Estágio realizado no INESC e orientado pelo Prof. Doutor Luís Alberto de Almeida Ferreira / Tese de mestrado integrado. Engenharia Electrotécnica e de Computadores. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2008

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 no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/107927 / TESIS

Esta tesis trata de resolver el problema de la interconexión (acoplo) entre un circuito integrado fotónico de silicio (chip) y el mundo exterior, es decir una fibra óptica. Se trata de uno de los temas más importantes a los que hoy en día se enfrenta la comunidad científica en óptica integrada de silicio. A pesar de que pueden realizarse circuitos integrados fotónicos de silicio de muy alta calidad utilizando herramientas estándar de fabricación CMOS, la interfaz con la fibra óptica sigue siendo la fuente más importante de pérdidas, debido a la gran diferencia en el tamaño entre los modos de propagación de la fibra y de las guías de los circuitos integrados fotónicos. Abordar el problema es, por lo tanto, muy importante para poder utilizar los circuitos integrados fotónicos de silicio en una aplicación práctica. Objetivos: El propósito de este trabajo es hacer frente a este problema en la interfaz del acoplamiento fibra-chip, con énfasis en el ensamblado o empaquetado final. Por lo tanto, los objetivos principales son: 1) estudio, modelado y optimización de diseños de diferentes técnicas eficientes de acoplamiento entre fibras ópticas y circuitos integrados fotónicos de silicio, 2) fabricación y demostración experimental de los diseños obtenidos, 3) ensamblado y empaquetado de algunos de los prototipos de acoplamiento fabricados. Metodología: Este trabajo se desarrolla a lo largo de dos líneas de investigación, en conformidad con las dos principales estrategias de acoplamiento que pueden encontrarse en la literatura, concretamente, estructuras de acoplamiento tipo "grating" (la fibra acopla verticalmente sobre la superficie de circuito), y estructuras del tipo ¿inverted taper¿ (la fibra acopla horizontalmente por el extremo de circuito). Resultados: tanto en el caso de estructuras tipo "grating" como en el caso de estructuras "inverted taper", son importantes los avances conseguidos sobre el estado del arte. En lo que respecta al "grating", se ha demostrado dos tipos de estructuras. Por un lado, se ha demostrado "gratings" adecuados para acoplo a guías de silicio convencionales. Por otra parte, se ha demostrado por primera vez el funcionamiento de "gratings" para guías de silicio tipo "slot" horizontal, que son un tipo de guía muy prometedora para aplicaciones de óptica no lineal. En relación con el acoplamiento a través de "inverted taper", se ha demostrado una estructura novedosa basada en este tipo de acoplamiento. Con esta estructura, importantes son los avances conseguidos en el empaquetado de fibras ópticas con el circuito de silicio. Su innovadora integración con estructuras de tipo "V-groove" se presenta como un medio para alinear pasivamente conjuntos de múltiples fibras a un mismo circuito integrado fotónico. También, se estudia el empaquetado de conjuntos de múltiples fibras usando acopladores tipo "grating", resultando en un prototipo de empaquetado de reducido tamaño. / Galán Conejos, JV. (2010). Addressing Fiber-to-Chip Coupling Issues in Silicon Photonics [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/9196 / Palancia

Debido a la imparable aparición de dispositivos móviles multifunción junto con aplicaciones que requieren cada vez más un mayor ancho de banda en cualquier momento y en cualquier lugar, las futuras redes de acceso deberán ser capaces de proporcionar servicios tanto inalámbricos como cableados. Es por ello que una solución a seguir es el uso de sistemas de comunicaciones ópticas como medio de transporte de señales inalámbricas en enlaces de radio sobre fibra. Con ello, se converge a un dominio óptico reduciendo y aliviando el cuello de botella entre los estándares de acceso inalámbrico y cableado. En esta tesis, como parte de los objetivos establecidos en el proyecto europeo HELIOS en el que está enmarcada, se han investigado y desarrollado los bloques funcionales básicos necesarios para realizar un transceptor fotónico integrado trabajando en el rango de longitudes de onda milimétricas, y haciendo uso de los formatos de modulación más robustos y que mejor se adaptan al ámbito de aplicación considerado. El trabajo que se presenta en esta tesis se puede dividir básicamente en tres partes. La primera de ellas ofrece una descripción general de los beneficios del uso de la fotónica en silicio para el desarrollo de enlaces inalámbricos a velocidades de Gbps, así como el estado del arte de los transceptores desarrollados por los grupos de investigación más activos y punteros para satisfacer las necesidades de mercado, cada vez más exigentes. La segunda parte se centra en el estudio y desarrollo del transmisor integrado de onda milimétrica. Primero realizamos una breve introducción teórica tanto del funcionamiento de los dispositivos que forman parte del transmisor, como a los formatos de modulación existentes, centrando la atención en la modulación por desplazamiento de fase (PSK) que es la que se va a utilizar en el desarrollo de los dispositivos implicados, y más concretamente en la modulación (diferencial) de fase en cuadratura ((D)QPSK). También se presentan los bloques básicos que integran nuestro transmisor y se fijan las especificaciones que deben cumplir dichos bloques para conseguir una transmisión libre de errores. El transmisor está compuesto por un filtro/demultiplexor encargado de separar dos portadoras ópticas separadas una frecuencia de 60 GHz. Una de estas portadoras es modulada al pasar por un modulador DQPSK basado en una estructura de dos MachZehnders (MZs) anidados, para ser nuevamente combinada con la otra portadora óptica que se ha mantenido intacta. Una vez combinadas, éstas son fotodetectadas para ser transmitidas inalámbricamente. En la tercera parte de esta tesis, se investiga el uso de un esquema de diversidad en polarización junto a un receptor DQPSK integrado para la demodulación de la señal recibida. El esquema de diversidad en polarización está formado básicamente por dos bloques: un separador de polarización con el objetivo de separar la luz a la entrada del chip en sus dos componentes ortogonales; y un rotador de polarización. En lo que se refiere al receptor DQPSK propiamente dicho, se ha investigado y optimizado cada uno de los bloques funcionales que lo componen. Éstos son básicamente un divisor de potencia termo-ópticamente sintonizable basado en un interferómetro MZ, en serie con un interferómetro MZ que introduce un retardo de duración de un bit en uno de sus brazos, para obtener una correcta demodulación diferencial. El siguiente bloque que forma parte de nuestro receptor DQPSK es un 2x4 acoplador de interferencia multimodal actuando como un híbrido de 90 grados, cuyas salidas van a parar a dos fotodetectores balanceados de germanio. Las contribuciones principales de esta tesis han sido: ¿ Demostración de un filtro/demultiplexor con tres grados de sintonización con una relación de extinción superior a 25dB. ¿ Demostración de un rotador con una longitud de tan sólo 25µm y CMOS compatible. ¿ Demostración de un modulador DPSK a una velocidad máxima de 20 Gbit/s. ¿ Demostración de un demodulador DQPSK a una velocidad máxima de 20 Gbit/s. / Due to the relentless emergence of multifunction mobile devices with applications that require increasingly greater bandwidth at anytime and anywhere, future access networks must be capable of providing both wireless and wired services. The use of optical communications systems as transport medium of wireless signals over fiber radio links is a steady solution to be taken into account. This will make possible a convergence to an optical domain reducing and alleviating the bottleneck between wireless access standards and current wired access. In this thesis, as part of the objectives of the European project HELIOS in which it is framed, we have investigated and developed the basic functional blocks needed to achieve an integrated photonic transceiver working in the range of millimetre wavelengths, and using robust modulation formats that best fit the scope considered. The work presented in this thesis can be basically divided into three parts. The first one provides an overview of the benefits of using silicon photonics for the development of wireless links at rates of Gbps, and the state of the art of the transceivers reported by the most important research groups in order to meet the increasingly demanding needs¿ market. The second part focuses on the study and development of millimetre-wave integrated transmitter. First we provide a brief theoretical introduction of the operation principles of the devices involved in the transmitter such as a modulation formats, focusing on the phase shift keying (PSK) which is the one that will be used, particularly the (differential) quadrature phase shift keying ((D) QPSK). We also present the building blocks involved in our transmitter and we set the specifications that must be met by these devices in order to achieve an error-free transmission. The transmitter includes a filter/demultiplexer which must separate two optical carriers 60 GHz separated. One of these optical carriers is modulated by passing through a DQPSK Mach-Zehnder-based modulator (MZM) by arranging two MZMs in a nested configuration. Using a combiner, the modulated optical signal and the un-modulated carrier are combined and photodetected to be transmitted wirelessly. In the third part of this thesis, we investigate the use of a polarization diversity scheme with an integrated DQPSK receiver for demodulating of the wireless signal. The polarization diversity scheme basically consists of two blocks: a polarization splitter in order to separate the random polarization state of the incoming light into its two orthogonal components, and a polarization rotator. Regarding the DQPSK receiver itself, all the functional blocks that comprise it have been investigated and optimized. It basically includes a thermo-optically tunable MZ interferometer power splitter, in series with a MZ interferometer that introduces, in one of its arms, a delay of one bit length in order to obtain a correct differential demodulation. The next building block of our DQPSK receiver is a 2x4 multimode interference coupler acting as a 90 degree hybrid, whose outputs are connected to two balanced germanium photodetectors. The main contributions of this thesis are: ¿ Demonstration of a filter/demultiplexer with three degrees of tuning and an extinction ratio greater than 25dB. ¿ Demonstration of a polarization rotator with a length of only 25¿m and CMOS compatible. ¿ Demonstration of a DPSK modulator at a maximum rate of 20 Gbit/s. ¿ Demonstration of a DQPSK demodulator to a maximum rate of 20 Gbit/s. / Aamer, M. (2013). Development of an integrated silicon photonic transceiver for access networks [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/31649 / TESIS

Las señales arbitrarias de microondas son ampliamente utilizadas en distintos campos de aplicacón como radar, comunicaciones, captura de imágenes e instrumentación moderna. La limitación de los sistemas eléctricos para la generación de formas de onda a frecuencias elevadas y con grandes anchos de banda ha hecho que a lo largo de la última década se realicen numerosas propuestas de generación en el dominio óptico. Tras una revisión de todas las propuestas, se ha podido realizar una clasificación en función de las técnicas de generación más relevantes. El principal objetivo de esta tesis doctoral consiste en la propuesta, análisis y validación experimental de una técnica que permite la generación de señales de microondas haciendo uso de estructuras de filtrado fotónico. En concreto, los filtros utilizados en este trabajo se fundamentan en el procesado de señales ópticas incoherentes mediante un elemento dispersivo. A través del desarrollo teórico, se ha obtenido la función de transferencia del filtro fotónico equivalente que permite calcular la señal generada a partir de la densidad espectral de potencia de la fuente óptica, la dispersión y la señal eléctrica de entrada. De este modo, ha sido posible extender algunas de las ventajas del filtrado fotónico a la generación de formas de onda. Así mismo, para la técnica propuesta se distinguen dos regímines de operación, no lineal y lineal, según sea necesario o no considerar la dispersión de segundo orden del elemento dispersivo. En el régimen lineal, se presentan varias estructruas que utilizan distintos tipos de señal óptica como un conjunto de láseres y una fuente ancha ranurada empleando diferentes tipos de filtrado óptico. Además, también se presenta una estructura adicional incorporando detección defierencial a través de un interferómetro. Con el fin de mostrar las distintas capacidades de estas propuestas se ha demostrado la generación de señales correspondientes a la tecnología UWB de impulsos de radio y multib / Bolea Boluda, M. (2012). Sistemas ópticos incoherentes para la generación de señales arbitrarias basados en filtros fotónicos de microondas [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/16810 / Palancia

[ES] Las nanopartículas de alto índice admiten multipolos electromagnéticos que determinan su respuesta a una onda incidente. Cuando se excitan diferentes multipolos, estos pueden interferir, dando lugar a fenómenos sorprendentes. Por ejemplo, a partir de la oscilación en antifase del dipolo toroidal y eléctrico (o magnético) cartesiano o de los correspondientes multipolos de orden superior surgen los llamados estados anapolares, caracterizados por una reducción sustancial de la dispersión de campo lejano y una fuerte localización de la energía dentro del disco. Una de las estructuras de alto índice más sencillas que soportan la interferencia multipolar es el disco, que se puede construir fácilmente sobre un sustrato de sílice utilizando herramientas estándar de nanofabricación de silicio. La mayoría de los estudios de estados de anapolos en discos dieléctricos de alto índice han abordado anapolos que pueden excitarse bajo iluminación normal, pero la incidencia en el plano es necesaria para construir circuitos integrados fotónicos de silicio cuando la luz está completamente unida al plano del chip. En esta tesis investigamos mediante simulaciones numéricas anexas a medidas experimentales la aparición de interferencias multipolares en discos de silicio cuando excitamos en el plano a través de guías de ondas. Primero, investigamos los efectos en discos aislados del tamaño de una sublongitud de onda y luego ampliamos nuestra investigación a cadenas periódicas unidimensionales. Bajo la excitación en el plano de un disco de silicio del tamaño de una sublongitud de onda, observamos anapolos magnéticos y eléctricos de varios órdenes, cambiando la geometría del sistema. Curiosamente, observamos un desacoplamiento del mínimo en la dispersión de campo lejano y el máximo de localización de energía en el disco, que tienen lugar en longitudes de onda bien separadas para la excitación en el plano del anapolo en comparación con el caso de incidencia normal habitual. Por otro lado, a través de la excitación del dipolo toroidal, demostramos la transmisión eficiente por encima del cono de luz en una estructura periódica formada por discos de silicio del tamaño de una sublongitud de onda. Finalmente, predecimos el cierre de la banda prohibida de Bragg debido a la interacción entre dipolos eléctricos y magnéticos en una estructura periódica formada por nanobloques de silicio. Nuestros resultados resaltan diferencias significativas entre las interferencias multipolares cuando las partículas se iluminan desde diferentes direcciones y tienen implicaciones directas para el uso de discos del tamaño de la longitud de onda en circuitos integrados fotónicos de alto índice para aplicaciones que van desde la biodetección y la espectroscopia hasta el procesamiento de señales no lineales. / [CA] Les nanopartícules d'alt índex admeten multipols electromagnètics que determinen la seua resposta a una ona incident. Quan s'exciten diferents multipols, aquests poden interferir, donant lloc a fenòmens sorprenents. Per exemple, a partir de l'oscil·lació en antifase del dipol toroidal i elèctric (o magnètic) cartesià, o dels corresponents multipols d'ordre superior, sorgeixen els anomenats estats anapolars, caracteritzats per una reducció substancial de la dispersió de camp llunyà i una forta localització de l'energia dins del disc. Una de les estructures d'alt índex més senzilles que suporten la interferència multipolar és el disc, que es pot construir fàcilment sobre un substrat de sílice utilitzant eines estàndard de nano fabricació de silici. La majoria dels estudis d'estats d'anapols en discos dielèctrics d'alt índex han abordat anapols que poden excitar-se sota il·luminació normal, però la incidència en el pla és necessària per a construir circuits integrats fotònics de silici quan la llum està completament unida al pla del xip. En aquesta tesi investiguem mitjançant simulacions numèriques annexes a mesures experimentals l'aparició d'interferències multipolars en discos de silici quan excitem en el pla a través de guies d'ones. Primer, investiguem els efectes en discos aïllats de la grandària d'una sublongitud d'ona i després ampliem la nostra investigació a cadenes periòdiques unidimensionals. Sota l'excitació en el pla d'un disc de silici de la grandària d'una sublongitud d'ona, observem anapols magnètics i elèctrics de diversos ordres, canviant la geometria del sistema. Curiosament, observem un desacoblament del mínim en la dispersió de camp llunyà i el màxim de localització d'energia en el disc, que tenen lloc en longituds d'ona ben separades per a l'excitació en el pla del anapol en comparació amb el cas d'incidència normal habitual. D'altra banda, a través de l'excitació del dipol toroidal, vam demostrar la transmissió eficient per damunt del con de llum en una estructura periòdica formada per discos de silici de la grandària d'una sublongitud d'ona. Finalment, prediem el tancament de la banda prohibida de Bragg a causa de la interacció entre dipols elèctrics i magnètics en una estructura periòdica formada per nanobloques de silici. Els nostres resultats ressalten diferències significatives entre les interferències multipolars quan les partícules s'il·luminen des de diferents direccions i tenen implicacions directes per a l'ús de discos de la grandària de la longitud d'ona en circuits integrats fotònics d'alt índex per a aplicacions que van des de la biodetecció i l'espectroscòpia fins al processament de senyals no lineals. / [EN] High-index nanoparticles support electromagnetic multipoles that determine their response to an incident wave. When different multipoles are excited, they can interfere, giving rise to surprising phenomena. For example, from the antiphase oscillation of the Cartesian toroidal and electric (or magnetic) dipole or the corresponding higher-order multipoles arise the so-called anapole states, characterized by a substantial reduction in the far-field scattering and a strong localization of energy inside the disk. One of the simplest high-index structures supporting multipolar interference is the disk, which can be easily built on a silica substrate using standard silicon nanofabrication tools. Most studies of anapole states in high-index dielectric disks have addressed anapoles that can be excited under normal illumination, but the in-plane incidence is necessary for building silicon photonic integrated circuits (PICs) when light is completely bound to the chip plane. In this thesis, we investigate via numerical simulations annex experimental measurements the appearance of multipolar interferences in silicon disks when we excited in-plane through waveguides. First, we investigate the effects on isolated subwavelength-sized disks and then extend our investigation to one-dimensional (1D) periodic chains. Under the in-plane excitation of a silicon subwavelength-sized disk, we observe magnetic and electric anapoles of various orders, changing the geometry of the system. Interestingly, we observed a decoupling of the minimum in the far-field scattering and the maximum of energy localization in the disk, which takes place at well-separated wavelengths for in-plane excitation of the anapole as compared to the usual normal incidence case. On the other hand, through the excitation of the toroidal dipole, we demonstrate the efficient transmission above the light cone in a periodic structure formed by silicon subwavelength-sized disks. Finally, we predict the closure of the Bragg bandgap due to the interaction between electric and magnetic dipoles in a periodic structure formed by silicon nanobricks. Our results highlight significant differences between multipoles interferences when the particles are illuminated from different directions and have direct implications for the use of wavelength-size disks in high-index PICs for applications ranging from biosensing and spectroscopy to nonlinear signal processing. / Debo agradecer a la Generalitat Valenciana que con su programa de becas Santiago Grisolía GRISOLIAP/2018/164 me permitió comenzar este camino. Al Instituto de Tecnología Nanofotónica y a la Universidad Politécnica de Valencia por darme la oportu- nidad de labrar mi camino hacia el título de Doctor of Philosophy in Telecommunications Engineering en sus instalaciones. / Díaz Escobar, E. (2023). Investigation of Multipolar Interference in Silicon Disks for on-Chip Photonics [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/192830

Tesis por compendio / [ES] El desarrollo científico y tecnológico de las últimas décadas ha dado lugar a sistemas sensores capaces de obtener, procesar y transmitir información sobre multitud de aspectos físicos y químicos, y utilizarla para mejorar aspectos clave de multitud de áreas de nuestra sociedad. Los sensores químicos son dispositivos compactos y miniaturizados capaces de ofrecer soluciones alternativas a las técnicas de análisis instrumental convencionales. En especial, los biosensores han adquirido gran relevancia por los avances que han supuesto para sectores estratégicos como el diagnóstico clínico, la industria alimentaria y el medio ambiente. Los biosensores ópticos se basan en interacciones entre la luz y la materia para transducir eventos de bioreconocimiento y presentan prestaciones importantes como la estabilidad, inmunidad a estímulos externos y versatilidad en el desarrollo de aproximaciones sin marcaje (label-free). Este último aspecto suele aprovechar fenómenos nanoscópicos y su desarrollo se encuentra muy ligado al progreso de la nanociencia y nanotecnología. Un aspecto clave en el biosensado sin marcaje consiste en descubrir y desarrollar nuevas estrategias de transducción. En este sentido, aunque se encuentren aun en una etapa temprana de desarrollo, los biosensores difractivos presentan un gran potencial en términos de simplicidad, miniaturización, y capacidad para minimizar señales no deseadas fruto de interacciones no específicas, entre otros aspectos. / [CA] El desenvolupament científic i tecnològic de les últimes dècades ha donat lloc a sistemes sensors capaços d'obtindre, processar i transmetre informació sobre multitud d'aspectes físics i químics, i utilizar-la per a millorar aspectes clau de multitud d'arees de la nostra societat. Els sensors químics són dispositius compactes i miniaturitzats capaços d'oferir solucions alternatives a les tècniques d'analisi instrumental convencionals. Especialment, els biosensors han adquirit gran rellevància pels avanços que han suposat per als sectors estratègics com el diagnòstic clínic, la industria alimentària i el medi ambient. Els biosensors òptics es basen en interaccions entre la llum i la matèria per a transduir esdeveniments de bioreconèixement i presenten prestacions importants com estabilitat, immunitat a estímuls externs i versatilitat en el desenvolupament d'aproximacions sense marcatge (label-free). Aquest últim aspecte sol aprofitat fenòmens nanoscòpics i el seu desenvolupament es troba molt lligat al progrés de la nanociència i nanotecnologia. Un aspecte clau en el biosensat sense marcatge consisteix a descobrir i desenvolupar noves estratègies de transducció. En aquest sentit, encara que es troben fins i tot en una etapa primerenca de desenvolupament, els biosensors difractius presenten un gran potencial en termes de simplicitat, miniaturització, i capacitat per a minimitzar senyals no desitjats fruit d'interaccions no específiques, entre altres aspectes. / [EN] The scientific and technological progress in recent decades has given rise to sensor systems capable of obtaining, processing, and transmitting information on a multitude of physical and chemical aspects and using it to improve key aspects of many areas of our society. Chemical sensors are compact, miniaturized devices capable of offering alternative solutions to conventional instrumental analysis techniques. In particular, biosensors have become highly relevant due to the progress they have brought to strategic sectors such as clinical diagnostics, the food industry, and the environment. Optical biosensors rely on interactions between light and matter to transduce biosensing events and provide important features such as stability, immunity to external stimuli, and versatility in the development of label-free approaches. This last aspect usually exploits nanoscopic phenomena and its development in closely linked to the progress in nanoscience and nanotechnology. A key aspect of label-free biosensing is the discovery and development of new transduction strategies. In this regard, although they are at an early stage of development, diffractive biosensors offer great potential in terms of simplicity, miniaturization, and the ability to minimize unwanted signals from non-specific interactions, among other aspects. / This work was financially supported by the Ministerio de Ciencia e Innovación/Agencia Estatal de Investigación (MCIN/AEI/10.13039/501100011033) co-funded by the European Union “ERDF A way of making Europe” (PID2019-110713RB-I00, TED2021-132584B-C21, PID2019-110877GB-I00), Ministerio de Economía y Competitividad (TEC2016-80385-P), Generalitat Valenciana (PROMETEO/2019/048 PROMETEO/2020/094, PROMETEO/2021/015, IDIFEDER/2021/046). A.J.D. ackowledges the FPI-UPV 2017 grant program. The authors acknowledge Instituto de Microelectrónica de Barcelona CNM-CSIC for the support in the fabrication of the measured chip samples on the Multiproject CNM-VLC silicon nitride technology platform. / Juste Dolz, AM. (2023). Biogratings: Diffractive Transducers for Biosensing in Photonic Platforms [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/194251 / Compendio

[ES] En los últimos años, la fotónica integrada programable ha evolucionado desde considerarse un paradigma nuevo y prometedor para implementar la fotónica a una escala más amplia hacia convertirse una realidad sólida y revolucionaria, capturando la atención de numerosos grupos de investigación e industrias. Basada en el mismo fundamento teórico que las matrices de puertas lógicas programables en campo (o FPGAs, en inglés), esta tecnología se sustenta en la disposición bidimensional de bloques unitarios de lógica programable (en inglés: PUCs) que -mediante una programación adecuada de sus actuadores de fase- pueden implementar una gran variedad de funcionalidades que pueden ser elaboradas para operaciones básicas o más complejas en muchos campos de aplicación como la inteligencia artificial, el aprendizaje profundo, los sistemas de información cuántica, las telecomunicaciones 5/6-G, en redes de conmutación, formando interconexiones en centros de datos, en la aceleración de hardware o en sistemas de detección, entre otros. En este trabajo, nos dedicaremos a explorar varias aplicaciones software de estos procesadores en diferentes diseños de chips. Exploraremos diferentes enfoques de vanguardia basados en la optimización computacional y la teoría de grafos para controlar y configurar con precisión estos dispositivos. Uno de estos enfoques, la autoconfiguración, consiste en la síntesis automática de circuitos ópticos -incluso en presencia de efectos parasitarios como distribuciones de pérdidas no uniformes a lo largo del diseño hardware, o bajo interferencias ópticas y eléctricas- sin conocimiento previo sobre el estado del dispositivo. Hay ocasiones, sin embargo, en las que el acceso a esta información puede ser útil. Las herramientas de autocalibración y autocaracterización nos permiten realizar una comprobación rápida del estado de nuestro procesador fotónico, lo que nos permite extraer información útil como la corriente eléctrica que suministrar a cada actuador de fase para cambiar el estado de su PUC correspondiente, o las pérdidas de inserción de cada unidad programable y de las interconexiones ópticas que rodean a la estructura. Estos mecanismos no solo nos permiten identificar rápidamente cualquier PUC o región del chip defectuosa en nuestro diseño, sino que también revelan otra alternativa para programar circuitos fotónicos en nuestro diseño a partir de valores de corriente predefinidos. Estas estrategias constituyen un paso significativo para aprovechar todo el potencial de estos dispositivos. Proporcionan soluciones para manejar cientos de variables y gestionar simultáneamente múltiples acciones de configuración, una de las principales limitaciones que impiden que esta tecnología se extienda y se convierta en disruptiva en los próximos años. / [CA] En els darrers anys, la fotònica integrada programable ha evolucionat des de considerarse un paradigma nou i prometedor per implementar la fotònica a una escala més ampla cap a convertir-se en una realitat sòlida i revolucionària, capturant l'atenció de nombrosos grups d'investigaciò i indústries. Basada en el mateix fonament teòric que les matrius de portes lògiques programable en camp (o FPGAs, en anglès), aquesta tecnología es sustenta en la disposición bidimensional de blocs units lògics programables (en anglès: PUCs) que -mitjançant una programación adequada dels seus actuadors de fase- poden implementar una gran varietat de funcionalitats que poden ser elaborades per a operacions bàsiques o més complexes en molts camps d'aplicació com la intel·ligència artificial, l'aprenentatge profund, els sistemes d'informació quàntica, les telecomunicacions 5/6-G, en xarxes de comutació, formant interconnexions en centres de dades, en l'acceleració de hardware o en sistemes de detecció, entre d'altres. En aquest treball, ens dedicarem a explorar diverses capatitats de programari d'aquests processadors en diferents dissenys de xips. Explorem diferents enfocaments de vanguardia basats en l'optimització computacional i la teoría de grafs per controlar i configurar amb precisió aquests dispositius. Un d'aquests enfocaments, l'autoconfiguració, tracta de la síntesi automática de circuits òptics -fins i tot en presencia d'efectes parasitaris com ara pèrdues no uniformes o crosstalk òptic i elèctric- sense cap coneixement previ sobre l'estat del dispositiu. Tanmateix, hi ha ocasions en les quals l'accés a aquesta información pot ser útil. Les eines d'autocalibració i autocaracterització ens permeten realizar una comprovació ràpida de l'estat del nostre procesador fotònic, el que ens permet obtener informació útil com la corrent eléctrica necessària per alimentar cada actuador de fase per canviar l'estat del seu PUC corresponent o la pèrdua d'inserció de cada unitat programable i de les interconnexions òptiques que envolten l'estructura. Aquests mecanisms no només ens permeten identificar ràpidament qualsevol PUC o área del xip defectuosa en el nostre disseny , sinó que també ens mostren una altra alternativa per programar circuits fotònics en el nostre disseny a partir de valors de corrent predefinits. Aquestes estratègies constitueixen un pas gegant per a aprofitar tot el potencial d'aquests dispositius. Proporcionen solucions per a gestionar centenars de variables i alhora administrar múltiples accions de configuració, una de les principals limitacions que impideixen que aquesta tecnología esdevingui disruptiva en els pròxims anys. / [EN] In recent years, programmable integrated photonics (PIP) has evolved from a promising, new paradigm to deploy photonics to a larger scale to a solid, revolutionary reality, bringing up the attention of numerous research and industry players. Based on the same theoretical foundations than field-programmable gate arrays (FPGAs), this technology relies on common, two-dimensional integrated optical hardware configurations based on the interconnection of programmable unit cells (PUCs), which -by suitable programming of their phase actuators- can implement a variety of functionalities that can be elaborated for basic or more complex operation in many application fields, such as artificial intelligence, deep learning, quantum information systems, 5/6-G telecommunications, switching, data center interconnections, hardware acceleration and sensing, amongst others. In this work, we will dedicate ourselves to explore several software capabilities of these processors under different chip designs. We explore different cutting-edge approaches based on computational optimization and graph theory to precisely control and configure these devices. One of these, self-configuration, deals with the automated synthesis of optical circuit configurations -even in presence of parasitic effects such as nonuniform losses, optical and electrical crosstalk- without any need for prior knowledge about hardware state. There are occasions, though, in which accessing to this information may be of use. Self-calibration and self-characterization tools allow us to perform a quick check to our photonic processor's status, allowing us to retrieve useful pieces of information such as the electrical current needed to supply to each phase actuator to change its corresponding PUC state arbitrarily or the insertion loss of every unit cell and optical interconnection surrounding the structure. These mechanisms not only allow us to quickly identify any malfunctioning PUCs or chip areas in our design, but also reveal another alternative to program photonic circuits in our design from current pre-sets. These strategies constitute a gigantic step to unleash all the potential of these devices. They provide solutions to handle with hundreds of variables and simultaneously manage multiple configuration actions, one of the main limitations that prevent this technology to scale up and become disruptive in the years to come. / López Hernández, A. (2023). Multipurpose Programmable Integrated Photonics: Principles and Applications [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/196867

[ES] Esta tesis se ha centrado en el modelado, diseño y demostración experimental de un sensor espectroscópico integrado basado en un AWG (del inglés Arrayed Waveguide Grating). El dispositivo ha sido diseñado y fabricado en una nueva plataforma de nitruro de silico (Si3N4) en oxido de silico (SiO2) desarrollada en España. El trabajo realizado en esta tesis se puede dividir en dos secciones principalmente. En la primera parte, se describe el panorama general de las plataformas de Si3N4 existentes y su estado del arte, junto con la descripción de los procesos de fabricación y caracterización de nuestra plataforma de Si3N4 con 300 nm de altura en la capa de guiado. En la segunda parte, se presenta el dispositivo bautizado como Integrated Optical Spectroscopic Sensor (IOSS). El IOSS consiste en un AWG cuyo conjunto de guías de onda está dividido en dos subgupos diseñados para replicar los canales del AWG. Las guías de uno de los subgrupos contienen ventanas de sensado, que están definidas por secciones en las que el núcleo de las guías está al descubierto y, por tanto, en contacto con el medio que las rodea. De esta manera, el sensado se lleva a cabo mediante la interacción del campo evanescente con la muestra depositada. Las guías del segundo subconjunto permanecen inalteradas. Por lo tanto, el dispositivo proporciona al mismo tiempo los espectros de sensado y de referencia. El modelo matemático del IOSS, su procedimiento de diseño y la prueba de concepto del sensor configurado para espectroscopía de absorción se describen en esta tesis. / [CAT] La present tesi s'ha centrat en el modelatge, disseny i demostració experimental d'un sensor espectroscòpic integrat basat en un AWG (de l'anglès Arrayed Waveguide Grating). El dispositiu ha sigut dissenyat i fabricat en una nova plataforma de nitrur de silici (Si3N4) en òxid de silici (SiO2) desenvolupada a Espanya. El treball realitzat en aquesta tesi es pot dividir en dues seccions principalment. En la primera part, es descriu el panorama general de les plataformes de Si3N4 existents i el seu estat de l'art, juntament amb la descripció dels processos de fabricació i caracterització de la nostra plataforma de Si3N4 amb 300 nm d'altura en la capa de guiat. En la segona part, es presenta el dispositiu batejat com Integrated Optical Spectroscopic Sensor (IOSS). El IOSS consisteix en un AWG en el que el seu conjunt de guies d'ona està dividit en dos subgrups dissenyats per a replicar els canals del AWG. Les guies d'un dels subgrups conté finestres de detecció, que estan definides per seccions en les quals el nucli de les guies d'ona està al descobert i en contacte amb el mitjà que li envolta. D'aquesta manera, la detecció es duu a terme mitjançant la interacció del camp evanescent amb la mostra depositada. Les guies del segon subconjunt romanen inalterades. Per tant, el dispositiu proporciona al mateix temps els espectres de detecció de referència. El model matemàtic del IOSS, el seu procediment de disseny i la prova de concepte del sensor configurat per a espectroscopia d'absorció es descriuen en aquesta tesi. / [EN] This thesis is focused on the model, design and experimental demonstration of an integrated spectroscopic sensor based on a modified Arrayed Waveguide Grating (AWG). The device has been designed and fabricated in a new silicon nitride (Si3N4) on silicon oxide (SiO2) platform developed in Spain. The work performed for this thesis can be then divided into two main sections. In the first part, an overview of the existing Si3N4 platforms and their state of art is described, alongside the report on the fabrication and characterization of our 300 nm guiding film height Si3N4 platform. On the second part, the device named Integrated Optical Spectroscopic Sensor (IOSS) is presented. The IOSS consists of an AWG which arrayed waveguides are divided into two sub-sets engineered to replicate the AWG channels. The waveguides of one of the sub-sets contain sensing windows, defined as waveguides sections which core is in contact with the surrounding media. Thus, the sensing is performed through evanescent field interaction with the sample deposited. The waveguides from the second sub-set remain isolated. Therefore, the device provides both sensing and reference spectra. The IOSS mathematical model, design procedure and proof of concept configured for absorption spectroscopy are reported in this thesis. / Micó Cabanes, G. (2020). Integrated Spectroscopic Sensor fabricated in a novel Si3N4 platform [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/159381 / TESIS

[ES] Esta tesis aborda la caracterización de circuitos fotónicos integrados (PIC) usando interferometría óptica en el domino de las frecuencias (OFDI). OFDI tiene una implementación razonablemente simple e interroga al dispositivo bajo test (DUT) proporcionando su respuesta en el dominio del tiempo, en la que los distintos caminos ópticos seguidos por la luz se manifiestan en contribuciones que contienen información de posición, amplitud y fase. Junto con un "setup" OFDI construido en nuestros laboratorios y estructuras de test integradas que involucran anillos resonantes, interferómetros, etc., proponemos e implementamos técnicas para obtener parámetros ópticos cruciales tales como el índice de grupo, dispersión cromática, rotación de polarización y pérdidas de propagación en guías de onda. También para caracterizar acopladores ópticos. Se realizan evaluaciones directas de fase óptica en diferentes experimentos para, entre otras aplicaciones, caracterizar efectos de calor en chips. En la culminación de la tesis, se aborda la integración conjunta de los interferómetros de OFDI junto con el DUT, concibiéndolo como una estructura de caracterización integrada. El uso de guías de onda integradas proporciona una alta estabilidad y adaptación al DUT, además de un mecanismo inherente de compensación de la dispersión. Se realiza un análisis y prueba de concepto experimental caracterizando un "arrayed waveguide grating" en tecnología de nitruro de silicio. Seguidamente, se da un paso adelante proponiendo una arquitectura interferométrica de tres brazos novedosa que permite reducir la complejidad de la medida. Se lleva a cabo una validación experimental amplia usando distintos equipos de laboratorio, acoplamiento horizontal y vertical al chip, y diferentes DUTs en tecnologías de nitruro de silicio y "silicon-on-insulator". / [CAT] Aquesta tesi aborda la caracterització de circuits fotònics integrats (PIC) usant interferometria òptica al domini de les freqüències (OFDI). OFDI té una implementació raonablement simple i interroga el dispositiu sota test (DUT) proporcionant la seva resposta en el domini del temps, en què els diferents camins òptics seguits per la llum es manifesten en contribucions que contenen informació de posició, amplitud i fase. Juntament amb un "setup" OFDI construït als nostres laboratoris i estructures de test integrades que involucren anells ressonants, interferòmetres, etc., proposem i implementem tècniques per obtenir paràmetres òptics crucials com ara l'índex de grup, dispersió cromàtica, rotació de polarització i pèrdues de propagació en guies d'ona. També per caracteritzar acobladors òptics. Es fan avaluacions directes de fase òptica en diferents experiments per, entre altres aplicacions, caracteritzar efectes de calor en xips. A la culminació de la tesi, s'aborda la integració conjunta dels interferòmetres d'OFDI juntament amb el DUT, concebent-ho com una estructura de caracterització integrada. L'ús de guies d'ona integrades proporciona una alta estabilitat i adaptació al DUT, a més d'un mecanisme inherent de compensació de la dispersió. Es realitza una anàlisi i prova de concepte experimental caracteritzant un "arrayed waveguide grating" en tecnologia de nitrur de silici. Seguidament, es fa un pas avant proposant una arquitectura interferomètrica de tres braços nova que permet reduir la complexitat de la mesura. Es du a terme una validació experimental àmplia usant diferents equips de laboratori, acoblament horitzontal i vertical al xip, i diferents DUTs en tecnologies de nitrur de silici i "silicon-on-insulator". / [EN] This PhD thesis covers the characterization of complex photonic integrated circuits (PIC) by using Optical Frequency Domain Interferometry (OFDI). OFDI has a fairly simple implementation and interrogates the device under test (DUT) providing its time domain response, in which the different optical paths followed by light manifest in contributions with position, amplitude and phase information. Together with a working OFDI setup built in our laboratory and integrated test structures involving devices such as ring resonators, interferometers, etc., we propose and implement techniques to get crucial optical parameters such as waveguide group refractive index, chromatic dispersion, polarization rotation, and propagation loss. Also, to characterize optical couplers. Direct optical phase assessment is made in different experiments permitting, amongst others, the characterization of on-chip heat effects. In the culmination of the thesis, the co-integration of the OFDI interferometers with the DUT is addressed, conceiving it as an integrated characterization structure. The use of integrated waveguides provide high stability and adaptation to the DUT, as well as an inherent dispersion de-embedding mechanism. It is provided analysis and experimental proof of concept with an arrayed waveguide grating as DUT in a silicon nitride platform. A considerable leap forward is then taken by proposing a novel three-way interferometer architecture, reducing the measurement complexity. Wide experimental validation is carried out using different laboratory equipment, horizontal and vertical chip coupling, and different DUTs in silicon nitride and silicon-on-insulator. / Bru Orgiles, LA. (2022). Optical Frequency Domain Interferometry for the Characterization and Development of Complex and Tunable Photonic Integrated Circuits [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/181635 / TESIS