[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 por compendio / [ES] La fotónica de silicio es una tecnología emergente clave en redes de comunicación e interconexiones de centros de datos de nueva generación, entre otros. Su éxito se basa en la utilización de plataformas compatibles con la tecnología CMOS para la integración de circuitos ópticos en dispositivos pequeños para una producción a gran escala a bajo coste. Dentro de este campo, los interferómetros integrados juegan un papel crucial en el desarrollo de diversas aplicaciones fotónicas en un chip como sensores biológicos, moduladores electro-ópticos, conmutadores totalmente ópticos, circuitos programables o sistemas LiDAR, entre otros. Sin embargo, es bien sabido que la interferometría óptica suele requerir caminos de interacción muy largos, lo que dificulta su integración en espacios muy compactos. Para mitigar algunas de estas limitaciones de tamaño, surgieron varios enfoques, incluyendo materiales sofisticados o estructuras más complejas, que, en principio, redujeron el área de diseño pero a expensas de aumentar los pasos del proceso de fabricación y el coste. Esta tesis tiene como objetivo proporcionar soluciones generales al problema de tamaño típico de los interferómetros ópticos integrados, con el fin de permitir la integración densa de dispositivos basados en silicio. Para ello, aunamos los beneficios tanto de las guías de onda bimodales como de las estructuras periódicas, en términos de la mejora del rendimiento y la posibilidad para diseñar interferómetros monocanal en áreas muy reducidas. Más específicamente, investigamos los efectos dispersivos que aparecen en estructuras menores a la longitud de onda y en las de cristal fotónico, para su implementación en diferentes configuraciones interferométricas bimodales. Además, demostramos varias aplicaciones potenciales como sensores, moduladores y conmutadores en tamaños ultra compactos de unas pocas micras cuadradas. En general, esta tesis propone un nuevo concepto de interferómetro integrado que aborda los requisitos de tamaño de la fotónica actual y abre nuevas vías para futuros dispositivos basados en funcionamiento bimodal. / [CA] La fotònica de silici és una tecnologia emergent clau en xarxes de comunicació i interconnexions de centres de dades de nova generació, entre altres. El seu èxit es basa en la utilització de plataformes compatibles amb la tecnologia CMOS per a la integració de circuits òptics en dispositius diminuts per a una producció a gran escala a baix cost. Dins d'aquest camp, els interferòmetres integrats juguen un paper crucial en el desenvolupament de diverses aplicacions fotòniques en un xip com a sensors biològics, moduladors electro-òptics, commutadors totalment òptics, circuits programables o sistemes LiDAR, entre altres. No obstant això, és ben sabut que la interferometría òptica sol requerir camins d'interacció molt llargs, la qual cosa dificulta la seua integració en espais molt compactes. Per a mitigar algunes d'aquestes limitacions de grandària, van sorgir diversos enfocaments, incloent materials sofisticats o estructures més complexes, que, en principi, van reduir l'àrea de disseny però a costa d'augmentar els processos de fabricació i el cost. Aquesta tesi té com a objectiu proporcionar solucions generals al problema de grandària típica dels interferòmetres òptics integrats, amb la finalitat de permetre la integració densa de dispositius basats en silici. Per a això, combinem els beneficis tant de les guies d'ones bimodals com de les estructures periòdiques, en termes de funcionament d'alt rendiment per a dissenyar interferòmetres monocanal compactes en àrees molt reduïdes. Més específicament, investiguem els efectes dispersius que apareixen en estructures menors a la longitud d'ona i en les de cristall fotònic, per a la seua implementació en diferents configuracions interferomètriques bimodals. A més, vam demostrar diverses aplicacions potencials com a sensors, moduladors i commutadors en grandàries ultres compactes d'unes poques micres cuadrades. En general, aquesta tesi proposa un nou concepte d'interferòmetre integrat que aborda els requisits de grandària de la fotònica actual i obri noves vies per a futurs dispositius basats en funcionament bimodal. / [EN] Silicon photonics is a key emerging technology in next-generation communication networks and data centers interconnects, among others. Its success relies on the ability of using CMOS-compatible platforms for the integration of optical circuits into small devices for a large-scale production at low-cost. Within this field, integrated interferometers play a crucial role in the development of several on-chip photonic applications such as biological sensors, electro-optic modulators, all-optical switches, programmable circuits or LiDAR systems, among others. However, it is well known that optical interferometry usually requires very long interaction paths, which hinders its integration in highly compact footprints. To mitigate some of these size limitations, several approaches emerged including sophisticated materials or more complex structures, which, in principle, reduced the design area but at the expense of increasing fabrication process steps and cost. This thesis aims at providing general solutions to the long-standing size problem typical of optical integrated interferometers, in order to enable the densely integration of silicon-based devices. To this end, we combine the benefits from both bimodal waveguides and periodic structures, in terms of high-performance operation and compactness to design single-channel interferometers in very reduced areas. More specifically, we investigate the dispersive effects that arise from subwavelength grating and photonic crystal structures for their implementation in different bimodal interferometric configurations. Furthermore, we demonstrate various potential applications such as sensors, modulators and switches in ultra-compact footprints of a few square microns. In general, this thesis proposes a new concept of integrated interferometer that addresses the size requirements of current photonics and open up new avenues for future bimodal-operation-based devices. / Financial support is also gratefully acknowledged through postdoctoral FPI grants from Universitat Politècnica de València (PAID-01-18). European Commission through the Horizon 2020 Programme (PHC-634013 PHOCNOSIS project). The authors acknowledge funding from the Generalitat Valenciana through the AVANTI/2019/123, ACIF/2019/009 and PPC/2020/037 grants and from the European Union through the operational program of the European Regional Development Fund (FEDER) of the Valencia Regional Government 2014–2020. / Torrijos Morán, L. (2021). Photonic Applications Based on Bimodal Interferometry in Periodic Integrated Waveguides [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/172163 / Compendio

[ES] Los biosensores son dispositivos analíticos con aplicabilidad en diferentes campos y con numerosas ventajas frente a otros métodos analíticos convencionales, como son el uso de pequeños volúmenes de muestra y reactivos, su sensibilidad y su rápida respuesta, sin necesidad de pretratamiento de la muestra, equipos caros o personal especializado. Sin embargo, se trata de un campo de investigación relativamente nuevo en el que todavía queda mucho camino por andar. Esta Tesis doctoral pretende aportar un granito de arena a este campo de conocimiento mediante el estudio del potencial de diferentes materiales porosos como transductores para el desarrollo de biosensores ópticos con respuesta en tiempo real y sin marcajes. Los materiales propuestos van desde aquellos artificialmente sintetizados, como silicio poroso (SiP), nanofibras (NFs) poliméricas o membranas poliméricas comerciales, hasta materiales naturales con propiedades fotónicas que todavía no habían sido explotadas para el sensado, como son los exoesqueletos de biosílice de diatomeas. Todos ellos tienen en común la simplicidad en su obtención, evitando costosos y laboriosos procesos de nanofabricación. Para su estudio, se analizará su respuesta óptica y, en aquellos casos en los que ésta permita llevar a cabo experimentos de detección, se desarrollarán estrategias para su biofuncionalización y su implementación en experimentos de biosensado. En el caso del SiP y las NFs se han optimizado los parámetros de fabricación para obtener una respuesta óptica adecuada que permita su interrogación. A continuación, se ha llevado a cabo su biofuncionalización empleando métodos covalentes y no covalentes, así como diferentes bioreceptores (aptámeros de ADN y anticuerpos) para estudiar su potencial y sus limitaciones como biosensores. En el caso de las membranas comerciales y el exoesqueleto de sílice de diatomeas, se ha caracterizado su respuesta óptica y se han llevado a cabo experimentos de sensado de índice de refracción para estudiar su sensibilidad. Así mismo, se ha desarrollado un método de funcionalización de la superficie del exoesqueleto de diatomeas basado en el uso de polielectrolitos catiónicos. Como resultado, se ha demostrado el potencial tanto de NFs para el desarrollo de biosensores, como el de membranas comerciales para sensores cuya aplicación no requiera una elevada sensibilidad pero sí un bajo coste. Además, se ha puesto de manifiesto el gran potencial del exoesqueleto de diatomeas para el desarrollo de sensores basados en su respuesta óptica. Por el contrario, las limitaciones encontradas en el desarrollo de biosensores basados en SiP han evidenciado la necesidad de un estudio riguroso y la optimización de la estructura de materiales porosos previamente a ser usados en (bio)sensado. / [CA] Els biosensors són dispositius analítics amb aplicabilitat en diferents camps i amb nombrosos avantatges enfront d'altres mètodes analítics convencionals, com són l'ús de xicotets volums de mostra i reactius, la seua sensibilitat i la seua ràpida resposta, sense necessitat de pretractament de la mostra, equips cars o personal especialitzat. No obstant això, es tracta d'un camp d'investigació relativament nou en el qual encara queda molt camí per fer. Aquesta Tesi doctoral pretén aportar el seu òbol a aquest camp de coneixement mitjançant l'estudi del potencial de diferents materials porosos com a transductors per al desenvolupament de biosensors òptics amb resposta en temps real i sense marcatges. Els materials proposats van des d'aquells artificialment sintetitzats, com a silici porós (SiP), nanofibras (NFs) polimèriques o membranes polimèriques comercials, fins a materials naturals amb propietats fotòniques que encara no havien sigut explotades per al sensat, com són els exoesquelets de biosílice de diatomees. Tots ells tenen en comú la simplicitat en la seua obtenció, evitant costosos i laboriosos processos de nanofabricació. Per al seu estudi, s'analitzarà la seua resposta òptica i, en aquells casos en els quals aquesta permeta dur a terme experiments de detecció, es desenvoluparan estratègies per a la seua biofuncionalizació i la seua implementació en experiments de biosensat. En el cas del SiP i les NFs s'han optimitzat els paràmetres de fabricació per a obtenir una resposta òptica adequada que permeta la seua interrogació. A continuació, s'ha dut a terme la seua biofuncionalizació emprant mètodes covalents i no covalents, així com diferents bioreceptors (aptàmers d'ADN i anticossos) per a estudiar el seu potencial i les seues limitacions com a biosensors. En el cas de les membranes comercials i l'exoesquelet de sílice de diatomees, s'ha caracteritzat la seua resposta òptica i s'han dut a terme experiments de sensat d'índex de refracció per a estudiar la seua sensibilitat. Així mateix, s'ha desenvolupat un mètode de funcionalizació de la superfície de l'exoesquelet de diatomees basat en l'ús de polielectròlits catiònics. Com a resultat, s'ha demostrat el potencial tant de NFs per al desenvolupament de biosensors, com el de membranes comercials per a sensors amb una aplicació que no requerisca una elevada sensibilitat però sí un baix cost. A més, s'ha posat de manifest el gran potencial de l'exoesquelet de diatomees per al desenvolupament de sensors basats en la seua resposta òptica. Per contra, les limitacions trobades en el desenvolupament de biosensors basats en SiP han evidenciat la necessitat d'un estudi rigorós i l'optimització de l'estructura dels materials porosos prèviament a ser usats en (bio)sensat. / [EN] Biosensors are analytical devices with application in diverse fields and with several advantages relative to other conventional methods, such as the use of small volumes of sample and reagents, their sensitivity and their fast response, without the need of the sample pretreatment, expensive equipments or specialised technicians. Nevertheless, this is a relatively new research field in which there is a long way to go yet. This doctoral Thesis aims at doing its bit to this field of knowledge by studying the potential of different porous materials as transducers for the development of real-time and label-free optical biosensors. The proposed materials range from those artificially synthesised, such as porous silicon (pSi), polymeric nanofibres (NFs) or commercial polymeric membranes, to natural materials with photonic properties that had not been exploited for sensing yet, such as biosilica exoskeletons of diatoms. All of them have in common its simple production, avoiding expensive and laborious nanofabrication processes. For their study, their optical response will be analysed and, in those cases in which such optical response allows performing detection experiments, strategies for their biofunctionalisation and their implementation in biosensing experiments will be developed as well. Regarding pSi and NFs, the fabrication parameters were optimised to get a suitable optical response for their interrogation. Afterwards, their surface functionalisation was carried out by covalent and non-covalent methods, as well as different bioreceptors (DNA aptamers and antibodies), to study their potential and their constraints as biosensors. Concerning commercial membranes and the biosilica exoskeleton of diatoms, their optical response was characterised and refractive index sensing experiments were carried out to study their sensitivity. Additionally, a biofunctionalisation method for the surface of the diatoms exoskeleton was developed based on the use of cationic polyelectrolytes. As a result, it was demonstrated the potential of NFs for the development of biosensors, as well as the potential of commercial membranes for developing sensors for an application that does not require a high sensitivity but a low cost. Furthermore, the great potential of biosilica exoskeleton of diatoms for the development of sensors based on their optical response has been revealed. By contrast, the constraints found in the development of pSi illustrate the importance of an accurate study and optimisation of porous materials structure before using them for (bio)sensing. / Martínez Pérez, P. (2021). Development and Optimization of Experimental Biosensing Protocols Using Porous Optical Transducers [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/172541

[ES] La presente tesis doctoral tiene como objetivo fundamental desarrollar nuevas estructuras capacitivas de filtrado en guía de ondas rectangular que sean capaces de proporcionar mayores ancho de banda en la banda de paso y, al mismo tiempo, mejorar la respuesta fuera de banda. Estas nuevas estructuras guiadas han sido pensadas para ofrecer nuevas soluciones tecnológicas para los filtros de microondas de alta frecuencia, con una variedad de diferentes funciones de transferencia, abordando específicamente las necesidades de los futuros sistemas de telecomunicaciones para aplicaciones terrestres y espaciales. En este contexto, por lo tanto, discutimos en este documento el estudio, diseño y fabricación de varios tipos de filtros de microondas en guía de ondas rectangular que muestran una mejora significativa con respecto al estado del arte. Las soluciones que discutimos se obtienen introduciendo modificaciones simples en la estructura de los filtros de microondas clásicos. Varias técnicas que emplean iris híbridos, resonadores con salto de impedancia, configuración en escalera y uniones T en plano E con conexiones en cortocircuito o manifold, se utilizan con éxito para cumplir con las exigentes especificaciones de los futuros sistemas para aplicaciones terrestres y espaciales. Además, un desafío actual adicional al que se enfrentan todos los diseñadores de equipos y componentes de microondas es la necesidad de reducir tanto su tamaño físico como su masa (o peso). Para abordar este problema, discutimos en este documento el uso de aperturas resonantes en guías de ondas rectangulares, presentando una nueva familia de filtros que se pueden usar para implementar funciones complejas de transferencia de banda única y banda doble con una reducción significativa de tamaño y masa. En los siguientes capítulos de esta tesis doctoral, cada tema se analiza en detalle, incluyendo las formulaciones teóricas básicas, los procedimientos de diseño, los resultados de las simulaciones electromagnéticas de onda completa, las consideraciones de fabricación y el rendimiento medido de una serie de prototipos. En todos los casos se ha encontrado una excelente concordancia entre las mediciones y las simulaciones realizadas, validando así completamente tanto las estructuras novedosas propuestas como sus procedimientos de diseño. / [CA] La present tesi doctoral té com a objectiu fonamental el desenvolupament de noves estructures capacitives de filtrat en guia d'ones rectangular que siguen capaços de proporcionar major ample de banda en la banda de pas i millorar, al mateix temps, la resposta fora de banda. Aquestes noves estructures guiades han sigut pensades per a oferir noves solucions tecnològiques per a filtres de microones d'alta freqüència, amb una varietat de diferents funcions de transferència, abordant específicament les necessitats dels futurs sistemes de telecomunicacions per a aplicacions terrestres i espacials. En aquest context, per tant, discutim en aquest document l'estudi, disseny i fabricació de diversos tipus de filtres de microones en guia d'ones rectangular que mostren una millora significativa respecte a l'estat de l'art. Les solucions que discutim s'obtenen introduint modificacions simples en l'estructura dels filtres de microones clàssics. Diverses tècniques que fan ús d'iris híbrids, ressonadors amb salt d'impedància, configuració en escala i unions T en plànol E amb connexions en curtcircuit o col·lector, s'utilitzen amb èxit per a complir amb les exigents especificacions dels sistemes futurs per a aplicacions terrestres i espacials. A més, un desafiament actual addicional al qual s'enfronten tots els dissenyadors d'equips i components de microones és la necessitat de reduir tant la seua grandària física com la seua massa (o pes). Per a abordar aquest problema, discutim en aquest document l'ús d'obertures ressonants en guies d'ones rectangulars, presentant una nova família de filtres que es poden usar per a implementar funcions complexes de transferència de banda única i doble banda amb una reducció significativa de grandària i massa. En els següents capítols d'aquesta tesi doctoral, cada tema s'analitza detalladament, incloent les formulacions teòriques bàsiques, els procediments de disseny, els resultats de les simulacions electromagnètiques d'ona completa, les consideracions de fabricació i el rendiment mesurat d'una sèrie de prototips. En tots els casos s'ha trobat una excel·lent concordança entre el mesurament i les simulacions realitzades, validant així completament tant les estructures noves propostes com els seus procediments de disseny. / [EN] The main objective of this doctoral thesis is the development of new capacitive filtering structures in rectangular waveguide that are able to provide wide bandwidths in the pass-band and improve, at the same time, the out-of-band response. These new guided structures have been developed in order to offer new technological solutions for high-frequency microwave filters, with a variety of different transfer functions, addressing specifically the needs of future telecommunication systems for both ground and space applications. In this context, therefore, we discuss in this document the study, design and manufacture of several types of microwave filter in rectangular waveguide that show a significant improvement with respect to the state-of-the-art. The new solutions that we propose are obtained by introducing simple modifications in the structure of classic microwave filters. Several techniques based on hybrid irises, stepped impedance resonators, staircase configuration and E-plane T-junctions with shorted stubs or manifold connections, are successfully used in order to meet the very demanding specifications of future systems for both ground and space applications. Furthermore, an additional current challenge faced by all designers of microwave components is the need to reduce both their physical size and mass (or weight). To address this issue, we discuss in this document the use of resonant apertures in rectangular waveguide, introducing a new family of filters which can be used to implement complex single and dual-band transfer functions with significant size and mass reduction. In the following chapters of this doctoral thesis, each subject is discussed in detail including the basic theoretical formulations, design procedures, the results of full-wave electromagnetic simulations, manufacturing considerations, and the measured performance of a number of prototypes. Excellent agreement is found in all cases between measurement and simulations, thereby fully validating both the novel structures discussed and their design procedures. / Valencia Sullca, JF. (2021). New Wide-Band Capacitive Filter Structures in Rectangular Waveguide Technology With Enhanced Out-of-Band Response [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/180198

[ES] Los desórdenes del equilibrio y la marcha se encuentran entre los déficits motores más frecuentes entre aquellos individuos que han sufrido un ictus. En la clínica, estas habilidades son comúnmente evaluadas mediante herramientas clínicas que, pese a ser generalmente fáciles y rápidas de administrar, adolecen de poca precisión y estar sesgadas. Los sistemas instrumentados de laboratorio existentes para valorar la postura y la marcha resuelven potencialmente estas limitaciones a costa de requerir una preparación previa por parte de los evaluadores, un amplio espacio reservado en la clínica, un elevado tiempo de realización, y tener un coste muy elevado. El desarrollo tecnológico del sector del entretenimiento ha dado lugar en la última década a periféricos, como plataformas de presión y sensores de profundidad, que permiten la interacción mediante movimientos corporales manteniendo un bajo coste y una gran portabilidad y accesibilidad. Estudios iniciales han mostrado un rendimiento de estos dispositivos muy prometedor, y a veces comparable al de sistemas de laboratorio. Sin embargo, la falta de acceso a los sistemas desarrollados, la escasa investigación en personas con ictus y el desconocimiento de las propiedades psicométricas de las pruebas basadas en estos dispositivos en esta población comprometen la relevancia clínica que podrían tener estos sistemas. La hipótesis principal de este trabajo es que plataformas de fuerzas y sensores de profundidad de bajo coste, como la Nintendo Wii Balance Board y la Microsoft Kinect v2, respectivamente, pueden proporcionar información válida para cuantificar y evaluar la postura y la marcha de sujetos que han sufrido un ictus. Durante la presente tesis doctoral, por tanto, se ha llevado a cabo el desarrollo de herramientas de valoración de la postura y la marcha mediante los dispositivos nombrados, se ha posibilitado su acceso libre, se han determinado los valores normativos de las pruebas incluidas en las herramientas desarrolladas, y, finalmente, se ha investigado su sensibilidad, su validez convergente con herramientas clínicas estandarizadas y su fiabilidad inter e intraevaluador. Los resultados obtenidos de la participación de un total de 544 sujetos sanos y 173 sujetos con ictus en los cinco estudios que comprenden este trabajo evidencian que las herramientas desarrolladas permiten caracterizar satisfactoriamente la postura y la marcha de sujetos con ictus con respecto a la de sujetos sanos, poseen una validez convergente con instrumentos variables y coherente, y tienen una fiabilidad inter e intraevaluador excelente para casi todas las pruebas incluidas. Estos hallazgos sugieren que, pese a las limitaciones existentes, las herramientas desarrolladas podrían ser potencialmente usadas como una alternativa de bajo coste a los sistemas de laboratorio existentes para complementar la valoración de la postura y la marcha de sujetos con ictus. / [CA] Els desordres de l'equilibri i la marxa es troben entre els dèficits motors més freqüents entre aquells individus que han patit un ictus. A la clínica, aquestes habilitats són comunament avaluades mitjançant instruments clínics que, tot i ser generalment fàcils i ràpids d'administrar, poden tindre poca precisió i solen estar esbiaixades. Els sistemes instrumentats de laboratori existents per avaluar la postura i la marxa permeten resoldre aquestes limitacions, però requereixen una preparació prèvia per part dels avaluadors, un ampli espai reservat a la clínica, un elevat temps per realitzar cada prova i tenen un cost molt elevat. El desenvolupament tecnològic del sector de l'entreteniment ha donat lloc a plataformes de pressió i sensors de profunditat de baix cost, gran portabilitat i accessibilitat, que permeten la interacció amb entorns virtuals mitjançant moviments corporals. Estudis preliminars han mostrat un rendiment d'aquests dispositius molt prometedor i, de vegades, comparable al de sistemes de laboratori. No obstant això, la falta d'accés a les aplicacions desenvolupades, l'escassa investigació en persones amb ictus i el desconeixement de les propietats psicomètriques de les proves basades en aquests dispositius en aquesta població comprometen la rellevància clínica dels resultats obtinguts. La hipòtesi principal d'aquest treball és que plataformes de forces i sensors de profunditat de baix cost, com la Nintendo Wii Balance Board i la Microsoft Kinect v2, respectivament, poden proporcionar informació vàlida per quantificar i avaluar la postura i la marxa de subjectes amb ictus. Durant la present tesi doctoral, per tant, s'han desenvolupat eines de valoració de la postura i la marxa mitjançant els dispositius anomenats, s'ha possibilitat el seu accés lliure, s'han determinat els valors normatius de les proves incloses en les eines desenvolupades, i, finalment, s'ha investigat la seva sensibilitat, la seva validesa convergent amb instruments clínics estandarditzats i la seua fiabilitat inter i intraavaluador. Els resultats obtinguts de la participació d'un total de 544 subjectes sans i 173 subjectes amb ictus en els cinc estudis que comprenen aquest treball evidencien que les eines desenvolupades permeten caracteritzar satisfactòriament la postura i la marxa de subjectes amb ictus respecte a la de subjectes sans, tenen una validesa convergent amb instruments variable i coherent, i tenen una fiabilitat inter i intraavaluador excel·lent en gairebé totes les proves incloses. Aquestes troballes suggereixen que, tot i les limitacions existents, les aplicacions desenvolupades podrien ser potencialment usades com una alternativa de baix cost als sistemes de laboratori existents per complementar la valoració de la postura i la marxa de subjectes amb ictus. / [EN] Balance and gait disorders are common after stroke. In the clinical setting, these skills are usually assessed using clinical instruments that, despite being generally quick and easy to administer, may have limited accuracy and be biased. Instrumented laboratory-grade systems aimed at assessing posture and gait can potentially overcome these limitations. However, they require specific training to be operated and a long time to perform the assessments, and are usually bulky and expensive. In the last decade, the technological advances in the gaming industry have given rise to low-cost, portable and off-the-shelf devices, such as pressure platforms and depth sensors, which enable interaction with videogames through body movements. Previous research on the performance of these devices has shown promising results, and suggests that some measures could have comparable accuracy to those estimated by laboratory-grade systems. However, the lack of access to the software used in the experiments, the limited research in stroke patients, and the absence of knowledge about the psychometric properties of the assemment tests based on these devices, could limit the clinical relevance of the preliminary findings. The main hypothesis of this thesis is that low-cost force platforms and depth sensors, such as the Nintendo Wii Balance Board and the Microsoft Kinect v2, can provide sensitive, valid and reliable information to quantify and asses the postural control and gait of individuals with stroke, respectively. This work describes the development of two customized applications to assess posture and gait using the devices mentioned above, their publication on a dedicated website, the exploration of the normative values of tests included in the assessment, and, finally, the investigation of the sensitivity, convergent validity with standardized clinical instruments, and their inter- and intra-rater reliability. A total of 544 healthy subjects and 173 individuals with stroke have participated in the five studies that encompass this thesis. The results of these studies showed good sensitivity to motor impairment, variable and consistent convergent validity with clinical instruments, and excellent inter- and intra-rater reliability for almost all the tests examined. All these findings suggest that, despite their limitations, the developed applications interfaced with low-cost force platforms and depth sensors, could be potentially used as a low-cost alternative to instrumented laboratory-grade systems to complement the clinical assessment of the posture and gait of individuals with stroke. / Latorre Grau, J. (2022). Valoración del equilibrio y la marcha mediante sistemas de bajo coste en sujetos con ictus [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/181339

[ES] La endoscopia capsular (CE) es una ampliamente utilizada alternativa mínimamente invasiva a la endoscopia tradicional, que permite la visualización de todo el intestino delgado, mientras no es posible hacerlo fácilmente con los procedimientos más invasivos. Sin embargo, esos métodos tradicionales aún suelen ser la primera opción de tratamiento, ya que todavía existen desafíos importantes en el campo de la CE, incluyendo el tiempo necesario para el diagnóstico por vídeo después del procedimiento, el hecho de que la cápsula no se puede controlar activamente, la falta de consenso sobre una buena preparación del paciente y el coste alto. En esta tesis doctoral, nuestro objetivo es extraer más información de los procedimientos de endoscopía por cápsula para ayudar a aliviar estos problemas desde una perspectiva que parece estar subrepresentada en la investigación actual. Primero, como el objetivo principal en esta tesis, pretendemos desarrollar un método de evaluación de la limpieza en procedimientos de CE automático y objetivo para asistir la investigación médica en métodos de preparación de los pacientes. Específicamente, a pesar de que una preparación adecuada del paciente pueda ayudar a obtener una mejor visibilidad, los estudios sobre el método más efectivo son contradictorios debido a la ausencia de tal método. Por lo tanto, pretendemos proporcionar un método de ese tipo, capaz de presentar la limpieza en una escala intuitiva, con una novedosa arquitectura relativamente ligera de una red neuronal convolucional en su núcleo. Entrenamos este modelo en un conjunto de datos extensivo de más de 50,000 parches de imágenes, obtenidos de 35 procedimientos CE diferentes, y lo comparamos con métodos de clasificación del estado del arte. A partir de la clasificación, desarrollamos un método para automáticamente estimar las probabilidades a nivel de píxel y deducir los puntos en la escala de la evaluación de la limpieza a través de umbrales aprendidos. Después, validamos nuestro método en un entorno clínico en 30 videos de CE obtenidos nuevamente, comparando las puntuaciones resultantes con las asignadas de forma independiente por especialistas humanos. Obtuvimos la mayor precisión de clasificación para el método propuesto (95,23%), con tiempos de predicción promedios significativamente más bajos que para el segundo mejor método. En la validación, encontramos un acuerdo aceptable con dos especialistas humanos en comparación con el acuerdo interhumano, mostrando su validez como método de evaluación objetivo. Adicionalmente, otro objetivo de este trabajo es detectar automáticamente el túnel y ubicar el túnel en cada fotograma. Para este objetivo, entrenamos un modelo basado en R-CNN, concretamente el detector ligero YOLOv3, en un total de 1385 fotogramas, extraídos de procedimientos de CE de 10 pacientes diferentes. De tal manera, alcanzamos una precisión del 86,55% y una recuperación del 88,79% en nuestro conjunto de datos de test. Ampliando este objetivo, también pretendemos visualizar la motilidad intestinal de una manera análoga a una manometría intestinal tradicional, basada únicamente en la técnica mínimamente invasiva de CE. Para esto, alineamos los fotogramas con similar orientación y derivamos los parámetros adecuados para nuestro método de segmentación de las propiedades del rectángulo delimitador del túnel. Finalmente, calculamos el tamaño relativo del túnel para construir un equivalente de una manometría intestinal a partir de información visual. Desde que concluimos nuestro trabajo, nuestro método para la evaluación automática de la limpieza se ha utilizado en un estudio a gran escala aún en curso, en el que participamos activamente. Mientras gran parte de la investigación se centra en la detección automática de patologías, como tumores, pólipos y hemorragias, esperamos que nuestro trabajo pueda hacer una contribución significativa para extraer más información de la CE también en otras áreas frecuentemente subestimadas. / [CA] L'endoscòpia capsular (CE) és una àmpliament utilitzada alternativa mínimament invasiva a l'endoscòpia tradicional, que permet la visualització de tot l'intestí prim, mentre no és possible fer-lo fàcilment amb els procediments més invasius. No obstant això, aqueixos mètodes tradicionals encara solen ser la primera opció de tractament, ja que encara existeixen desafiaments importants en el camp de la CE, incloent el temps necessari per al diagnòstic per vídeo després del procediment, el fet que la càpsula no es pot controlar activament, la falta de consens sobre una bona preparació del pacient i el cost alt. En aquesta tesi doctoral, el nostre objectiu és extraure més informació dels procediments de endoscopía per càpsula per a ajudar a alleujar aquests problemes des d'una perspectiva que sembla estar subrepresentada en la investigació actual. Primer, com l'objectiu principal en aquesta tesi, pretenem desenvolupar un mètode d'avaluació de la neteja en procediments de CE automàtic i objectiu per a assistir la investigació mèdica en mètodes de preparació dels pacients. Específicament, a pesar que una preparació adequada del pacient puga ajudar a obtindre una millor visibilitat, els estudis sobre el mètode més efectiu són contradictoris a causa de l'absència de tal mètode. Per tant, pretenem proporcionar un mètode d'aqueix tipus, capaç de presentar la neteja en una escala intuïtiva, amb una nova arquitectura relativament lleugera d'una xarxa neuronal convolucional en el seu nucli. Entrenem aquest model en un conjunt de dades extensiu de més de 50,000 pegats d'imatges, obtinguts de 35 procediments CE diferents, i el comparem amb mètodes de classificació de l'estat de l'art. A partir de la classificació, desenvolupem un mètode per a automàticament estimar les probabilitats a nivell de píxel i deduir els punts en l'escala de l'avaluació de la neteja a través de llindars apresos. Després, validem el nostre mètode en un entorn clínic en 30 vídeos de CE obtinguts novament, comparant les puntuacions resultants amb les assignades de manera independent per especialistes humans. Vam obtindre la major precisió de classificació per al mètode proposat (95,23%), amb temps de predicció mitjanes significativament més baixos que per al segon millor mètode. En la validació, trobem un acord acceptable amb dos especialistes humans en comparació amb l'acord interhumà, mostrant la seua validesa com a mètode d'avaluació objectiu. Addicionalment, un altre objectiu d'aquest treball és detectar automàticament el túnel i situar el túnel en cada fotograma. Per a aquest objectiu, entrenem un model basat en R-CNN, concretament el detector lleuger YOLOv3, en un total de 1385 fotogrames, extrets de procediments de CE de 10 pacients diferents. De tal manera, aconseguim una precisió del 86,55% i una recuperació del 88,79% en el nostre conjunt de dades de test. Ampliant aquest objectiu, també pretenem visualitzar la motilitat intestinal d'una manera anàloga a una manometría intestinal tradicional, basada únicament en la tècnica mínimament invasiva de CE. Per a això, alineem els fotogrames amb similar orientació i derivem els paràmetres adequats per al nostre mètode de segmentació de les propietats del rectangle delimitador del túnel. Finalment, calculem la grandària relativa del túnel per a construir un equivalent d'una manometría intestinal a partir d'informació visual. Des que concloem el nostre treball, el nostre mètode per a l'avaluació automàtica de la neteja s'ha utilitzat en un estudi a gran escala encara en curs, en el qual participem activament. Mentre gran part de la investigació se centra en la detecció automàtica de patologies, com a tumors, pòlips i hemorràgies, esperem que el nostre treball puga fer una contribució significativa per a extraure més informació de la CE també en altres àrees sovint subestimades. / [EN] Capsule endoscopy (CE) is a widely used, minimally invasive alternative to traditional endoscopy that allows visualisation of the entire small intestine, whereas more invasive procedures cannot easily do this. However, those traditional methods are still commonly the first choice of treatment for gastroenterologists as there are still important challenges surrounding the field of CE. Among others, these include the time consuming video diagnosis following the procedure, the fact that the capsule cannot be actively controlled, lack of consensus on good patient preparation and the high cost. In this doctoral thesis, we aim to extract more information from capsule endoscopy procedures to aid in alleviating these issues from a perspective that appears to be under-represented in current research. First, and as the main objective in this thesis, we aim to develop an objective, automatic cleanliness evaluation method in CE procedures to aid medical research in patient preparation methods. Namely, even though adequate patient preparation can help to obtain a cleaner intestine and thus better visibility in the resulting videos, studies on the most effective preparation method are conflicting due to the absence of such a method. Therefore, we aim to provide such a method, capable of presenting results on an intuitive scale, with a relatively light-weight novel convolutional neural network architecture at its core. We trained this model on an extensive data set of over 50,000 image patches, collected from 35 different CE procedures, and compared it with state-of-the-art classification methods. From the patch classification results, we developed a method to automatically estimate pixel-level probabilities and deduce cleanliness evaluation scores through automatically learnt thresholds. We then validated our method in a clinical setting on 30 newly collected CE videos, comparing the resulting scores to those independently assigned by human specialists. We obtained the highest classification accuracy for the proposed method (95.23%), with significantly lower average prediction times than for the second-best method. In the validation of our method, we found acceptable agreement with two human specialists compared to interhuman agreement, showing its validity as an objective evaluation method. Additionally, we aim to automatically detect and localise the tunnel in each frame, in order to help determine the capsule orientation at any given time. For this purpose, we trained an R-CNN based model, namely the light-weight YOLOv3 detector, on a total of 1385 frames, extracted from CE procedures of 10 different patients, achieving a precision of 86.55% combined with a recall of 88.79% on our test set. Extending on this, we additionally aim to visualise intestinal motility in a manner analogous to a traditional intestinal manometry, solely based on the minimally invasive technique of CE, through aligning the frames with similar orientation and using the bounding box parameters to derive adequate parameters for our tunnel segmentation method. Finally, we calculate the relative tunnel size to construct an equivalent of an intestinal manometry from visual information. Since we concluded our work, our method for automatic cleanliness evaluation has been used in a still on-going, large-scale study, with in which we actively participate. While much research focuses on automatic detection of pathologies, such as tumors, polyps and bleedings, we hope our work can make a significant contribution to extract more information from CE also in other areas that are often overlooked. / Noorda, RA. (2022). Clearing the Way in Capsule Endoscopy with Deep Learning and Computer Vision [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/183752

[ES] La presente tesis doctoral tiene como principal objetivo el estudio, diseño, desarrollo y fabricación de nuevos dispositivos pasivos de microondas, tales como filtros y multiplexores con respuestas avanzadas para aplicaciones de alto valor añadido (i.e. comerciales, militares, espacio); orientados a distintos servicios, actuales y futuros, en sistemas inalámbricos de comunicación. Además, esta investigación se centrará en el desarrollo de filtros encapsulados de montaje superficial y con un elevado grado de miniaturización. Para ello, se propone investigar distintas técnicas que consigan respuestas muy selectivas o con unas características exigentes en rechazo (mediante la flexible introducción de ceros de transmisión), así como una excelente planaridad en banda (aplicando técnicas tales como la mejora del Q o el diseño de filtros con pérdidas, lossy filters), obteniendo de este modo respuestas mejoradas, con respecto a soluciones conocidas, en los componentes de microondas desarrollados. De forma general, la metodología seguida se iniciará con una búsqueda y conocimiento del estado del arte sobre cada uno de los temas que se acometerán en esta tesis. Tras ello, se establecerá un procedimiento de síntesis que permitirá acometer de forma teórica los objetivos y especificaciones a conseguir en cada caso. Con ello, se establecerán las bases para iniciar el proceso de diseño, incluyendo co-simulación circuital/electromagnética y optimización que permitirán, en última instancia, implementar la solución planteada en cada caso de aplicación concreto. Finalmente, la demostración y validez de todas las investigaciones realizadas se llevará a cabo mediante la fabricación y caracterización experimental de distintos prototipos. / [CA] La present tesi doctoral té com a principal objectiu l'estudi, disseny, desenvolupament I fabricació de nous dispositius passius de microones, com ara filtres i multiplexors amb respostes avançades per a aplicacions d'alt valor afegit, (comercials, militars, espai); orientats a oferir diferents serveis, actuals i futurs, en els diferents sistemes sense fils de comunicació. A més, aquesta investigació es centrarà en el desenvolupament de filtres encapsulats de muntatge superficial i amb un elevat grau de miniaturització. Per a això, es proposa investigar diferents tècniques que aconsegueixin respostes molt selectives o amb unes característiques exigents en rebuig (mitjançant la flexible introducció de zeros de transmissió), així com una excel·lent planaritat en banda (aplicant tècniques com ara la millora de l'Q o el disseny de filtres amb perdues, lossy filters), obtenint d'aquesta manera respostes millorades, respecte solucions conegudes, en els components de micrones desenvolupats. De forma general, la metodologia seguida s'iniciarà amb una recerca i coneixement de l'estat de l'art sobre cadascun dels temes que s'escometran en aquesta tesi. Després d'això, s'establirà un procediment de síntesi que permetrà escometre de forma teòrica els objectiusi especificacions a aconseguir en cada cas. Amb això, s'establiran les bases per iniciar el procés de disseny, amb co-simulació circuital / electromagnètica i optimització que permetran, en última instància, implementar la solució plantejada en cada cas d'aplicació concret. Finalment, la demostració i validesa de totes les investigacions realitzades es durà a terme mitjançant la fabricació i caracterització experimental de diferents prototips. / [EN] The main objective of this doctoral thesis is the study, design, development and manufacture of new passive microwave components, such as filters and multiplexers with advanced responses for commercials, military and space applications; oriented to other different services, in current and future wireless communication systems. In addition, this research will focus on the development of surface-mounted encapsulated filters with a high degree of miniaturization. With this purpose, it is proposed to investigate different techniques that achieve highly selective responses or with demanding characteristics in rejection (through the flexible introduction of transmission zeros), as well as an excellent in-band planarity (applying techniques such as the Q enhancement or lossy filters), thus obtaining improved responses, with respect to known solutions, in the developed microwave components. In general, the followed methodology will begin with a search and knowledge of the state of the art on each of the topics addressed in this thesis. After that, a synthesis procedure will be established, which will allow the achievement of the objectives and specifications in a theoretical way, for each case. With this, the bases will be established to start the design process, with circuital and electromagnetic co-simulations and optimizations that will allow, ultimately, to implement the proposed solution, in every application case, specifically. Finally, the demonstration and validity of all the investigations will be carried out through the manufacture and experimental characterization of different prototypes. / Marín Martínez, S. (2022). Microwave Filters in Planar and Hybrid Technologies with Advanced Responses [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/188943

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

[EN] Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) technology in Digital Terrestrial Television (DTT) networks has the potential to increase the spectral efficiency and improve network coverage to cope with the competition of limited spectrum use (e.g., assignment of digital dividend and spectrum demands of mobile broadband), the appearance of new high data rate services (e.g., ultra-high definition TV - UHDTV), and the ubiquity of the content (e.g., fixed, portable, and mobile). It is widely recognised that MIMO can provide multiple benefits such as additional receive power due to array gain, higher resilience against signal outages due to spatial diversity, and higher data rates due to the spatial multiplexing gain of the MIMO channel. These benefits can be achieved without additional transmit power nor additional bandwidth, but normally come at the expense of a higher system complexity at the transmitter and receiver ends. The final system performance gains due to the use of MIMO directly depend on physical characteristics of the propagation environment such as spatial correlation, antenna orientation, and/or power imbalances experienced at the transmit aerials. Additionally, due to complexity constraints and finite-precision arithmetic at the receivers, it is crucial for the overall system performance to carefully design specific signal processing algorithms. This dissertation focuses on transmit and received signal processing for DTT systems using MIMO-BICM (Bit-Interleaved Coded Modulation) without feedback channel to the transmitter from the receiver terminals. At the transmitter side, this thesis presents investigations on MIMO precoding in DTT systems to overcome system degradations due to different channel conditions. At the receiver side, the focus is given on design and evaluation of practical MIMO-BICM receivers based on quantized information and its impact in both the in-chip memory size and system performance. These investigations are carried within the standardization process of DVB-NGH (Digital Video Broadcasting - Next Generation Handheld) the handheld evolution of DVB-T2 (Terrestrial - Second Generation), and ATSC 3.0 (Advanced Television Systems Committee - Third Generation), which incorporate MIMO-BICM as key technology to overcome the Shannon limit of single antenna communications. Nonetheless, this dissertation employs a generic approach in the design, analysis and evaluations, hence, the results and ideas can be applied to other wireless broadcast communication systems using MIMO-BICM. / [ES] La tecnología de múltiples entradas y múltiples salidas (MIMO) en redes de Televisión Digital Terrestre (TDT) tiene el potencial de incrementar la eficiencia espectral y mejorar la cobertura de red para afrontar las demandas de uso del escaso espectro electromagnético (e.g., designación del dividendo digital y la demanda de espectro por parte de las redes de comunicaciones móviles), la aparición de nuevos contenidos de alta tasa de datos (e.g., ultra-high definition TV - UHDTV) y la ubicuidad del contenido (e.g., fijo, portable y móvil). Es ampliamente reconocido que MIMO puede proporcionar múltiples beneficios como: potencia recibida adicional gracias a las ganancias de array, mayor robustez contra desvanecimientos de la señal gracias a la diversidad espacial y mayores tasas de transmisión gracias a la ganancia por multiplexado del canal MIMO. Estos beneficios se pueden conseguir sin incrementar la potencia transmitida ni el ancho de banda, pero normalmente se obtienen a expensas de una mayor complejidad del sistema tanto en el transmisor como en el receptor. Las ganancias de rendimiento finales debido al uso de MIMO dependen directamente de las características físicas del entorno de propagación como: la correlación entre los canales espaciales, la orientación de las antenas y/o los desbalances de potencia sufridos en las antenas transmisoras. Adicionalmente, debido a restricciones en la complejidad y aritmética de precisión finita en los receptores, es fundamental para el rendimiento global del sistema un diseño cuidadoso de algoritmos específicos de procesado de señal. Esta tesis doctoral se centra en el procesado de señal, tanto en el transmisor como en el receptor, para sistemas TDT que implementan MIMO-BICM (Bit-Interleaved Coded Modulation) sin canal de retorno hacia el transmisor desde los receptores. En el transmisor esta tesis presenta investigaciones en precoding MIMO en sistemas TDT para superar las degradaciones del sistema debidas a diferentes condiciones del canal. En el receptor se presta especial atención al diseño y evaluación de receptores prácticos MIMO-BICM basados en información cuantificada y a su impacto tanto en la memoria del chip como en el rendimiento del sistema. Estas investigaciones se llevan a cabo en el contexto de estandarización de DVB-NGH (Digital Video Broadcasting - Next Generation Handheld), la evolución portátil de DVB-T2 (Second Generation Terrestrial), y ATSC 3.0 (Advanced Television Systems Commitee - Third Generation) que incorporan MIMO-BICM como clave tecnológica para superar el límite de Shannon para comunicaciones con una única antena. No obstante, esta tesis doctoral emplea un método genérico tanto para el diseño, análisis y evaluación, por lo que los resultados e ideas pueden ser aplicados a otros sistemas de comunicación inalámbricos que empleen MIMO-BICM. / [CA] La tecnologia de múltiples entrades i múltiples eixides (MIMO) en xarxes de Televisió Digital Terrestre (TDT) té el potencial d'incrementar l'eficiència espectral i millorar la cobertura de xarxa per a afrontar les demandes d'ús de l'escàs espectre electromagnètic (e.g., designació del dividend digital i la demanda d'espectre per part de les xarxes de comunicacions mòbils), l'aparició de nous continguts d'alta taxa de dades (e.g., ultra-high deffinition TV - UHDTV) i la ubiqüitat del contingut (e.g., fix, portàtil i mòbil). És àmpliament reconegut que MIMO pot proporcionar múltiples beneficis com: potència rebuda addicional gràcies als guanys de array, major robustesa contra esvaïments del senyal gràcies a la diversitat espacial i majors taxes de transmissió gràcies al guany per multiplexat del canal MIMO. Aquests beneficis es poden aconseguir sense incrementar la potència transmesa ni l'ample de banda, però normalment s'obtenen a costa d'una major complexitat del sistema tant en el transmissor com en el receptor. Els guanys de rendiment finals a causa de l'ús de MIMO depenen directament de les característiques físiques de l'entorn de propagació com: la correlació entre els canals espacials, l'orientació de les antenes, i/o els desequilibris de potència patits en les antenes transmissores. Addicionalment, a causa de restriccions en la complexitat i aritmètica de precisió finita en els receptors, és fonamental per al rendiment global del sistema un disseny acurat d'algorismes específics de processament de senyal. Aquesta tesi doctoral se centra en el processament de senyal tant en el transmissor com en el receptor per a sistemes TDT que implementen MIMO-BICM (Bit-Interleaved Coded Modulation) sense canal de tornada cap al transmissor des dels receptors. En el transmissor aquesta tesi presenta recerques en precoding MIMO en sistemes TDT per a superar les degradacions del sistema degudes a diferents condicions del canal. En el receptor es presta especial atenció al disseny i avaluació de receptors pràctics MIMO-BICM basats en informació quantificada i al seu impacte tant en la memòria del xip com en el rendiment del sistema. Aquestes recerques es duen a terme en el context d'estandardització de DVB-NGH (Digital Video Broadcasting - Next Generation Handheld), l'evolució portàtil de DVB-T2 (Second Generation Terrestrial), i ATSC 3.0 (Advanced Television Systems Commitee - Third Generation) que incorporen MIMO-BICM com a clau tecnològica per a superar el límit de Shannon per a comunicacions amb una única antena. No obstant açò, aquesta tesi doctoral empra un mètode genèric tant per al disseny, anàlisi i avaluació, per la qual cosa els resultats i idees poden ser aplicats a altres sistemes de comunicació sense fils que empren MIMO-BICM. / Vargas Paredero, DE. (2016). Transmit and Receive Signal Processing for MIMO Terrestrial Broadcast Systems [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/66081 / Premios Extraordinarios de tesis doctorales

[EN] Fiber grating sensors and devices have demonstrated outstanding capabilities in both telecommunications and sensing areas, due to their well-known advantageous characteristics. Therefore, one of the most important motivations lies in the potential of customized fiber gratings to be suitably employed for improving the interrogation process of optical fiber sensors and systems. This Ph.D. dissertation is focused on the study, design, fabrication and performance evaluation of customized fiber Bragg gratings (FBGs) and long period gratings (LPGs) with the double aim to present novel sensing technologies and to enhance the response of existing sensing systems. In this context, a technique based on time-frequency domain analysis has been studied and applied to interrogate different kind of FBGs-based sensors. The distribution of the central wavelength along the sensing structures has been demonstrated, based on a combination of frequency scanning of the interrogating optical pulse and optical time-domain reflectometry (OTDR), allowing the detection of spot events with good performance in terms of measurand resolution. Moreover, different customized FBGs have been interrogated using a technology inspired on the operation principle of microwave photonics (MWP) filters, enabling the detection of spot events using radio-frequency (RF) devices with modest bandwidth. The sensing capability of these technological platforms has been fruitfully employed for implementing a large scale quasi-distributed sensor, based on an array of cascaded FBGs. The potentiality of LPGs as fiber optic sensors has also been investigated in a new fashion, exploiting the potentials of MWP filtering techniques. Besides, a novel approach for simultaneous measurements based on a half-coated LPG has been proposed and demonstrated. Finally, the feasibility of FBGs as selective wavelength filters has been exploited in sensing applications; an alternative approach to improve the response and performance of Brillouin distributed fiber sensors has been studied and validated via experiments. The performance of the reported sensing platforms have been analyzed and evaluated so as to characterize their impact on the fiber sensing field and to ultimately identify the use of the most suitable technology depending on the processing task to be carried out and on the final goal to reach. / [ES] Los sensores y dispositivos en fibra basados en redes de difracción han mostrado excepcionales capacidades en el ámbito de las telecomunicaciones y del sensado, gracias a sus excelentes propiedades. Entre las motivaciones más estimulantes destaca la posibilidad de fabricar redes de difracción ad-hoc para implementar y/o mejorar las prestaciones de los sensores fotónicos. Esta tesis doctoral se ha enfocado en el estudio, diseño, fabricación y evaluación de las prestaciones de redes de difracción de Bragg (FBGs) y de redes de difracción de periodo largo (LPGs) personalizadas con el fin de desarrollar nuevas plataformas de detección y a la vez mejorar la respuesta y las prestaciones de los sensores fotónicos ya existentes. En este contexto, una técnica basada en el análisis tiempofrecuencia se ha estudiado e implementado para la interrogación de sensores en fibra basados en varios tipos y modelos de FBGs. Se ha analizado la distribución de la longitud de onda central a lo largo de la estructura de sensado, gracias a una metodología que conlleva el escaneo en frecuencia del pulso óptico incidente y la técnica conocida como reflectometria óptica en el dominio del tiempo (OTDR). De esta manera se ha llevado a cabo la detección de eventos puntuales, alcanzando muy buenas prestaciones en términos de resolución de la magnitud a medir. Además, se han interrogado varias FBGs a través de una técnica basada en el principio de operación de los filtros de fotónica de microondas (MWP), logrando así la detección de eventos puntuales usando dispositivos de radio-frecuencia (RF) caracterizados por un moderado ancho de banda. La capacidad de sensado de estas plataformas tecnológicas ha sido aprovechada para la realización de un sensor quasi-distribuido de gran alcance, formado por una estructura en cascada de muchas FBGs. Por otro lado, se han puesto a prueba las capacidades de las LPGs como sensores ópticos según un enfoque novedoso; para ello se han aprovechados las potencialidades de los filtros de MWP. Asimismo, se ha estudiado y demostrado un nuevo método para medidas simultáneas de dos parámetros, basado en una LPG parcialmente recubierta por una película polimérica. Finalmente, se ha explotado la viabilidad de las FBGs en cuanto al filtrado selectivo en longitud de onda para aplicaciones de sensado; para ello se ha propuesto un sistema alternativo para la mejora de la respuesta y de las prestaciones de sensores ópticos distribuidos basados en el scattering de Brillouin. En conclusión, se han analizado y evaluado las prestaciones de las plataformas de sensado propuestas para caracterizar su impacto en el ámbito de los sistemas de detección por fibra y además identificar el uso de la tecnología más adecuada dependiendo de la tarea a desarrollar y del objetivo a alcanzar. / [CA] Els sensors i dispositius en fibra basats en xarxes de difracció han mostrat excepcionals capacitats en l'àmbit de les telecomunicacions i del sensat, gràcies a les seus excel¿lents propietats. Entre les motivacions més estimulants destaca la possibilitat de fabricar xarxes de difracció ad-hoc per a implementar i/o millorar les prestacions de sensors fotònics. Esta tesi doctoral s'ha enfocat en l'estudi, disseny, fabricació i avaluació de les prestacions de xarxes de difracció de Bragg (FBGs) i de xarxes de difracció de període llarg (LPGs) personalitzades per tal de desenvolupar noves plataformes de detecció i al mateix temps millorar la resposta i les prestacions dels sensors fotònics ja existents. En este context, una tècnica basada en l'anàlisi temps-freqüència s'ha estudiat i implementat per a la interrogació de sensors en fibra basats en diversos tipus i models de FBGs. S'ha analitzat la distribució de la longitud d'ona central al llarg de l'estructura de sensat, gràcies a una metodologia que comporta l'escaneig en freqüència del pols òptic incident i la tècnica coneguda com reflectometria òptica en el domini del temps (OTDR). D'esta manera s'ha dut a terme la detecció d'esdeveniments puntuals, aconseguint molt bones prestacions en termes de resolució de la magnitud a mesurar. A més, s'han interrogat diverses FBGs a través d'una tècnica basada en el principi d'operació dels filtres de fotònica de microones (MWP), aconseguint així la detecció d'esdeveniments puntuals utilitzant dispositius de ràdio-freqüència (RF) caracteritzats per un moderat ample de banda. La capacitat de sensat d'aquestes plataformes tecnològiques ha sigut aprofitada per a la realització d'un sensor quasi-distribuït a llarga escala, format per una estructura en cascada de moltes FBGs. D'altra banda, s'han posat a prova les capacitats de les LPGs com a sensors òptics segons un enfocament nou; per a això s'han aprofitat les potencialitats dels filtres de MWP. Així mateix, s'ha estudiat i demostrat un nou mètode per a mesures simultànies de dos paràmetres, basat en una LPG parcialment recoberta per una pel¿lícula polimèrica. Finalment, s'ha explotat la viabilitat de les FBGs pel que fa al filtrat selectiu en longitud d'ona per a aplicacions de sensat; per això s'ha proposat un sistema alternatiu per a la millora de la resposta i de les prestacions de sensors òptics distribuïts basats en el scattering de Brillouin. S'han analitzat i avaluat les prestacions de les plataformes de sensat propostes per a caracteritzar el seu impacte en l'àmbit dels sistemes de detecció per fibra i a més identificar l'ús de la tecnologia més adequada depenent de la tasca a desenvolupar i de l'objectiu a assolir. / Ricchiuti, AL. (2016). Design and fabrication of customized fiber gratings to improve the interrogation of optical fiber sensors [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/66343 / Premios Extraordinarios de tesis doctorales