Magister en Ciencias con mención en Física / En esta tesis se estudia, te orica y experimentalmente, la propagaci on de luz en distintas redes fot onicas. Experimentalmente se han implementado dos montajes; uno capaz de crear redes fot onicas mediante la t ecnica de inducci on en un cristal fotorefractivo, y otro, capaz de crear patrones arbitrarios de luz para excitar redes fot onicas fabricadas con la t ecnica de escritura de l aser de femtosegundos. Con estos montajes, hemos podido observar importantes fen omenos en el area de sistemas discretos y, tambi en, hemos llevado a cabo la primera observaci on de estados localizados lineales pertenecientes a una banda plana en cualquier sistema f sico. Por ultimo, se ha estudiado te orica y num ericamente una red fot onica de Lieb con no linealidad tipo Kerr, para el caso de una red homog enea y una binaria. / In this thesis we study, theoretically and numerically, light propagation throughout di erent photonic lattices. Experimentally, we have developed two setups, one of them is able to create photonic lattices by means of an induction technique using a photorefractive crystal, and the other one is able to generate arbitrary light patterns to study photonic lattices fabricated using the femtosecond laser writing technique. With these setups, we have been able to observe fundamental phenomena in discrete systems area, and we have also led to the rst experimental observation of linear localized modes belonging to a at band in any physical system. Finally, Lieb photonic lattice with Kerr nonlinearity has been studied theoretically and numerically for the homogeneous and binary lattice case. / Beca de Pedagogia de Laboratorio del Departamento de F sica de la Universidad de Chile y a la Beca para estudiantes otorgada por el Núcleo Milenio de Óptica Avanzada RC-130001

[ES] En los últimos años, distintos proyectos alrededor del mundo se han centrado en el diseño de supercomputadores capaces de alcanzar la meta de la computación a exascala, con el objetivo de soportar la ejecución de aplicaciones de gran importancia para la sociedad en diversos campos como el de la salud, la inteligencia artificial, etc. Teniendo en cuenta la creciente tendencia de la potencia computacional en cada generación de supercomputadores, este objetivo se prevee accesible en los próximos años. Alcanzar esta meta requiere abordar diversos retos en el diseño y desarrollo del sistema. Uno de los principales es conseguir unas comunicaciones rápidas y eficientes entre el inmenso número de nodos de computo y los sitemas de memoria. La tecnología fotónica proporciona ciertas ventajas frente a las redes eléctricas, como un mayor ancho de banda en los enlaces, un mayor paralelismo a nivel de comunicaciones gracias al DWDM o una mejor gestión del cableado gracias a su reducido tamaño. En la tesis se ha desarrollado un estudio de viabilidad y desarrollo de redes de interconexión haciendo uso de la tecnología fotónica para los futuros sistemas a exaescala dentro del proyecto europeo ExaNeSt. En primer lugar, se ha realizado un análisis y caracterización de aplicaciones exaescala. Este análisis se ha utilizado para conocer el comportamiento y requisitos de red que presentan las aplicaciones, y con ello guiarnos en el diseño de la red del sistema. El análisis considera tres parámetros: la distribución de mensajes en base a su tamaño y su tipo, el consumo de ancho de banda requerido a lo largo de la ejecución y la matriz de comunicación espacial entre los nodos. El estudio revela la necesidad de una red eficiente y rápida, debido a que la mayoría de las comunaciones se realizan en burst y con mensajes de un tamaño medio inferior a 50KB. A continuación, la tesis se centra en identificar los principales elementos que diferencian las redes fotónicas de las eléctricas. Identificamos una secuencia de pasos en el diseño de un simulador, ya sea haciéndolo desde cero con tecnología fotónica o adaptando un simulador de redes eléctricas existente para modelar la fotónica. Después se han realizado dos estudios de rendimiento y comparativas entre las actuales redes eléctricas y distintas configuraciones de redes fotónicas utilizando topologías clásicas. En el primer estudio, realizado tanto con tráfico sintético como con trazas de ExaNeSt en un toro, fat tree y dragonfly, se observa como la tecnología fotónica supone una clara mejora respecto a la eléctrica. Además, el estudio muestra que el parámetro que más afecta al rendimiento es el ancho de banda del canal fotónico. El segundo estudio muestra el comportamiento y rendimiento de aplicaciones reales en simulaciones a gran escala en una topología jellyfish. En este estudio se confirman las conclusiones obtenidas en el anterior, revelando además que la tecnología fotónica permite reducir la complejidad de algunas topologías, y por ende, el coste de la red. En los estudios realizados se ha observado una baja utilización de la red debido a que las topologías utilizadas para redes eléctricas no aprovechan las características que proporciona la tecnología fotónica. Por ello, se ha propuesto Segment Switching, una estrategia de conmutación orientada a reducir la longitud de las rutas mediante el uso de buffers intermedios. Los resultados experimentales muestran que cada topología tiene sus propios requerimientos. En el caso del toro, el mayor rendimiento se obtiene con un mayor número de buffers en la red. En el fat tree el parámetro más importante es el tamaño del buffer, obteniendo unas prestaciones similares una configuración con buffers en todos los switches que la que los ubica solo en el nivel superior. En resumen, esta tesis estudia el uso de la tecnología fotónica para las redes de sistemas a exascala y propone aprovechar / [CA] Els darrers anys, múltiples projectes de recerca a tot el món s'han centrat en el disseny de superordinadors capaços d'assolir la barrera de computació exascala, amb l'objectiu de donar suport a l'execució d'aplicacions importants per a la nostra societat, com ara salut, intel·ligència artificial, meteorologia, etc. Segons la tendència creixent en la potència de càlcul en cada generació de superordinadors, es preveu assolir aquest objectiu en els propers anys. No obstant això, assolir aquest objectiu requereix abordar diferents reptes importants en el disseny i desenvolupament del sistema. Un dels principals és aconseguir comunicacions ràpides i eficients entre l'enorme nombre de nodes computacionals i els sistemes de memòria. La tecnologia fotònica proporciona diversos avantatges respecte a les xarxes elèctriques actuals, com ara un major ample de banda als enllaços, un major paral·lelisme de la xarxa gràcies a DWDM o una millor gestió del cable a causa de la seva mida molt més xicoteta. En la tesi, s'ha desenvolupat un estudi de viabilitat i desenvolupament de xarxes d'interconnexió mitjançant tecnologia fotònica per a futurs sistemes exascala dins del projecte europeu ExaNeSt. En primer lloc, s'ha dut a terme un estudi de caracterització d'aplicacions exascala dels requisits de xarxa. Els resultats de l'anàlisi ajuden a entendre els requisits de xarxa de les aplicacions exascale i, per tant, ens guien en el disseny de la xarxa del sistema. Aquesta anàlisi considera tres paràmetres principals: la distribució dels missatges en funció de la seva mida i tipus, el consum d'ample de banda requerit durant tota l'execució i els patrons de comunicació espacial entre els nodes. L'estudi revela la necessitat d'una xarxa d'interconnexió ràpida i eficient, ja que la majoria de comunicacions consisteixen en ràfegues de transmissions, cadascuna amb una mida mitjana de missatge de 50 KB. A continuació, la tesi se centra a identificar els principals elements que diferencien les xarxes fotòniques de les elèctriques. Identifiquem una seqüència de passos en el disseny i implementació d'un simulador: tractar la tecnologia fotònica des de zero o per ampliar un simulador de xarxa elèctrica existent per modelar la fotònica. Després, es presenten dos estudis principals de comparació de rendiment entre xarxes elèctriques i diferents configuracions de xarxes fotòniques mitjançant topologies clàssiques. En el primer estudi, realitzat tant amb trànsit sintètic com amb traces d'ExaNeSt en un toro, fat tree i dragonfly, vam trobar que la tecnologia fotònica representa una millora notable respecte a la tecnologia elèctrica. A més, l'estudi mostra que el paràmetre que més afecta el rendiment és l'amplada de banda del canal fotònic. Aquest darrer estudi analitza el rendiment d'aplicacions reals en simulacions a gran escala en una topologia jellyfish. Els resultats d'aquest estudi corroboren les conclusions obtingudes en l'anterior, revelant també que la tecnologia fotònica permet reduir la complexitat d'algunes topologies i, per tant, el cost de la xarxa. En els estudis anteriors ens adonem que la xarxa estava infrautilitzada principalment perquè les topologies estudiades per a xarxes elèctriques no aprofiten les característiques proporcionades per la tecnologia fotònica. Per aquest motiu, proposem Segment Switching, una estratègia de commutació destinada a reduir la longitud de les rutes mitjançant la implementació de memòries intermèdies en nodes intermedis al llarg de la ruta. Els resultats experimentals mostren que cadascuna de les topologies estudiades presenta diferents requisits de memòria intermèdia. Per al toro, com més gran siga el nombre de memòries intermèdies a la xarxa, major serà el rendiment. Per al fat tree, el paràmetre clau és la mida de la memòria intermèdia, aconseguint un rendiment similar tant amb una configuració amb memòria intermèdia en tots els co / [EN] In the last recent years, multiple research projects around the world have focused on the design of supercomputers able to reach the exascale computing barrier, with the aim of supporting the execution of important applications for our society, such as health, artificial intelligence, meteorology, etc. According to the growing trend in the computational power in each supercomputer generation, this objective is expected to be reached in the coming years. However, achieving this goal requires addressing distinct major challenges in the design and development of the system. One of the main ones is to achieve fast and efficient communications between the huge number of computational nodes and the memory systems. Photonics technology provides several advantages over current electrical networks, such as higher bandwidth in the links, greater network parallelism thanks to DWDM, or better cable management due to its much smaller size. In this thesis, a feasibility study and development of interconnection networks have been developed using photonics technology for future exascale systems within the European project ExaNeSt. First, a characterization study of exascale applications from the network requirements has been carried out. The results of the analysis help understand the network requirements of exascale applications, and thereby guide us in the design of the system network. This analysis considers three main parameters: the distribution of the messages based on their size and type, the required bandwidth consumption throughout the execution, and the spatial communication patterns between the nodes. The study reveals the need for a fast and efficient interconnection network, since most communications consist of bursts of transmissions, each with an average message size of 50 KB. Next, this dissertation concentrates on identifying the main elements that differentiate photonic networks from electrical ones. We identify a sequence of steps in the design and implementation of a simulator either i) dealing with photonic technology from scratch or ii) to extend an existing electrical network simulator in order to model photonics. After that, two main performance comparison studies between electrical networks and different configurations of photonic networks are presented using classical topologies. In the former study, carried out with both synthetic traffic and traces of ExaNeSt in a torus, fat tree and dragonfly, we found that photonic technology represents a noticeable improvement over electrical technology. Furthermore, the study shows that the parameter that most affects the performance is the bandwidth of the photonic channel. The latter study analyzes performance of real applications in large-scale simulations in a jellyfish topology. The results of this study corroborates the conclusions obtained in the previous, also revealing that photonic technology allows reducing the complexity of some topologies, and therefore, the cost of the network. In the previous studies we realize that the network was underutilized mainly because the studied topologies for electrical networks do not take advantage of the features provided by photonic technology. For this reason, we propose Segment Switching, a switching strategy aimed at reducing the length of the routes by implementing buffers at intermediate nodes along the path. Experimental results show that each of the studied topologies presents different buffering requirements. For the torus, the higher the number of buffers in the network, the higher the performance. For the fat tree, the key parameter is the buffer size, achieving similar performance a configuration with buffers on all switches that locating buffers only at the top level. In summary, this thesis studies the use of photonic technology for networks of exascale systems, and proposes to take advantage of the characteristics of this technology in current electrical network topologies. / This thesis has been conceived from the work carried out by Polytechnic University of Valencia in the ExaNeSt European project / Duro Gómez, J. (2021). Photonic Interconnection Networks for Exascale Computers [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/166796

[ES] La optomecánica de cavidades se ocupa de la interacción entre la luz y la materia a través del efecto de presión de radiación cuando las ondas ópticas y mecánicas implicadas están confinadas en una cavidad. En estos sistemas optomecánicos, la interacción entre fotones y fonones da lugar a multitud de fenómenos en función de las condiciones en las que se excita el sistema. En particular, se pueden obtener dos regímenes distintos en los que se puede, o bien absorber fonones (denominado como enfriamiento de la cavidad), o bien éstos se pueden amplificar (régimen conocido como calentamiento de la cavidad). El primer régimen puede usarse, por ejemplo, para reducir la ocupación térmica del sistema y se usa comúnmente para aplicaciones relativas al procesado de información cuántica. Sin embargo, la amplificación de fonones, que puede ser desarrollada a temperatura ambiente, ha permitido conseguir alcanzar incluso las condiciones necesarias para obtener láseres de fonones, lo cual permite poder usar esta característica como elemento de referencia en aplicaciones relativas al procesado de señales de radiofrecuencia (RF). En esta tesis se aborda el confinamiento simultáneo y la interacción de fotones y fonones en estructuras periódicas y en guías no suspendidas desarrolladas en sistemas CMOS compatibles basados en tecnología de silicio. A través del estudio experimental de estas estructuras periódicas, hemos demostrado que las cavidades optomecánicas pueden actuar como elementos clave en el dominio de la fotónica de microondas, donde todo el procesado de la información puede ser realizado en el dominio óptico a través de la manipulación de fonones en este sistema. En particular, mostramos que un solo oscilador optomecánico puede actuar tanto como un oscilador local y un mezclador de RF, y éste puede operar como un conversor de frecuencias de señales de cadenas de datos reales. Para mejorar esta funcionalidad, también se demuestra que es posible obtener tanto peines de frecuencias ópticos así como múltiples modos mecánicos confinados, aumentando así su rendimiento. Por otro lado, con el objetivo de poder solventar las posibles limitaciones de estos sistemas, en esta tesis también se exploran diferentes configuraciones que permiten la interacción acusto-óptica simultánea en la misma estructura. Específicamente, se analiza la interacción optomecánica en discos de alto índice que soportan estados cuasi-ligados en el continuo así como una propuesta de guías no suspendidas que soportan altas ganancias de Brillouin. Este último estudio debería permitir el desarrollo de sistemas optomecánicos no suspendidos donde el problema de la pérdida de fonones hacia el sustrato se resuelva, hecho que permitiría enormemente simplificar la fabricación de estos sistemas optomecánicos en chips de silicio así como su uso en múltiples aplicaciones. / [CA] L'optomecànica de cavitats s'ocupa de la interacció entre la llum i la matèria a través de l'efecte de pressió de radiació quan les ones òptiques i mecàniques implicades estan confinades en una cavitat. En aquests sistemes optomecànics, la interacció entre fotons i fonons dona lloc a multitud de fenòmens en funció de les condicions de les condicions en les quals s'excita el sistema. En particular, es poden obtindre dos règims diferents en els quals es pot, o bé, absorbir fonons (denominat com a refredament de la cavitat), o bé, es poden amplificar (règim conegut com a calfament de la cavitat). El primer règim pot usar-se, per exemple, per a reduir l'ocupació tèrmica del sistema i s'usa comunament per a aplicacions relatives al processament d'informació quàntica. No obstant això, l'amplificació de fonons, que pot ser desenvolupada a temperatura ambient, ha permés aconseguir fins i tot les condicions necessàries per a obtindre làsers de fonons, la qual cosa permet poder usar aquesta característica com a element de referència en aplicacions relatives al processament de senyals de radiofreqüència (RF). En aquesta tesi s'aborda el confinament simultani i la interacció de fotons i fonons en estructures periòdiques i en guies no suspeses en sistemes CMOS compatibles basats en tecnologia de silici. A través de l'estudi experimental d'aquestes estructures periòdiques, hem demostrat que les cavitats optomecàniques poden actuar com a elements clau en el domini de la fotònica de microones, on tot el processament de la informació pot ser realitzat en el domini òptic a través de la manipulació de fonons en aquest sistema. En particular, vam mostrar que només un oscil·lador optomecànic pot actuar tant com un oscil·lador local i un mesclador de RF, i aquest pot operar com un convertidor de freqüències de senyals de cadenes de dades reals. Per a millorar aquesta funcionalitat, també es demostra que és possible obtindre tant tren de freqüències òptics així com múltiples modes mecànics confinats, augmentant així el seu rendiment. D'altra banda, amb l'objectiu de poder solucionar les possibles limitacions d'aquests sistemes, en aquesta tesi també s'exploren diferents configuracions que permeten la interacció acusto-òptica simultània en la mateixa estructura. Específicament, s'analitza la interacció optomecànica en discos d'alt índex que suporten estats quasi-lligats en el continu així com una proposta de guies no suspeses que suporten altes ganancies de Brillouin. Aquest últim estudi hauria de permetre el desenvolupament de sistemes optomecànics no suspesos on el problema de la pèrdua de fonons cap al substrat es resolga, fet que permetria enormement simplificar la fabricació d'aquests sistema optomecànics en xips de silici així com el seu ús en diverses aplicacions. / [EN] Cavity optomechanics deals with the interaction of light and matter through the radiation pressure effect, when the involved optical and mechanical waves are confined in a cavity. In optomechanical systems, photon and phonon interaction give rise to a plethora of phenomena as a function of the driving conditions of the system. Relative to that, two distinctive regimes can be obtained which enable either the absorption of phonons (cavity cooling) or their amplification (cavity heating). The first regime can be used to reduce the thermal occupancy of the system and it is commonly used for quantum processing information applications. However, the amplification of phonons, which can be performed at room temperature, has enabled to even reach phonon lasing conditions, a feature that could be used as a reference element for RF processing applications. In this thesis, we address the simultaneous confinement and interaction of photons and phonons in periodic structures and unreleased waveguides on CMOS-compatible silicon-based technology. Throughout the experimental study of those periodic structures, we demonstrate that optomechanical cavities can perform as key blocks in the microwave photonics domain where all the information processing can be performed in the optical domain through phonon manipulation. In particular, we show that a single optomechanical oscillator can perform as both a local oscillator and an RF mixer, and it can operate as a frequency-converted of real data stream signals. To improve its performance, it is also demonstrated that optical frequency combs can be obtained by means of this system and multiple mechanical mode confinement can also be achieved, thus improving the functionality of the system. On the other hand, in order to fulfill the possible limitations of those systems, we explore different configurations enabling the simultaneous acousto-optic interaction together into the same structure. Especially, optomechanical interaction in high-index disks supporting quasi-bound states in the continuum is addressed, as well as a proposal of unreleased waveguides supporting strong Brillouin gains is also reported. The last one should lead to unreleased optomechanical interacting systems where the issue of phonon leakage into the substrate is solved, which could enormously simplify the fabrication of optomechanical systems in silicon chips as well as their practical use in multiple applications. / This work has been carried out under the framework of the H2020 FET-Open EU project PHENOMEN. This Thesis was also supported by the Programa de Ayudas de Investigación y Desarrollo (PAID-01-16) de la Universitat Politècnica de València / Mercadé Morales, L. (2021). Phonons Manipulation in Silicon Chips Using Cavity Optomechanics [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/171461