La fotónica de silicio es una de las tecnologías con más auge en las últimas dos décadas. Es por ello que el estudio y desarrollo de circuitos integrados fotónicos ha tenido una importante presencia en la investigación de nuevos componentes y dispositivos para la mejora de prestaciones en sistemas de comunicaciones ópticos. Una de las principales ventajas de la fotónica de silicio es su compatibilidad con la tecnología electrónica CMOS, la cual la convierte en una plataforma prometedora para la fabricación en masa a bajo coste. El tamaño reducido de las estructuras fotónicas y las bajas pérdidas alcanzadas en guías de onda nanométricas ha permitido el desarrollo de dispositivos con una alta densidad de integración. De igual manera, se han demostrado moduladores ópticos de alta velocidad y fotodetectores altamente eficientes. Sin embargo, el desarrollo de la fuente de luz o láser, elemento indispensable en cualquier sistema de comunicaciones óptico, no es posible debido al "bandgap" indirecto del silicio. Por lo cual, otros materiales de "bandgap" directo se han estudiado y propuesto para conseguir integrar un láser sobre el chip de silicio con emisión en las bandas O y C. El principal desafío radica en alcanzar el régimen de emisión estimulada coherente por medio de un bombeo eléctrico y de forma eficiente. Para ello se han propuesto varios esquemas de integración. La integración monolítica aborda la fabricación del láser directamente en el chip. Por otra parte, la integración híbrida consiste en la fabricación del láser por separado para luego ser integrado en el chip, siendo este esquema con el que mejores resultados se han conseguido. De esta manera, el principal objetivo de la tesis ha sido el desarrollo de un láser de cavidad externa por medio de un esquema de integración híbrida y con funcionamiento en la banda O. Los distintos bloques básicos se han analizado, diseñado, fabricado y demostrado experimentalmente. Finalmente, se ha llevado a cabo la integración con el medio de ganancia demostrándose satisfactoriamente emisión estimulada y funcionamiento monomodo. Además, en la tesis se ha abordado también el acoplamiento a estructuras de guiado tipo ranura, las cuales han sido propuestas en esquemas de integración monolítica. / La fotònica de silici és una de les tecnologies amb més auge en les últimes dues dècades. És per això que l'estudi i desenvolupament de circuits integrats fotònics ha tingut una important presència a la investigació de nous components i dispositius per a la millora de prestacions en sistemes de comunicacions òptics. Una de les principals avantatges de la fotònica de silici és la seva compatibilitat amb la tecnologia electrònica CMOS, la qual la converteix en una plataforma prometedora per a la fabricació en massa a baix cost. La mida reduïda de les estructures fotòniques i les baixes pèrdues assolides en guies d'ona nanomètriques ha permès el desenvolupament de dispositius amb una alta densitat d'integració. De la mateixa manera, s'han demostrat moduladors òptics d'alta velocitat i fotodetectors altament eficients. No obstant això, el desenvolupament de la font de llum o làser, element indispensable en qualsevol sistema de comunicacions òptic, no és possible a causa del "bandgap" indirecte del silici. Per la qual cosa, altres materials de "bandgap" directe s'han estudiat i proposat per aconseguir integrar un làser sobre el xip de silici amb emissió en les bandes O i C. El principal desafiament rau a aconseguir el règim d'emissió estimulada coherent per mitjà de un bombament elèctric i de forma eficient. Per a això s'han proposat diversos esquemes d'integració. La integració monolítica aborda la fabricació del làser directament en el xip. D'altra banda, la integració híbrida consisteix en la fabricació del làser per separat per després ser integrat en el xip, sent aquest esquema amb el que millors resultats s'han aconseguit. D'aquesta manera, el principal objectiu de la tesi ha sigut el desenvolupament d'un làser de cavitat externa per mitjà d'un esquema d'integració híbrida i amb funcionament a la banda O. Els diferents blocs bàsics s'han analitzat, dissenyat, fabricat i demostrat experimentalment. Finalment, s'ha dut a terme la integració amb el medi de guany demostrant satisfactòriament emissió estimulada i funcionament monomode. A més, en la tesi s'ha abordat també l'acoblament a estructures de guiatge tipus ranura, les quals han estat proposades en esquemes d'integració monolítica. / Silicon photonics is one of the technologies that has raised a higher interest during the last two decades. Therefore, the development of photonic integrated circuits has had an important presence in the research of new components and devices for the improvement of performance in optical communication systems. One of the main advantages of silicon photonics is its compatibility with CMOS electronic technology, which makes it a promising platform for mass production at low cost. The reduced size of photonic structures and the low propagation losses achieved in nanometric photonic waveguides has allowed the development of devices with a high density of integration. Similarly, high-speed optical modulators and highly efficient photodetectors have been demonstrated. However, the development of the light source or laser, an indispensable element in any optical communication system, is not possible due to the indirect bandgap of silicon. Therefore, other direct bandgap materials have been studied and proposed to integrate a laser on the silicon chip with emission in the O and C bands. The main challenge lies in reaching the coherent stimulated emission regime by means of an electric pump and in an efficient way. For this, several integration schemes have been proposed. Monolithic integration deals with the fabrication of the laser directly on the chip. On the other hand, hybrid integration consists in the fabrication of the laser separately to later be integrated into the chip. The best results have been achieved by means of this approach. Therefore, the main goal of the thesis has been the development of an external cavity laser by means of a hybrid integration scheme and with operation in the O-band. The different basic building blocks have been analyzed, designed, fabricated and experimentally demonstrated. Finally, the integration with the active material has been carried out, successfully demonstrating stimulated emission and single-mode operation. In addition, the thesis has also addressed the coupling to slow waveguide guidance structures, which have been proposed in monolithic integration schemes. / Larrea Luzuriaga, RA. (2018). Dispositivos emisores de luz para transmisión óptica de alta velocidad [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/114827

Tesis por compendio / [ES] En esta Tesis Doctoral, se propone diferentes técnicas de acoplo y conversión modal destinadas a aumentar la capacidad de transporte en sistemas de telecomunicaciones sobre fibra óptica. En particular, el objetivo principal es el desarrollo de la tecnología necesaria para conseguir una multiplexación modal utilizando un número limitado de modos, de manera controlada. Para ello, se estudian dos escenarios MDM con dos longitudes de onda distinta. Por un lado, usando la longitud de onda de 850 nm sobre SSMF favoreciendo la utilización de componentes ópticos y electro-ópticos de coste mucho menor que sus equivalentes en la banda C+L. Esta novedosa tecnología de transmisión permitirá una nueva generación de interconexiones ópticas de muy alta capacidad aplicable a enlaces chip-a-chip, a backplanes ópticos y también a clústeres de computación de altas prestaciones y centros de conmutación de red. Por otro lado, usando la longitud de onda de 1550 nm sobre guías ópticas basadas en SOI, es decir, Si (silicio) sobre sustrato de SiO2 (óxido de silicio) favoreciendo la utilización de dispositivos basados en tecnología integrada que ofrecen un menor tamaño, mejor repetibilidad y robustez que los dispositivos basados en fibra óptica. Para ello, se propone el uso de acopladores ópticos fusionados siendo un elemento indispensable a la hora de multiplexar y demultiplexar los distintos modos ópticos en un enlace MDM a 850 nm. Esta técnica permite multiplexar/demultiplexar los modos ópticos cuando el tipo de acoplador óptico utilizado es simétrico (DC, del inglés directional coupler), siendo necesario la utilización de un conversor de modos. También se estudia la posibilidad de convertir el modo óptico mediante la utilización de un acoplador óptico asimétrico (ADC, del inglés asymmetrical directional coupler), no siendo necesario utilizar un conversor de modos y simplificando el esquema MDM. Además, en esta tesis doctoral también se propone y evalúa el diseño de un conversor de modos mecánico basado en SSMF. Esta técnica permite obtener el primer modo de orden superior con una alta calidad y sin la necesidad de utilizar un ADC. Después de esto, se propone y evalúa la posibilidad de utilizar acopladores comerciales (diseñados a 1550 nm) a la longitud de onda de 850 nm permitiendo de esta forma reducir la necesidad de utilizar acopladores ópticos y conversores modales específicamente diseñados en dicha longitud de onda. Esta técnica reduciría los costes del sistema al necesitar un menor número de dispositivos y aprovechar los dispositivos diseñados a 1550 nm, siendo más económicos que los diseñados a 850 nm. En esta Tesis también se propone el uso de ADCs en guías strip basadas en SOI para la conversión y multiplexación de los modos ópticos desde la guia fundamental a la guia de dos modos, a la longitud de onda de 1550 nm. Para ello se estudia y demuestra experimentalmente diferentes diseños con el fin de obtener el diseño más robusto frente a las tolerancias de fabricación consiguiendo un rendimiento óptimo. Además, el uso de DCs sobre guías ridge es comúnmente utilizado y ofrece mejores prestaciones que el basado en guías strip, por ese motivo esta Tesis estudia y evalúa el uso de ADCs sobre guías ridge mediante el método de análisis de los índices efectivos de los supermodos par e impar. De esta forma se realiza una comparación entre los diseños óptimos de ambas estructuras (strip y ridge) con el objetivo de averiguar qué diseño ofrece mejores prestaciones. Por último, se propone y estudia el diseño de un acoplador grating capaz de multiplexar y demultiplexar los modos ópticos del modo fundamental y del primer orden superior desde la guia óptica a la fibra óptica y viceversa. Para ello se proponen diferentes diseños con el objetivo de conseguir un diseño más tolerante y eficiente frente a los errores por desalineamiento obteniendo un acoplo óptimo. / [CA] En aquesta Tesi Doctoral, es proposen diferents tècniques d'acoblament i conversió modal destinades a augmentar la capacitat de transport en sistemes de telecomunicacions sobre fibra òptica. En particular, l'objectiu principal és el desenrotllament de la tecnologia necessària per a aconseguir una multiplexació modal utilitzant un número limitat de modes, de manera controlada. Per a això, s'estudien dos escenaris MDM amb dos longituds d'onda distinta. D'una banda, usant la longitud d'ona de 850 nm sobre SSMF afavorint la utilització de components òptics i electro-òptics de cost molt menor que els seus equivalents en la banda C+L. Aquesta nova tecnologia de transmissió permetrà una nova generació d'interconnexions òptiques de molt alta capacitat aplicable a enllaços chip-a-chip, a backplanes òptics i també a clústers de computació d'altes prestacions i centres de commutació de xarxa. D'altra banda, usant la longitud d'ona de 1550 nm sobre guies òptiques basades en SOI, és a dir, Si (silici) sobre substrat de SiO2 (òxid de silici) afavorint la utilització de dispositius basats en tecnologia integrada que ofereixen una menor grandària, millor repetibilitat i robustesa que els dispositius basats en fibra òptica. Per a això, es proposa l'ús d'acobladors òptics fusionats sent un element indispensable a l'hora de multiplexar i demultiplexar els distints modes òptics en un enllaç MDM. Aquesta tècnica permet multiplexar/demultiplexar els modes òptics quan el tipus d'acoblador òptic utilitzat és simètric (DC, de l'anglès directional coupler), sent necessari la utilització d'un convertidor de modes. També s'estudia la possibilitat de convertir el mode òptic per mitjà de la utilització d'un acoblador òptic asimètric (ADC, de l'anglès asymmetrical directional coupler), no sent necessari utilitzar un convertidor de modes i simplificant l'esquema MDM. Es mes, en aquesta tesi doctoral també es proposa i avalua el disseny d'un convertidor de modes mecànic basat en SSMF. Aquesta tècnica permet obtindre el primer mode d'orde superior amb una alta qualitat sense la necessitat d'utilitzar un ADC. Després d'açò, es proposa i avalua la possibilitat d'utilitzar acobladors comercials (dissenyats a 1550 nm) a la longitud d'ona de 850 nm permetent d'esta manera reduir la necessitat d'utilitzar acobladors òptics i convertidors modals específicament dissenyats en la dita longitud d'ona. Aquesta tècnica reduiria els costos del sistema al necessitar un menor nombre de dispositius i aprofitant els dispositius dissenyats a 1550 nm, sent més econòmics que els dissenyats a 850 nm. En aquesta Tesi també es proposa l'ús de ADCs en guies strip basades en SOI per a la conversió i multiplexació dels modes òptics des de la guia fonamental a la guia de dos modes, a la longitud d'ona de 1550 nm. Per a això s'estudia i demostra experimentalment diferents dissenys a fi de obtindré el disseny més robust enfront les toleràncies de fabricació aconseguint un rendiment òptim. A més, l'ús de DCs sobre guies ridge és comunament utilitzat i ofereix millors prestacions que el basat en guies strip, per eixe motiu aquesta Tesi estudia i avalua l'ús de ADCs sobre guies ridge per mitjà del mètode d'anàlisi dels índexs efectius dels supermodes parell i imparell. D'aquesta manera es realitza una comparació entre els dissenys òptims de les dos estructures (strip i ridge) amb l'objectiu d'esbrinar quin disseny ofereix millors prestacions. Finalment, es proposa i estudia el disseny d'un acoblador grating capaç de multiplexar i demultiplexar els modes òptics del mode fonamental i del primer orde superior des de la guia òptica a la fibra òptica i viceversa. Per a això es proposen diferents dissenys amb l'objectiu d'aconseguir un disseny més tolerant i eficient enfront dels errors per desalineament obtenint un acoblament òptim. / [EN] In this Ph.D. thesis, different mode coupling and mode conversion techniques with the aim to increase the transport capacity in telecommunications systems over optical fiber are proposed. Concretely, the main aim is the development of the technology to achieve MDM using a limited controlled number of modes. Two different MDM scenarios based on two distinct wavelengths have been considered. On one hand, using the 850 nm wavelength over SSMF favors the use of optical and electro-optical devices with costs much lower than their equivalent in the C+L band. This novel transmission technology enables a new generation of very high capacity optical interconnections applicable to chip-to-chip links, to optical backplanes, and also to high-performance computing clusters and network switching centre interconnections. On the other hand, using the 1550 nm wavelength over optical waveguides based on SOI, i.e., Si (Silicon) above SiO2 substrate (silicon oxide), allows the use of integrated devices offering a less size, better repeatability and robustness in comparison with the optical fiber devices. Fused fiber couplers are proposed as key elements to (de)multiplex different fiber modes in a MDM link at 850 nm. The use of a symmetric directional coupler (DC) as a (de)multiplexer requires the use of an additional mode converter. The use of an asymmetrical directional coupler (ADC) as optical (de)multiplexer and mode converter is proposed, avoiding the necessity of an additional mode converter and simplifying the MDM scheme. Furthermore, in this Ph.D. thesis it is also proposed and evaluated the design of a mechanical mode converter at 850 nm using a SSMF. This technique permits to obtain the first high order mode with high quality and without the necessity of using an ADC. After that, it is analyzed and investigated the employment of commercial optical couplers (designed at 1550 nm) at 850 nm wavelength operation, thus avoiding the use of optical couplers and mode converters specifically designed at 850 nm wavelength. The MDM system costs are reduced as fewer devices are required and commercial components designed at 1550 nm are cheaper than the counterparts at 850 nm. In this Ph.D. thesis it is also considered the employment of ADCs over strip waveguides based on SOI technology for the conversion and multiplexing of the optical modes, from single-mode waveguide to high order mode waveguide at the 1550 nm wavelength. Thus, it has been studied and experimentally investigated different designs aimed to achieve the most robust configuration, in which the yield is less affected by the fabrication tolerances. Furthermore, the use of DCs over ridge waveguides is commonly employed and it offers better performance than strip waveguides. For this reason, the Ph.D. thesis studies and evaluates the use of ADCs with ridge waveguides by considering the effective refractive indexes of the even and odd supermodes analysis. In this way, a comparison between strip and ridge structures is done in order to find the optimum design that offer the best features. Finally, it is analyzed the design of a grating coupler capable of multiplexing and demultiplexing the fundamental and the high order mode from the waveguide to the optical fiber and vice versa. Thus, different designs are evaluated in order to achieve a design more robust and efficient to the coupling misalignments. / García Rodríguez, D. (2018). Few-Mode Transmission Technology for Ultra-High Capacity Optical Networks [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/115938 / Compendio

[ES] Los sistemas de transmisión óptica no-coherente se emplean actualmente en las redes ópticas de corto alcance (< 80 km), como son las redes de ámbito metropolitano. La implementación más común en el estado del arte se basa en sistemas que emplean multiplexación por división en longitud de onda (WDM, wavelength division multiplexing) de cuatro longitudes de onda (¿) proporcionando un régimen binario de 100 Gbps (4¿×25 Gbps). En los últimos años, los sistemas de transmisión ópticos no-coherentes están evolucionando desde 100 Gbps a 400 Gbps (4¿×100 Gbps). Dado que este mercado comprende un gran número de sistemas, el coste es un parámetro importante que debe ser lo más bajo posible. El objetivo de esta tesis es investigar distintos aspectos del procesado de señal en general y, específicamente, investigar nuevas técnicas de procesado digital de señal (DSP, digital signal processing) que puedan ser utilizadas en sistemas de transmisión óptica no-coherentes empleando la modulación por amplitud de pulsos (PAM, pulse-amplitude modulation). Para que una técnica DSP sea interesante en el contexto de una red óptica WDM no-coherente, esta debe mitigar de manera efectiva al menos una de las tres limitaciones principales que afectan a estos sistemas: limitaciones de ancho de banda, limitaciones por dispersión cromática (CD), y el ruido. En esta tesis se proponen y examinan una serie de algoritmos cuyo su rendimiento es analizado mediante simulación y experimentalmente en laboratorio: - Feed-forward equalizer (FFE): este es el esquema de ecualización más común que se emplea principalmente en las transmisiones ópticas no-coherentes de alto régimen binario. Puede compensar grandes limitaciones en el ancho de banda. - Estimación de la secuencia de máxima verosimilitud (MLSE): el MLSE es un detector óptimo y, por lo tanto, proporciona las mejores prestaciones en detección cuando se abordan las limitaciones por CD y de ancho de banda. - Conformación geométrica de la constelación: en los esquemas de modulación de intensidad óptica multinivel, la distancia entre los niveles de amplitud puede ajustarse adecuadamente (de manera que no son equidistantes) a fin de aumentar la tolerancia de la señal frente al ruido. - Conformación probabilística: técnica diseñada específicamente para esquemas de modulación multinivel. Esta técnica ajusta la probabilidad de cada nivel de amplitud de modo que se incrementa la tolerancia al ruido óptico. - Señalización de respuesta parcial (PRS, partial signaling response): este es un enfoque basado en DSP donde una interferencia entre símbolos (ISI, inter-symbol interference) controlada es introducida intencionalmente de tal manera que la señal resultante requiere menos ancho de banda. La técnica PRS puede adaptarse para combatir también el efecto de CD. - Pre-énfasis digital (DPE, digital pre-emphasis): esta técnica consiste en aplicar el inverso de la función de transferencia del sistema a la señal en el transmisor, lo que reduce el impacto de las limitaciones de ancho de banda en el receptor. - Modulación con codificación Trellis (TCM, Trellis-coded modulation): esquema de modulación que combina elementos de corrección de errores (FEC, forward error correction) con técnicas de partición en conjuntos y modulación multidimensional para generar una señal más resistente al ruido. - Modulación multidimensional por partición en conjuntos: muy similar a TCM, pero sin ningún elemento FEC. Tiene menos ganancias que TCM en términos de tolerancia al ruido, pero no es tan sensible al ISI. Utilizando estas técnicas, esta tesis demuestra que es posible lograr una transmisión óptica con régimen binario de 100 Gbps/¿ empleando componentes de bajo coste. En esta tesis también demuestra regímenes binarios de más de 200 Gbps, lo que indica que la transmisión óptica no-coherente con modulación PAM puede ser una solución viable y eficiente en coste / [CA] Actualment, s'utilitzen sistemes òptics no coherents en xarxes òptiques de curt abast ( < 80 km), com són les xarxes d'àmbit metropolità. La implementació més comuna que podem trobar en l'estat de l'art es correspon amb sistemes emplenant multiplexació per divisió en longitud d'ona (WDM, wavelength division multiplexing) de quatre longituds d'ona (¿) proporcionant un règim binari de 100 Gbps (4¿×25 Gbps). En els últims anys, els sistemes de transmissió òptica no-coherents han evolucionat des de 100 Gbps cap a 400 Gbps (100 Gbps/¿). Atès que el mercat de sistemes de curt abast compren un gran volum de dispositius òptics instal·lats, el cost unitari és molt important i ha de ser el més baix possible. L'objectiu d'aquesta tesi és analitzar aspectes del processament de senyal en general i, específicament, investigar noves tècniques de processament digital de senyal (DSP, digital signal processing) que puguen ser utilitzades en sistemes de transmissió òptica no-coherent que utilitzen la modulació per amplitud d'impulsos (PAM, pulse-amplitude modulation). Per tal que una tècnica DSP es considere interessant per a una xarxa òptica WDM no-coherent, aquesta ha de mitigar efectivament almenys una de les tres principals limitacions que afecten aquests sistemes: limitacions d'ample de banda, limitacions per dispersió cromàtica (CD), i el soroll. En aquesta tesi s'examinen una sèrie d'algoritmes, el seu rendiment s'analitza per simulació i experimentalment en laboratori: - Feed-forward equalizer (FFE): aquest és l'esquema d'equalització més comú i s'utilitza bàsicament en les transmissions òptiques no coherents d'alt règim binari. Pot compensar grans quantitats de limitacions d'ample de banda. - Estimació de la seqüència de probabilitat màxima (MLSE): el MLSE és un detector òptim i, per tant, proporciona el millor rendiment quan es tracta de limitacions d'ample de banda i de CD. - Conformació geomètrica de la constel·lació: en esquemes de modulació òptica d'intensitat multinivell es pot ajustar la distància entre els nivells d'amplitud (de manera que ja no són equidistants) per augmentar la tolerància del senyal al soroll. - Conformació probabilística: una tècnica dissenyada específicament per als esquemes de modulació multinivell; ajusta la probabilitat de cada nivell d'amplitud de manera que augmenta la tolerància al soroll òptic. - Senyalització de resposta parcial (PRS, partial signaling response): és un enfocament basat en DSP on la interferència entre símbols (ISI, inter-symbol interference) controlada s'introdueix intencionalment de manera que el senyal resultant requereix menys ample de banda. La tècnica PRS es pot adaptar per combatre els efectes del CD. - Pre-èmfasi digital (DPE, digital pre-emphasis): aquesta tècnica consisteix a aplicar la inversió de la funció de transferència del sistema a la senyal en el transmissor de manera que es redueix l'impacte de les limitacions d'ample de banda en la senyal en el receptor. - Modulació amb codificació Trellis (TCM, Trellis-coded modulation): esquema de modulació que combina els elements de correcció d'errors avançats (FEC, forward error correction) amb tècniques de partionament de conjunts i modulació multidimensional per generar un senyal més resistent al soroll. - Modulació multidimensional per partició en conjuntes: molt similar a TCM però sense elements FEC. Té guanys menors que TCM en termes de tolerància al soroll, però no és tan sensible a l'ISI. Mitjançant l'ús d'aquestes tècniques, aquesta tesi demostra que és possible aconseguir una transmissió òptica amb un règim binari de 100 Gbps/¿ utilitzant components de baix cost. Esta tesi també demostra règims binaris de més de 200 Gbps, el que indica que la tecnologia no-coherent amb modulació PAM és una solució viable i eficient en cost per a una nova generació de sistemes transceptors òptics WDM funcionant a 800 Gbps (4¿×200 G / [EN] Non-coherent optical transmission systems are currently employed in short-reach optical networks (reach shorter than 80 km), like metro networks. The most common implementation in the state-of-the-art is the four wavelength (¿) 100 Gbps (4¿×25 Gbps) wavelength division multiplexing (WDM) transceiver. In recent years non-coherent optical transmissions are evolving from 100 Gbps to 400 Gbps (4¿×100 Gbps). Since in the short-reach market the volume of optical devices being deployed is very large, the cost-per-unit of the devices is very important, and it should be as low as possible. The goal of this thesis is to investigate some general signal processing aspects and, specifically, digital signal processing (DSP) techniques required in non-coherent pulse-amplitude modulation (PAM) optical transmission, and also to investigate novel algorithms which could be applied to this application scenario. In order for a DSP technique to be considered an interesting solution for non-coherent WDM optical networks it has to effectively mitigate at least one of the three main impairments affecting such systems: bandwidth limitations, chromatic dispersion (CD) and noise (in optical or electrical domain). A series of algorithms are proposed and examined in this thesis, and their performance is analyzed by simulation and also experimentally in the laboratory: - Feed-forward equalization (FFE): this is the most common equalizer and it is basically employed in every high-speed non-coherent optical transmission. It can compensate high bandwidth limitations. - Maximum likelihood sequence estimation (MLSE): the MLSE is the optimum detector and thus provides the best performance when it comes to dealing with CD and bandwidth limitations. - Geometrical constellation shaping: in multilevel optical intensity modulation schemes the distance between amplitude levels can be adjusted (such that they are no longer equidistant) in order to increase the signal's tolerance to noise. - Probabilistic shaping: another technique designed specifically for multilevel modulation schemes; it adjusts the probability of each amplitude level such that the tolerance to optical noise is increased. - Partial response signaling (PRS): this is a DSP-based approach where a controlled inter-symbol interference (ISI) is intentionally introduced in such a way that the resulting signal requires less bandwidth. PRS can be customized to also mitigate CD impairment, effectively increasing transmission distances up to three times. - Digital pre-emphasis (DPE): this technique consists in applying the inverse of the transfer function of the system to the signal at the transmitter side which reduces the impact of bandwidth limitations on the signal at the receiver side. - Trellis-coded modulation (TCM): a modulation scheme that combines forward error correction (FEC) elements with set-partitioning techniques and multidimensional modulation to generate a signal that is more resistant to noise. - Multidimensional set-partitioned modulation: very similar with TCM but without any FEC elements. It has lower gains than TCM in terms of noise tolerance but is not so sensitive to ISI. By using the techniques enumerated above, this thesis demonstrates that is possible to achieve 100 Gbps/¿ optical transmission bitrate employing cost-effective components. Even more, bitrates higher than 200 Gbps are also demonstrated, indicating that non-coherent PAM is a viable cost-effective solution for next-generation 800 Gbps (4¿×200 Gbps) WDM transceivers. / Prodaniuc, C. (2019). Advanced Signal Processing for Pulse-Amplitude Modulation Optical Transmission Systems [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/117315

[ES] A lo largo de los últimos años ha ido aumentando el interés por disponer de información del uso y la cobertura del suelo y su cambio en el tiempo. Con la aparición de las imágenes de satélite y la teledetección, ahora se puede obtener y supervisar esta información de la Tierra de forma sistemática. El enfoque de esta Tesis consiste en desarrollar técnicas de detección de cambio mediante el análisis semiautomático de imágenes ópticas multitemporales y de microondas disponibles de forma abierta, con especial énfasis en la detección de desertificación en el norte de Argelia. En primer lugar, se emplea la técnica Change Vector Analysis y se estudian sus resultados en dos áreas diferentes con objeto de validar esta metodología de detección de cambios. Para ello, se realizan clasificaciones supervisadas por píxel, habiendo seleccionado las clases adecuadas por cada información de la escena. En esta fase, se comprueban los resultados obtenidos con diferentes tipos de clasificadores. Así, el clasificador Maximum Likelihood Classifier es el que proporciona una mejor precisión global, igual a 90,71%, en los escenarios bajo test. La evaluación de la calidad se realiza mediante matrices de confusión y sus parámetros derivados, tales como la precisión global y el coeficiente kappa. La fase de búsqueda del umbral óptimo es el punto crítico en esta metodología de detección de cambios. Una posibilidad de establecer el umbral nos lo da el método clásico Double-Window Flexible Pace Search. Los resultados de la discriminación del tipo de cambio se muestran mediante las matrices de transición e índices de cambios, y en formato gráfico mediante mapa de cambios. En segundo lugar, se estudia la detección de cambios aplicada a la desertificación en Argelia mediante datos ópticos. Se desarrolla una metodología basada en la comparación posterior a la clasificación para monitorizar de forma simple la degradación de la tierra. Este método de detección de cambio es el que proporciona los mejores resultados con una precisión global del 95,15%, tras compararlo con la detección con vectores y considerar diferentes parámetros en ambos métodos. En este caso, el clasificador basado en objetos y la técnica Support Vector Machine es el que proporciona los mejores resultados con un 92,91% en termino de precisión global y un valor del coeficiente kappa igual a 0,91, después de comparar las matrices de confusión y sus parámetros derivados. Consecuentemente, se diseña un método de detección de cambios y se evalúa la evolución del cambio en la ciudad de Biskra (Argelia) durante un período de veinticinco años. Los resultados se disponen en formato estadístico (matrices de transición e índices de cambio) y en formato gráfico mediante mapas de distribución de cambios, obteniendo excelentes resultados con un bajo coste en tiempo de operador humano. Finalmente, teniendo en cuenta la creciente disponibilidad de imágenes de microondas, se realiza un estudio añadiendo imágenes radar a los datos ópticos en la metodología previamente seleccionada de detección de desertificación. Después de evaluar diferentes configuraciones para introducir la nueva información en la cadena de procesado, se escoge la integración de la imagen radar en polarización vertical-vertical sin filtrado Speckle después de la fase de segmentación. Esta nueva estrategia, empleando imágenes ópticas y de radar, introduce una mejora significativa sobre los resultados anteriormente obtenidos, con 97,05% de precisión global y 0,96 del coeficiente kappa, ya que las propiedades de la arena seca en la imagen radar hacen que sea más fácilmente identificada. Este nuevo método semiautomático integrando distintos tipos de imágenes reduce el trabajo del analista y produce un informe de detección de cambios fácil de interpretar. La utilidad de este tipo de informe reside en ayudar a las autoridades gubernamentales argelin / [CA] Al llarg dels últims anys ha anat augmentant l'interés per disposar d'informació de l'ús i la cobertura del sòl i el seu canvi en el temps. Amb l'aparició de les imatges de satèl·lit i la teledetecció, ara es pot obtindre i supervisar aquesta información de la Terra de forma sistemàtica. L'enfocament d'aquesta Tesi consisteix a desenvolupar tècniques de detecció de canvi mitjançant l'anàlisi semiautomática d'imatges òptiques multitemporales i de microones disponibles de forma oberta, amb especial èmfasi en la detecció de desertificació en el nord d'Algèria. En primer lloc, s'empra la tècnica Change Vector Analysis i s'estudien els seus resultats en dues àrees diferents a fi de validar aquesta metodologia de detecció de canvis. Per a això, es realitzen classificacions supervisades per píxel, havent seleccionat les classes adequades per cada informació de l'escena. En aquesta fase, es comproven els resultats obtinguts amb diferents tipus de classificadors. Així, el classificador Maximum Likelihood Classifier és el que proporciona una millor precisió global del 90,71% en els escenaris sota test. L'avaluació de la qualitat es realitza mitjançant matrius de confusió i els seus paràmetres derivats, tals com la precisió global i el coeficient kappa. La fase de cerca del llindar òptim és el punt crític en aquesta metodologia de detecció de canvis. Una possibilitat d'establiment de llindar ens ho dóna el mètode clàssic Double-Window Flexible Pace Search. Els resultats de la discriminació del tipus de canvi es mostren mitjançant les matrius de transició i índexs de canvis, i en format gràfic mitjançant mapa de canvis. En segon lloc, s'estudia la detecció de canvis aplicada a la desertificació a Algèria mitjançant dades òptiques. Es desenvolupa una metodologia basada en la comparació posterior a la classificació per a monitorar de forma simple la degradació de la terra. Aquest mètode de detecció de canvi és el que proporciona els millors resultats amb una precisió global del 95,15% després de comparar-ho amb la detecció amb vectors i considerar diferents paràmetres en tots dos mètodes. En aquest cas, el classificador basat en objectes i la tècnica Support Vector Machine és el que proporciona els millors resultats amb una precisió global igual a 92,91% i un coeficient kappa de 0,91, després de comparar les matrius de confusió i els seus paràmetres derivats. Conseqüentment, es dissenya un mètode de detecció de canvis i s'avalua l'evolució del canvi a la ciutat de Biskra (Algèria) durant un període de vint-i-cinc anys. Els resultats es disposen en format estadístic (matrius de transició i índexs de canvi) i en format gràfic mitjançant mapes de distribució de canvis, obtenint excel·lents resultats amb un baix cost en temps d'operador humà. Finalment, tenint en compte la creixent disponibilitat d'imatges de microones, es realitza un estudi afegint imatges radar a les dades òptiques en la metodologia prèviament seleccionada de detecció de desertificació. Després d'avaluar diferents configuracions per a introduir la nova informació en la cadena de processament, es tria la integració de la imatge radar en polarització vertical-vertical sense filtrat Speckle després de la fase de segmentació. Aquesta nova estrategia, emprant imatges òptiques i de radar, introdueix una millora significativa sobre els resultats anteriorment obtinguts, amb 97,05% de precisió global i 0,96 del coeficient kappa, ja que les propietats de l'arena seca en la imatge radar fan que siga més fàcilment identificada. Aquest nou mètode semiautomàtic integrant diferents tipus d'imatges redueix el treball de l'analista i produeix un informe de detecció de canvis fàcil d'interpretar. La utilitat d'aquest tipus d'informe resideix a ajudar les autoritats governamentals algerianes a prendre les accions adequades en la lluita contra la degradació de la Terra. / [EN] Over the last few years, the interest on the use of land use, land cover and its change in the time has grown. With the appearance of satellite images and Remote Sensing techniques, this type of Earth information can be obtained in a systematic way. The main focus of this Thesis is to develop change detection techniques through semiautomatic analysis of freely available optical and microwave images, with special emphasis on the detection of desertification in the north of Algeria. Firstly, Change Vector Analysis is studied in two different zones in order to validate this change detection technique. For that purpose, supervised classification per pixel is employed with the selection of the appropriate classes for each scene information. In this step, comparison among different types of classifiers is done and Maximum Likelihood Classifier provides the better accuracy equal to 90,71%. Quality evaluation is given by matrices of confusion and its derived parameters, such as global accuracy and kappa coefficient. A critical point in change detection methodology is optimal threshold selection. One possibility for it is given by the classical method Double-Window Flexible Pace Search. The results of change detection are given by transition matrices, change indexes and change maps. Secondly, change detection applied to the issue of desertification in Algeria is studied using optical data. A methodology based on post classification comparison is developed to monitor the degradation of the Earth in a simple way. This method of change detection provides the best results with a value of 95,15% in overall accuracy, after the comparison with Change Vector Analysis and considering different processing parameters in both methods. In this case, the Support Vector Machine classifier based on objects is the one that provides the best results with a remarkable global accuracy of 92,91% and kappa coefficient equal to 0,91, after comparing the confusion matrices and their derived products. Consequently, a change detection method is designed and evaluated in the city of Biskra (Algeria) during a period of twenty-five years. The results are available in statistical format (transition matrices and change indexes) and in graphical format using change distribution maps. The excellent results are obtained with low operator time. Finally, taking into account the increasing availability of microwave images, the addition of radar images to the optical data in the previously selected desertification detection methodology is carried out. After evaluating different configurations, the integration of the radar image in vertical-vertical polarization without Speckle filtering after the segmentation step is chosen. This new strategy employing optical and radar images provides a significant improvement over previous results (with a value of 97,05% in global accuracy and 0,96 in kappa coefficient), since the properties of dry sand in the radar image make it more easily identifiable. This new semiautomatic method integrating different types of images reduces the analyst's work and produces an easily interpretable change detection report. The usefulness of this type of report lies in helping the Algerian government authorities to take appropriate actions to fight against land degradation. / Azzouzi, SA. (2019). Técnicas de detección de cambios mediante teledetección para el desarrollo sostenible y la desertificación [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/117994

[ES] Los sensores ópticos son dispositivos fotónicos sensibles a determinadas magnitudes que se usan precisamente para medir, ya sea de forma absoluta o relativa, esas magnitudes. Medir la temperatura, la presión, la tensión, la humedad o la presencia de un determinado gas son algunas de las funcionalidades que llevan a cabo estos sensores. A lo largo de las últimas décadas multitud de sensores y técnicas de interrogación han sido desarrolladas, lo que ha tenido un increíble impacto en multitud de áreas. Uno de los ejemplos más claro es la arquitectura civil, donde los sensores fotónicos juegan un papel fundamental en la monitorización del estado de las estructuras. A pesar de los buenos resultados conseguidos por los sensores ópticos hasta la fecha, las técnicas de interrogación desarrolladas hasta ahora muestran algunas desventajas. Tiempos de medida altos, baja resolución o una gran complejidad son algunas de ellas. En esta tesis doctoral se presenta el diseño y caracterización de diversos sensores fotónicos basados en las ya conocidas redes de difracción de Bragg así como la implementación de nuevas técnicas de interrogación de dichos sensores para intentar eliminar o reducir esas desventajas. Las técnicas de interrogación desarrolladas en este trabajo se basan en la fotónica de microondas, donde la interacción entre las señales ópticas y eléctricas se usa para detectar en este caso los cambios en una determinada magnitud. Las técnicas desarrolladas en este trabajo buscan ser lo más versátiles y escalables posibles para así poder adaptarse a los requerimientos de diferentes escenarios. Encontramos así técnicas que permiten interrogar a miles de sensores con una gran resolución y sensibilidad así como también técnicas de interrogación de sensores puntuales con una enorme sensibilidad y simplicidad tanto en la interrogación como en el sistema usado para ello. También están presentes los resultados obtenidos mediante la colaboración con el instituto de investigación sueco ACREO para el desarrollo de un sensor de campo eléctrico basado en fibras polarizadas donde se han fabricado varias redes de difracción de Bragg. / [CA] Els sensors òptics son dispositius fotònics sensibles a determinades magnituds que s'usen precisament per a mesurar, ja siga de forma absoluta o relativa, aquestes magnituds. Mesurar la temperatura, la pressió, la tensió, la humitat o la presència d'un determinat gas són algunes de les funcionalitats que realitzen aquestos sensors. Al llarg de les últimes dècades multitud de sensors i tècniques d'interrogació han sigut desenvolupades, i això ha tingut un impacte increïble a multitud d'àrees. Un dels exemples més clar es l'arquitectura civil, on aquestos sensors juguen un paper fonamental en la monitoratge de l'estat de les estructures. Encara que els resultats aconseguits han sigut bons, les tècniques d'interrogació desenvolupades fins ara mostren alguns desavantatges. Temps de mesurament alt, baixa resolució o una gran complexitat són algun d'ells. A aquesta tesi doctoral es presenta el disseny i caracterització de diversos sensors fotònics basats en les ja conegudes xarxes de difracció de Bragg així com l'implementació de noves tècniques d'interrogació per a intentar eliminar o reduir aquestos inconvenients. Les tècniques d'interrogació desenvolupades en aquest treball es basen en la fotònica de microones, on l'interacció entre les senyals òptiques i elèctriques s'usa per a detectar en aquest cas els canvis en una determinada magnitud. Les tècniques desenvolupades en aquest treball busquen ser el més versàtils i escalables possibles per a poder adaptar-se als requeriments dels diferents escenaris. Trobem així tècniques que permeten interrogar milers de sensors amb una gran resolució i sensitivitat però també tècniques que permeten interrogar sensors puntuals amb una increïble sensitivitat mostrant una gran simplicitat en el seu disseny. També estan presents els resultats obtinguts mitjançant la col¿laboració amb l'institut d'investigació suec ACREO per al desenvolupament d'un sensor de camp eléctric basat en FBGs i en fibres polaritzades. / [EN] Optical sensors are photonic devices sensitive to different magnitudes that are used precisely to measure, in an absolute or a relative way, these magnitudes. These optical sensors are nowadays used to measure temperature, pressure, strain, humidity or the presence of a particular gas. In the past few decades a multitude of photonic sensors and different interrogation techniques have been developed, which had a great impact in dozens of different fields. One of the best examples is civil architecture, in which photonic sensors play a fundamental role in order to monitor the condition of the structures. Despite of the good results showed by photonic sensors, the interrogation techniques used show different drawbacks. A large measurement time, low resolution or great complexity are some of them. In this doctoral thesis the design and characterization of a set of different photonic sensors based on the already known fiber Bragg gratings, along with the implementation of new interrogation techniques, are used in order to eliminate or at least reduce these problems. The interrogation techniques developed in this work are based on Microwave Photonics techniques, in which the interaction between optical and electrical signals is used to detect in this case the changes in a particular magnitude. The techniques showed in this work have been designed in order to be as versatile and scalable as possible to have the opportunity to adapt to any requirement in different scenarios. In this work techniques that are able to interrogate hundreds or even thousands of sensors with great sensitivity and resolution can be found in addition to techniques that are developed to interrogate individual sensors with an enormous sensitivity. The work carried out in collaboration with the Swedish research institute ACREO, based on the development of an electric field sensor based on poled fibers together with FBGs is also present. / Hervás Peralta, J. (2019). Design of photonic sensors based on cavities and new interrogation techniques [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/119754

[ES] Esta tesis explora en profundidad la viabilidad técnica y las prestaciones de un sistema de transmisión para comunicaciones ópticas, de bajo coste y alta velocidad, basado en la multiplexación por división de frecuencia ortogonal (OFDM) mediante la implementación de los algoritmos de procesamiento digital de la señal en tiempo real sobre dispositivos de lógica programable (FPGA). Los sistemas de transmisión de modulación de intensidad y detección directa (IM/DD) parecen ser la solución más interesante para las redes ópticas pasivas (PONs) de bajo coste que serán necesarias para responder a la gran demanda de tráfico de los próximos años, producto del aumento significativo de dispositivos conectados a internet, servicios y programas en la nube, vídeo de alta definición, entre otros. Por tanto, esta tesis tiene como objetivo principal obtener la máxima tasa binaria y eficiencia espectral posible de un sistema IM/DD OFDM en PON (de una sola banda y una sola longitud de onda). Con esta finalidad se ha desarrollado la arquitectura hardware de un receptor OFDM de alta velocidad que opera en tiempo real en un dispositivo FPGA Virtex-7 a una frecuencia de reloj de 312,5 MHz utilizando un conversor analógico digital con una tasa de muestreo de 5 GS/s. Para lograr las mejores prestaciones posibles, se ha intentado aprovechar al máximo el ancho de banda del sistema (acercándose al límite de Nyquist) y se ha realizado una carga variable de las subportadoras del símbolo OFDM atendiendo a las características del canal electro-óptico. Además, se han diseñado e implementado los algoritmos de procesamiento necesarios para la detección y demodulación de los símbolos OFDM, y se ha desarrollado una plataforma experimental que ha permitido validarlos en tiempo real a través de un enlace de fibra monomodo estándar (SSMF). El principal resultado de esta tesis es el haber demostrado experimentalmente que con el sistema propuesto se puede alcanzar una tasa binaria de 19,63 Gb/s y una eficiencia espectral de 8,07 bit/s/Hz sobre 20 km de SSMF, lo cual implica casi duplicar las mejores prestaciones publicadas hasta la fecha. Para completar el diseño del receptor, se ha desarrollado un algoritmo de sincronización de tiempo basado en la correlación cruzada entre un preámbulo conocido y la señal OFDM recibida, el cual presenta una tasa de error extremadamente baja, aun en condiciones de muy baja SNR, y su diseño optimizado requiere menos recursos que otros sincronizadores publicados hasta la fecha. También se ha desarrollado un procesador de FFT de longitud variable mediante una arquitectura paralela segmentada que permite alcanzar hasta una tasa de 10 GS/s en dispositivos Virtex-7 con una eficiencia (área/velocidad) superior a la de otros trabajos publicados, y un ecualizador de canal basado en una técnica de estimación y compensación en frecuencia, que utiliza un preámbulo característico para poder disminuir la complejidad hardware y aumentar la precisión de la estimación. Todos los algoritmos implementados en esta tesis doctoral han sido diseñados para procesar 16 muestras en paralelo, y así poder reducir la frecuencia de reloj (5 GHz/16) hasta valores aceptables para los dispositivos FPGA. / [CA] Aquesta tesi explora en profunditat la viabilitat tècnica i les prestacions d'un sistema de transmissió per a comunicacions òptiques, de baix cost i alta velocitat, basat en la multiplexació per divisió en freqüència ortogonal (OFDM) mitjançant la implementació d'algorismes de processat digital del senyal en temps real sobre dispositius de lògica programable (FPGA). Els sistemes de transmissió de modulació d'intensitat i detecció directa (IM/DD) semblen ser la solució més interesant per a les xarxes òptiques passives (PON) de baix cost que seran necessàries per respondre a la gran demanda de tràfic dels propers anys, producte de l'augment significatiu de dispositius connectats a Internet, serveis i programari al núvol, vídeo d'alta definició, entre d'altres. Per tant, aquesta tesi té com objectiu principal obtenir la màxima taxa binaria i eficiència espectral possible d'un sistema IM/DD OFDM en PON (amb una sola banda i una sola longitud d'ona). Amb aquesta finalitat s'ha desenvolupat l'arquitectura hardware d'un receptor OFDM d'alta velocitat que treballa en temps real a un dispositiu FPGA Virtex-7 amb una freqüència de rellotge de 312,5 MHz utilitzant un convertidor analògic a digital amb una taxa de mostreig de 5 GS/s. Per aconseguir les millors prestacions possibles, s'ha intentat aprofitar al màxim l'ample de banda del sistema (aproximant-se al límit de Nyquist) i s'ha realitzat una càrrega variable de les subportadores del símbol OFDM atenent a les característiques del canal electró-òptic. A més, s'han dissenyat e implementat els algorismes de processament necessaris per la detecció i desmodulació dels símbols OFDM, i s'ha desenvolupat una plataforma experimental que ha permès validar-los en temps real a través d'un enllaç de fibra monomode estàndard (SSMF). El principal resultat d'aquesta tesi és haver demostrat experimentalment que amb el sistema proposat es pot arribar a una taxa binaria de 19,63 Gb/s amb una eficiència espectral de 8,07 bits/s/Hz sobre 20 km de SSMF, la qual cosa implica quasi duplicar les millors prestacions publicades fins aquest moment. Per completar el disseny del receptor, s'ha desenvolupat un algorisme de sincronització de temps basat en la correlació creuada entre un preàmbul conegut i el senyal OFDM rebut, el qual presenta una taxa d'error extremadament baixa, inclòs en condicions de molt baixa SNR, i el seu disseny optimitzat requereix menys recursos que altres sincronitzadors publicats fins el moment. També s'ha desenvolupat un processador de FFT de longitud variable mitjançant una arquitectura paral·lela segmentada que permet arribar fins una taxa de 10 GS/s en dispositius Virtex-7 amb una eficiència (àrea/velocitat) superior a la d'altres treballs publicats, i un equalitzador de canal basat en una tècnica d'estimació i compensació en freqüència, que utilitza un preàmbul característic per poder disminuir la complexitat hardware i augmentar la precisió de l'estimació. Tots els algorismes implementats a aquesta tesi doctoral han sigut dissenyats per processar 16 mostres en paral·lel, i així poder reduir la freqüència de rellotge (5 GHz/16) fins valors acceptables pels dispositius FPGA. / [EN] This thesis presents an in-depth exploration of the technical feasibility and achievable performance of a low-cost and high-speed optical communication system based on orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) through the implementation of real-time digital signal processing algorithms over programmable logic devices (FPGA). Optical transmission systems based on intensity modulation and direct detection (IM/DD) is considered as one of the most interesting solutions for the deployment of the low-cost passive optical networks (PONs) that will be needed to cover the high traffic demand in the coming years. This demand is fueled, among others, by the significant increase of connected devices to the Internet, services and programs in the cloud, high definition video, etc. The main objective of this thesis is to achieve the maximum bitrate and spectral efficiency of an IM/DD PON OFDM system (using a single band and a single wavelength). To this end, the hardware architecture of a high-speed real-time OFDM receiver, including all the necessary algorithms to perform the detection and demodulation of the OFDM symbols, has been implemented in a Virtex-7 FPGA device at a clock frequency of 312.5 MHz using a digital analog converter with a sampling rate of 5 GS/s. To reach the best possible performance, all the system bandwidth has been employed and the OFDM subcarriers have been loaded according to the characteristics of the electro-optical channel. An experimental platform for optical transmission through standard single-mode fiber (SSMF) has been developed to evaluate in real-time the performance of the implemented receiver. The main result of this thesis is the experimental validation of the proposed system that has achieved a bit rate of 19.63 GS/s and a spectral efficiency of 8.07 bit/s/Hz over 20 km SSMF. These results almost double the best performance published to date. The receiver implementation included the design and development of several algorithms. First, it was designed a time synchronization algorithm (TSA) based on the cross-correlation between a known preamble and the received OFDM signal. This TSA has a good performance in low-SNR scenarios and its optimized design requires fewer resources than other synchronizers published in the literature. Second, a variable length parallel pipelined FFT processor has been implemented in a Virtex-7 device, it reaches a throughput of 10 GS/s with an efficiency (area/speed) higher than that of other published works. And finally, a channel equalizer working in the frequency domain to estimate and compensate channel distortions, which uses a known preamble to decrease the hardware complexity and increase the accuracy of the estimation, has been implemented. All the algorithms in this thesis have been developed to process 16 samples in parallel, thus reducing the required clock frequency (5 GHz/16) to acceptable values for the FPGA devices. / Deseo expresar mi gratitud a las autoridades de la Facultad Regional Buenos Aires de la Universidad Tecnológica Nacional por el apoyo económico y personal recibido durante la realización de esta tesis. / Bruno, JS. (2019). Algoritmos y arquitecturas hardware para la implementación de OFDM en sistemas de comunicaciones ópticos [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/119988

[ES] La interferometría de baja coherencia (Low Coherence Interferometry, LCI) es una técnica óptica de medida de distancias capaz de alcanzar resoluciones del orden de las micras en la dirección axial de la muestra. Su principio físico está basado en la generación de un patrón de interferencia que, tras ser procesado, permite obtener la información estructural de la muestra estudiada. Entre las aplicaciones de LCI, destaca el área de la medicina, principalmente debido a la naturaleza no invasiva de la técnica. En este sentido, la aplicación más reconocida es la tomografía de coherencia óptica (Optical Coherence Tomography, OCT), donde la obtención de imágenes en 2D y 3D mediante el uso de LCI permite realizar análisis y diagnósticos de diferentes tejidos biológicos. Entre otros campos de aplicación de esta técnica se encuentran el sensado o la caracterización de componentes ópticos. Sin embargo, existen también limitaciones asociadas a los sistemas LCI como su gran volumen y coste, sobre todo cuando se aplica al campo de la medicina, donde son necesarias estructuras ópticas más complejas. Asimismo, existe una importante limitación relacionada con el patrón de interferencia, ya que éste se captura en el dominio óptico donde es altamente sensible a las variaciones de temperatura o las vibraciones. Por estos motivos, el objetivo principal de esta tesis doctoral se centra en el estudio de la técnica LCI a través de su combinación con el campo de la fotónica de microondas (Microwave Photonics, MWP). Las ventajas que puede aportar el campo MWP a LCI son numerosas, donde se puede destacar el análisis del patrón de interferencia en el dominio eléctrico en lugar de en el óptico, o la posibilidad de hacer uso de una tecnología mucho más madura como es la fotónica de microondas. El principio de operación de la técnica, denominada como MWP-LCI, está basado en el análisis de la función de transferencia del sistema cuando se considera una muestra concreta. Las características estructurales de dicha muestra generan diferentes resonancias de RF cuya posición y anchura dentro del espectro eléctrico se relacionan directamente con las diferentes capas de las que está compuesta la muestra. En este sentido, la tesis doctoral se centra, en primer lugar, en la demostración de la analogía existente entre las técnicas LCI y MWP-LCI. Posteriormente, se realizan diferentes propuestas de mejora y evolución a la estructura MWP-LCI más básica. Mediante el análisis teórico de dichas propuestas se demuestra que el uso de los conocimientos del área MWP permite superar las limitaciones ligadas a las primeras propuestas realizadas en MWP-LCI. Asimismo, se incluyen las demostraciones experimentales asociadas a todas las propuestas realizadas, alcanzando un excelente grado de concordancia con los resultados teóricos. Por último, se centra el análisis en los elementos clave que componen estas estructuras: la muestra, la fuente óptica y el elemento dispersivo. A través de las distintas evoluciones realizadas a la técnica MWP-LCI se ha podido demostrar experimentalmente que las sensibilidades alcanzadas se sitúan en torno a los 60 dB junto a resoluciones de 28 µm, siendo sencillo superar 1 cm de rango de operación. / [CA] La interferometria de baixa coherència (Low Coherence Interferometry, LCI) és una tècnica òptica de mesura de distàncies capaç d'abastar resolucions de l'ordre de les micres en la direcció axial de la mostra. El seu principi físic es basa en la generació d'un patró d'interferència que, en ser processat, permet obtindre la informació estructural de la mostra estudiada. Entre les aplicacions d'LCI, destaca l'àrea de la medicina, principalment a causa de la naturalesa no invasiva de la tècnica. En aquest sentit, l'aplicació més reconeguda és la tomografia de coherència òptica (Optical Coherence Tomography, OCT), en què l'obtenció d'imatges en 2D i 3D mitjançant l'ús d'LCI permet portar a terme anàlisis i diagnòstics de diferents teixits biològics. Entre altres camps d'aplicació d'aquesta tècnica hi ha el sensat o la caracterització de components òptics. Tanmateix, hi ha també limitacions associades als sistemes LCI, com la grossària i el cost, sobretot quan s'aplica al camp de la medicina, en què són necessàries estructures òptiques més complexes. Així mateix, hi ha una limitació important relacionada amb el patró d'interferència, ja que aquest es captura en el domini òptic on és altament sensible a les variacions de temperatura o les vibracions. Així doncs, l'objectiu principal d'aquesta tesi doctoral se centra en l'estudi de la tècnica LCI a través de la seua combinació amb el camp de la fotònica de microones (Microwave Photonics, MWP). En són nombrosos, els avantatges que pot aportar el camp MWP a LCI, entre els quals es pot destacar l'anàlisi del patró d'interferència en el domini elèctric en comptes d'en l'òptic, o la possibilitat de fer ús d'una tecnologia molt més madura, com és la fotònica del microones. El principi d'operació de la tècnica, que s'anomena MWP-LCI, es basa en l'anàlisi de la funció de transferència del sistema quan es considera una mostra concreta. Les característiques estructurals de la susdita mostra generen diferents ressonàncies d'RF, i la seua posició i amplària dins de l'espectre elèctric es relacionen directament amb les diferents capes de què està composta la mostra. En aquest sentit, la tesi doctoral se centra, en primer lloc, en la demostració de l'analogia que existeix entre les tècniques LCI i MWP-LCI. Tot seguit, es porten a terme diferents propostes de millora i evolució a l'estructura MWP-LCI més bàsica. Mitjançant l'anàlisi teòrica de les esmentades propostes es demostra que l'ús dels coneixements de l'àrea MWP permet superar les limitacions lligades a les primeres propostes fetes en MWP-LCI. De la mateixa manera, s'inclouen les demostracions experimentals associades a totes les propostes fetes, amb la qual cosa s'ha assolit un excel·lent grau de concordança amb els resultats teòrics. Finalment, l'anàlisi se centra en els elements clau que componen aquestes estructures: la mostra, la font òptica i l'element dispersiu. A través de les diferents evolucions realitzades a la tècnica MWP-LCI s'ha pogut demostrar experimentalment que les sensibilitats assolides se situen al voltant dels 60 dB junt amb resolucions de 28 µm, tot sent senzill superar 1 cm de rang d'operació. / [EN] Low Coherence Interferometry (LCI) is an optical technique for distance measurements, able to reach the micron scale of resolution in the axial direction of the sample. Its physical principle is based on the generation of an interference pattern which, after processing, can reveal the structural information of the sample studied. Among all the LCI applications, the medical field arises as one of the most relevant, mainly due to the non-invasive nature of the technique. In this sense, the Optical Coherence Tomography (OCT) is one of the most recognizable applications, where the acquisition of 2D and 3D images by using LCI enables the analysis and diagnosis of different biological tissues. Among other fields of application of this technique, we can highlight sensing and the optical components characterization. Nevertheless, LCI systems also suffer from some limitations related to compactness and cost-effectiveness, mainly when it is applied to the medical field where more complex structures are required. Furthermore, it also exists a strong limitation related to the interference pattern mostly due to its acquisition in the optical domain, where it is highly sensitive to vibrations and temperature variations. On this basis, the main objective of this Ph.D. is focused in the study of the LCI technique and its combination with the field of Microwave Photonics (MWP). The benefits that MWP can offer to LCI are numerous, among which we can highlight the analysis of the interference pattern in the electrical domain instead of in the optical domain, or the possibility to make use of a more mature technology as the field of MWP is. The principle of operation of this technique, labelled as MWP-LCI, is based on the analysis of the interference pattern of the system when a certain sample is considered. The structural features of that sample generate different RF resonances where their position and width in the electrical spectrum are directly related to the different layers that compose the sample. In this way, the current Ph.D. is focused, firstly, in the demonstration of the existing analogy between the LCI and MWP-LCI techniques. Afterwards, several upgrade proposals are made to develop the most basic MWP-LCI structure. By the corresponding theoretical analysis of those proposals, it is demonstrated that the use of the MWP field allows the possibility to improve the limitations related to the first demonstrations carried out in MWP-LCI. Moreover, the experimental demonstrations associated to all the proposals are included, showing an excellent agreement with the theoretical results. Finally, the analysis is focused in the key elements that compose these structures: the sample, the optical source and the dispersive element. Through the different improvements applied to the MWP-LCI technique, we have been able to experimentally demonstrate a sensitivity level of 60 dB with resolutions of 27 µm in a working range that can easily exceed 1 cm. / Benítez González, J. (2019). Fotónica de microondas aplicada a la interferometría de baja coherencia [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/123054

[ES] Los efectos no lineales son herramientas valiosas en el procesamiento óptico. El obje-tivo de esta Tesis es contribuir con las nuevas arquitecturas y métodos a este campo, en particular al control de la polarización de la luz con luz y filtrado óptico de señales de microondas. La manipulación de las propiedades de la polarización de la luz en medios guiados es crucial en muchos sistemas ópticos clásicos y cuánticos. Sin embargo, la capacidad de la tecnología actual para definir con precisión el estado de polarización de determina-das longitudes de onda está lejos del nivel de madurez conseguido en el control de la amplitud. En el capítulo 3, se presenta un nuevo enfoque para el control totalmente óptico del estado de polarización con selectividad en longitud de onda, basado en el cambio del retardo fase por medio del stimulated Brillouin scattering. Los experimen-tos muestran que se puede llegar a cualquier punto de la esfera de Poincaré desde un estado de polarización de entrada arbitrario con tan solo una ligera variación en la amplitud de la señal (<2.5 dB). A diferencia de otros esquemas de procesamiento Bri-llouin, la degradación de la figura de ruido es pequeña (1.5 dB para una rotación completa en la esfera, 2pi). Este controlador de polarización completamente óptico puede forjar el desarrollo de nuevas técnicas basadas en la polarización en comunica-ciones ópticas, ingeniería laser, detección, sistemas cuánticos y sondeo basado en luz de sistemas químicos y biológicos. La segunda área de interés de la tesis se centra en el filtrado fotónico de microondas. La fotónica proporciona una implementación alternativa a los filtros de microondas. Las características proporcionadas por el scattering de Brillouin son muy atractivas para el diseño de filtro con especificaciones competitivas. El capítulo 4 está dedicado a los nuevos esquemas para el filtrado fotónico de microondas basado en SBS. En parti-cular, se presenta un método para mejorar la pendiente de los filtros fotónicos de mi-croondas basados en Brilouin. Esta mejora se logra mediante la combinación de las respuestas en ganancia y atenuación del Brillouin sobre la señal modulada en fase. Los resultados experimentales muestran una respuesta paso banda que exhibe una pendiente de 16.7 dB por octava, lo que corresponde con una mejora de 3 veces en comparación con la respuesta Lorentziana natural de la ganancia Brillouin. Sin embargo, la necesi-dad de 3 ondas de bombeo, es decir tres osciladores de microondas, incrementan la complejidad del sistema y dificulta la capacidad de ajuste. Para superar estas limita-ciones, se propone una segunda técnica para mejorar la pendiente de un filtro fotónico de microondas basado en scattering de Brillouin estimulado, el cual mantiene una fácil sintonización. Esta propuesta se basa en la dependencia de la polarización de la ganan-cia del Brillouin en fibras birrefringentes. La presencia de dos respuestas ortogonales de ganancia/atenuación Brillouin en fibras birrefringentes da como resultado dos res-puestas del filtro, que pueden ser sustraídas en un fotodetector balanceado para elimi-nar el lento decaimiento de la respuesta de ganancia natural Lorentziana del Brillouin. Los resultados experimentales muestran que se puede obtener una pendiente del filtro de 8.3 dB/oct. Finalmente, el documento de tesis proporciona conclusiones y actividades futuras abiertas por este trabajo de doctorado. / [CA] Els efectes no lineals son ferramentes valuoses en el processament òptic. L'objectiu d'aquesta tesi es contribuir amb les noves arquitectures i mètodes a aquest camp, en particular al control de la polarització de la llum amb llum i filtrar òptic de senyals de microones. La manipulació de les propietats de la polarització de la llum en mitjans guiats es cru-cial en molts sistemes òptics clàssics i quàntics. No obstant això, la capacitat de la tecnologia actual per definir amb precisió l'estat de polarització de determinades lon-gituds d'ona està lluny del nivell de maduresa aconseguit en el control de l'amplitud. En el capítol 3, es presenta un nou enfocament per al control totalment òptic de l'estat de polarització amb selectivitat en longitud d'ona, basat en el canvi del retard de fase mitjançant el stimulated Brillouin scattering. Els experiments mostren que es pot arri-bar a qualsevol punt de l'esfera de Poincaré des d'un estat de polarització d'entrada arbitrari amb tant sols una lleugera variació de l'amplitud de la senyal (<2.5 dB). A diferencia d'altres esquemes de processament Brillouin, la degradació de la figura de soroll es petita (1.5 dB per a una rotació completa en l'esfera, 2pi). Aquest controlador de polarització completament òptic pot forjar el desenvolupament de noves tècniques basades en la polarització en comunicacions òptiques, enginyeria làser, detecció, sis-temes quàntics y sondeig basat en llum de sistemes químics i biològics. La segona àrea d'interès de la tesi es centra en el filtrar fotònic de microones. La fo-tònica proporciona una implementació alternativa als filtres de microones. Les caracte-rístiques proporcionades per el scattering de Brillouin son molt atractives per al dis-seny de filtres amb especificacions competitives. El capítol 4 està dedicat als nous esquemes per al filtrat fotònic de microones basat en SBS. En particular, es presenta un mètode per a millorar la pendent dels filtres fotònics de microones basats en Bri-llouin. Aquesta millora s'aconsegueix mitjançant la combinació de les respostes en guany i atenuació del Brillouin sobre la senyal modulada en fase. Els resultats experi-mentals mostren una resposta pas banda que exhibeix una pendent de 16.7 dB per octava, el que correspon amb una millora de 3 vegades en comparació amb la resposta Lorentziana natural del guany Brillouin. Tot i això, la necessitat de 3 ones de bom-beig, es a dir tres oscil·ladors de microones, incrementen la complexitat del sistema i dificulta la capacitat d'ajust. Per superar aquestes limitacions, es proposa una segona tècnica per millorar la pendent d'un filtre fotònic de microones basat en scattering de Brillouin estimulat, el qual manté una fàcil sintonització. Aquesta proposta es basa en la dependència de la polarització del guany del Brillouin en fibres birefringents. La presència de dos respostes ortogonals de guany/atenuació Brillouin en fibres birefrin-gents dona com a resultat dos respostes del filtre, que poden ser sostretes en un fotode-tector balancejat per eliminar el lent decaïment de la resposta de guany natural Lo-rentziana del Brillouin. Els resultats experimentals mostren que es pot obtenir una pendent del filtre de 8.3 dB/oct. Finalment, el document de tesi proporciona conclusions i activitat futures obertes per aquest treball de doctorat. / [EN] Nonlinear effects are valuable tools in the field of optical processing. This Thesis is aimed at contributing with new architectures and methods to this field, in particular to the light-by-light control of polarization and optical filtering of microwave signals. The manipulation of the polarization properties of light in guided media is crucial in many classical and quantum optical systems. However, the capability of current technology to finely define the state of polarization of particular wavelengths is far from the level of maturity in amplitude control. In Chapter 3, a new approach for all-optical control of the state of polarization with wavelength selectivity based on the change of the phase retardance by means of stimulated Brillouin scattering is present-ed. Experiments show that any point on the Poincaré sphere can be reached from an arbitrary input state of polarization with little variation of the signal amplitude (< 2.5 dB). Unlike other Brillouin processing schemes, the degradation of the noise figure is small (1.5 dB for a full 2pi rotation). This all-optical polarization controller can forge the development of new polarization-based techniques in optical communication, laser engineering, sensing, quantum systems and light-based probing of chemical and biological systems. The second area of interest of the Thesis is photonic microwave filtering. Photonics provides an alternative implementation of microwave filters. The features provided by Brillouin scattering are very attractive to design filters with competitive specifications. Chapter 4 is devoted to new schemes for photonic microwave filtering based on SBS. In particular, a method to enhance the filter slope of Brillouin-based photonic microwave filters is presented. This improvement is achieved by the combination of Brillouin gain and loss responses over phase modulated signals. The experimental results show passband responses exhibiting a slope of 16.7 dB per octave, which corresponds with a 3-fold improvement in comparison to the natural Lorentzian response for the same gain. However, the need of three pump waves, i.e. three microwave oscillators, increases the system complexity and make tunability more difficult. To overcome these limitations, a second technique to enhance the slope of a photonic microwave filter based on stimulated Brillouin scattering is proposed, that maintains easy tunability. It relies on exploiting the polarization dependence of Brillouin gain in birefringent fibers. The presence of two orthogonal Brillouin gains/loss in birefringent fibers results in two filter responses that can be subtracted in a balanced photodetector to remove the slow Lorentzian decay of the natural Brillouin gain response. Experimental results show that a filter slope of 8.3 dB/oct can be obtained. Finally, the Thesis document provides conclusions and future activities opened by this PhD work. / Samaniego Riera, DP. (2019). OPTICAL PROCESSING BASED ON BRILLOUIN SCATTERING [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/124820

[ES] A día de hoy, las redes de comunicaciones de fibra óptica están alcanzando su capacidad límite debido al rápido crecimiento de la demanda de datos en la última década, generado por el auge de los teléfonos inteligentes, las tabletas, las redes sociales, la provisión de servicios en la nube, las transmisiones en streaming y las comunicaciones máquina-a-máquina. Con el fin de solventar dicho problema, se ha propuesto incrementar la capacidad límite de las redes ópticas mediante el reemplazo de la fibra óptica clásica por la fibra óptica multinúcleo (MCF, acrónimo en inglés de multi-core fiber), la cual es capaz de integrar la capacidad de varias fibras ópticas clásicas en su estructura ocupando prácticamente la misma sección transversal que éstas. Sin embargo, explotar todo el potencial de una fibra MCF requiere entender en profundidad los fenómenos electromagnéticos que aparecen en este tipo de fibras cuando guiamos luz a travésde ellas. Así pues, en la primera parte de la tesis se analizan teóricamente estos fenómenos electromagnéticos y, posteriormente, se estudia la viabilidad de la tecnología MCF en distintos tipos de redes ópticas de transporte, específicamente, en aquellas que hacen uso de transmisiones radio-sobre-fibra. Estos resultados pueden ser de gran utilidad para las futuras generaciones móviles 5G y Beyond-5G en las próximas décadas. Adicionalmente, con el fin de expandir las funcionalidades básicas de las fibras MCF, esta tesis explora nuevas estrategias de diseño de las mismas utilizando la analogía existente entre las ecuaciones que rigen la mecánica cuántica y el electromagnetismo. Con esta idea en mente, en la segunda parte de la tesis se propone diseñar una nueva clase de fibras MCF usando las matemáticas de la supersimetría, surgida en el seno de la teoría de cuerdas y de la teoría cuántica de campos como un marco teórico de trabajo que permite unificar las interacciones fundamentales de la naturaleza (la nuclear fuerte, la nuclear débil, el electromagnetismo y la gravedad). Girando en torno a esta idea surgen las fibras MCF supersimétricas, las cuales nos permiten procesar la información de los usuarios durante la propia propagación de la luz a través de ellas, reduciendo así la complejidad del procesado de datos del usuario en recepción. Finalmente, esta tesis se completa introduciendo un cambio de paradigma que permite diseñar dispositivos fotónicos disruptivos. Demostramos que la supersimetría de mecánica cuántica no relativista, propuesta como una serie de transformaciones matemáticas restringidas al dominio espacial, se puede extender también al dominio del tiempo, al menos dentro del marco de trabajo de la fotónica. Como resultado de nuestras investigaciones, demostramos que la supersimetría temporal puede convertirse en una plataforma prometedora para la fotónica integrada ya que nos permite diseñar nuevos dispositivos ópticos versátiles y ultra-compactos que pueden jugar un papel clave en los procesadores del futuro. Asimismo, con el fin de hacer los resultados principales de esta tesis doctoral lo más generales posibles, se detalla cómo poder extrapolarlos a otros campos de la física como acústica y mecánica cuántica. / [CA] Avui en dia, les xarxes de comunicacions de fibra òptica estan aconseguint la seua capacitat límit a causa del ràpid creixement de la demanda de dades duante l'última dècada, generat per l'auge dels telèfons intel·ligents, les tablets, les xarxes socials, la provisió de servicis en la núvol, les transmissions en streaming i les comunicacions màquina-a-màquina. Per a resoldre el dit problema, s'ha proposat incrementar la capacitat límit de les xarxes òptiques per mitjà del reemplaçament de la fibra òptica clàssica per la fibra òptica multinúcleo (MCF, acrònim en anglés de multi-core fiber), la qual és capaç d'integrar la capacitat de diverses fibres òptiques clàssiques en la seua estructura ocupant pràcticament la mateixa secció transversal que estes. Tanmateix, explotar tot el potencial d'una fibra MCF requereix entendre en profunditat els fenòmens electromagnètics que apareixen en aquestes fibres quan guiem llum a través d'elles. Així, doncs, en la primera part de la tesi analitzem teòricament aquests fenòmens electromagnètics i, posteriorment, estudiem la viabilitat de la tecnologia MCF en distints tipus de xarxes òptiques de transport, específicament, en aquelles que fan ús de transmissions ràdio-sobre-fibra. Estos resultats poden ser de gran utilitat per a les futures generacions mòbils 5G i Beyond-5G en les pròximes dècades. Addicionalment, a fi d'expandir les funcionalitats bàsiques de les fibres MCF, esta tesi explora noves estratègies de disseny de les mateixes utilitzant l'analogia existent entre les equacions que regixen la mecànica quàntica i l'electromagnetisme. Amb aquesta idea en ment, en la segona part de la tesi proposem dissenyar una nova classe de fibres MCF usant les matemàtiques de la supersimetria, sorgida en el si de la teoria de cordes i de la teoria quàntica de camps com un marc teòric de treball que permet unificar les interaccions fonamentals de la natura (la nuclear forta, la nuclear feble, l'electromagnetisme i la gravetat). Al voltant d'aquesta idea sorgeixen les fibres MCF supersimètriques, les quals ens permeten processar la informació dels usuaris durant la pròpia propagació de la llum a través d'elles, reduint així la complexitat del processament de dades de l'usuari a recepció. Finalment, esta tesi es completa introduint un canvi de paradigma que permet dissenyar dispositius fotónicos disruptius. Demostrem que la supersimetria de mecànica quàntica no relativista, proposta com una sèrie de transformacions matemàtiques restringides al domini espacial, es pot estendre també al domini del temps, almenys dins del marc de treball de la fotónica. Com resultat de les nostres investigacions, demostrem que la supersimetria temporal pot convertir-se en una plataforma prometedora per a la fotònica integrada ja que ens permet dissenyar nous dispositius òptics versàtils i ultracompactes que poden jugar un paper clau en els processadors del futur. Per tal de fer els resultats principals d'aquesta tesi doctoral el més generals possibles, es detalla com poder extrapolar-los a altres camps de la física com ara la acústica i la mecànica quàntica. / [EN] To date, communication networks based on optical fibers are rapidly approaching their capacity limit as a direct consequence of the increment of the data traffic demand in the last decade due to the ubiquity of smartphones, tablets, social networks, cloud computing applications, streaming services including video and gaming, and machine-to-machine communications. In such a scenario, a new class of optical fiber which is able to integrate the capacity of several classical optical fibers approximately in the same transverse section as that of the original one, the multi-core fiber (MCF), has been recently proposed to overcome the capacity limits of current optical networks. However, the possibility of exploiting the full potential of an MCF requires to deeply understand the electromagnetic phenomena that can be observed when guiding light in this optical medium. In this vein, in the first part of this thesis, we analyze theoretically these phenomena and, next, we study the suitability of the MCF technology in optical transport networks using radio-over-fiber transmissions. These findings could be of great utility for 5G and Beyond-5G cellular technology in the next decades. In addition, the close connection between the mathematical framework of quantum mechanics and electromagnetism becomes a great opportunity to explore ground-breaking design strategies of these new fibers that allow us to expand their basic functionalities. Revolving around this idea, in the second part of this thesis we propose to design a new class of MCFs using the mathematics of supersymmetry (SUSY), emerged within the context of string and quantum field theory as a means to unify the basic interactions of nature (strong, electroweak, and gravitational interactions). Interestingly, a supersymmetric MCF will allow us, not only to propagate the light, but also to process the information of users during propagation. Finally, we conclude this thesis by introducing a paradigm shift that allows us to design disruptive optical devices. We demonstrate that the basic ideas of SUSY in non-relativistic quantum mechanics, restricted to the space domain to clarify unsolved questions about SUSY in string and quantum field theory, can also be extended to the time domain, at least within the framework of photonics. In this way, it is shown that temporal supersymmetry may serve as a key tool to judiciously design versatile and ultra-compact optical devices enabling a promising new platform for integrated photonics. For the sake of completeness, we indicate how to extrapolate the main results of this thesis to other fields of physics, such as acoustics and quantum mechanics. / Macho Ortiz, A. (2019). Multi-Core Fiber and Optical Supersymmetry: Theory and Applications [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/124964

Tesis por compendio / [ES] Con el continuo desarrollo de materiales y tecnologías de fabricación durante las últimas tres décadas, la atenuación de la transmisión de las fibras ópticas de polímero (POF) se ha reducido considerablemente. Las POF son ventajosas para las redes domésticas, así como para las interconexiones de almacenamiento, y tienen ventajas significativas para muchas aplicaciones de detección, que incluye el límite alto de tensión elástica, alta resistencia a la fractura, alta flexibilidad en la flexión, alta sensibilidad a la tensión y coeficientes termoópticos negativos. Esta tesis consigue mejorar la tecnología de irradiación con láser para POF e investiga dispositivos especiales basados en redes de difracción en POF para comunicaciones ópticas, microondas, fotónica y detección. En particular, desarrollamos la tecnología de fabricación rápida de FBGs en POF con un estudio detallado y la optimización de los parámetros de fabricación de redes de difracción de Bragg en fibra (FBG). Los resultados más destacados incluyen un FBG uniforme de 8 dB con un solo pulso láser Nd: YAG (26 nsm) (8 ns) basado en fibra dopada con BDK, que es el tiempo más corto presentado hasta ahora para la fabricación de FBGs en POF. La irradiación de fibras ópticas de polímero utilizando diferentes materiales basado en el láser KrF a 248 nm permitió demostrar un mejor rendimiento en comparación con el sistema que emplea el láser He-Cd a 325 nm. Además, se fabricaron FBGs uniformes en POFs de índice escalón dopadas con TS en menos de 1 segundo mediante la repetición de pulsos con baja energía. Finalmente, el estudio de la irradiación UV con pulsos de baja energía para la fabricación de redes de difracción estables permitió ahorrar energía en el proceso de fabricación de FBGs en POF, como uno de los principales requisitos para la producción en masa. Basándonos en la tecnología de fabricación mejorada, nos centramos en la fabricación de redes de difracción con diferentes estructuras: se fabricó un FBG con desplazamiento de fase utilizando dos pulsos de 15 ns a 248 nm KrF superpuestos por el método de Moiré; el primer FBG con chirp sintonizable se logró utilizando un solo pulso corto del láser, que abrió nuevas perspectivas a las aplicaciones basadas en redes de difracción con chirp en POF; también se propuso un nuevo método basado en gradientes térmicos para obtener FBG con chirp en POF basadas en FBG uniformes, y se demostró como la forma más conveniente publicada hasta la fecha para lograr este tipo de FBGs no uniformes en POF; y, finalmente, también se han fabricado redes de difracción de largo período utilizando un proceso de fabricación de corto tiempo, especialmente en comparación con investigaciones anteriores. En la última parte de la tesis, y en base a los dispositivos basados en redes de difracción obtenidos a lo largo de este trabajo, se han propuesto varias aplicaciones . De manera similar a los FBG en fibra de sílice, los FBGs con chirp en POF tienen muchas aplicaciones futuras en las áreas de comunicaciones ópticas y de los sensores. Este documento describe la aplicación de detección de tensión basada en una FBG con chirp sintonizable en POF, su aplicación para detección térmica en sistemas biomédicos; e ilustra el potencial de los dispositivos de dispersión sintonizables en el campo de las comunicaciones ópticas, bien como compensación de dispersión o en fotónica de microondas. / [CA] Amb el continu desenvolupament de materials i tecnologies de fabricació durant les últimes tres dècades, l'atenuació de la transmissió de les fibres òptiques de polímer (POF) s'ha reduït considerablement. Els POF són avantatjosos per a les xarxes domèstiques, així com per a les interconnexions d'emmagatzematge, i tenen avantatges significatius per a moltes aplicacions de detecció, inclosos els límits de tensió elàstica alta, alta resistència a la fractura, alta flexibilitat en la flexió, alta sensibilitat a la tensió i potencials coeficients termoópticos negatius. Aquesta tesi va millorar la tecnologia d'irradiació amb làser per a POF i va investigar dispositius basats en xarxes difracció de Bragg (FBG) especials en POF per a comunicació òptica, microones, fotònica i detecció. En particular, desenvolupem la tecnologia de fabricació ràpida de FBG en POF amb un estudi detallat i l'optimització dels paràmetres per a la seua fabricació. Els punts destacats dels resultats inclouen un FBG uniforme de 8 dB amb un sol pols del làser Nd: YAG (266 nm) (8 ns) basat en fibra dopada amb BDK, que és el temps més curt reportat per a la fabricació de POF FBG. La irradiació de fibres òptiques de polímer utilitzant diferents materials sota el sistema de làser KrF a 248 nm va permetre demostrar un millor rendiment en comparació amb el sistema de làser Kimmon de 325 nm. A més, els FBG uniformes en el POF dopat amb TS d'índex escalonat es van aconseguir amb menys d'1 segon mitjançant la repetició de polsos de control i l'energia baixa de pols. Finalment, l'estudi de la irradiació d'energia de pols per a la fabricació de FBGs estables va permetre estalviar energia en el procés de fabricació de FBGs en POF, com un dels principals objectius de la producció en massa. Basant-nos en la tecnologia de fabricació millorada, ens centrem en la fabricació de diferents estructures de xarxes de difracció: es va fabricar un FBG amb desplaçament de fase utilitzant dos polsos de 15 ns a 248 nm KrF superposats pel mètode de Moiré; el primer FBG amb chirp sintonitzable es va aconseguir utilitzant un sol pols curt de làser, que va obrir les aplicacions basades en FBG amb chirp en POF; també es va proposar un nou mètode amb gradients tèrmics per a obtindre FBG en POF basat en FBG uniformes, i es va demostrar com la forma més convenient publicada fins hui per a aconseguir FBG POF estimulada; i, finalment, també s'han aconseguit xarxes de llarg període utilitzant un procés de fabricació de curt temps, especialment en comparació amb investigacions anteriors. Finalment, sobre la base dels dispositius de xarxes de difracció obtinguts al llarg d'aquest treball, s'han proposat diverses aplicacions potencials en aquesta tesi. De manera similar que per als FBG amb silici, el FBG amb chirp en POF té moltes aplicacions potencials en comunicacions òptiques i a l¿àrea de sensors. Aquest document descriu l'aplicació de detecció de tensió basada en FBG amb chirp sintonitzable en POF; a més, l'aplicació de detecció tèrmica en sistemes biomèdics; i el potencial dels dispositius de dispersió sintonitzables en les comunicacions òptiques, com per eixample a la compensació de dispersió o a la fotònica de microones. / [EN] With the continuing development of material and fabrication technologies over the last three decades, the transmission attenuation of polymer optical fibers (POF) has been greatly decreased. POFs are advantageous for home networks as well as storage interconnections and have significant advantages for many sensing applications, including high elastic strain limits, high fracture toughness, high flexibility in bending, high sensitivity to strain and potential negative thermo-optic coefficients. This thesis improved the laser irradiation technology for POF and investigated special grating devices in POF for optical communication, microware photonics and sensing. In particular, we developed fast POF grating fabrication technology with a detailed study and optimization of the polymer optical fiber Bragg grating (POFBG) fabrication parameters. Highlights of the results include an 8 dB uniform POFBG with one single Nd:YAG (266nm) laser pulse (8 ns) based on BDK doped fiber, which is the shortest time ever reported for POFBG fabrication. The irradiation of polymer optical fibers using different materials under 248 nm KrF laser system allowed to demonstrate a better performance compared with 325 nm Kimmon laser system. Furthermore, uniform FBGs in step-index TS doped POF were achieved with less than 1 second by means of controlling pulse repetition and low pulse energy. Finally, the study of low UV pulse power irradiation for fabricating stable gratings allowed to save energy in the POF grating fabrication process, as one of the main goals for mass production. Based on the improved fabrication technology, we focused on the fabrication of different grating structures: a phase-shifted FBG was fabricated by using two 15 ns 248 nm KrF pulses overlapped by Moiré method; the first tunable chirped FBG was achieved by using a single laser short pulse, which opened the applications based on chirped POF BGs; also a novel thermal annealing method was proposed to obtain chirped POFBGs based on uniform FBGs, and proved as the ever published most convenient way to achieve chirped POFBG; and finally, long period gratings have been also achieved by using a short time fabrication process, specially when compared with previous research. Finally, based on the grating devices obtained throughout this work, several potential applications have been proposed in this thesis. Similarly, to silica chirped FBG, chirped FBG in POF have many potential applications in optical communications and sensing area. This document described the potential strain sensing application based on tunable chirped POFBG; also, the thermal detection application in bio-medical systems; and the potential of tunable dispersion devices in optical communications, i.e., dispersion compensation or microwave photonics. / Min, R. (2019). Polymer optical fiber gratings for microwave photonics and communications application [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/125473 / Compendio