[EN] Microwave photonics (MWP) is a well-established research field that investigates the use of photonic technologies to generate, distribute, process and analyze RF waveforms in the optical domain. Despite its great potential to solve long-standing problems faced by both the microwave and electronics industries, MWP systems are bulky, expensive and consume a lot of power. Integrated microwave photonics (IMWP) is an emerging area of research that promises to alleviate most of these drawbacks through the use of photonic integrated circuits (PIC). In this work, we have aimed at further closing the gap between the worlds of MWP and integrated optics. In particular, we have focused on the design and experimental characterization of PICs with reconfigurable, ring-assisted Mach-Zehnder interferometer filters (RAMZI), and demonstrated its potential use in different IMWP applications. These filters consist of a symmetric MZI loaded with ring resonators, which are coupled to the MZI branches by different optical couplers. The contributions of this thesis can be split into two sections. In the first one, we demonstrate integrated optical couplers and reflectors with variable power splitting and reflections ratios. These exploit the well-known properties of tapered multimode interference couplers (MMI), and their inherent robustness makes them highly suitable for the implementation of both RAMZI and reflective filters. Besides, we study in detail the impact of manufacturing deviations in the performance of a 4x4 MMI-based 90º hybrid, which is a fundamental building block in coherent optical communication systems. In the second section, we demonstrate the use of integrated RAMZI filters for three different IMWP applications, including instantaneous frequency measurement (IFM), direct detection of frequency-modulated signals in a MWP link, as well as in tunable, coherent MWP filters. A theoretical analysis of the limits and trade-offs that exist in photonics-based IFM systems is also provided. Even though these are early proof-of-concept experiments, we hope that further technological developments in the field will finally turn MWP into a commercial reality. / [ES] La fotónica de microondas (MWP) es un campo de investigación que estudia el uso de tecnologías ópticas para generar, distribuir, procesar y analizar señales de RF. A pesar de su gran potencial para resolver algunos de los problemas a los que se enfrentan las industrias electrónica y de microondas, estos sistemas son voluminosos, caros y consumen mucha potencia. La fotónica de microondas integrada (IMWP) es un área emergente que promete solucionar todos estos inconvenientes a través de la utilización de circuitos ópticos integrados (PIC). En esta tesis, hemos pretendido avanzar un poco más en el acercamiento entre estas dos disciplinas. En concreto, nos hemos centrado en el diseño y caracterización experimental de PICs con filtros reconfigurables basados en interferómetros Mach-Zehnder cargados con anillos (RAMZI), y demostrado su potencial uso en diferentes aplicaciones de IMWP. Los filtros RAMZI están hecho básicamente de un MZI simétrico cargado con anillos, los cuales a su vez se acoplan a las ramas del interferómetro a través de distintos acopladores ópticos. Las contribuciones de este trabajo se pueden dividir en dos partes. En la primera, hemos demostrado acopladores y reflectores ópticos integrados con coeficientes de acoplo y reflexión variables. Éstos explotan las propiedades de los acopladores por interferencia multimodal (MMI), y su robustez les hace muy atractivos para la implementación de filtros RAMZI y de tipo reflectivo. Además, hemos analizado el impacto que las tolerancias de fabricación tienen en el rendimiento de un híbrido óptico de 90º basado en un MMI 4x4, el cual es un elemento fundamental en los sistemas de comunicaciones ópticas coherentes. En la segunda parte, hemos demostrado el uso de filtros RAMZI en tres aplicaciones distintas de IMWP. En concreto, hemos utilizado dichos filtros para implementar sistemas de medida de frecuencia instantánea (IFM), detección directa de señales moduladas en frecuencia para enlaces fotónicos, así como en filtros coherentes y sintonizables de MWP. También hemos desarrollado un análisis teórico de las limitaciones y problemas que existen en los sistemas IFM. A pesar de que todos los experimentos realizados han consistido en prototipos para una prueba de concepto, esperamos que futuros avances tecnológicos permitan que la fotónica de microondas se convierta algún día en una realidad comercial. / [CAT] La fotònica de microones (MWP) és un camp d'investigació que estudia l'ús de tecnologies òptiques per a generar, distribuir, processar y analitzar senyals de radiofreqüència. A pesar del seu gran potencial per a resoldre alguns dels problemes als que s'enfronten les indústries electrònica i de microones, estos sistemes son voluminosos, cars i consumixen molta potència. La fotònica de microones integrada (IMWP) és un àrea emergent que promet solucionar tots estos inconvenients a través de la utilització de circuits òptics integrats (PIC). En esta tesi, hem pretés avançar un poc més en l'acostament entre estes dos disciplines. En concret, ens hem centrat en el disseny i caracterització experimental de PICs amb filtres reconfigurables basats en interferòmetres Mach-Zehnder carregats amb anells (RAMZI), i demostrat el seu potencial en diferents aplicacions d' IMWP. Els filtres RAMZI estan fets bàsicament d'un MZI simètric carregat amb anells, els quals, al seu torn, s'acoblen a les branques del interferòmetre a través de distints acobladors òptics. Les contribucions d'este treball es poden dividir en dos parts. En la primera, hem demostrat acobladors i reflectors òptics integrats amb coeficients de transmissió i reflexió variables. Estos exploten les propietats dels acobladors per interferència multimodal (MMI), i la seua robustesa els fa molt atractius per a la implementació de filtres RAMZI i de tipo reflectiu. A més a més, hem analitzat l'impacte que les toleràncies de fabricació tenen en el rendiment d'un híbrid òptic de 90 graus basat en un MMI 4x4, el qual és un element fonamental en els sistemes de comunicacions òptiques coherents. En la segona part, hem demostrat l'ús de filtres RAMZI en tres aplicacions diferents de IMWP. En concret, hem utilitzat estos filtres per a implementar sistemes de mesura de freqüència instantània (IFM), detecció directa de senyals modulades en freqüència per a enllaços fotònics, així com en filtres coherents i sintonitzables de MWP. També hem desenvolupat una anàlisi teòrica de les limitacions i problemes que existixen en els sistemes IFM. A pesar de que tots els experiments realitzats han consistit en prototips per a una prova de concepte, esperem que futurs avanços tecnològics permeten que la fotònica de microones es convertisca algun dia en una realitat comercial. / Sánchez Fandiño, JA. (2016). Integrated Optical Filters for Microwave Photonic Applications [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/67690 / TESIS

Les capteurs d'image connaissent un regain d'intérêt grâce à la croissance remarquable du secteur de la communication sans fil, et leurs fonctionnalités tendent à se diversifier. Plus particulièrement, une application récente connue sous le nom de capteur de luminosité ambiante (ALS de l'acronyme anglais) est apparue dans le but de proposer un ajustement intelligent du rétro-éclairage dans les appareils mobiles pourvus d'écrans. Les avancées technologiques ont permis la fabrication de smartphones toujours plus fins, ce qui impose une contrainte importante sur la hauteur des capteurs de lumière. Cette réduction d'épaisseur peut être réalisée grâce à l'utilisation de filtres spectraux innovants, plus fins et entièrement sur puce. Dans cette thèse, nous présentons l'étude et la démonstration de filtres plasmoniques adaptés à une intégration dans des produits ALS commerciaux. Les structures de filtrage les plus performantes sont identifiées avec une importance particulière accordée à la stabilité des filtres par rapport à l'angle d'incidence de la lumière et à son état de polarisation. Des schémas d'intégration compatibles CMOS et respectant les contraintes d'une fabrication à l'échelle du wafer sont proposés. Les résonances de plasmon sont étudiées afin d'atteindre des propriétés optiques optimales et une méthodologie spécifique à partir d'un véritable cahier des charges client a été utilisée pour obtenir des performances ALS optimisées. La robustesse des filtres plasmoniques aux dispersions de procédé est analysée à travers l'identification et la modélisation des imprécisions et des défauts typiques d'une fabrication sur wafer 300 mm. A la lumière de ces travaux, une démonstration expérimentale de filtres ALS plasmoniques est réalisée avec le développement d'une intégration à l'échelle du wafer et avec la caractérisation et l'évaluation des performances des structures fabriquées afin de valider la solution plasmonique. / Image sensors have experienced a renewed interest with the prominent market growth of wireless communication, together with a diversification of functionalities. In particular, a recent application known as Ambient Light Sensing (ALS) has emerged for a smarter screen backlight management of display-based handheld devices. Technological progress has led to the fabrication of thinner handsets, which imposes a severe constraint on light sensors' heights. This thickness reduction can be achieved with the use of an innovative, thinnest and entirely on-chip spectral filter. In this work, we present the investigation and the demonstration of plasmonic filters aimed for commercial ALS products. The most-efficient filtering structures are identified with strong emphasis on the stability with respect to the light angle of incidence and polarization state. Integration schemes are proposed according to CMOS compatibility and wafer-scale fabrication concerns. Plasmon resonances are studied to reach optimal optical properties and a dedicated methodology was used to propose optimized ALS performance based on actual customers' specifications. The robustness of plasmonic filters to process dispersions is addressed through the identification and the simulation of typical 300 mm fabrication inaccuracies and defects. In the light of these studies, an experimental demonstration of ALS plasmonic filters is performed with the development of a wafer-level integration and with the characterization and performance evaluation of the fabricated structures to validate the plasmonic solution.

[ES] La presente tesis se ha centrado en el modelado, diseño y demonstración experimental por primera vez del dispositivo Reconfigurable Reflective Arrayed Waveguide Grating (R-RAWG). Para la consecución de este dispositivo que tiene posibilidades de uso en la espectrometría, una plataforma de nitruro de silicio llamada CNM-VLC se ha usado, ya que este material permite operar en un gran ancho de banda. Esta plataforma posee ciertas limitaciones y los elementos necesarios para el funcionamiento de este dispositivo tenían un performance bajo. Por ello, se ha desarrollado y validado una metodología que ha permitido obtener mejores divisores. Además, se ha diseñado un inverted taper que ha mejorado considerablemente el acoplo de luz al chip. Esto ha sido gracias a un exhaustivo análisis de opciones existentes en la literatura que también ha permitido escoger la mejor opción para realizar un espejo reconfigurable en la plataforma sin cambiar ni añadir ningún proceso de fabricación. Se han demostrado espejos reconfigurables gracias a utilizar divisores ópticos realimentados y también se ha desarrollado códigos que predicen el comportamiento del dispositivo experimentalmente. Con todo el trabajo realizado, se ha diseñado un R-RAWG para que pudiera operar en un gran ancho de banda y que los actuadores de fase no tuvieran peligro de estropearse. También se ha desarrollado un código para el modelado del R-RAWG que permite imitar la fabricación de estos dispositivos y que, gracias a esto, se ha desarrollado un método o algoritmo llamado DPASTOR, que usa algoritmos usados en machine learning, para optimizar la respuesta con tan sólo la potencia óptica de salida. Finalmente, se ha diseñado una PCB para poder conectar eléctricamente el chip fotónico y se ha desarrollado un método de medida que ha permitido tener una respuesta estable consiguiendo demostrar multitud de respuestas de filtros ópticos con el mismo dispositivo. / [CAT] La present tesi s'ha centrat en el modelatge, disseny i demonstració experimental per primera vegada del dispositiu Reconfigurable Reflective Arrayed Waveguide Grating (R-RAWG). Per a la consecució d'aquest dispositiu que té possibilitats d'ús en l'espectrometria, una plataforma de nitrur de silici anomenada CNM-VLC s'ha usat ja que aquest material permet operar en una gran amplada de banda. Aquesta plataforma posseeix certes limitacions i els elements necessaris per al funcionament d'aquest dispositiu tenien un performance baix. Per això, s'ha desenvolupat i validat una metodologia que ha permés obtindre millors divisors i també, gràcies als processos de fabricació, s'ha dissenyat un acoplador que ha millorat considerablement l'acoble de llum al xip. Això ha sigut gràcies a un exhaustiu analisis d'opcions existents en la literatura que també ha permés triar la millor opció per a realitzar un espill reconfigurable en la plataforma sense canviar ni afegir cap procés de fabricació. S'han demonstrat espills reconfigurables gràcies a utilitzar divisors realimentats i també s'ha desenvolupat codis que prediuen el comportament del dispostiu experimentalment. Amb tot el treball realitzat, s'ha dissenyat un R-RAWG fent ús de determinades consideracions perquè poguera operar en una gran amplada de banda i que els actuadors de fase no tingueren perill de desbaratar-se. També s'ha desenvolupat un codi per al modelatge del R-RAWG que permet imitar la fabricació d'aquests dispositius i que, gràcies a això, s'ha desenvolupat un mètode o algorisme anomenat DPASTOR, que usa algorismes usats en machine learning, per a optimitzar la resposta amb tan sols la potència òptica d'eixida. Finalment, s'ha dissenyat una PCB per a poder connectar elèctricament el xip fotònic i s'ha desenvolupat un mètode de mesura que ha permés tindre una resposta estable aconseguint demostrar multitud de respostes de filtres òptics amb el mateix dispositiu. / [EN] This thesis is focused on the modelling, design and experimental demonstration for the first time of Reconfigurable Reflective Arrayed Waveguide Grating (R-RAWG) device. In order to build this device, that can be employed in spectrometry, a silicon nitride platform termed CNM-VLC has been chosen since this material allows to operate in broad range of wavelengths. This platform has the necessary elements, but some limitations because the operation of this device had a low performance. Therefore, a methodology has been developed and validated, which has allowed to obtain better splitters. Also an inverted taper has been designed, which has considerably improved the coupling of light to the chip. This has been possible thanks to an exhaustive analysis of existing options in the literature, that has allowed choosing the best option to make a reconfigurable mirror on the platform without changing or adding new manufacturing steps. Reconfigurable mirrors have been demonstrated by using feedback splitters. Furthermore, codes have been developed to predict the behaviour of the actual device. With all the work done, a R-RAWG has been designed by using certain considerations so that it can operate over a broad wavelength range and the phase actuators are not in danger of being damaged. A code has also been developed for the modelling of the R-RAWG, which allows manufacturing imperfections to be considered, thanks to this, a method or algorithm called DPASTOR has been developed. DPASTOR resembles machine learning to optimise the response by just using the optical output power. Finally, a PCB and an assembly with the chip interconnected to it have been made and designed. Moreover, a measurement method has been developed, which has made it possible to have a stable response and to demonstrate a multitude of optical filter responses with the same device. / Fernández Vicente, J. (2021). Reconfigurable Reflective Arrayed Waveguide Grating on Silicon Nitride [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/165783 / TESIS