the aforementioned system, and to reduce considerably the computational cost associated to the analysis of complex devices. Next step is the demonstration that in waveguides with arbitrary cross section and with one or two symmetry axes you can generate, also by means of the BI-RME method, the whole family of waveguide modes, so that they verify a certain fictitious boundary condition of electric or magnetic walls in the symmetry plane, and the advantages regarding the computation of the modes are discussed. Furthermore, those different symmetry families of waveguide modes propagate in an independent way along the structures constituted by a connection of uniform waveguides. This situation can also be exploited to increase in a remarkable way the efficiency of the Computer-Aided-Design (CAD) electromagnetic software packages. Once verified with success the efficiency and precision of the new CAD tool developed by means of the analysis of transitions published in the related technical bibliography, the analysis of really complex passive waveguide devices is performed. Some passive waveguide devices analyzed are for instance a filter with inductive coupling windows and tuning screws, a filter with rounded corners, dual mode filters in circular waveguide with elliptic irises or in elliptic waveguides, an evanescent filter, a low bandpass filter in coaxial waveguide, and finally a new 90º twist component for space applications. The simulated results are totally validated by means of comparison with other data published in the related technical bibliography, or by means of measurements of manufactured prototypes. Finally, the conclusions of this work are extracted and future research lines are outlined. Publications in journal and congress presentations in the framework of this thesis are also indicated. / [ES] El objetivo general de esta tesis es el desarrollo de una herramienta b´asica general para el an´alisis de dispositivos pasivos de microondas y ondas milim´etricas usados en la nueva generaci´on de sistemas de comunicaciones. En particular, el trabajo se centra en desarrollar una herramienta para una eficiente y precisa caracterizaci´on modal de dispositivos pasivos constituidos por gu´ıas de onda de secci´on transversal arbitraria. Para cumplir con este objetivo se propone extender un m´etodo surgido recientemente y llamado BI-RME (Boundary Integral - Resonant Mode Expansion, que en espa˜nol significa Integral de Contorno - Expansi´on Modal Resonante). Este m´etodo se ha revelado como uno de los m´as adecuados, por su tremenda eficiencia computacional, para caracterizar modalmente las gu´ıas de secci´on transversal arbitraria. Respecto al m´etodo BI-RME original se pretende mejorar la precisi´on y la eficiencia en presencia de perturbaciones circulares y el´ıpticas en el contorno de las gu´ıas a estudiar. El primer trabajo de la tesis consiste entonces en extender la teor´ıa del m´etodo BI-RME a geometr´ıas circulares y el´ıpticas incluyendo la posibilidad de conectar estos dos nuevos tipos de arcos (circulares y el´ıpticos) con los tramos rectos usados hasta ahora en la implementaci´on pr´actica del m´etodo. Con el objeto de validar la nueva teor´ıa desarrollada se calcula un conjunto de par´ametros, como las frecuencias de corte, la longitud de onda de corte o el campo electromagn´etico, que caracterizan gu´ıas can´onicas y gu´ıas arbitrarias de inter´es pr´actico, y se comparan los resultados obtenidos con las soluciones anal´ıticas conocidas o resultados publicados en la literatura. Una vez obtenida la carta modal de las diferentes gu´ıas de secci´on transversal arbitraria, el paso siguiente es calcular las integrales de acoplo entre estos modos y los modos de la gu´ıa rectangular que encierra completamente el contorno arbitrario. Tales integrales son fundamentales para el an´alisis modal de estructuras pasivas de microondas constituidas por transiciones planares entre gu´ıas de secci´on transversal distinta. Para estudiar estas estructuras pasivas, se integra la nueva y extendida t´ecnica BI-RME propuesta en una herramienta inform´atica basada en el m´etodo de la ecuaci´on integral, el cual permite caracterizar eficientemente transiciones planares mediante matrices de inmitancia (admitancia o impedancia). Este m´etodo de an´alisis electromagn´etico full-wave necesita el espectro modal de cada una de las gu´ıas que forman las transiciones, as´ı como las integrales de acoplo entre los modos de las dos gu´ıas adyacentes que constituyen la discontinuidad. En el caso de gu´ıas rectangulares, dicha informaci´on modal se puede obtener f´acilmente de forma anal´ıtica. Sin embargo cuando una gu´ıa o las dos tienen una secci´on transversal arbitraria, esta informaci´on se puede obtener de forma eficiente y precisa mediante el m´etodo BI-RME. El empleo del m´etodo de la ecuaci´on integral basado en matrices de admitancias o de impedancias para caracterizar dispositivos integrados por gu´ıas conectadas en cascada resulta especialmente ventajoso, pues conduce a un sistema de ecuaciones lineales a resolver cuya matriz de coeficientes presenta una estructura en banda, caracter´ıstica que puede explotarse adecuadamente para incrementar la eficiencia computacional asociada a la resoluci´on del citado sistema, y reducir considerablemente el coste asociado al an´alisis de dispositivos complejos. A continuaci´on se demuestra como en gu´ıas de secci´on transversal arbitraria con uno o dos ejes de simetr´ıa se puede generar, tambi´en mediante el m´etodo BI-RME, toda la familia de modos de dicha gu´ıa de manera que verifiquen una cierta condici´on de contorno ficticia de pared el´ectrica o pared magn´etica en el plano de simetr´ıa, y se discuten las ventajas computacionales respecto a calcular todos los modos simult´aneamente. Adem´as, las distintas familias de simetr´ıa se propagan de forma independiente a lo largo de estructuras constituidas por una conexi´on en cascada de gu´ıas uniformes que presentan la misma simetr´ıa. Dicha situaci´on se puede explotar para aumentar de forma notable la eficiencia del simulador electromagn´etico. Verificada con ´exito la eficiencia y precisi´on de la nueva herramienta inform´atica desarrollada mediante el an´alisis de transiciones publicadas en la bibliograf´ıa t´ecnica relacionada, se analizan dispositivos pasivos realmente complejos, tales como un filtro con ventanas de acoplo inductivas y tornillos de sinton´ıa, un filtro con esquinas redondeadas, filtros de modo dual en gu´ıa circular con iris el´ıpticos o en gu´ıa el´ıptica, un filtro de modo evanescente, un filtro paso bajo en gu´ıa coaxial, y finalmente un nuevo girador de polarizaci´on de 90o para aplicaciones espaciales. Los resultados son completamente validados mediante comparaci´on con otros publicados en la bibliograf´ıa t´ecnica relacionada, o bien mediante las medidas de las respuestas asociadas a unas implementaciones pr´acticas de las estructuras analizadas. Finalmente se extraen las conclusiones de la tesis y se indican posibles l´ıneas de investigaci´on futuras. Se indican tambi´en las publicaciones en revistas y las comunicaciones en congresos a que ha dado lugar el trabajo desarrollado en el marco de esta tesis. / [CA] L’objectiu general d’esta tesi ´es el desenrotllament d’una ferramenta b`asica general per a l’an`alisi de dispositius passius de microones i ones mil·lim`etriques usats en la nova generaci´o de sistemes de comunicacions. En particular, el treball se centra en desenrotllar una ferramenta per a una eficient i precisa caracteritzaci´o modal de dispositius passius constitu¨ıts per guies d’ona de secci´o transversal arbitr`aria. Per a complir amb este objectiu es proposa estendre un m`etode sorgit recentment i anomenat BI-RME (Boundary Integral - Resonant Mode Expansion, que en valenci`a significa Integral de Contorn - Expansi´o Modal Ressonant). Este m`etode s’ha revelat com un dels mes adequats, per la seua tremenda efici`encia computacional, per a caracteritzar modalment les guies de secci´o transversal arbitr`aria. Respecte al m`etode BI-RME original es pret´en millorar la precisi´o i l’efici`encia en pres`encia de pertorbacions circulars i el·l´ıptiques en el contorn de les guies a estudiar. El primer treball de la tesi consistix aleshores a estendre la teoria del m`etode BI-RME a geometries circulars i el·l´ıptiques incloent la possibilitat de connectar estos dos nous tipus d’arcs (circulars i el·l´ıptics) amb els trams rectes usats fins ara en la implementaci´o pr`actica del m`etode. Amb l’objecte de validar la nova teoria desenrotllada es calcula un conjunt de par`ametres, com les freq¨ u`encies de tall, la longitud d’ona de tall o el camp electromagn`etic, que caracteritzen guies can`oniques i guies arbitr`aries d’inter´es pr`actic, i es comparen els resultats obtinguts amb les solucions anal´ıtiques conegudes o resultats publicats en la literatura. Una vegada obtinguda la carta modal de les diferents guies de secci´o transversal arbitr`aria, el pas seg¨uent ´es calcular les integrals d’acoblament entre estos modes i els modes de la guia rectangular que tanca completament el contorn arbitrari. Tals integrals s´on fonamentals per a l’an`alisi modal d’estructures passives de microones constitu¨ıdes per transicions planars entre guies de secci´o transversal distinta. Amb eixa finalitat, s’integra la nova i estesa t`ecnica BI-RME proposta en una ferramenta inform`atica basada en el m`etode de l’equaci´o integral, el qual permet caracteritzar eficientment transicions planars per mitj`a de matrius d’inmit`ancia (admit`ancia o imped`ancia). Este m`etode d’an`alisi electromagn`etica full-wave necessita l’espectre modal de cadascuna de les guies que formen les transicions, aix´ı com les integrals d’acoblament entre els modes de les dos guies adjacents que constitu¨ıxen la discontinu¨ıtat. En el cas de guies rectangulars, dita informaci´o modal es pot obtindre f`acilment de forma anal´ıtica. No obstant quan una guia o les dos tenen una secci´o transversal arbitr`aria, esta informaci´o es pot obtindre de forma eficient i precisa per mitj` a del m`etode BI-RME. L’us del m`etode de l’equaci´o integral basat en matrius d’admit`ancies o d’imped`ancias per a caracteritzar dispositius integrats per guies connectades en cascada resulta especialment avantatj´os, perqu`e condu¨ıx a un sistema d’equacions lineals a resoldre la matriu de coeficients del qual presenta una estructura en banda, caracter´ıstica que pot explotar-se adequadament per a incrementar l’efici`encia computacional associada a la resoluci´o del citat sistema, i reduir considerablement el cost associat a l’an`alisi de dispositius complexos. A continuaci´o es demostra com en guies de secci´o transversal arbitr`aria amb un o dos eixos de simetria es pot generar, tamb´e per mitj`a del m`etode BI-RME, tota la fam´ılia de modes de dita guia de manera que verifiquen una certa condici´o de contorn fict´ıcia de paret el`ectrica o paret magn`etica en el pla de simetria, i es discutix els avantatges computacionals respecte a calcular tots els modes simult`aniament. A m´es, les distintes fam´ılies de simetria es propaguen de forma independent al llarg d’estructures constitu¨ıdes per una connexi´o en trencada de guies uniformes que tenen les meteixes propietats de simetria. La dita situaci´o es pot explotar per a augmentar de forma notable l’efici`encia del simulador electromagn`etic. Verificada amb `exit l’efici`encia i precisi´o de la nova ferramenta inform`atica desenrotllada per mitj`a de l’an`alisi de transicions publicades en la bibliografia t`ecnica relacionada, s’analitzen dispositius passius realment complexos, tals com un filtre amb finestres d’acoblament inductives i tornels de sintonia, un filtre amb cantons arredonits, filtres de modo dual en guia circular amb iris el·l´ıptics o en guia el·l´ıptica, un filtre de modo evanescent, un filtre pas baix en guia coaxial, i finalment un nou girador de polaritzaci´o de 90o per a aplicacions espacials. Els resultats s´ on completament validats per mitjanc¸ant la comparaci´o amb altres publicats en la bibliografia t` ecnica relacionada, o b´e per mitj`a de les mesures de les respostes associades a unes implementacions pr`actiques de les estructures analitzades. Finalment s’extrauen les conclusions de la tesi i s’indiquen possibles l´ınies d’investigaci´o futures. S’indiquen tamb´e les publicacions en revistes i les comunicacions en congressos a qu`e ha donat lloc el treball desenrotllat en el marc d’esta tesi. / Marini, S. (2005). Análisis modal eficiente de dispositivos pasivos de microondas implementados con guías de sección transversal arbitraria [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/131737