La consulta íntegra de la tesi, inclosos els articles no comunicats públicament per drets d'autor, es pot realitzar prèvia petició a l'Arxiu de la UPC / Radiation therapy is one of the main modalities used for treating cancer patients, together with surgery and chemotherapy. Radiotherapy treatments can be carried out with a great variety of devices, but most treatments are currently delivered with megavoltage x-ray beams produced by medical linear accelerators (linacs). Many treatments are carried out with adjacent radiation fields, which need to be matched. Field matching is a complex problem, which presents several geometrical and dosimetrical challenges. This thesis deals with different aspects related to field matching using medical linacs. The aim is to optimize the process in order to improve the accuracy of this technique in clinical practice. The results of the thesis are included in four publications. Two of them focus on the geometrical problem of field matching; the other two on the optimization in single-isocenter half-beam (SIHB) techniques. In the first group the geometrical problem of matching the adjacent fields is addressed. Fields with different isocenters can be matched by rotating the couch and the collimator and selecting the appropriate field sizes in such a way that their side planes are coincident. For the first time a general analytical solution to this problem, applicable to any field configuration, is presented. The solution provides all the parameters needed to achieve a geometrically exact match. Additionally, the general analytical solution permits to derive simplified expressions for particular treatment techniques. Another important advantage of the general solution is that it allows to draw practical conclusions regarding field matching in clinical practice. In the second group, issues regarding the SIHB technique are investigated. In this technique one of the asymmetric jaws is set to zero in such a way that half-fields with no divergence at the central axis are combined. First, the effect of the field setup on the dosimetry of abutted fields in SIHB techniques is analyzed. Results show that the field setup has an important influence on the dosimetry at the junction. Thus, having a uniform dose distribution for two fields at gantry 0° does not guarantee a uniform distribution for other field arrangements. In addition, junction doses are largely affected by the relative position of the radiation fields involved. Studies aiming to assess or to optimize the homogeneity of the dose distribution at the junction should, therefore, take this effect into account. Second, a new method to calibrate the zero jaw position is proposed that improves its accuracy. This is important because in the SIHB technique the zero position of the jaw is critical for the dose homogeneity at the junction. The presented method allows a more accurate and safer use of half-beam techniques. / La radioterapia es una de las principales modalidades para tratamiento del cáncer, junto con la cirugía y la quimioterapia. Los tratamientos de radioterapia se pueden administrar con una gran variedad de equipos, pero en la mayoría de los casos se usan haces de rayos X producidos por aceleradores lineales. En muchos de estos tratamientos se usan haces de radiación adyacentes, que se deben de unir adecuadamente. La unión de campos es un problema complejo, que plantea retos tanto geométricos como dosimétricos. Esta tesis trata de diversos aspectos relacionados con la unión de campos usando aceleradores lineales. El objetivo es optimizar el proceso para mejorar la exactitud de esta técnica en la práctica clínica. Los resultados de esta tesis se incluyen en cuatro publicaciones. Dos de ellas tratan el problema geométrico de la unión de campos; los otros dos tratan la optimización en técnicas de hemicampos con isocéntrico único. En el primer grupo se plantea el problema de unir campos con distintos isocentros mediante rotaciones de la mesa y del colimador y mediante la selección de los tamaños de campo adecuados. De este modo se puede conseguir que los planos definidos por los lados de los haces de radiación sean coincidentes, obteniendo así una unión geométrica exacta. Por primera vez se presenta una solución general analítica a este problema, que es aplicable a cualquier configuración de campos. La solución proporciona todos los parámetros necesarios para obtener una unión de campos geométrica exacta. Adicionalmente, esta solución permite deducir expresiones simplificadas para técnicas de tratamiento particulares. Otra ventaja importante de la solución general es que permite deducir conclusiones prácticas respecto al problema de la unión de campos en la práctica clínica. En el segundo grupo se investigan aspectos relacionados con con la técnica de hemicampos con isocentro único. En esta técnica una de las mandíbulas asimétricas se coloca en su posición 'cero', de modo que se combinan hemicampos sin divergencia en el eje central. En primer lugar se analiza la influencia de la configuración de los campos en la zona de la unión. Los resultados muestran que la disposición de los campos tiene un efecto dosimétrico importante. Por consiguiente, tener una distribución de dosis homogénea para dos campos con el brazo a 0° no garantiza la homogeneidad para otras configuraciones de campos. Adicionalmente, las dosis en la unión son dependientes de la posición relativa de los campos de radiación usados. En consecuencia, aquellos estudios que pretendan estimar u optimizar la homogeneidad de la distribución de dosis deberían tener este efecto en consideración. En segundo lugar se propone un nuevo método para calibrar la posición cero de las mandíbulas que mejora de forma importante su exactitud. Esta calibración es importante porque en la técnica de hemicampos con isocentro único la homogeneidad de la dosis en la unión depende fuertemente de la posición cero de las mandíbulas. El método presentado permite, por tanto, un uso más preciso y seguro de estas técnicas en la práctica clínica.

Cotutela ICFO-Universitat Politècnica de Catalunya i Institut Fresnel-Université Aix-Marseille / In this century some of our main issues are energy shortage and pollution. This work will briefly describe these problems, proposing a plan of action combining energy saving and different sustainable energy sources. Within different types of renewable energy sources, solar energy is the most abundant one. To make solar energy a more sustainable and cost effective technology we focus on enhancing the optical characteristics of thin film solar cells. In this category, organic solar cells are good options for their exiguous amount of material and the low energy needed for the fabrication process. This technology can be lightweight, transparent, flexible and conformal in order to be applied to and integrated in various architectural solutions and consumer electronics. After a study of the physics of such devices and on how to optically enhance their performances, we will show some examples where we theoretically and experimentally collect the solar radiation with optical antennas. We report, for the first time in literature, a nanogap antenna that efficiently couples the light in our active material thin film. Finally, we elaborate on the concept of building integrated photovoltaics introducing some examples of solar façades. Based on our research, we are able to design and fabricate an organic transparent solar cell with a visible transparency above 20% and an optically enhanced photon-electron conversion efficiency remarkably similar to its opaque equivalent. / En el presente siglo, algunas de las prioridades son la escasez de la energía y la contaminación. Este trabajo describirá brevemente estos problemas y propondrá un plan de acción que combina el ahorro energético con diferentes fuentes sostenibles de energía. Dentro de estas fuentes de energía renovables, la energía solar es la más abundante. Con el objetivo de hacer la tecnología solar más sostenible y eficiente económicamente nos concentramos en aumentar las características ópticas en celdas solares de película delgada. Dentro de esta categoría, las celdas solares orgánicas son una buena opción porque su desarrollo requiere bajas cantidades de materiales y su fabricación es de baja energía embebida. Adicionalmente, esta tecnología puede ser liviana, transparente, flexible mecánicamente y modular para ser aplicada e integrada en varias soluciones arquitectónicas y de electrónica de consumo. Luego de estudiar los procesos físicos en tales dispositivos y de determinar las metodologías para aumentar ópticamente sus desempeños, mostraremos algunos ejemplos donde teórica y experimentalmente se colecta la radiación solar mediante antenas ópticas. Se reporta por primera vez, una antena de nanogap que acopla eficientemente la luz en la capa activa de la celda solar. Finalmente, se desarrolla el concepto de tecnología fotovoltaica integrada en edificaciones tras introducir algunos ejemplos de fachadas solares. Basados en nuestra investigación, fue posible diseñar y fabricar una celda solar orgánica transparente cuya transparencia en el rango visible estuvo por encima del 20% y una eficiencia de conversión foton-electron aumentada ópticamente que resulto notoriamente similar a la celda solar orgánica opaca equivalente. / La rareté grandissante des ressources en énergie associée à une augmentation de la pollution font partie des enjeux plus importants de ce siècle. Cette thèse décrira brièvement ces deux problématiques et proposera un plan d’action combinant économie d’énergie et diversité des sources d’énergies renouvelables. Parmi les formes d’énergies renouvelables disponibles, l’énergie solaire est la plus abondante. Pour faire de l’énergie solaire une ressource plus durable et plus rentable économiquement, nous proposons d’amplifier les propriétés optiques de cellules solaires en couches minces. Dans cette catégorie, les cellules solaires organiques représentent un choix pertinent de part la faible quantité de matériau nécessaire ainsi que la faible énergie nécessaire au procédé de fabrication. Cette technologie peut être légère, transparente et flexible de sorte qu’elle peut être utilisée dans différentes solutions architecturales s’adaptant à des produits électroniques pour le grand publique. Suivra la théorie sous jacente à ces dispositifs et l’explication de la manière dont leurs performances sont améliorées. Nous présenterons quelques exemples où l’on collecte la radiation solaire avec une antenne optique. Ainsi, nous faisons la toute première démonstration d’une antenne auto-assemblée qui couple efficacement la lumière dans le matériau constituant la couche mince que nous utilisons. Finalement, nous développons le concept de cellules photovoltaïques intégrées en présentant différents cas de façades solaires. Ces travaux nous ont permis de concevoir et de fabriquer une cellule solaire organique transparente avec une transparence dans le visible de 20% et une efficacité de conversion photon-électron améliorée, similaire à une cellule équivalente opaque. / La difficile reperibilità di risorse energetiche e l’inquinamento sono alcuni dei problemi più importanti di questo secolo. In questo lavoro saranno presentati brevemente questi temi proponendo un piano d’azione che abbini il risparmio energetico alle differenti fonti di energia rinnovabili. Nell’insieme delle fonti energetiche rinnovabili l’energia solare è senz’altro la più abbondante. Con l’obbiettivo di rendere lo sfruttamento di tale energia più sostenibile ed economicamente vantaggioso, ci premuriamo di migliorare le caratteristiche ottiche di celle fotovoltaiche a film sottile. In questa categoria utilizziamo, tra le diverse opzioni, le celle solari organiche in quanto la loro fabbricazione richiede una quantità di materiale minimo e un basso consumo energetico. Inoltre questi tipi di dispositivi possono essere leggeri, trasparenti, flessibili e conformabili alle superfici su cui sono applicati. Questa è una tecnologia che potrebbe essere implementata e integrata in varie soluzioni architettoniche o nell’ elettronica di consumo. Dopo aver presentato i principi fisici di tali dispositivi e determinato le metodologie ottiche per aumentarne le prestazioni, vengono illustrati alcuni esempi dove, teoricamente e sperimentalmente, riusciamo a intercettare la radiazione solare con antenne ottiche. Riportiamo, per la prima volta in letteratura, un’antenna ottica con nano-gap che accoppia efficacemente la luce solare nel nostro materiale attivo a film sottile. Nell’ultima parte sviluppiamo il concetto di tecnologia solare integrata negli edifici, introducendo alcuni esempi di facciate solari. Basando il design sulla nostra ricerca, è possibile realizzare una cella solare fotovoltaica organica trasparente, con una trasparenza superiore del 20% e un’ efficienza di conversione fotone-elettrone migliorata grazie all’ottica, che risulta molto vicina all’ equivalente cella fotovoltaica organica non trasparente.

Equipped with appropriate control strategies, permanent magnet (PM) machines are becoming one of the most flexible types of actuators for many industrial applications. Among different types of PM machines, five-phase BLDC machines are very interesting in fault tolerant applications of PM drives. Torque improvement in five-phase BLDC machines can be accomplished by optimizing their mechanical structure or by enhancing their controlling methods. New current controllers are proposed in this thesis to improve the quality of generated torque under normal operations of five-phase BLDC machines. Proposed current controllers are based on combination of predictive deadbeat controlling strategy and Extended Kalman Filter estimation. These controllers will be the basis for accurate faulty operation of the motor. Operation of five-phase BLDC machines under faulty conditions has also been considered in this study. To improve the generated torque under faulty conditions, both amplitude and phase angle of fundamental and third current harmonics are globally optimized for the remaining healthy phases. Under faulty conditions, appropriate reference currents of a five-phase BLDC machine have oscillating dynamics both in phase and rotating reference frames. As a result, the implemented current controllers under these conditions should be robust and fast. Predictive deadbeat controllers are also proposed for faulty conditions of five-phase BLDC machines. Fault tolerant five-phase BLDC machines are very interesting in automotive applications such as electrical vehicles and more electric aircraft. In addition, these devices are gaining more importance in other fields such as power generation in wind turbines. In all of these applications, the efficiency of PM machine is of most importance. The efficiency of a typical five-phase BLDC machine is evaluated in this thesis for normal and different faulty conditions. Experimental evaluations are always conducted to verify the theoretical developments. These developments include proposed controlling methods, optimized reference currents, and simulated efficiency of five-phase BLDC machine under different operational conditions.

This work is a contribution to a measuring system based on ultrasonic techniques to analyse and monitor, in real time, malolactic fermentation (MLF) in red wine, both at industrial and semi-industrial level. In the wine sector, MLF is of great importance due to its influence over wine organoleptic and sensory profiles, for it largely defines the quality of the final product. This process, whose main feature is that lactic acid bacteria (LAB) convert malic acid into lactic acid, is monitored, generally, in labs with analytical techniques. These techniques have several drawbacks, however, regarding costs, response times and chances to be included in production lines (they are off-line). On the contrary, the characteristics of the ultrasonic measuring method developed in this Thesis overcomes those and provides other advantages associated to this kind of technology (non-invasive, non-destructive, hygiene and accuracy among others). The main measuring instrument is the ultrasonic sensor, which has been designed and manufactured for measures ultrasonic propagation velocity. It is based on a transmission and reflection of ultrasonic waves technique (pulse-echo). Besides, a buffer rod is used to allow both signal conditioning (echoes) and also the coupling and start of the system in the big stainless steel tanks where the wine is kept during its production. Moreover, several methods to process the collected ultrasonic information are compared and classified according to their computing cost-precision relationship in order to facilitate selection depending on available resources. Regarding lab experiments, the system has proved an appropriate accuracy to detect variations when, in aqueous and hydroalcoholic solutions, lactic and malic acid levels of concentration are changed. It also works in the ultrasonic characterization of hydroalcoholic solutions when temperatures vary with different alcohol concentrations or to detect parameter changes such as turbidity. Regarding field tests, the behaviour of the ultrasonic propagation velocity is clearly related to several conventional parameters that are measured during MLF (malic and lactic acid concentrations, volatile acidity, bacteria population, etc.), which proves the usefulness of the system when predicting the end of the malolactic process on-line. This prediction shows a constant behaviour in ultrasonic propagation velocity when MLF is reaching the end, or none at all when LABs do not perform the process. The breaking point of the system in field tests is control over wine temperature. This parameter is influenced by variations on room temperature and changes generated by the process itself. Temperature must be precisely monitored in order to apply, when necessary, the corresponding compensations to ultrasonic results. The results confirm the feasibility of using ultrasonic waves to monitor the MLF of red wine, even the possibility to include them in a real time control system. / En este trabajo, se ha contribuido al desarrollo de un sistema de medida basado en técnicas de ultrasonidos para el análisis y monitorización, en tiempo real, de la fermentación maloláctica (FML) en el vino tinto elaborado a nivel semi-industrial e industrial. En el sector vinícola, la importancia e interés por la FML se debe a la gran influencia que ésta ejerce sobre los perfiles organolépticos y sensoriales del vino, ayudando a definir, en gran parte, la calidad del producto final. Caracterizado, principalmente, por la conversión del ácido málico en ácido láctico llevada a cabo por las bacterias ácido-lácticas (BAL), este proceso suele ser monitorizado a través de técnicas analíticas en laboratorios; técnicas que presentan algunos inconvenientes en cuanto a costes, velocidad de respuesta y oportunidad de ser incorporadas a líneas de producción (son off-line). Por el contrario, las características del método de medida por ultrasonidos desarrollado en esta Tesis, ofrecen la oportunidad de superar estas dificultades aportando, además, otras ventajas asociadas a esta clase de tecnología (no invasiva, no destructiva, higiene, precisión, etc.). Como pieza fundamental del sistema de medida, se lleva a cabo el diseño y fabricación de un sensor ultrasónico, que mide velocidad de propagación, basado en una técnica de transmisión y reflexión de ondas de ultrasonidos (pulso-eco). Igualmente, se aprovechan las ventajas aportadas por el mecanismo conocido como buffer rod para facilitar, por un lado, el acondicionamiento de las señales de interés (ecos) y por otro, el acoplamiento y puesta en marcha del sistema en los grandes tanques de acero inoxidable donde se deposita el vino durante su elaboración. Además, se realiza un estudio comparativo de diversos métodos aptos para el procesado de la información ultrasónica recopilada, clasificándolos por su relación precisión-coste computacional de tal forma que facilite una correcta elección de acuerdo a los recursos del sistema de medida donde se pretendan aplicar. En cuanto a los experimentos realizados, en laboratorio el sistema demuestra una adecuada sensibilidad para la detección de cambios cuando, sobre soluciones acuosas e hidroalcohólicas, se llevan a cabo variaciones en los niveles de concentración de los ácidos málico y láctico. Igualmente, su funcionamiento es adecuado para la caracterización ultrasónica de soluciones hidroalcohólicas cuando varía la temperatura ante diferentes concentraciones de alcohol o para detectar cambios en parámetros como la turbidez de las mezclas. A nivel de pruebas de campo, el comportamiento de la velocidad de propagación ultrasónica muestra una alta correlación con varios de los parámetros convencionales que suelen medirse durante la FML (concentraciones de ácidos málico y láctico, acidez volátil, población de bacterias, etc.), demostrando la utilidad del sistema en la predicción on-line del final del proceso maloláctico. Predicción que se caracteriza por un comportamiento prácticamente invariable de la velocidad cuando la FML va llegando a su final, o nulo cuando las BAL no cumplen con el proceso. Como punto crítico en la aplicación del sistema de medida en campo, encontramos el difícil control sobre la temperatura del vino, parámetro que se ve influenciado por las variaciones de la temperatura ambiente y por los propios cambios que genera el proceso en sí. Este aspecto obliga a monitorizar detalladamente dicho parámetro para, de ser necesario, aplicar las correspondientes compensaciones a los resultados ultrasónicos. Con todos los resultados obtenidos, se demuestra la viabilidad de utilizar ondas de ultrasonidos para la monitorización de la FML del vino tinto, con posibilidades de inclusión en un sistema de control en tiempo real.

This Ph.D. thesis addresses remote sensing of the atmosphere by means of lidar and S-band clear-air weather radar, and related data signal processing. Active remote sensing by means of these instruments offers unprecedented capabilities of spatial and temporal resolutions for vertical atmospheric profiling and the retrieval of key optical and physical atmospheric products in an increasing environmental regulatory framework. The first goal is this Ph.D. concerns the estimation of error bounds in the inversion of the profile of the atmospheric backscatter coefficient from elastic lidar signals (i.e., without wavelength shift in reception when interacting with atmospheric scatterers) by means of the two-component inversion algorithm (the so-called Klett-Fernald-Sasano¿s algorithm). This objective departs from previous works at the Remote Sensing Lab. (RSLab) of the Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) and derives first-order error-propagated bounds (approximate) and total-increment bounds (exact). As distinctive feature in the state of the art, the error bounds merge into a single body both systematic (i.e., user-calibration inputs) and random error sources (finite signal-to-noise ratio, SNR) yielding an explicit mathematical form. The second goal, central to this Ph.D., tackles retrieval of the Atmospheric Boundary Layer Height (ABLH) from elastic lidar and S-band Frequency-Modulated Continuous-Wave (FMCW) radar observations by using adaptive techniques based on the Extended Kalman Filter (EKF). The filter is based on morphological modelling of the Mixing-Layer-to-Free-Troposphere transition and continuous estimation of the noise covariance information. In the lidar-EKF realization the proposed technique is shown to outperform classic ABLH estimators such as those based on derivative techniques, thresholded decision, or the variance centroid method. The EKF formulation is applied to both ceilometer and UPC lidar records in high- and low-SNR scenes. The lidar-EKF approach is re-formulated and successfully extended to S-band radar scenes (Bragg¿s scattering) in presence of interferent noise sources (Rayleigh scattering from e.g., insects and birds). In this context, the FMCW feature enables the range-resolved capability. EKF-lidar and EKF-radar ABLH estimates are cross-examined from field campaign results. Finally, the third goal deals with exploitation of the existing UPC lidar station: In a first introductory part, a modified algorithm for enhancing the dynamic range of elastic lidar channels by ¿gluing¿ analog and photon-counting data records is formulated. In a second part, two case examples (including application of the gluing algorithm) are presented to illustrate the capabilities of the UPC lidar in networked atmospheric observation of two recent volcano eruption events as part of the EARLINET (European Aerosol Research Lidar Network). The latter is part of GALION (Global Atmospheric Watch Atmospheric Lidar Observation Network)-GEOSS (Global Earth Observation System of Systems) framework. / La tesis doctoral aborda la teledetecció atmosfèrica amb tècniques lidar i radar (banda S) i llur tractament del senyal. La teledetecció activa amb aquests instruments ofereix resolucions espacials i temporals sense precedents en la perfilometria vertical de l'atmosfera i recuperació de productes de dades òptics i físics atmosfèrics en un marc de creixent regulació mediambiental. El primer objectiu d'aquesta tesi concerneix l'estimació de cotes d'error en la inversió del perfil del coeficient de retrodispersió atmosfèrica a partir de senyals lidar de tipus elàstic (és a dir, sense desplaçament de la longitud d'ona en recepció al interactuar amb els dispersors atmosfèrics) mitjançant l'algorisme d'inversió de dues components de Klett-Fernald-Sasano. Aquest objectiu parteix de treballs previs en el Remote Sensing Lab. (RSLab) de la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) i permet obtenir cotes de primer ordre (aproximades) basades en propagació d'errors i cotes (exactes) basades en el increment total de l'error. Característica diferencial en front l'estat de l'art és l'assimilació d'errors sistemàtics (per exemple, entrades de cal.libració d'usuari) i aleatoris (relació senyal-soroll, SNR, finita) en forma matemàtica explícita. El segon objectiu, central de la tesis, aborda l'estimació de l'altura de la capa límit atmosfèrica (ABLH) a partir de senyal lidar elàstics i d'observacions radar en banda S (ona continua amb modulació en freqüència, FMCW) utilitzant tècniques adaptatives basades en filtrat estès de Kalman (EKF). El filtre es basa en modelat morfològic de la transició atmosfèrica entre la capa de mescla i la troposfera lliure i en l'estimació continua de la informació de covariança del soroll. En el prototipus lidar-EKF la tècnica proposada millora clarament les tècniques clàssiques d'estimació de la ABLH como són les basades en mètodes derivatius, decisió de llindar, o el mètode de la variança-centroide. La formulació EKF s'aplica tant a mesures procedents de ceilòmetres lidar como de la pròpia estació lidar UPC en escenes d'alta i baixa SNR. Addicionalment, l'enfoc lidar-EKF es reformula i s'estén amb èxit a escenes radar en banda S (dispersió Bragg) en presència de fonts de soroll interferent (dispersió Rayleigh de, per exemple, insectes i ocells). En aquest context, la característica FMCW permet la capacitat de resolució en distància. L'estimació de la ABLH amb els prototipus lidar-EKF i radar-EKF s'intercompara en campanyes de mesura. Finalment, el tercer objectiu atén a l'explotació de l'estació lidar UPC existent: En una primera part introductòria, es formula un algorisme modificat de "gluing" per a la millora del marge dinàmic de canals lidar elàstics mitjançant combinació (o "enganxat") de senyals lidar adquirits analògicament i amb foto-comptatge. En una segona part, es presenten dos exemples (incloent l'aplicació de l'algorisme de "gluing") que il.lustren les capacitats del lidar de la UPC en l'observació atmosfèrica de dos recents erupcions volcàniques des de la xarxa d'observació EARLINET (European Aerosol Research Lidar Network). Aquesta última és part de GALION (Global Atmospheric Watch Atmospheric Lidar Observation Network)-GEOSS (Global Earth Observation System of Systems).

La societat modera presenta una creixent demanda d'energia, una quantitat significativa de la qual s'utilitza en il·luminació. El nitrur de Ga (GaN és un semiconductor de gap ample, base dels LEDs de llum blanca, que constitueixen una alternativa atractiva a les fonts de llum convencionals. Els LEDs presenten molts avantatges, tals com una llarga vida de funcionament, una mida compacta, resistència a la vibració, operació a baix voltatge, mínim cost de manteniment i un mínim impacte ambiental. L'estalvi gràcies a la substitució de les fonts de llum convencionals per LEDs seria de fins a un 20% en electricitat. Tot i que els LEDs d'alta eficiència ja estan disponibles comercialment, la seva eficiència encara requereix millores. El GaN, en la seva forma porosa, pot millorar l'extracció de la llum i l'eficiència quàntica interna d'aquests LEDs. El principal objectiu d'aquesta tesi es centra en la fabricació d'unions p-n de GaN totalment poroses per futures aplicacions en LEDs. Partícules i capes nanoporoses de GaN han estat sintetitzades per deposició química en fase vapor (CVD) a través de la reacció directa entre Ga i NH3, utitlizant diferents elements dopants tals com Mg i Si per generar els semiconductors requerits de tipus p i tipus n. L'avantatge de la nostra tècnica és que no es necessari fer cap tractament secundari després del creixement per generar la porositat. D'aquesta manera, s'han obtingut unions p-n poroses de GaN que mostres propietats prometedores per posibles aplicacions en LEDs basats en GaN d'alta brillantor i en sensors amb sensitivitat millorada. / La sociedad moderna presenta una creciente demanda de energía, una cantidad significativa de la cual se utiliza para iluminación. El nitruro de galio (GaN) es un semiconductor de gap ancho, base de los LEDs de luz blanca, que constituyen una alternativa atractiva a las fuentes convencionales de luz. Los LEDs presentan muchas ventajas tales como una larga vida de funcionamiento, un tamaño compacto, resistencia a la vibración, operación a bajo voltaje, mínimo coste de mantenimiento y un mínimo impacto ambiental. El ahorro gracias a la sustitución de las fuentes de luz convencionales por LEDs sería de hasta un 20% en electricidad. Los LEDs de alta eficiencia ya están disponibles comercialmente. Sin embargo, todavía requiere mejoras. El GaN, en su forma porosa, puede mejorar la extracción de la luz y la eficiencia cuántica interna de estos LEDs. El objetivo principal de esta tesis se centra en la fabricación de uniones p-n de GaN totalmente porosas para futuras aplicaciones en LEDs. Partículas y capas nanoporosas de GaN han sido sintetizadas por deposición química en fase vapor (CVD) a través de la reacción directa entre Ga y NH3, usando diferentes elementos dopantes tales como Mg y Si para generar los semiconductores requeridos de tipo p y tipo n. La ventaja de nuestra técnica es que no es necesario hacer ningún tratamiento secundario después del crecimiento para generar la porosidad. De esta manera, se obtuvieron uniones p-n porosas de GaN que muestran propiedades prometedoras para las posibles aplicaciones en LEDs basados en GaN de alto brillo y en sensores con sensitividad mejorada. / Modern society is experiencing a constantly increasing demand for energy. A significative amount of the energy consumed is used for lighting purposes. Gallium nitride (GaN) is a wide band gap semiconductor with important applications in white-light LEDs, which are an attractive alternative to conventional light sources with many benefits that include long operating life, compact size, vibration resistance, low-voltage operation, minimal maintenance cost and minimal environmental impact. The savings of replacing conventional light sources by LEDs would represent a reduction of around 20% in the total electricity consumed. High-efficiency and high power LEDs are now commercially available. However, the overall efficiency requires further improvement. GaN, in its porous form, is expected to enhance the light extraction and internal quantum efficiencies of these LEDs. The main objective of this thesis is focused on fabrication of fully porous p-n junctions for future LED applications. Nanoporous GaN particles and epitaxial layers were synthesized by chemical vapor deposition (CVD) through the direct reaction between Ga and NH3, using different doping elements such as Mg and Si to generate the p- and n-type required semiconductors. The advantage of our technique is that it does not require any secondary treatment after growth to generate the pores. In this way, porous GaN p-n junctions were obtained showing promising properties for potential application in high brightness GaN-based light emitting diodes and sensor devices with improved sensitivity.

Medical imaging refers to several different technologies that are used to view the human body in order to diagnose, monitor, or treat medical conditions. Each type of technology gives different information about the area of the body being studied depending on the radiation used to illuminate de body. Nowadays there are still several lesions that cannot be detected with the current methods in a curable stage of the disease. Moreover they present some drawbacks that limit its use, such as health risk, high price, patient discomfort, etc. In the last decades, active microwave imaging systems are being considered for the internal inspection of light-opaque materials thanks to its capacity to penetrate and differentiate their constituents based on the contrast in dielectric properties with a sub-centimeter resolution. Moreover, they are safe, relatively low-cost and portable. Driven by the promising precedents of microwaves in other fields, an active electromagnetic research branch was focused to medical microwave imaging. The potential in breast cancer detection, or even in the more challenging brain stroke detection application, were recently identified. Both applications will be treated in this Thesis. Intensive research in tomographic methods is now devoted to develop quantitative iterative algorithms based on optimizing schemes. These algorithms face a number of problems when dealing with experimental data due to noise, multi-path or modeling inaccuracies. Primarily focused in robustness, the tomographic algorithm developed and assessed in this thesis proposes a non-iterative and non-quantitative implementation based on a modified Born method. Taking as a reference the efficient, real-time and robust 2D circular tomographic method developed in our department in the late 80s, this thesis proposes a novel implementation providing an update to the current state-of-the-art. The two main contributions of this work are the 3D formulation and the multi-frequency extension, leading to the so-called Magnitude Combined (MC) Tomographic algorithm. First of all, 2D algorithms were only applicable to the reconstruction of objects that can be assumed uniform in the third dimension, such as forearms. For the rest of the cases, a 3D algorithm was required. Secondly, multi-frequency information tends to stabilize the reconstruction removing the frequency selective artifacts while maintaining the resolution of the higher frequency of the band. This thesis covers the formulation of the MC tomographic algorithm and its assessment with medically relevant scenarios in the framework of breast cancer and brain stroke detection. In the numerical validation, realistic models from magnetic resonances performed to real patients have been used. These models are currently the most realistic ones available to the scientific community. Special attention is devoted to the experimental validation, which constitutes the main challenge of the microwave imaging systems. For this reason, breast phantoms using mixtures of chemicals to mimic the dielectric properties of real tissues have been manufactured and an acquisition system to measure these phantoms has been created. The results show that the proposed algorithm is able to provide robust images of medically realistic scenarios and detect a malignant breast lesion and a brain hemorrhage, both at an initial stage.

This thesis is focused on the study of stochastic and nonlinear dynamics in optical systems. First, we study experimentally the dynamics of a Brownian nanometer particle in an optical trap subjected to an external forcing. Specifically, we consider the effects of parametric noise added to a monostable or bistable optical trap and discovered a new effect which we named stochastic resonant damping (SRD). SRD concerns the minimization of the output variance position of a particle held in a harmonic trap, when an external parametric noise was added to the position trap. We compared the classical stochastic resonance (SR) with SRD and found that they are two phenomena which coexist in the same system but in different regimes. The experimentally studied monostable system showed a maximum in the signal to noise ratio, a clear signature of a resonance. We also developed a new technique to increase 10-fold the detection range of the quadrant photodiode that we used in this study, which exploits the channel crosstalk. Second, we study the stochastic dynamics of a type of semiconductor laser (SCL), known as vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL), that exhibits polarization bistability and hysteresis, either when the injection current or when the optically injected power are varied. We have shown how these properties can be exploited for logic operations due to the effect of the spontaneous emission noise. Two logical input signals have been encoded in three levels of optically injected power from a master laser, and the logical output response was decoded from the emitted polarization of the injected VCSEL. Correct and robust operation was obtained when the three levels of injected power were adjusted to favor one polarization at two levels and to favor the orthogonal polarization at the third level. We numerically demonstrated that the VCSEL-based logic operator allows to reproduce the truth table for the OR and NOR logic operators, while the extension to AND and NAND is straightforward. With this all-optical configuration we have been able to reduce the minimum bit time required for correct operation from 30 ns, obtained in a previous work with an optoelectronic configuration, to 5 ns. The third focus of this thesis is the study of the chaotic nonlinear dynamics of a SCL optically injected, in the regime where it can display sporadic huge intensities pulses, referred to as Rogue Waves (RWs). We found that, when adding optical noise, the region where RWs appear becomes wider. This behavior is observed for high enough noise; however, on the contrary, for very weak noise we found that noise diminishes the number of RW events in certain regions. In order to suppress or induce extreme pulses, we investigated the effects of an external periodic modulation of the laser current. We found that the modulation at specific frequencies modifies the dynamics from chaotic to periodic. Depending on the parameter region, current modulation can contribute to an increased threshold for RWs. Therefore, we concluded that the modulation can be effective for suppressing the RWs dynamics.

With the arrival of free on-line machine translation (MT) systems, came the possibility to improve automatic translations with the help of daily users. One of the methods to achieve such improvements is to ask to users themselves for a better translation. It is possible that the system had made a mistake and if the user is able to detect it, it would be a valuable help to let the user teach the system where it made the mistake so it does not make it again if it finds a similar situation. Most of the translation systems you can find on-line provide a text area for users to suggest a better translation (like Google translator) or a ranking system for them to use (like Microsoft's). In 2009, as part of the Seventh Framework Programme of the European Commission, the FAUST project started with the goal of developing "machine translation (MT) systems which respond rapidly and intelligently to user feedback". Specifically, one of the project objective was to "develop mechanisms for instantaneously incorporating user feedback into the MT engines that are used in production environments, ...". As a member of the FAUST project, this thesis focused on developing one such mechanism. Formally, the general objective of this work was to design and implement a strategy to improve the translation quality of an already trained Statistical Machine Translation (SMT) system, using translations of input sentences that are corrections of the system's attempt to translate them. To address this problem we divided it in three specific objectives: 1. Define a relation between the words of a correction sentence and the words in the system's translation, in order to detect the errors that the former is aiming to solve. 2. Include the error corrections in the original system, so it learns how to solve them in case a similar situation occurs. 3. Test the strategy in different scenarios and with different data, in order to validate the applications of the proposed methodology. The main contributions made to the SMT field that can be found in this Ph.D. thesis are: - We defined a similarity function that compares an MT system output with a translation reference for that output and align the errors made by the system with the correct translations found in the reference. This information is then used to compute an alignment between the original input sentence and the reference. - We defined a method to perform domain adaptation based on the alignment mentioned before. Using this alignment with an in-domain parallel corpus, we extract new translation units that correspond both to units found in the system and were correctly chosen during translation and new units that include the correct translations found in the reference. These new units are then scored and combined with the units in the original system in order to improve its quality in terms of both human an automatic metrics. - We succesfully applied the method in a new task: to improve a SMT translation quality using post-editions provided by real users of the system. In this case, the alignment was computed over a parallel corpus build with post-editions, extracting translation units that correspond both to units found in the system and were correctly chosen during translation and new units that include the corrections found in the feedback provided. - The method proposed in this dissertation is able to achieve significant improvements in translation quality with a small learning material, corresponding to a 0.5% of the training material used to build the original system. Results from our evaluations also indicate that the improvement achieved with the domain adaptation strategy is measurable by both automatic a human-based evaluation metrics. / Esta tesis propone un nuevo método para mejorar un sistema de Traducción Automática Estadística (SMT por sus siglas en inglés) utilizando post-ediciones de sus traducciones automáticas. La estrategia puede asociarse con la adaptación de dominio, considerando las post-ediciones obtenidas a través de usuarios reales del sistema de traducción como el material del dominio a adaptar. El método compara las post-ediciones con las traducciones automáticas con la finalidad de detectar automáticamente los lugares en los que el traductor cometió algún error, para poder aprender de ello. Una vez los errores han sido detectados se realiza un alineado a nivel de palabras entre las oraciones originales y las postediciones, para extraer unidades de traducción que son luego incorporadas al sistema base de manera que se corrijan los errores en futuras traducciones. Nuestros resultados muestran mejoras estadísticamente significativas a partir de un conjunto de datos que representa en tamaño un 0, 5% del material utilizado durante el entrenamiento. Junto con las medidas automáticas de calidad, también presentamos un análisis cualitativo del sistema para validar los resultados. Las mejoras en la traducción se observan en su mayoría en el léxico y el reordenamiento de palabras, seguido de correcciones morfológicas. La estrategia, que introduce los conceptos de corpus aumentado, función de similaridad y unidades de traducción derivadas, es probada con dos paradigmas de SMT (traducción basada en N-gramas y en frases), con dos pares de lengua (Catalán-Español e Inglés-Español) y en diferentes escenarios de adaptación de dominio, incluyendo un dominio abierto en el cual el sistema fue adaptado a través de peticiones recogidas por usuarios reales a través de internet, obteniendo resultados similares durante todas las pruebas. Los resultados de esta investigación forman parte del projecto FAUST (en inglés, Feedback Analysis for User adaptive Statistical Translation), un proyecto del Séptimo Programa Marco de la Comisión Europea.

Although the term “domotics” is not absolutely unknown, there are a great number of cases where this term has been associated with a complicated and luxury technology, intended to ease life in houses and buildings but that finally does not work. The manufacturers have dedicated big efforts to improve their products, considering today that these new technologies are mature from a technological point of view, installers have been trained and they are more familiar with new technologies. They necessary know them and have passed from install simple electromechanical devices (switches, plugs, protections) to program more complex electronic systems, evolution that has been needed to be adapted to a more competitive market and, unfortunately, smaller and complicated due to the crisis effect that we are living. Other efforts, less known and probably more important than already shown, have been made and are made in this sense. There are many works directed to standardize and regulate this technology in order to create a profitable market. This type of actions allows us to define correctly what domotics means (and other expressions) and how it should be defined and installed in order that users could enjoy with guarantees this technology. Its performances have been defined and they are not only focused in luxury, that now is known as “comfort”, but security, communications and energy management. This documents shows the works that the author has made o where he has participated, that define, standardize even regulate those works that allows develop this market. / Aunque el término domótica no es absolutamente desconocido son muchos los casos en que, de forma despectiva, se ha asociado este término a una tecnología complicada y de lujo, que intenta hacer la vida más fácil en las viviendas y edificios pero que, al final, no funciona. Los fabricantes han dedicado grandes esfuerzos para mejorar sus productos considerando que, hoy en día desde el punto de vista tecnológico, estas tecnologías son maduras. Se ha formado a los instaladores quienes cada vez están más familiarizados con las nuevas tecnologías y quienes en un salto generacional ya las dominan, de forma necesaria, pasando de instalar simples elementos electromecánicos en las viviendas (interruptores, enchufes, protecciones, etc.) a programar sistemas electrónicos más complejos, evolución necesaria para adaptarse a un mercado cada vez más competitivo y por desgracia, menos amplio y castigado por efecto de la crisis en la que estamos actualmente inmersos. Otros esfuerzos menos conocidos y probablemente más importantes que los anteriores han sido los numerosos trabajos realizados para reglamentar y normalizar esta tecnología con el objetivo último de crear un mercado rentable. Este tipo de de acciones permiten definir correctamente qué se entiende por domótica (y otras acepciones similares) y cómo debe definirse e instalarse para que el usuario disfrute con garantías de esta tecnología. Se han definido sus utilidades ya no solamente dirigidas al lujo o lo que hoy llamamos con mayor precisión “confort” sino aquellas que hacen referencia a la seguridad, las comunicaciones y la gestión energética. Este documento pretende mostrar los trabajos que el autor ha realizado/participado y que han servido para definir, normalizar y regular, y que finalmente contribuyen a desarrollar este sector.