Integrated microwave photonics changes the scaling laws of information and communication systems offering architectural choices that combine photonics with electronics to optimize performance, power, footprint and cost. Application Specific Photonic Integrated Circuits, where particular circuits/chips are designed to optimally perform particular functionalities, require a considerable number of design and fabrication iterations leading to long-development times and costly implementations. A different approach inspired by electronic Field Programmable Gate Arrays is the programmable Microwave Photonic processor, where a common hardware implemented by the combination of microwave, photonic and electronic subsystems, realizes different functionalities through programming. Here, we propose the first-ever generic-purpose Microwave Photonic processor concept and architecture. This versatile processor requires a powerful end-to-end field-based analytical model to optimally configure all their subsystems as well as to evaluate their performance in terms of the radiofrequency gain, noise and dynamic range. Therefore, we develop a generic model for integrated Microwave Photonics systems. The key element of the processor is the reconfigurable optical core. It requires high flexibility and versatility to enable reconfigurable interconnections between subsystems as well as the synthesis of photonic integrated circuits. For this element, we focus on a 2-dimensional photonic waveguide mesh based on the interconnection of tunable couplers. Within the framework of this Thesis, we have proposed two novel interconnection schemes, aiming for a mesh design with a high level of versatility. Focusing on the hexagonal waveguide mesh, we explore the synthesis of a high variety of photonic integrated circuits and particular Microwave Photonics applications that can potentially be performed on a single hardware. In addition, we report the first-ever demonstration of such reconfigurable waveguide mesh in silicon. We demonstrate a world-record number of functionalities on a single photonic integrated circuit enabling over 30 different functionalities from the 100 that could be potentially obtained with a simple seven hexagonal cell structure. The resulting device can be applied to different fields including communications, chemical and biomedical sensing, signal processing, multiprocessor networks as well as quantum information systems. Our work is an important step towards this paradigm and sets the base for a new era of generic-purpose photonic integrated systems. / Los dispositivos integrados de fotónica de microondas ofrecen soluciones optimizadas para los sistemas de información y comunicación. Generalmente, están compuestos por diferentes arquitecturas en las que subsistemas ópticos y electrónicos se integran para optimizar las prestaciones, el consumo, el tamaño y el coste del dispositivo final. Hasta ahora, los circuitos/chips de propósito específico se han diseñado para proporcionar una funcionalidad concreta, requiriendo así un número considerable de iteraciones entre las etapas de diseño, fabricación y medida, que origina tiempos de desarrollo largos y costes demasiado elevados. Una alternativa, inspirada por las FPGA (del inglés Field Programmable Gate Array), es el procesador fotónico programable. Este dispositivo combina la integración de subsistemas de microondas, ópticos y electrónicos para realizar, mediante la programación de los mismos y sus interconexiones, diferentes funcionalidades. En este trabajo, proponemos por primera vez el concepto del procesador de propósito general, así como su arquitectura. Además, con el fin de diseñar, optimizar y evaluar las prestaciones básicas del dispositivo, hemos desarrollado un modelo analítico extremo a extremo basado en las componentes del campo electromagnético. El modelo desarrollado proporciona como resultado la ganancia, el ruido y el rango dinámico global para distintas configuraciones de modulación y detección, en función de los subsistemas y su configuración. El elemento principal del procesador es su núcleo óptico reconfigurable. Éste requiere un alto grado de flexibilidad y versatilidad para reconfigurar las interconexiones entre los distintos subsistemas y para sintetizar los circuitos para el procesado óptico. Para este subsistema, proponemos el diseño de guías de onda reconfigurables para la creación de mallados bidimensionales. En el marco de esta tesis, hemos propuesto dos nuevos nodos de interconexión óptica para mallas reconfigurables, con el objetivo de obtener un mayor grado de versatilidad. Una vez escogida la malla hexagonal para el núcleo del procesador, hemos analizado la configuración de un gran número de circuitos fotónicos integrados y de funcionalidades de fotónica de microondas. El trabajo se ha completado con la demonstración de la primera malla reconfigurable integrada en un chip de silicio, demostrando además la síntesis de 30 de las 100 funcionalidades que potencialmente se pueden obtener con la malla diseñada compuesta de 7 celdas hexagonales. Este hecho supone un record frente a los sistemas de propósito específico. El sistema puede aplicarse en diferentes campos como las comunicaciones, los sensores químicos y biomédicos, el procesado de señales, la gestión y procesamiento de redes y los sistemas de información cuánticos. El conjunto del trabajo realizado representa un paso importante en la evolución de este paradigma, y sienta las bases para una nueva era de dispositivos fotónicos de propósito general. / Els dispositius integrats de Fotònica de Microones oferixen solucions optimitzades per als sistemes d'informació i comunicació. Generalment, estan compostos per diferents arquitectures en què subsistemes òptics i electrònics s'integren per a optimitzar les prestacions, el consum, la grandària i el cost del dispositiu final. Fins ara, els circuits/xips de propòsit específic s'han dissenyat per a proporcionar una funcionalitat concreta, requerint així un nombre considerable d'iteracions entre les etapes de disseny, fabricació i mesura, que origina temps de desenrotllament llargs i costos massa elevats. Una alternativa, inspirada per les FPGA (de l'anglés Field Programmable Gate Array), és el processador fotònic programable. Este dispositiu combina la integració de subsistemes de microones, òptics i electrònics per a realitzar, per mitjà de la programació dels mateixos i les seues interconnexions, diferents funcionalitats. En este treball proposem per primera vegada el concepte del processador de propòsit general, així com la seua arquitectura. A més, a fi de dissenyar, optimitzar i avaluar les prestacions bàsiques del dispositiu, hem desenrotllat un model analític extrem a extrem basat en els components del camp electromagnètic. El model desenrotllat proporciona com resultat el guany, el soroll i el rang dinàmic global per a distintes configuracions de modulació i detecció, en funció dels subsistemes i la seua configuració. L'element principal del processador és el seu nucli òptic reconfigurable. Este requerix un alt grau de flexibilitat i versatilitat per a reconfigurar les interconnexions entre els distints subsistemes i per a sintetitzar els circuits per al processat òptic. Per a este subsistema, proposem el disseny de guies d'onda reconfigurables per a la creació de mallats bidimensionals. En el marc d'esta tesi, hem proposat dos nous nodes d'interconnexió òptica per a malles reconfigurables, amb l'objectiu d'obtindre un major grau de versatilitat. Una vegada triada la malla hexagonal per al nucli del processador, hem analitzat la configuració d'un gran nombre de circuits fotónicos integrats i de funcionalitats de fotónica de microones. El treball s'ha completat amb la demostració de la primera malla reconfigurable integrada en un xip de silici, demostrant a més la síntesi de 30 de les 100 funcionalitats que potencialment es poden obtindre amb la malla dissenyada composta de 7 cèl·lules hexagonals. Este fet suposa un rècord enfront dels sistemes de propòsit específic. El sistema pot aplicarse en diferents camps com les comunicacions, els sensors químics i biomèdics, el processat de senyals, la gestió i processament de xarxes i els sistemes d'informació quàntics. El conjunt del treball realitzat representa un pas important en l'evolució d'este paradigma, i assenta les bases per a una nova era de dispositius fotónicos de propòsit general. / Pérez López, D. (2017). Integrated Microwave Photonic Processors using Waveguide Mesh Cores [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/91232 / TESIS

Silicon photonics has been a rapidly growing subfield of integrated optics and optoelectronic in the last decade and is currently considered a mature technology. The main thrust behind the growth is its compatibility with the mature and low-cost microelectronic integrated circuits fabrication process. In recent years, several active and passive photonic devices and circuits have been demonstrated on silicon. Optical delay lines are among important silicon photonic devices, which are essential for a variety of photonic system applications including optical beam-forming for controlling phased-array antennas, optical communication and networking systems and optical coherence tomography. In this thesis, several types of delay lines based on apodized grating waveguides are proposed and demonstrated. Simulation and experimental results suggest that these novel devices can provide high optical delay and tunability at very high bit rate. While most of silicon photonics research has focused in the near-infrared wavelengths, extending the operating wavelength range of the technology into in the 3–5 µm, or the mid-wave infrared regime, is a more recent field of research. A key challenge has been that the standard silicon-on-insulator waveguides are not suitable for the midinfrared, since the material loss of the buried oxide layer becomes substantially high. Here, the silicon-on-sapphire waveguide technology, which can extend silicon’s operating wavelength range up to 4.4 µm, is investigated. Furthermore, silicon-on-nitride waveguides, boasting a wide transparent range of 1.2–6.7 μm, are demonstrated and iv characterized for the first time at both mid-infrared (3.39 μm) and near-infrared (1.55 μm) wavelengths.

The content of this thesis encompasses the fundamentals, modelling, chip design, nanofabrication process, measurement setup, and experimental results of devices exploiting the optical properties of phase-change chalcogenide materials. Special attention is paid to integrated Si₃N₄ nanophotonic circuits for optical switching and memory applications, as well as to multilayer stacks for colour modulation. Herein, the implementation of the first robust, non-volatile, phase-change photonic memory is presented. By utilising optical near-field effects for Read, Write and Erase operations, bit storage of up to eight transmission levels is demonstrated in a single device employing Ge₂Sb₂Te₅ as the active material. These on-chip memory cells feature single-shot read-out of the transmission state and switching energies as low as 13.4pJ at speeds approaching 1GHz. The capability to readily switch between intermediate states is also demonstrated, a feature that requires complex iteration-based algorithms in electronic phase-change memories. This photonic memory is not only the first truly non-volatile memory---a long-term elusive goal in integrated photonics---but could also potentially represent the first multi-level memory, including electronic counterparts, that requires no computational post-processing or drift correction. These findings provide a pathway towards solving the throughput limitations of current computer architectures by eliminating the so-called von-Neumann bottleneck and portend a new paradigm in all-photonic memory, non-conventional computing, and tunable photonic devices. Finally, novel capabilities in electro-optic colour modulation using phase-change materials are demonstrated. In particular, this thesis offers the first implementation of Ag₃In₄Sb₇₆Te₁₇-based optical cavities for colour modulation on low-dimensional multilayer stacks. Moreover, "gray-scale" image writing is demonstrated by establishing intermediate levels of crystallisation via voltage modulation. This finding, in turn, corresponds to the first demonstration of nonvolatile colour-depth modulation in the emerging phase-change materials nanodisplay technology, featuring resolutions down to 50nm. Furthermore, a comprehensive comparison is carried out for two types of materials: growth- (Ag₃In₄Sb₇₆Te₁₇) and nucleation-dominated (Ge₂Sb₂Te₅) alloys in terms of colour, energy efficiency, and resolution. These results provide new tools for the new generation of bistable and ultra-high-resolution displays and smart glasses while allowing for other potential applications in photonics and optoelectronics.

Orientadores: Hugo Enrique Hernandez Figueroa , Júlio César Rodrigues Fernandes de Oliveira / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-26T03:17:30Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Freitas_AlexandrePassos_M.pdf: 2935936 bytes, checksum: 2bf660b1a9d7a183bc552d3db9da1b97 (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: O crescente aumento da demanda de tráfego de dados dos sistemas de comunicação ópticos em conjunto com a busca da integração e miniaturização cada vez maior dos componentes impulsionaram a fotônica integrada em silício como uma das tecnologias promissoras para a evolução das novas gerações de dispositivos ópticos. Esta tecnologia, além de possuir suas características de um alto contraste de índice de refração, capacidade de modulação óptica através de controle de temperatura ou por densidade de portadores, se utiliza da infra-estrutura de fabricação para a indústria de microeletrônica já desenvolvida nas últimas décadas. Neste cenário, este trabalho propõe o desenvolvimento de um modulador de fase fabricado com a tecnologia de fotônica integrada em silício para o formato de modulação DP-QPSK e que opere na banda C de comunicação óptica. Análises de simulações e experimentais foram realizadas para a validação do fluxo de desenvolvimento do circuito e de cada componentes utilizado individualmente / Abstract: The increasing demand for data in optical communication systems with a constant search for reduction of device dimensions boosted silicon photonics as a candidate technology to the following optical device generations. Besides having high refractive index contrast, modulation capabilities through thermal or by carrier density control, this technology takes advantage of the microelectronic infra-structure developed in the last decades to fabricate small optical components with high reliability. In this scenario, this dissertation proposes the design of a phase modulator in silicon photonic technology. This modulator is able to operate at C-band and make the DP-QPSK modulation. Simulation and experiment analysis were made to validate the design flow for the optical circuit and for each single component / Mestrado / Telecomunicações e Telemática / Mestre em Engenharia Elétrica

Topological Photonics is a rapidly growing field which explores the ideas of topological invariants adapted from condensed matter physics to optical systems. Thanks to integrated photonics platforms, the evolution of light in nanoscale photonic lattices can enable direct measurement of topological properties of the band-structure. In this degree project, we study the topological Anderson phase transition in disordered one-dimensional lattices, and probe distinct topological phases in photonic superlattices. In first part, we fabricate photonic lattices with different disorder strength, and observe the topological transition from trivial topological Anderson phase to non-trivial topological Anderson phase as the system disorder is increased. In second part, we focus on probing the Zak phase in photonic superlattices. We fabricate a superlattice system that utilizes either bulk excitation or edge excitation. We identify the trivial and non-trivial Zak phase using two methods: first, through reconstructing the intensity evolution in the edge waveguide, second, through calculating the beam displacement in the case of bulk excitation .  In order to study the evolution of the light in the nano-scaled photonic lattices, we develop a novel technique: Loss-Induced Scattering Approach (LISA), which enables high fidelity reconstruction of the photonic state evolving in the lattice. / Topologisk fotonik är ett snabbt växande område som utforskar idéerna om topologiska invarianter anpassade från kondenserad materiens fysik till optiska system. Tack vare integrerade fotonikplattformar kan ljusutvecklingen i fotoniska gitter i nanoskala möjliggöra direkt mätning av topologiska egenskaper hos bandstrukturen. I detta examensarbete studerar vi den topologiska Anderson-fasövergången i oordnade endimensionella gitter, och undersöker distinkta topologiska faser i fotoniska supergitter. I den första delen tillverkar vi fotoniska gitter med olika störningsstyrka och observerar den topologiska övergången från trivial topologisk Anderson-fas till icke-trivial topologisk Anderson-fas när systemstörningen ökar. I den andra delen fokuserar vi på att sondera Zak-fasen i fotoniska supergitter. Vi tillverkar ett supergittersystem som använder antingen bulkexcitering eller kantexcitering. Vi identifierar den triviala och icke-triviala Zak-fasen med två metoder: för det första genom att rekonstruera intensitetsutvecklingen i kantvågledaren, för det andra genom att beräkna strålens förskjutning vid bulkexcitation. För att studera utvecklingen av ljuset i de nanoskalade fotoniska gittren, utvecklar vi en ny teknik: Loss-Induced Scattering Approach (LISA), som möjliggör högtrohetsrekonstruktion av det fotoniska tillståndet som utvecklas i gittret.

[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

Dans les prochaines décennies, les limites des systèmes de communications optiques actuels seront atteintes à moins d'adopter de nouvelles solutions. L'une d'elles est l'utilisation d'une nouvelle plage spectrale autour de 2 µm stimulée par l'apparition des amplificateurs fibrés dopés thulium. Dans ce manuscrit, nous nous y intéresserons dans le cadre de transmissions très courtes distances sur puces photoniques. Divers matériaux, dont le dioxyde de titane, seront ainsi explorés.Ce travail de thèse a deux principaux objectifs. D'une part, il vise à démontrer que le dioxyde de titane (TiO2), matériau encore peu exploré, est prometteur pour des applications télécoms en le comparant à des plateformes plus matures. D'autre part, il tend à introduire la bande spectrale autour de 2 µm comme une solution à envisager pour les télécommunications de nouvelle génération.Plus précisément, la première partie de cette thèse a pour but de développer une technique pour coupler efficacement la lumière dans les structures en TiO2). Pour la première fois, une configuration faisant appel à un réseau métallique enterré a été évaluée numériquement avant d'être caractérisée expérimentalement. La seconde partie présente des transmissions télécoms haut-débit (10 Gbit/s) autour de µm réalisées sans erreurs dans des guides d'ondes sub-longueur d'onde ou multimodes en dioxyde de titane, silicium ou silicium-germanium. Pour terminer, des fonctions non-linéaires sont explorées sur ces puces photoniques. Il a été ainsi démontré une conversion en longueurs d'onde à 2 µm atteignant -10dB sur silicium ou la génération du premier supercontinuum s'étalant du visible à 2 µm dans un guide d'onde en TiO2. / In the next decades, the limits of current optical communication systems will be reached unless new solutions are adopted. On of them is the use of a new spectral range around 2 µm enabled by the emergence of thulium-doped fiber amplifiers. In this thesis, we will focus on it in the context of very short distances transmissions on photonic chips. Various materials, mainly titanium dioxide (TiO2), will be explored.This thesis work has two main objectives. On the one hand, it aims to demonstrate that a material relatively unexplored, titanium dioxide, is promising for telecom applications by comparing it to more mature plateforms. On the other hand, it tends to introduce the spectral band around 2 µm as a solution to be considered for next-generation communications.More precisely, the first part of this thesis aims to develop a technique to efficiently couple light in TiO2 structures. For the first time, a configuration using a buried metallic grating was evaluated numerically and then characterized experimentally. The second part presents error-free high-speed (10 Gbit/s) telecom transmissions around 2 µm carried out in subwavelength or multimode waveguides in titanium dioxide, silicon or silicon-germanium. Finally, nonlinear functions are explored on the photonic chips. Thus, it has been demonstrated a wavelength conversion at 2 µm reaching -10dB on a silicon waveguide or the first supercontinuum generation spreading from visible to 2 µm wavelength in a TiO2 waveguide.

Le travail présenté dans cette thèse porte sur la conception, la fabrication et la caractérisation de sources prévues pour fonctionner à la fois comme diode laser et comme oscillateur paramétrique optique. Ces lasers sont conçus pour émettre sur un mode d’ordre supérieur afin de permettre une conversion de fréquence paramétrique avec les modes fondamentaux du guide à la fréquence moitié. La diode laser et l’OPO partagent la même cavité optique ; pour assurer l’accord de phase et corriger les écarts à la structure nominale induits lors de l’élaboration par épitaxie, la largeur de ruban est utilisée comme paramètre de contrôle des indices efficaces. Les diodes proposées sont donc étroites (3-5 µm) et gravées profondément. En conséquence, il est potentiellement intéressant d’utiliser des boîtes quantiques pour limiter les recombinaisons non radiatives sur les flancs. Dans le cadre de ce travail, nous avons conçu des diodes basées sur ce principe pour les deux systèmes GaAs/AlGaAs et InGaAsP/InP, qui permettent respectivement d’obtenir potentiellement une émission OPO au voisinage de 2 µm ou de 3 µm. Dans le cas de l’InGaAsP/InP, nous avons étudié au préalable l’indice de réfraction des alliages InGaAsP dans une plage de longueur d’onde jusque-là non couverte par la littérature. Ces données ont été acquises via des mesures d’indice efficace (m-lines) de couches guidantes d’InGaAsP épitaxiées en accord de maille sur un substrat d’InP. Pour des structures laser-OPO optimisées, les simulations montrent que le seuil OPO devrait être obtenu pour une puissance de pompe intracavité de quelques centaines de mW, qu’il est réaliste d’atteindre pour des diodes laser à l’état de l’art. Nous avons étudié les propriétés électro-optiques de diodes lasers à puits quantiques GaAs/AlGaAs réalisées sur la base de nos dessins; l’observation de l’effet laser sur le mode TE2 valide le dessin vertical original de nos diodes lasers. En vue de la fabrication de laser-OPO à ruban étroit, nous avons développé des procédés de fabrication nouveaux sur la Plateforme Technologique Amont (CEA – Grenoble), notamment la gravure profonde (>10 µm) par ICP-RIE. Enfin, nous avons proposé un concept alternatif de diode-OPO, comprenant des cavités laser et OPO distinctes couplées par un taper adiabatique / The work presented in this thesis deals with the design, fabrication and characterization of sources intended to function as both laser diodes and optical parametric oscillators. These lasers are designed to emit on a higher order mode to allow parametric frequency conversion with fundamental modes of the guide at half frequency. The laser diode and OPO share the same optical cavity; to ensure phase matching and correct nominal structure deviations induced during epitaxial processing, the ridge width is used as a control parameter of the effective indices. The proposed diodes are therefore narrow (3-5 μm) and etched deeply. Consequently, it is potentially interesting to use quantum dots to limit non-radiative recombination on the sidewalls. In the context of this work, we have designed diodes based on this principle for the two GaAs/AlGaAs and InGaAsP/InP systems, which respectively allow to potentially obtain an OPO emission in the vicinity of 2 μm or 3 μm. In the case of InGaAsP/InP, we previously studied the refractive index of InGaAsP alloys in a wavelength range not covered by literature to this day. This data was acquired via effective m-line index measurements of InGaAsP guiding layers epitaxially grown on and lattice-matched to an InP substrate. For optimized laser-OPO structures, simulations show that the OPO threshold should be obtained for an intracavity pump power of a few hundred mW, which is realistic to achieve for state-of-the-art laser diodes. We have studied the electro-optical properties of GaAs/AlGaAs quantum well laser diodes made on the basis of our designs; the observation of the laser effect on the TE2 mode validates the original vertical design of our laser diodes. For the manufacture of narrow-ridge lasers-OPOs, we have developed new manufacturing processes on the Plateforme Technologique Amont (Upstream Technology Platform, CEA - Grenoble), including deep etching (> 10 μm) by ICP-RIE. Finally, we have proposed an alternative diode-OPO concept, comprising distinct laser and OPO cavities coupled by an adiabatic taper

In the quest for ultrathin materials compatible with CMOS technology for all-optical signal processing applications in integrated photonics, graphene appears to be a promising candidate, with broadband1 optical properties and a high and broadband optical nonlinearity. However, researchers do not agree on the value of its nonlinear refractive index, and commonly used characterization methods do not provide a clear picture of the optical nonlinearity, in terms of its tensor nature or relaxation time. In the first part of this thesis, apart from the previously used Z-scan method, we have also used the ultrafast Optical Kerr Effect method coupled to Optical Heterodyne Detection (OHD-OKE) for the characterization of the third order optical nonlinearity of monolayer CVD graphene at telecom wavelengths. This method allows to separately measure the real and the imaginary part of the third-order nonlinearity, as well as their dynamics. With respect to the Z-scan method, OHD-OKE presents the major advantage of being robust against inhomogeneities of the sample. As such, we have demonstrated that graphene has a negative nonlinear refractive index, contrary to previously reported results. In addition, we have studied the real and imaginary part of graphene’s nonlinearity, when electrostatic gating is applied to change the chemical potential of graphene. Furthermore, we have proposed an enhanced version of the OHD-OKE method, together with the appropriate theoretical framework, in order to extract the tensor elements of the nonlinearity including the out-of-plane tensor elements. In particular, we have measured separately the time response of the two main tensor elements of the nonlinear susceptibility and we have experimentally verified that the out-of-plane tensor components are negligible. In the second part of this thesis, we have investigated, from an experimental point of view, the use of the nonlinear optical response of graphene for all-optical switching applications in integrated photonics. Namely, we have designed simple silicon nitride waveguide structures that constitute basic building blocks of switching devices, which were then fabricated and covered by graphene patches. Finally, we have experimentally tested the graphene-covered structures at low and high power levels and discussed the results. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished