Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Eléctrica / Este trabajo ha sido parcialmente financiado por CONICYT, a través de su fondo ALMA para el desarrollo de la astronomía, proyecto 31140025, QUIMAL, proyecto 1500010, y CATA-Basal PFB06 / 21/08/2020

Las fases geométricas son tema de investigación actual en diversas áreas de la física. Interesa investigarlas tanto por razones de carácter teórico, cuanto por razones ligadas a sus aplicaciones. Entre estas últimas resaltan las aplicaciones en información cuántica. Un computador cuántico está basado en la posibilidad de generar, almacenar y manipular bits de información codificados en los grados de libertad de sistemas cuánticos. Estos son llamados qubits. Los qubits son superposiciones coherentes de dos estados fundamentales. Mientras su contraparte clásica puede valer 0 o 1 excluyentemente, el qubit puede tomar ambos valores 0 y 1 simultáneamente. Esto hace posible procesar información con mucha mayor rapidez en comparación a una computadora clásica. El problema central con los qubits es que son sumamente frágiles, de modo que su tiempo de vida media es muy pequeño. El fenómeno que lleva a un estado de superposición hacia un estado clásico se llama decoherencia. Para que un computador cuántico sea viable, es necesario contar con qubits cuya vida media sea mayor que el tiempo que toma realizar operaciones sobre ellos (computación). Una ruta muy promisoria es la que se basa en las fases geométricas. Ellas permiten realizar operaciones que, de un lado, pueden ser muy rápidas y, de otro lado, pueden ser inmunes o muy robustas frente a la decoherencia. Para implementar computación cuántica geométrica, es entonces necesario ser capaz de manipular fases geométricas con gran versatilidad. Contribuyendo a este ín, esta tesis presenta nuevos resultados en la manipulación de fases geométricas que aparecen cuando el qubit está codificado en fotones polarizados. Esta tesis contiene dos partes principales. En la primera parte hacemos un intento preliminar en manipular fases en estados de polarización. Específicamente, tratamos a la fase de Pancharatnam (fase total) que resulta de evoluciones unitarias arbitrarias. Discutimos los aspectos teóricos involucrados y mostramos en detalle como hacer que un estado de polarización siga cualquier curva sobre la esfera de Poincaré. Luego presentamos los métodos utilizados para llevar a cabo las mediciones de la fase total acumulada a lo largo de la evolución del estado. En la segunda parte de esta tesis, extendemos nuestros métodos y desarrollamos técnicas para suprimir localmente las fases dinámicas que puedan aparecer durante la evolución del estado de polarización. Esto nos permite observar y medir fases geométricas. Usando métodos similares a los discutidos en la primera parte, mostramos finalmente que las fases geométricas observadas experimentalmente coinciden con las predicciones teóricas con buena aproximación. / Tesis

Magister en Ciencias con mención en Física / En esta tesis se investigan de manera te orica, num erica y experimental, diversos sistemas opticos discretos utilizando el modelo Tight-Binding. En particular, se analizan las principales propiedades de la red fot onica de Lieb y la cinta tipo Grafeno, que poseen banda plana, y cuyos estados localizados se observan mediante un montaje basado en moduladores espaciales de luz. Por otro lado, se genera experimentalmente la condici on inicial optima para excitar dipolos, cuyas propiedades se estudian compar andolas con las del modo fundamental. Posteriormente, al mezclar redes con banda plana y dipolos surge una nueva fenomenolog a, donde se muestra la observaci on de anillos dipolares. Se analiza tambi en la cinta de Grafeno consider andola como un sistema no lineal, calculando sus soluciones y buscando movilidad. Finalmente, se discute de manera te orica el origen de los estados de banda plana y se presenta un m etodo para hallarlos. / In this thesis, several optical discrete systems are investigated theoretically, numerically and experimentally by means of the Tight-Binding model. In particular, the main features of Lieb photonic lattices and Graphene ribbons are analized, and the localized states belonging to their at bands are observed in a SLMs-based setup. On the other hand, the optimum initial condition to excite dipoles is generated experimentally, and the properties of these states are studied and compared to the ones of the fundamental modes. Next, by mixing at band lattices and dipoles, new phenomena arise, and the observation of a dipolar ring-like mode is demonstrated. The Graphene-like ribbon is studied as a nonlinear system as well, where its solutions are computed in the pursuit of mobility. Finally, the origin of at-band states is theoretically discussed and a procedure to nd them is presented. / nanciamiento entregado por el Nucleo Milenio de Óptica Avanzada RC-130001 y la Beca de Pedagogía de Laboratorio otorgada por el Departamento de Fisica de la Facultad de Ciencias de la Universidad de Chile.

[ES] La fotónica de microondas, la cual une los mundos de la ingeniería de radiofrecuencia y la optoelectrónica, ha generado un gran interés en las últimas décadas. Su valor añadido se deriva del hecho de que, por un lado, permite la realización de funcionalidades clave en los sistemas de microondas que son complejas o directamente imposibles en el dominio de la radiofrecuencia. Por otro lado, crea nuevas oportunidades para los sistemas y redes de información y comunicación. Por lo tanto, la fotónica de microondas se utiliza para habilitar funciones especializadas como generación de señales de alta frecuencia, modulación, procesamiento de señales, particularmente en aplicaciones de comunicación, radar y detección. En el contexto de la fotónica programable, la versatilidad surge al permitir la manipulación dinámica de las señales de luz, haciéndolas adaptables para propósitos genéricos a través de redes ópticas, computación óptica, óptica adaptativa, investigación y desarrollo y fotónica cuántica. Por lo que, proporciona una plataforma flexible para aplicaciones ópticas, mostrando funciones complementarias a la tecnología fotónica moderna. Por lo tanto, los circuitos integrados fotónicos programables proponen y prometen ser una solución para competir con diseños específicos de aplicaciones. Sin embargo, las demostraciones actuales y las pruebas de concepto solo han integrado un número limitado de componentes y representan circuitos de complejidad pequeña y moderada. Este trabajo tiene como objetivo responder a las preguntas relacionadas con la escalabilidad del sistema y la evolución de futuros circuitos integrados fotónicos programables. El análisis y propuesta de soluciones constará de dos partes principales: la primera estudiará la escalabilidad de los circuitos programables en términos de integración de sistemas, incluyendo un estudio exhaustivo de las interfaces ópticas. En segundo lugar, debido a la necesidad de compensación de pérdidas que surge al utilizar fotónica integrada, consideraremos el rendimiento de modelos analíticos de fotónica de microondas de extremo a extremo con enlaces amplificados (balance de potencia óptica, ruido de señal, indicadores clave de rendimiento de enlaces fotónicos de microondas y consumo de energía). Una vez completado, utilizaremos diseños de complejidad moderada para evaluar nuestros estimadores de rendimiento tanto para el procesamiento de señales ópticas como para aplicaciones fotónicas de microondas. / [CA] La fotònica de micrones, la qual uneix els mons de l'enginyeria de radiofreqüència i l'optoelectrònica, ha generat un gran interés en les últimes dècades. El seu valor afegit es deriva del fet que, d'una banda, permet la realització de funcionalitats clau en els sistemes de microones que són complexes o directament impossibles en el domini de la radiofreqüència. D'altra banda, crea noves oportunitats per als sistemes i xarxes d'informació i comunicació. Per tant, la fotònica de microones s'utilitza per a habilitar funcions especialitzades com a generació de senyals d'alta freqüència, modulació, processament de senyals, particularment en aplicacions de comunicació, radar i detecció. En el context de la fotònica programable, la versatilitat sorgeix en permetre la manipulació dinàmica dels senyals de llum, fent-les adaptables per a propòsits genèrics a través de xarxes òptiques, computació òptica, òptica adaptativa, recerca i desenvolupament i fotònica quàntica. Pel que, proporciona una plataforma flexible per a aplicacions òptiques, mostrant funcions complementàries a la tecnologia fotònica moderna. Per tant, els circuits integrats fotònics programables proposen i prometen ser una solució per a competir amb dissenys específics d'aplicacions. No obstant això, les demostracions actuals i les proves de concepte sol han integrat un nombre limitat de components i representen circuits de complexitat xicoteta i moderada. Aquest treball té com a objectiu respondre a les preguntes relacionades amb l'escalabilitat del sistema i l'evolució de futurs circuits integrats fotònics programables. L'anàlisi i proposta de solucions constarà de dues parts principals: la primera estudiarà l'escalabilitat dels circuits programables en termes d'integració de sistemes, incloent-hi un estudi exhaustiu de les interfícies òptiques. En segon lloc, a causa de la necessitat de compensació de pèrdues que sorgeix quan s'utilitza fotònica integrada, considerarem el rendiment de models analítics de fotònica de microones d'extrem a extrem amb enllaços amplificats (balanç de potència òptica, soroll de senyal, indicadors clau de rendiment d'enllaços fotònics de microones i consum d'energia). Una vegada completat, utilitzarem dissenys de complexitat moderada per a avaluar els nostres estimadors de rendiment tant per al processament de senyals òptics com per a aplicacions fotòniques de microones. / [EN] Microwave photonics brings together the worlds of radiofrequency engineering and optoelectronics and it has attracted great interest in the last few decades. It added value stems from the fact that, on one hand, it enables the realization of key functionalities in microwave systems that either are complex or even not directly possible in the radiofrequency domain. On the other hand, it creates new opportunities for information and communication systems and networks. Hence, microwave photonics is used to enable specialized functions such as high-frequency signal generation, modulation, and signal processing, particularly in communication, radar, and sensing applications. In the context of programmable photonics, versatility emerges by allowing dynamic manipulation of light signals, making them adaptable for generic purposes across optical networks, optical computing, adaptive optics, research and development, and quantum photonics. Then, it provides a flexible platform for optical applications, showcasing their complementary roles in modern photonics technology. Hence, programmable photonic integrated circuits have been recently proposed and promise to be a solution to compete with application-specific designs. However, current demonstrations and proof-of-concepts have only integrated a limited number of components and represent small and moderate-complex circuits. This work aims to answer the questions dealing with the system scalability and evolution of future programmable photonic integrated circuits. The analysis and proposal of solutions will include two main parts: the first one will study the scalability of programmable circuits in terms of system integration, including a comprehensive study of optical interfacing. Secondly, due to the need for loss compensation that arises when using integrated photonics, we will consider the performance of end-to-end analytical microwave photonics models with amplified links (optical power budget, signal noise, microwave photonic links key performance indicators, and power consumption). Once completed, we will make use of moderate complexity designs to evaluate our performance estimators for both optical signal processing and microwave photonic applications. / Sánchez Gomariz, E. (2024). Scalability Analysis and Designs for Large-Scale Programmable RF-Photonic Integrated Circuits: Modelling, Design and Implementation [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/202894

La temática presentada en este documento de tesis para optar al grado de Doctor, se desarrolla de manera tal que siga la línea de pensamiento en la que fueron estudiados los diferentes temas, sintetizando el estudio realizado de las singularidades de fase y sus propiedades, cuando son empleadas en técnicas de metrología de vórtices ópticos. Se estudian las técnicas convencionales de la metrología de vórtices para la síntesis de campos de speckle o similares al speckle, incluyendo el efecto natural de la decorrelación de los mismos para definir los rangos de aplicabilidad de estas técnicas. Posteriormente, se propone una manera alternativa de análisis para medir desplazamientos rígidos en el plano, basada en el análisis de Fourier de las singularidades de fase como marcadores de los campos de speckle, logrando expandir el rango de aplicabilidad de las técnicas de metrología de vórtices ópticos para este tipo de desplazamientos. Finalmente, se propone una manera alternativa para la generación de campos complejos mediante el uso de una nueva transformada integral lineal, generando así una herramienta matemática nueva para la síntesis de registros de intensidad, lo que permite en concreto una mejor síntesis de registros de patrones modulados con altas frecuencias. Dicha herramienta no limita su uso al ámbito de la metrología de vórtices ópticos, sino que puede ser de utilidad en diferentes aplicaciones propias del procesamiento opto-digital de la información.

Dentro de la aplicación de circuitos MMICs a redes conformadoras de haces para agrupaciones desfasables, se han modelado los errores aleatorios, combinados con los de cuantificación, para desfasadores digitales, incluyendo el efecto de diferentes niveles de calibración. Se ha aplicado el modelado anterior al análisis de la utilización de ponderación no binaria en los pesos de los dígitos de un desfasador digital variable, demostrando su robustez frente a las incertidumbres de los pesos de los diferentes dígitos, estableciéndose el rango de viabilidad de la ponderación no binaria, en comparación con ponderación binaria convencional. En cuanto a las agrupaciones multihaz se han recopilado algoritmos aplicables a la optimización de redes conformadoras que realicen la implementación analógica de la transformada discreta de Fourier para agrupaciones unidimensionales y bidimensionales, tanto con distribución rectangular a como hexagonal en los dominios espacial y frecuencial. Se han obtenido criterios de eficiencia a la hora de diseñar el conformador mediante tecnologías monolíticas y multicapa; demostrándose la viabilidad de la utilización de circuitos monolíticos simples como celdas básicas de redes conformadoras de haces para antenas multihaz de banda estrecha, estableciendo las prestaciones y limitaciones de la misma. Por lo que respecta a la tecnología fotónica, se ha caracterizado completamente un nuevo tipo de línea del periodo. Además se ha introducido una nueva arquitectura de red óptica conformadora de haces, basada en la utilización de una red de difracción con variación lineal del periodo, como elemento común de obtención de los retardos de los elementos. Todos los conceptos presentados en esta Tesis han sido demostrados mediante la fabricación y medida de los diversos componentes monolíticos y fotónicos introducidos / Corral González, JL. (1998). Aplicación de nuevas tecnologías monolíticas y fotónicas a redes conformadoras de haces en agrupaciones de antenas para bandas de microondas y ondas m [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/4265

Esta tesis se centra en el estudio de los fenómenos no lineales como la modulación cruzada de ganancia (XGM, cross gain modulation) y la modulación cruzada de fase (XPM, cross phase modulation) en amplificadores ópticos de semiconductor. Ambos fenómenos permiten aprovechar la no linealidad de la ganancia del amplificador saturado para realizar un proceso de conversión de longitud de onda. Este proceso consiste en trasladar la información transportada por una señal que modula una portadora óptica a una longitud de onda a una señal continua en otra longitud de onda llamada sonda cuando ambas atraviesan el amplificador. A lo largo de todo este estudio se confrontará la opción XGM con la XPM con el fin de establecer las ventajas e inconvenientes de cada uno de los métodos. Mientras que la técnica XGM es sencilla de utilizar y de menor coste, la XPM se caracteriza por proporcionar conversiones más eficientes, de menor chirp y mayor ancho de banda. Esta traslación de información de la señal modulada a la sonda tiene aplicaciones en los regímenes de pequeña y gran señal. En el ámbito de pequeña señal, la propiedad de invertir la señal convertida respecto a la señal de bombeo se utiliza para la implementación de filtros de microondas con coeficientes negativos. Este tipo de filtros presentan la ventaja de eliminar la componente continua de la señal. La función de transferencia del filtro se diseña mediante la sintonización y la modificación del perfil. La sintonización del filtro se realiza con elementos de retardo mientras que el perfil se varía modificando la potencia de cada una de las señales que conforman los coeficientes mediante atenuadores ópticos. Todas estas características están apoyadas por un estudio teórico, de simulación y por resultados experimentales llevados a cabo en el laboratorio del GCOC. En régimen de gran señal,se ha diseñado un módulo de conversión formado por dos etapas en cascada: una primera de XGM seguida de otra de XPM. Esta configuración permite aprovechar la ventaja de cada uno de los métodos. Este módulo está integrado dentro del nodo óptico del demostrador desarrollado para el proyecto europeo LABELS (Ligthwave Architectures for the processing of Broadband Electronic Signals). En este nodo, el encaminamiento se realiza mediante la longitud de onda. Por lo tanto, el ser capaz de convertir la señal de entrada a otra longitud de onda es capital para conmutar la señal en el nodo. El hecho de realizar esta conversión sin necesidad de recurrir a una conversión optoelectrónica intermedia proporciona a estos sistemas la propiedad de ser transparentes al formato de modulación y a su velocidad de transmisión (dentro del ancho de banda de conversión), lo que explica la importancia del módulo desarrollado. Para determinar las condiciones de funcionamiento y la bondad del módulo de conversión se han llevado a cabo varios experimentos cuyos resultados se muestran en esta tesis / Manzanedo Martínez, MD. (2013). Aplicación de los amplificadores ópticos de semiconductor a la fotónica de microondas [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/30314

La utilización de la tecnología Fotónica para la generación de señales arbitrarias de microondas ha permitido superar las limitaciones propias de los sistemas eléctricos y también su integración directa en entornos de radio sobre fibra. Entre las diferentes arquitecturas fotónicas propuestas en la literatura para la generación de señales de microondas, destaca aquella cuyos esquemas están basados en filtros fotónicos de microondas. La facilidad de reconfiguración de la forma de onda generada y su sintonización en frecuencia, así como la robustez y simplicidad de las distintas estructuras, son algunas de las características de esta técnica de generación, las cuales, la convierten en una solución prometedora frente a otras propuestas de la literatura. En esta tesis doctoral, se ha llevado a cabo el estudio e implementación de generadores de señales arbitrarias de microondas mediante el uso de filtros fotónicos de microondas como procesadores fotónicos. En primer lugar, se ha realizado un desarrollo teórico de la función de transferencia general de sistemas fotónicos basados en filtros fotónicos de microondas particularizada según si el procesador óptico está formado por líneas de retardo o por elementos dispersivos. Este desarrollo ha permitido evaluar la distorsión armónica generada en este tipo de estructuras, poniendo de manifiesto la importancia de considerarla en el diseño de las mismas. En segundo lugar, se han propuesto sistemas basados en esquemas de filtrado fotónico de microondas con los que se han generado formas de onda propias de la tecnología de comunicación inalámbrica Ultra-Wideband y señales con chirp, en concreto, pulsos eléctricos con chirp. Así mismo, se han demostrado las capacidades de reconfiguración, sintonización y ajuste de la señal generada que permiten los esquemas propuestos. Por otra parte, el estudio teórico realizado previamente ha permitido obtener la respuesta simulada de los esquemas fotónicos de generación propuestos, obteniendo una gran correspondencia con las medidas experimentales. Esta comparativa entre los resultados teóricos y experimentales, ha permitido la validación del desarrollo teórico para los sistemas de filtros fotónicos realizado en esta tesis, resultando ser una buena herramienta para el diseño de sistemas fotónicos de generación de señales arbitrarias de microondas basados en estas estructuras de filtrado. / The use of Photonics technology for the generation of arbitrary microwave signals permits to overcome the limitations of electrical systems and its direct integration in radio over fibre systems. Among the different photonic architectures proposed in the literature for the generation of microwave signals, microwave photonic filters stand out from the rest of techniques. The ease of reconfiguration and the frequency tuning of the generated waveform, as well as the robustness and simplicity of the different structures, are some of the main characteristics for this generation technique. Due to these characteristics, this technique is considered as a promising one compared to alternative proposals reported in the literature. In this thesis, the study and implementation of arbitrary microwave signal generators with optical processors based on microwave photonic filters is introduced. Firstly, a theoretical development of the general transfer function is found for the photonic systems based on microwave photonic filters with optical processors composed by delay lines or dispersive devices. This theoretical development has permitted to evaluate the harmonic distortion generated in these systems, which has revealed its relevance when a design of these systems is carried out. Secondly, arbitrary microwave signal generators based on microwave photonic filters have been proposed and specific waveforms have been generated for Ultra-Wideband technology as well as chirped signals, specifically, electrical chirped pulses. Moreover, capabilities of reconfiguration and tuning of the generated signal have been demonstrated for the proposed systems. Regarding theoretical response in relation to experimental measurements, a good concordance has been found and, consequently, the theoretical development has been validated. In this way, this theoretical development has been proved as a suitable tool to design photonic generators of arbitrary microwave signals based on microwave photonics filters. / La utilització de la tecnologia Fotònica per a la generació de senyals arbitràries de microones ha permés superar les limitacions pròpies dels sistemes elèctrics i també la seua integració directa en entorns de radio sobre fibra. Entre les diferents arquitectures fotòniques propostes en la literatura per a la generació de senyals de microones, destaca aquella en què els esquemes estan basats en filtres fotònics de microones. La facilitat de reconfiguració de la forma d'ona generada i la seua sintonització en freqüència, així com la robustesa i simplicitat de les distintes estructures, són algunes de les característiques d'esta tècnica de generació, les quals, la converteixen en una solució prometedora front a unes altres propostes de la literatura. En aquesta tesi doctoral, s'ha dut a terme l'estudi e implementació de generadors de senyals arbitràries de microones mitjançant l'ús de filtres fotònics de microones com a processadors fotònics. En primer lloc, s'ha realitzat un desenvolupament teòric de la funció de transferència general de sistemes fotònics basats en filtres fotònics de microones particularitzada segons si el processador òptic està format per línies de retard o per elements dispersius. Aquest desenvolupament ha permés avaluar la distorsió harmònica generada en aquest tipus d'estructures, posant en relleu la importància de considerar-la en el disseny de las mateixes. En segon lloc, s'han proposat sistemes basats en esquemes de filtrat fotònic de microones amb els que s'han generat formes d'ona pròpies de la tecnologia de comunicació inalàmbrica Ultra-Wideband i senyals amb chirp, en concret, polsos elèctrics amb chirp. Així mateix, s'han demostrat les capacitats de reconfiguració, sintonització i ajust de la senyal generada que permeten els esquemes propostos. Per una altra banda, l'estudi teòric realitzat prèviament ha permés obtenir la resposta simulada dels esquemes fotònics de generació propostos, obtenint una gran correspondència amb les mesures experimentals. Aquesta comparativa entre els resultats teòrics i experimentals ha permés la validació del desenvolupament teòric dels sistemes fotònics realitzat en aquesta tesi, resultant ser una bona eina per al disseny d'arquitectures fotòniques de generació de senyals arbitràries de microones basades en estructures de filtrat fotònic. / Rius Mercado, M. (2018). Sistemas de generación de señales de radiofrecuencia basados en Fotónica de Microondas [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/107927

Tesis por compendio / [ES] En esta tesis se ha abordado el desarrollo de biosensores ópticos label-free, basados en tecnología de disco compacto, permitiendo así abaratar y simplificar su fabricación. El trabajo llevado a cabo ha consistido en estudiar diferentes propiedades físico-químicas desarrolladas por diversos materiales. Ello ha permitido obtener sistemas compactos y accesibles, capaces de sensar con buenas prestaciones analíticas en diferentes escenarios. En el capítulo 1 se presenta un estudio de inhibición enzimática sobre discos Blu-ray como plataforma de ensayo para el cribado de fármacos. Para ello, se inmoviliza orientadamente una glicoenzima, de la familia de las peroxidasas sobre la superficie del disco, cuya actividad se relaciona con los compuestos a cribar. Después de ensayar cada compuesto, se determina el grado de inhibición enzimática mediante la adición de un sustrato. La cantidad de producto obtenido, inversamente proporcional al potencial inhibitorio del compuesto en estudio, es cuantificado con un lector de discos que registra las variaciones en la intensidad del haz laser reflejado debidas al producto enzimático. Ello permite realizar más de 1700 ensayos simultáneos en un único disco Blu-ray lo que muestra su potencial en análisis masivo de alto rendimiento. Además, se plantea una estrategia basada en hipersuperficies para el análisis de la elevada cantidad de datos que se generan en las etapas del proceso de descubrimiento de fármacos. En el capítulo 2 se aborda el estudio de una metodología para reducir el ruido generado en la lectura de resultados obtenidos con biosensores ópticos, mejorando así su sensibilidad. Para ello, se plantea la estructuración del ensayo en forma de franjas en lugar del tradicional microarray, generando una señal periódica sinusoidal al ser escaneadas. Al analizar dicha señal en dominio de frecuencias, ésta se concentra en un pico a la frecuencia del ensayo, mientras que la mayor parte del ruido aparece a frecuencias mucho más altas. Inicialmente se quería reducir al máximo el ruido, para diferenciar las interacciones moleculares en formato label free. Sin embargo, los ensayos realizados con discos DVD no generaron suficiente señal, teniendo que recurrir en esta ocasión al marcaje para la cuantificación de inmunoglobulinas G y de caseína. Pese a ello, la metodología desarrollada también se puede aplicar en biosensores tipo label-free, reduciendo el ruido y mejorando su sensibilidad. El capítulo 3 se centra en el desarrollo de sustratos interferométricos multicapa que varían la intensidad de la luz reflejada al realizar un ensayo analítico en su superficie. Los sustratos fueron fabricados utilizando los materiales que componen los DVD-RW, depositados en capas de espesor controlado con el fin de obtener la máxima respuesta. A su vez, se diseñaron de tal forma que uno de ellos disminuya la intensidad del haz reflejado como respuesta a las interacciones moleculares, mientras que el otro la aumenta. El trabajo incluye la utilización de principios y materiales de la tecnología de disco compacto para el desarrollo del sistema de detección. Para ello, se emplea el cabezal de un lector de DVD, ya que dispone de un láser y de todos los elementos ópticos necesarios para el escaneado vertical. Con este sistema se cuantifican con éxito y sin marcaje inmunoglobulinas G y sulfasalazina, una macromolécula y un fármaco de masa molecular reducida. El capítulo 4 consiste en la fabricación de un cristal fotónico utilizando la estructura de los discos compactos cubiertos con una película de óxido de titanio. Se han estudiado las propiedades físico-químicas de estos sustratos y se han caracterizado sus propiedades fotónicas. Todo ello está en concordancia con los resultados obtenido mediante simulaciones. Para interrogar los cristales fotónicos fueron necesarios una fuente de luz blanca y un espectrofotómetro, además de los elementos ópticos necesarios / [CA] En aquesta tesi s'ha abordat el desenvolupament de biosensors òptics label-free, basats en tecnologia de disc compacte, permetent així abaratir i simplificar la seua fabricació. El treball dut a terme ha consistit en estudiar diferents propietats fisicoquímiques desenvolupades per diversos materials. Això ha permès obtenir sistemes compactes i accessibles, capaços de sensar, amb bones prestacions analítiques, en diferents escenaris. En el capítol 1 es presenta un estudi d'inhibició enzimàtica sobre discos Blu-ray com a plataforma d'assaig per al cribratge de fàrmacs. Per a això, s'immobilitza de manera orientada una glicoenzima de la família de les peroxidases sobre la superfície del disc, i la seua activitat es relaciona amb els compostos a garbellar. Després d'assajar cada compost, es determina el grau d'inhibició enzimàtica mitjançant l'addició d'un substrat. La quantitat de producte obtingut, inversament proporcional al potencial inhibitori del compost en estudi, és quantificat amb un lector de discos que registra les variacions en la intensitat del làser reflectit degudes al producte enzimàtic. Això permet realitzar més de 1700 assajos simultanis en un únic disc Blu-ray el que mostra el seu potencial en anàlisi massiva d'alt rendiment. A més, es planteja una estratègia basada en hipersuperficies per a l'anàlisi de l'elevada quantitat de dades que es generen en les etapes del procés de descobriment de fàrmacs. En el capítol 2 s'aborda l'estudi d'una metodologia per reduir el soroll generat en la lectura de resultats obtinguts amb biosensors òptics, millorant així la seua sensibilitat. Per a això, es planteja l'estructuració de l'assaig en forma de franges en lloc del tradicional microarray, generant un senyal periòdic sinusoïdal en ser escanejades. En analitzar aquest senyal en domini de freqüències, aquesta es concentra en un pic a la freqüència de l'assaig, mentre que la major part del soroll apareix a freqüències molt més altes. Inicialment es volia reduir al màxim el soroll, per diferenciar les interaccions moleculars en format label-free. No obstant això, els assajos realitzats amb discos DVD no van generar prou senyal, havent de recórrer en aquesta ocasió al marcatge per a la quantificació d'immunoglobulines G i de caseïna. Malgrat això, la metodologia desenvolupada també es pot aplicar en biosensors tipus label-free, reduint el soroll i millorant la seua sensibilitat. El capítol 3 es centra en el desenvolupament de substrats interferometrics multicapa que varien la intensitat de la llum reflectida en realitzar un assaig analític en la seua superfície. Els substrats van ser fabricats utilitzant els materials que componen els DVD-RW, dipositats en capes de gruix controlat per tal d'obtenir la màxima resposta. Al seu torn, es van dissenyar de tal manera que un d'ells disminueixi la intensitat del feix reflectit com a resposta a les interaccions moleculars, mentre que l'altre l'augmenta. El treball inclou la utilització de principis i materials de la tecnologia de disc compacte per al desenvolupament del sistema de detecció. Per a això, es va utilitzar el capçal d'un lector de DVD, ja que disposa d'un làser i de tots els elements òptics necessaris per a l'escanejat vertical. Amb aquest sistema es quantifiquen amb èxit i sense marcatge immunoglobulines G i sulfasalazina, un macromolècula i un fàrmac de massa molecular reduïda. El capítol 4 consisteix en la fabricació d'un cristall fotònic utilitzant l'estructura dels discos compactes coberts amb una pel·lícula d'òxid de titani. S'han estudiat les propietats fisicoquímiques d'aquests substrats i s'han caracteritzat les propietats fotòniques. Tot això està en concordança amb els resultats obtingut mitjançant simulacions. Per interrogar els cristalls fotònics van ser necessaris una font de llum blanca i un espectrofotòmetre, a més dels elements òptics necessaris per guiar la llum. / [EN] In this thesis the development of label-free optical biosensors, based on compact disc technology, has been approached, thus making their manufacture cheaper and simpler. The work carried out has consisted of studying different physical-chemical properties manifested with several materials. This has allowed to obtain compact and accessible systems, capable of sensing with a great analytical performance in different scenarios. Chapter 1 presents an enzymatic inhibition study on Blu-ray discs as a test platform for drug screening. For this purpose, a glycoenzyme of the peroxidase family is immobilized on the surface of the disc whose activity is related to the compounds to be screened. After testing each compound, the degree of enzymatic inhibition is determined by adding the enzymatic substrate. The amount of product obtained is inversely proportional to the inhibitory potential of the compound, and is quantified with a disk reader that records the variations in the intensity of the reflected laser beam due to the enzymatic product. In addition, more than 1700 tests are performed on a single Blu-ray disc as proof of concept for application in high performance analysis and a hypersurface based strategy is proposed for the analysis of the large amount of data generated in the stages of the drug discovery process. Chapter 2 deals with the study of a methodology to reduce noise generated in the reading of results obtained with optical biosensors, hence improving their sensitivity. For this purpose, the structure of the test is proposed in the form of stripes instead of the traditional microarray, generating a sinusoidal periodic signal when they are scanned. When analysing this signal in frequency domain, it is concentrated in a peak at the frequency of the test, while most of the noise appears at much higher frequencies. Initially, the aim was to reduce noise as much as possible in order to differentiate molecular interactions in a label-free format. However, the tests carried out on a DVD did not generate enough signal, having to resort to labelling on this occasion for the quantification of immunoglobulins G and casein. Nevertheless, the methodology developed can be applied to label-free biosensors, reducing noise and improving sensitivity. Chapter 3 focuses on the development of multilayer interferometric substrates that vary the intensity of reflected light when performing an analytical test on their surface. The substrates were manufactured using the materials that make up the DVD-RW, deposited in layers of controlled thickness in order to obtain maximum response. At the same time, they were designed in such a way that one of them decreased the intensity of the reflected beam as a response to molecular interactions, while the other increased it. The work includes the use of principles and materials from compact disc technology for the development of the detection system. For this, the head of a DVD reader is used, as it has a laser and all the optical elements necessary for vertical scanning. With this system, immunoglobulins G and sulfasalazine, a macromolecule and a drug with reduced molecular mass are successfully quantified without labelling. Chapter 4 consists of the fabrication of a photonic crystal using the structure of the compact discs covered with a titanium oxide layer. The physical-chemical properties of these substrates have been studied and their photonic properties have been characterized. All this is in accordance with the results obtained through simulations. To interrogate the photonic crystals, a white light source and a spectrophotometer were needed, as well as the optical elements necessary to guide the light. / Sancho Fornés, G. (2019). Integración de diferentes fenómenos fotónicos en tecnología de disco compacto para el desarrollo de biosensores label-free [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/124819 / Compendio

Tesis por compendio / [ES] La revolución posibilitada por las aplicaciones fotónicas durante las últimas décadas ha dejado su impronta en la sociedad tal y como la conocemos actualmente. Ejemplos claros de este impacto están patentes en, por ejemplo, el enorme tráfico de datos generado por el uso de Internet o el empleo extendido de algunas técnicas biomédicas con fines diagnósticos o quirúrgicos, que no podrían entenderse sin el incesante desarrollo de los sistemas ópticos. La necesidad de combinar y miniaturizar estos sistemas para generar funcionalidades más avanzadas dio lugar al nacimiento de los circuitos fotónicos integrados (PICs), que es donde esta tesis comenzó a tomar forma. En este sentido, observamos limitaciones en términos de flexibilidad o reconfigurabilidad inherentes a la naturaleza guiada de la mayoría de los PICs realizados hasta el momento. En el caso de circuitos plasmónicos, observamos también limitaciones por las pérdidas que tienen las guías metálicas a altas frecuencias. La inclusión de estructuras inalámbricas (basadas principalmente en nanoantenas plasmónicas) en la capa fotónica surgió para mitigar estas pérdidas, abriendo también nuevas vías de investigación. Sin embargo, estos dispositivos aún presentaban rendimientos muy pobres como elementos puramente radiantes en el régimen de campo lejano. Para superar estas deficiencias, en este trabajo, introdujimos un enfoque novedoso en el desarrollo de dispositivos inalámbricos en la nanoescala, que dio forma a lo que llamamos on-chip wireless silicon photonics. Este nuevo concepto se apoyó en el uso de nanoantenas de silicio compatibles con procesos CMOS, que constituyen las estructuras clave que posibilitan un vasto catálogo de aplicaciones en redes fotónicas de comunicación o en sensores ultra-integrados, así como para la interconexión de sistemas dieléctricos-plasmónicos avanzados. En el ámbito de las comunicaciones, gracias a las sencillas reglas de diseño para adaptar la directividad de estas nanoantenas a diversas aplicaciones, pudimos demostrar por primera vez transmisiones inalámbricas de datos (mediante el uso de antenas altamente directivas) en redes on-chip reconfigurables o desarrollar dispositivos para generar a voluntad focos electromagnéticos de manera dinámica en espacios bidimensionales (gracias a antenas con una directividad más baja). Por otro lado, en el campo del biosensado, diseñamos y fabricamos un dispositivo lab-on-a-chip para la identificación de micropartículas, basado en el uso de antenas dieléctricas -presentando un rendimiento equiparable a los mejores diseños desarrollados hasta el momento- que incluye el subsistema óptico más compacto demostrado hasta la fecha. Finalmente, fuimos capaces de conectar experimentalmente y de manera eficiente antenas basadas en silicio con estructuras plasmónicas para el desarrollo de nuevas aplicaciones en la nanoescala, aunando las ventajas del on-chip wireles silicon photonics para comunicaciones en chip, conformación dinámica de haces o biosensado con las ventajas de la plasmónica para la manipulación e interacción con luz. / [CA] La revolució habilitada per les aplicacions fotòniques durant les últimes dècades ha deixat la seua empremta en la societat actual tal com la coneixem. Exemples clars d'aquest impacte estan patents en, per exemple, l'enorme tràfic de dades generat per l'ús d'Internet o d'algunes tècniques biomèdiques amb fins diagnòstics o quirúrgics, que no es podrien entendre sense l'incessant desenvolupament dels sistemes òptics. La necessitat de combinar i miniaturitzar aquests sistemes per produir funcionalitats més avançades va donar lloc al naixement dels circuits fotònics integrats (PICs), que és on aquesta tesi va començar a prendre forma. En aquest sentit, observem limitacions en termes de flexibilitat o reconfigurabilitat inherents a la naturalesa guiada de la majoria dels PICs realitzats fins al moment. En el circuits plasmònics, tenim a mès les limitacions de les elevades pèrdues que les guies metàl·liques tenen a altes freqüències. La inclusió d'estructures sense fil (basades principalment en l'ús de nanoantenes plasmòniques) a la capa fotònica va sorgir per mitigar aquestes pèrdues, obrint també noves vies d'investigació. No obstant això, aquests dispositius encara presentaven rendiments molt pobres com a elements purament radiants en el règim de camp llunyà. Per superar aquestes deficiències, en aquest treball, vam introduir un enfocament innovador en el desenvolupament de dispositius sense fil a la nanoescala, que va donar forma al que anomenem on-chip wireless silicon photonics. Aquest nou concepte està basat en l'ús de nanoantenes de silici compatibles amb processos CMOS, que constitueixen les estructures clau que possibiliten un vast catàleg d'aplicacions en xarxes fotòniques de comunicació o en sensors ultra-integrats, així com per a la interconnexió de sistemes dieléctrics-plasmònics avançats. En l'àmbit de les comunicacions, gràcies a les senzilles regles de disseny per adaptar la directivitat de les antenes a les diverses aplicacions, vam poder demostrar per primera vegada transmissions de dades on-chip (mitjançant l'ús d'antenes altament directives) en xarxes reconfigurables o desenvolupar un dispositiu per generar a voluntat focus electromagnètics de manera dinàmica en espais bidimensionals (gràcies a antenes amb una directivitat més baixa). D'altra banda, en el camp del biosensing, vam dissenyar i fabricar un sensor lab-on-a-chip per a la classificació de micropartícules, basat en l'emprament d'antenes dielèctriques amb un rendiment a l'avantguarda dels millors dispositius de l'estat de l'art, que inclou el subsistema òptic més compacte demostrat fins al moment. Finalment, vam ser capaços de connectar experimentalment i de manera eficient antenes basades en silici amb estructures plasmònics per al desenvolupament de noves aplicacions en la nanoescala, unint els avantatges del on-chip wireless silicon photonics per a comunicacions en xip, conformació dinàmica de feixos o biosensat amb els avantatges de la plasmònica per a la manipulació e interacció amb llum. / [EN] The revolution sparked by photonic applications during the last decades has made its mark in society, as we currently know it. Clear examples of this impact are patent in, for instance, the colossal worldwide data traffic generated by the use of the Internet or the widespread utilization of some biomedical techniques for diagnostic or surgical purposes, which could not be understood without the ceaseless development of optical systems. The necessity of combining and miniaturizing these systems to enable advanced functionalities gave birth to the development of photonic integrated circuits (PICs), which is the main framework within which this thesis began to take shape. Along these lines, we noticed restricted limitations in terms of flexibility or reconfigurability inherent to the wired-based nature of most PIC implementations carried out so far. In the case of plasmonic circuitry, there are additional shortcomings arising from the prohibitive losses of metallic waveguides at very high frequencies. The inclusion of wireless structures (mostly based on plasmonic nanoantennas) at the photonic layer emerged to mitigate these limiting losses, also opening new research avenues. However, these devices still presented poor performances as purely radiating elements in the far-field regime. In order to overcome these lacks, in this work, we introduced a novel version to wireless approaches at the nanoscale in what we called on-chip wireless silicon photonics. This new concept was built upon the use of CMOS-compatible silicon-based nanoantennas, which constitute the key enabling structures of a diverse catalogue of applications in photonic communication networks or ultra-integrated sensors as well as for interfacing advanced dielectric-plasmonic systems. In the scope of communications, thanks to the easiness to tailor the antenna directivity, we were able to experimentally demonstrate on-chip data transmission flows in reconfigurable networks for the first time (by using highly directive antennas) or to develop dynamically tailor-made interference patterns to create focused spots at will on a 2D arrangement (enabled by antennas with a lower directivity). On the other hand, in the field of biosensing, we experimentally implemented a dielectric antenna-based lab-on-a-chip device for microparticle classification with state-of-the-art performance, which included the most compact optical subsystem demonstrated so far. Finally, we were able to efficiently interface silicon-based antennas to plasmonic systems to develop new advanced functionalities at the nanoscale, by putting together the advantages of on-chip wireless silicon photonics for on-chip communications, beam-shaping tailoring or lab-on-a-chip sensing with the advantages of plasmonics for light concentration and manipulation. / Lechago Buendía, S. (2019). All-dielectric nanoantennas enabling on-chip wireless silicon photonics [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/133074 / Compendio