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[ES] La tomografía por difracción surge para mejorar las técnicas de imagen al considerar la naturaleza ondulatoria de la luz. Mientras que los primeros sistemas de imagen médica se basaban únicamente en fuentes sin difracción, este enfoque consigue mejorar la reconstrucción del índice de refracción de los objetos, lo que permite, por ejemplo, el estudio de estructuras subcelulares. Del mismo modo, la demanda de redes de telecomunicaciones cada vez más rápidas y seguras ha propiciado la aparición de la fotónica. Hace dos décadas, la combinación de estos dos campos dio lugar a los primeros sistemas de tomografía por difracción óptica (ODT), los cuáles han evolucionado rápidamente durante este siglo. En esta tesis, presentamos dos nuevas aplicaciones de la ODT. La primera está relacionada con el concepto del microscopio tomográfico de fase (TPM), una versión de la ODT que permite el estudio de células aisladas, con muchas aplicaciones biomédicas, como el diagnóstico y la prognosis del cáncer. Sin embargo, los sistemas TPM actuales son caros, pesados y complejos. Para resolver estos problemas, proponemos el concepto de TPM en chip. Con este fin, diseñamos una hoja de ruta hacia el primer dispositivo tomográfico integrado en el marco de la tecnología lab-on-a-chip (LoC), y desarrollamos los primeros pasos para ello: 1) Hasta ahora, sólo se han utilizado detectores planos para obtener los mapas de índice de refracción de los objetos estudiados en TPM, basados en la detección del campo difractado hacia delante. Sin embargo, los principios físicos fundamentales indican que medir también el campo difractado hacia detrás debería mejorar la resolución de las imágenes. Además, un detector plano no es la configuración óptima para el TPM en chip. En esta línea, hemos explorado la posibilidad de usar detectores circulares en este escenario, como una técnica más adecuada para las configuraciones en chip, demostrando al mismo tiempo que este enfoque proporciona una mejor resolución que el lineal. 2) Proponemos un esquema de TPM en chip basado en el uso de nanoantenas dieléctricas como fuente de luz y píxeles detectores ODT, y caracterizamos experimentalmente su comportamiento mediante microscopía óptica de campo cercano. En cuanto a la segunda aplicación, estudiamos el potencial de la ODT como nuevo paradigma en la detección de capas de invisibilidad realistas, una de las aplicaciones más importantes de los metamateriales. Hasta ahora, el scattering cross section (SCS) se ha utilizado como modelo de referencia para diseñar y observar la eficacia de estos dispositivos para ocultar objetos. En nuestro estudio, demostramos que la ODT puede detectar las capas de invisibilidad prácticas con una sensibilidad superior a la que ofrece el SCS, incluso a las frecuencias de trabajo óptimas. Además, es posible obtener una imagen representativa del tamaño y la forma de la capa, revelando claramente su existencia. Finalmente, se discuten las conclusiones extraídas de los resultados obtenidos. Además, se detallan las futuras líneas de trabajo para abordar los retos que no se han completado en esta tesis doctoral., [CA] La tomografia per difracció sorgeix per millorar les tècniques d'imatge anteriors en considerar la naturalesa ondulatòria de la llum. Mentre que els primers sistemes d'imatge mèdica es basaven únicament en fonts sense difracció, aquest enfocament aconsegueix millorar la reconstrucció de l'índex de refracció dels objectes, la qual cosa permet, per exemple, l'estudi d'estructures subcelulars. De la mateixa manera, la demanda de xarxes de telecomunicacions cada vegada més ràpides i segures ha propiciat l'aparició de la fotònica. Fa dues dècades, la combinació d'aquests dos camps va portar als primers sistemes de tomografia per difracció òptica (ODT), els quals han evolucionat ràpidament durant aquest segle. En aquesta tesi, presentem dues noves aplicacions de la ODT. La primera està relacionada amb el concepte del microscopi tomogràfic de fase (TPM), una versió de la ODT que permet l'estudi de cèl·lules aïllades, amb moltes aplicacions en biomedicina, com el diagnòstic i prognosi del càncer. No obstant això, els sistemes TPM actuals són cars, pesats i complexos. Per resoldre aquests problemes, proposem el concepte de TPM en xip. Per fer-ho, dissenyem un full de ruta cap al primer dispositiu tomogràfic integrat en el marc de la tecnologia lab-on-a-chip (LoC), i desenvolupem els primers passos a aquest efecte: 1) Fins ara, només s'han utilitzat detectors plans per a obtindre els mapes d'índex de refracció dels objectes estudiats en TPM, basats en la detecció del camp difractat cap avant. No obstant això, els principis físics fonamentals indiquen que mesurar també el camp difractat cap endarrere hauria de millorar la resolució de les imatges. A més, un detector pla no és la configuració òptima per al TPM en xip. En aquesta línia, hem explorat la possibilitat d'usar detectors circulars en aquest escenari, com una tècnica més adequada per a les configuracions en xip, demostrant al mateix temps que aquest enfocament proporciona una millor resolució que el lineal. 2) Proposem un esquema de TPM en xip basat en l'ús de nanoantenes dielèctriques com a font de llum i píxels detectors ODT, i caracteritzem experimentalment el seu comportament en camp pròxim mitjançant microscòpia òptica de camp pròxim. Pel que fa a la segona aplicació, estudiem el potencial de la ODT com a nou paradigma en la detecció de capes d'invisibilitat realistes, una de les aplicacions més importants dels metamaterials. Fins ara, el scattering cross section (SCS) s'ha utilitzat com a model de referència per a dissenyar i observar l'eficàcia d'aquests dispositius per a ocultar objectes. En el nostre estudi, vam demostrar que la ODT pot detectar les capes d'invisibilitat pràctiques amb una sensibilitat superior a la que ofereix el SCS, fins i tot a les freqüències de treball òptimes. A més, és possible obtindre una imatge representativa de la grandària i la forma de la capa, revelant clarament la seua existència. Finalment, es discuteixen les conclusions extretes dels resultats obtinguts i es detallen les futures línies de treball per a abordar els reptes que no s'han completat en aquesta tesi doctoral., [EN] Diffraction Tomography arises to improve previous imaging techniques by considering the wave nature of light. Whereas the first medical imaging systems relied only on non-diffracting sources, this approach results in an enhanced reconstruction of the object's refractive index distribution, allowing, for example, the study of subcellular structures. Likewise, the demand for increasingly faster and secure telecommunication networks led to the advent of photonics. Two decades ago, the combination of these two fields gave rise to the first optical diffraction tomography (ODT) systems, which have rapidly evolved during this century. In this thesis, we present two novel applications of ODT. The first one is related to the concept of tomographic phase microscopy (TPM), a version of ODT that enables the study of isolated cells, with many applications in biomedicine, such as the diagnosis and prognosis of cancer. Nevertheless, current TPM systems are expensive, heavy, and cumbersome. To solve these issues we propose the concept of on-chip TPM. For this purpose, we design a roadmap towards the first integrated tomographic device in the frame of lab-on-a-chip (LoC) technology and develop the first steps to this end: 1) Until now, only flat detectors have been used to obtain the refractive index maps of the objects studied in TPM, based on the detection of the forward scattering. However, fundamental physical principles indicate that measuring also the backscattered field should improve the resolution of the images. Moreover, a flat detector is not the optimal configuration for on-chip TPM. In this vein, we have explored the possibility of using circular detectors in this scenario as a more suitable technique for on-chip configurations, demonstrating at the same time that this approach provides a better resolution than the linear one. 2) We propose a TPM on-chip scheme based on the use of dielectric nanoantennas as the ODT light source and detector pixels, and experimentally characterize their near-field behavior via scanning near-field optical microscopy. As for the second application, we study the potential of ODT as a new paradigm in the detection of realistic invisibility cloaks, one of the most important applications of metamaterials. Up to now, the scattering cross section (SCS) has been used as the gold standard to design and observe the effectiveness of these devices in hiding objects. In our study, we show that ODT can detect practical invisibility cloaks with a higher sensitivity than that offered by the SCS, even at the optimal working frequencies. Moreover, it is possible to obtain an image depicting the size and shape of the cloak, clearly revealing their existence. Finally, the conclusions drawn from the obtained results are discussed. In addition, future lines of action to address the challenges that have not been completed in this doctoral thesis are detailed.

[ES] El objetivo del proyecto global es el desarrollo de un nuevo sistema de visión para robots del sector industrial que perfeccionará la información percibida del entorno con la integración de una nueva generación de sensores LiDAR miniaturizados y de bajo coste. Esta parte del proyecto se va a centrar en el proceso de ensamblado, el cual, consiste en fijar el chip fotónico sobre un submount o subcarrier, conectar los pads eléctricos, acoplar las fibras ópticas y finalmente asegurar todo el mecanismo ante vibraciones, contaminantes, variaciones de temperatura, etc. Dada la alta densidad de conexiones eléctricas del encapsulado y su tamaño, es necesario utilizar herramientas y técnicas especializadas para este proceso de encapsulado electroóptico. Por ello, se investigarán múltiples métodos de alineamiento, presión y temperatura en atmósfera controlada (presión y temperatura). Además, se estudiarán diferentes metales de wirebonding y resinas epoxy con distintos tipos y tiempos de curado e índices de refracción. Esto proporcionará una mayor capacidad para controlar y automatizar el proceso de ensamblado entre los pads del chip fotónico y del ASIC de lectura., [EN] The objective of the overall project is the development of a new vision system for industrial robots that will improve the information perceived from the environment with the integration of a new generation of miniaturized and low-cost LiDAR sensors. This part of the project will focus on the assembly process, which consists of fixing the photonic chip on a submount or subcarrier, connect the electrical pads, attach the optical fibers and finally secure the entire mechanism against vibrations, contaminants, temperature changes, etc. Given the high density of the electrical conexions in the encapsulation and its size, it is necessary to use specialized tools and techniques for this process of electro-optical encapsulation. Therefore, multiple methods of alignment, pressure and temperature in controlled atmosphere (pressure and temperature) will be investigated. In addition, different wirebonding metals and epoxy resins with different types and cure times and refractive indices will be studied. This will provide a better ability to control and automate the assembly process between the pads of the photonic chip and the readout ASIC.

Integrated optical antennas are relevant devices for the development of next-generation LIDAR systems. Here we experimentally demonstrate a new topology to implement long antennas in silicon-on-insulator platform. The designed 2-millimeter-long antenna presents a measured far-field beam divergence of 0.1° and a wavelength sensitivity of 0.13°/nm., 2021 IEEE 17th International Conference on Group IV Photonics (GFP), December 7-10, 2021, Malaga, Spain

In this work, the authors present their recent progress in the development of a platform for the mid-infrared wavelength range, based on suspended silicon waveguides with subwavelength metamaterial cladding. The platform has some intrinsic advantages, which make it a very promising candidate for sensing applications in the molecular fingerprint region. Specifically, it can cover the full transparency window of silicon (up to a wavelength of 8 μm), only requires one lithographic etch-step and can be designed for strong light-matter interaction. Design rules, practical aspects of the fabrication process and experimental results of a complete set of elemental building blocks operating at two very different wavelengths, 3.8 and 7.7 μm, are discussed. Propagation losses as low as 0.82 dB/cm at λ0 = 3.8 μm and 3.1 dB/cm at λ0 = 7.7 μm are attained for the interconnecting waveguides.

O obxectivo global desta tese é contribuir ao deseño de novos sistemas de criptografía cuántica e ao desenvolvemento de dispositivos fotónicos discretos e integrados que implementen operacións específicas para implementalos usando multiplexación espacial. Deste xeito, na tese propoñense novos metodos de encriptación cuántica autocompensada, que fan uso dos modos espaciais propagados por diversas fibras ópticas (fibras de poucos modos e multinúcleo) para conseguir transmitir información en alta dimensión, correxindo tódalas fluctuacións que estes sofren ao longo da transmisión pola fibra. Ao mesmo tempo, deseñanse os distintos dispositivos fotónicos necesarios para implementar ditos métodos, baseados tanto en elementos ópticos discretos como en dispositivos integrados. En particular, na tese presentanse novos dispositivos para xerar estados cuánticos útiles en criptografía (baseados en estados vórtice), así como proxectores cuánticos capaces de medir ditos estados. Ademáis, na tese demóstrase a viabilidade de fabricar ditos dispositivos de xeito integrado por medio de intercambio iónico en vidrio.

[ES] Al igual que la masa o la carga, el espín es una propiedad física fundamental que, típicamente, aparece en la descripción de los sistemas cuánticos. Más allá de sus importantes implicaciones teóricas, el creciente avance de la tecnología y el desarrollo de los dispositivos hacia escalas cada vez más pequeñas ha favorecido el surgimiento de multitud de aplicaciones que involucran al espín, entre las cuales se destaca la espintrónica; una nueva forma de electrónica en la que, además de la carga, también se explotan los grados de libertad otorgados por el espín del electrón. Por supuesto, el espín no es exclusivo de los electrones, está presente en todas las partículas elementales, y por ende, en los fotones. En este caso, y a diferencia de lo que ocurre con los electrones, existe una correspondencia clásica que relaciona el espín del fotón con los estados de polarización circular de la luz. Por lo tanto, en nano-óptica y en fotónica, los fenómenos basados en el espín se refieren, grosso modo, a aquellos que son fuertemente dependientes de la polarización circular de la luz. En este marco general, uno de los ejemplos más preponderantes se halla en la interacción espín-órbita. En su versión óptica establece que, bajo ciertas condiciones, es posible que exista una influencia mutua entre el estado de polarización (espín) y la propagación (órbita) de la luz. A pesar de su carácter ubicuo en todos los procesos ópticos básicos, sus efectos son muy débiles, y su manifestación se restringe a la nanoescala, lo cual dificulta su observación e identificación. En este mismo contexto, otro concepto heredado del formalismo cuántico que tiene análogo fotónico directo es la quiralidad óptica; una propiedad dinámica local que, de alguna manera, permite cuantificar escalarmente el espín de un campo óptico. Aparte de su controvertido significado físico y su estrecho vínculo con los sistemas plasmónicos y los metamateriales, como amplificadores de sus efectos, su principal característica fundamental es que, para los campos ópticos en el vacío, es una cantidad conservada. En esta tesis se ahonda teóricamente en los fundamentos básicos de estas características fotónicas. Específicamente, se demuestra analíticamente que la interacción espín-órbita es un fenómeno que surge natural y necesariamente en la nanoescala. Sobre esta base se expone un formalismo para extender la excitación unidireccional de campo cercano más allá de la aproximación dipolar, lo cual facilita su observación y mejora las propiedades de acoplo. Por otra parte, se analiza el concepto de la quiralidad óptica, originalmente definida en el vacío, y se generaliza a cualquier tipo de medio, incluyendo sistemas altamente dispersivos. Asimismo, se exploran diferentes configuraciones que permitan implementar las principales funcionalidades quirópticas (sensado y espectroscopía) en plataformas de fotónica integrada. Además de su potencial para aplicaciones, este estudio tiende un puente para abordar clásicamente propiedades y efectos que tradicionalmente son de tipo cuántico., [CA] Igual que la massa o la càrrega, l'espín és una propietat física fonamental que, típicament, apareix en la descripció dels sistemes quàntics. Més enllà de les seves importants implicacions teòriques, el creixent avanç de la tecnologia i el desenvolupament dels dispositius cap a escales cada vegada més petites ha afavorit el sorgiment de multitud d'aplicacions que involucren l'espín, entre les quals es destaca l'espintrònica; una nova forma d'electrònica en què, a més de la càrrega, també s'exploten els graus de llibertat atorgats per l'espín de l'electró. Per descomptat, l'espín no és exclusiu dels electrons, és present en totes les partícules elementals, i per tant, en els fotons. En aquest cas, i a diferència del que passa amb els electrons, hi ha una correspondència clàssica que relaciona l'espín del fotó amb els estats de polarització circular de la llum. Per tant, en nano-òptica i en fotònica, els fenòmens basats en l'espín es refereixen, grosso modo, a aquells que són fortament dependents de la polarització circular de la llum. En aquest marc general, un dels exemples més preponderants es troba en la interacció espín-òrbita. En la seva versió òptica estableix que, sota certes condicions, és possible que hi hagi una influència mútua entre l'estat de polarització (espín) i la propagació (òrbita) de la llum. Malgrat el seu caràcter ubic en tots els processos òptics bàsics, els seus efectes són molt febles, i la seva manifestació es restringeix a la nanoescala, la qual cosa dificulta la seva observació i identificació. En aquest mateix context, un altre concepte heretat del formalisme quàntic que té anàleg fotònic directe és la quiralitat òptica; una propietat dinàmica local que, d'alguna manera, quantifica escalarment l'espín d'un camp òptic. A banda del seu controvertit significat físic i el seu estret vincle amb els sistemes plasmònics i els metamaterials, com amplificadors dels seus efectes, la seva principal característica fonamental és que, per als camps òptics en el buit, és una quantitat conservada. Des d'un enfocament teòric, aquesta tesi aprofundeix en els fonaments bàsics d'aquestes característiques fotòniques. Específicament, es demostra analíticament que la interacció espín-òrbita és un fenomen que sorgeix natural i necessàriament en la nanoescala. Sobre aquesta base s'exposa un formalisme per estendre l'efecte d'excitació unidireccional de camp pròxim més enllà de l'aproximació dipolar, la qual cosa facilita la seva observació i millora les propietats d'acoblo. D'altra banda, s'analitza el concepte de la quiralitat òptica, originalment definida en el buit, i es generalitza a qualsevol tipus de mitjà, incloent sistemes altament dispersius. Així mateix, s'exploren diferents configuracions que permetin implementar les principals funcionalitats quiròptiques (sensat i espectroscòpia) en plataformes de fotònica integrada. A més del seu potencial per a aplicacions, aquest estudi tendeix un pont per abordar clàssicament propietats i efectes tradicionalment quàntics., [EN] Just like mass or charge, spin is a fundamental physical property that, typically, appears in the description of quantum systems. Beyond its important theoretical implications, the rapid advance of technology along with the relentless trend toward the development of devices at increasingly smaller scales have boosted the occurrence of a wide range of applications involving spin, among which is highlighted the spintronics; a novel form of electronics which, besides the charge, also exploits the degrees of freedom provided by the electron spin. Of course, the spin is not exclusive to electrons, but is actually present in all the elementary particles, and therefore in photons. In such a case, and unlike what happens with electrons, there exists a direct classical correspondence relating the spin of photons with the circular polarization states of light. Thus, in nano-optics and photonics, spin-dependent phenomena are broadly referred to as those that strongly rely upon the circular polarization of light. Within this general framework, one of the most preponderant examples is found in the spin-orbit interaction. In its optical version, it states that, under certain conditions, it is possible that there exists a mutual influence between the state of polarization (spin) and the propagation (orbit) of light. Despite its ubiquitous character in all basic optical processes, its effects are very weak, and its manifestation is restricted at the nanoscale, thereby hindering its observation and identification. In this same context, another concept somehow inherited from the quantum formalism with a direct photonic analogue is the optical chirality; a local dynamical property that, in a way, allows one to quantifying scalarly the spin of an optical field. Apart from its controversial physical meaning and its close relationship with plasmonic systems and metamaterials, often regarded as chiral enhancers, its main feature is that, for optical fields in the vacuum, it is a conserved quantity. From a theoretical standpoint, this thesis delves into the basics of these photonic traits. Specifically, it is analytically demonstrated that the spin-orbit interaction is indeed a phenomenon that naturally and necessarily emerges at the nanoscale. Building on this, it is addressed a formalism to extend the effect of near-field unidirectional excitation beyond the dipolar approximation, thus facilitating its observation and improving the coupling performance. On the other side, the optical chirality, originally put forward for electromagnetic fields in vacuum, is thoroughly analyzed and generalized to any arbitrary medium, including highly dispersive systems. Furthermore, different configurations for implementing the main chiroptical functionalities (sensing and spectroscopy) in integrated photonic platforms are explored. Besides its potential for applications, this study lays a bridge to classically approach features and effects which are traditionally quantum-like., This work was supported by fundings from Ministerio de Economía y Competitividad of Spain (MINECO) under Contract No.TEC2014-51902-C2-1-R. and by ERC Starting Grant No. ERC-2016-STG-714151-PSINFONI. This work was also partially supported by funding from the European Commission Project THOR H2020-EU-829067.

Los dispositivos de interferencia multimodal (MMI) son un bloque funcional fundamental en óptica integrada. La creciente demanda de capacidad en los enlaces de comunicaciones ópticas motiva la búsqueda de nuevas formas de incrementar el ancho de banda de compo-nentes fotónicos como los MMI. En este trabajo se diseña y evalúa las prestaciones de un MMI 2×2 para la plataforma Silicon on Insulator de 300 nm de espesor basado en una nueva estructura sub-longitud de onda: la guía Bricked-SWG (Subwavelength Grating). Este diseño se compara con uno basado en guía photonic wire y otro basado en guía SWG para la misma plataforma. Los resultados de simulación muestran que es posible conseguir anchos de banda similares (350 nm) a los ya conseguidos anteriormente con guías SWG, pero operando con un periodo mayor significativamente mayor (60 %). Por tanto, las guías Bricked-SWG permiten diseñar dispositivos de altas prestaciones y más fáciles de fabricar

Bound states in the continuum (BICs) are radiationless localized states embedded in the part of the parameter space that otherwise corresponds to radiative modes. Many decades after their original prediction and early observations in acoustic systems, such states have been demonstrated recently in photonic structures with engineered geometries. Here, we put forward a mechanism, based on waveguiding structures that contain anisotropic birefringent materials, that affords the existence of BICs with fundamentally new properties. In particular, anisotropy-induced BICs may exist in symmetric as well as in asymmetric geometries; they form in tunable angular propagation directions; their polarization may be pure transverse electric, pure transverse magnetic or full vector with tunable polarization hybridity; and they may be the only possible bound states of properly designed structures, and thus appear as a discrete, isolated bound state embedded in a whole sea of radiative states., 15 pages, 3 figures

Subwavelength gratings (SWG) are periodic structures which behave as controllable homogeneous metamaterials. SWGs are extremely interesting when they are used in platforms with a limited choice of material refractive indices, enabling the design of a myriad of high-performance devices. Here we present a novel technique to gain control over the intrinsic anisotropy of the synthesized metamaterial. We show that tilting the silicon segments in a SWG structure mainly affects the in-plane (TE) modes, with little impact on the out-of-plane (TM) modes. Moreover, we present a methodology to quickly but accurately calculate the modes of a tilted periodic structure modeling the structure as a rotated uniaxial crystal which can be solved with an anisotropic mode solver. Measurements on a set of fabricated tilted SWG waveguides validate our simulation results. By using the presented technique, we design a polarization beam splitter based on a 2x2 multimode interferometer. The design is based on the optimization of the tilting angle to tone the beat length of the TE modes to be a half of the beat length of the TM modes. Universidad de Málaga. Campus de Excelencia Internacional Andalucía Tech; Ministerio de Economía y Competitividad (MINECO) (IJCI-2016-30484, TEC2015-71127-C2-R, TEC2016-80718-R); Ministerio de Educación, Cultura y Deporte (MECD) (FPU16/06762); European Regional Development Fund (ERDF); Comunidad de Madrid (SINFOTON-CM S2013/MIT-2790); European Association of National Metrology Institutes (EURAMET) (H2020-MSCA-RISE-2015:SENSIBLE, JRP-i22 14IND13 Photind).

We uncover the existence of Dirac and exceptional points in waveguides made of anisotropic materials, and study the transition between them. Dirac points in the dispersion diagram appear at propagation directions where the matrix describing the eigenvalue problem for bound states splits into two blocks, sorting the eigenmodes either by polarization or by inner mode symmetry. Introducing a non-Hermitian channel via a suitable leakage mechanism causes the Dirac points to transform into exceptional points connected by a Fermi arc. The exceptional points arise as improper hybrid leaky states and, importantly, are found to occur always out of the anisotropy symmetry planes., 7 Figures

En este trabajo se ha modelado, diseñado y testeado un reflectómetro de Sagnac reconfigurable para su uso como espejo varibale. Para hacer este dispositivo se ha realimentado dos configuraciones distintas de Mach-Zehnder, con una entrada o con dos entradas. Se han descrito matemáticamente para su análisis teórico ideal y se ha comparado los Mach- Zehnder con los reflectómetros de Sagnac. También se ha estudiado distintas variaciones y como afectan a su comportamiento respectivamente. Además, se ha diseñado un divisor siguiendo un nuevo esquema de diseño y se ha comprobado su mejora respecto a uno sin tenerlo en cuenta. Por otra parte, se ha diseñado un circuito integrado fotónico para el test de las diferentes estructuras en una plataforma de nitruro. A pesar de ciertas dificultades detectadas por un comportamiento no descrito en esta tecnologíao, se han obtenido resultados del circuito fabricado comprobando el correcto funcionamiento de los divisores y el resultado de las medidas activas acordes a lo estudiado teóricamente., In this work, a reconfigurable Sagnac reflectometer to use as a tunable mirror has been modelled, designed and tested. To make this device, two Mach-Zehnder configurations have been fed back, with one input or with two inputs. They have been described mathematically for their ideal theoretical analysis and the Mach-Zehnder has been compared with Sagnac reflectometers. Moreover, a study changing the parameters due to fabrications variations is made. On the other hand, a multimode interferometer splitter has been designed following a new design flow and its improvement has been checked. Furthermore, a photonic integrated circuit has been designed for the test of the different structures in a nitride platform. In spite of certain difficulties detected by a behaviour didn¿t describe in this technology, some results have been obtained from the fabricated circuit, verifying with the theory the right operation of the splitters and the active measurements.

Este trabajo presenta la instalación y puesta en funcionamiento de una torre de comunicaciones para ofrecer servicios de internet en la sabana de Bogotá, esto con el fin de generar servicios de Internet en zonas donde no cubre la cobertura de los proveedores tradicionales y con este fin generar un modelo de negocio estructurado para el funcionamiento controlado de una empresa a través del proyecto final. Para realizar este trabajo se analizaron las necesidades del proyecto, se identificaron las oportunidades de contribuir a mejorar la cobertura de Internet en la Sabana de Bogotá y presentar alternativas diferentes e incluso mejores a los proveedores locales del servicio. Se profundizó en el estado del arte y el marco de referencia de las tecnologías inalámbricas acordes para la implementación correcta del proyecto, esto permitió optimizar los recursos financieros y técnicos del proyecto tanto en su sistema troncal como en la última milla. This work presents the installation of a communications tower to offer Internet services in the Sabana de Bogotá, this with the purpose of generating Internet Services in areas where the coverage of traditional providers does not cover and generating as well a structured business model for the controlled operation of a company through the final project. In order to carry out this work, the needs of the project were analyzed, opportunities to contribute to improving Internet coverage in the Sabana de Bogotá and to present different and even better alternatives to local service providers were identified. The state of the art and the frame of reference of the wireless technologies according to the correct implementation of the project were deepened, this allowed to optimize the financial and technical resources of the project both in its trunk system and in the last mile. Ingeniero de Telecomunicaciones Pregrado

In this work the study of the nonlinear propagation regime in integrated optical waveguides is carried out, with special emphasis on waveguides with silicon nitride core. Recently an increasing interest in this material has been observed due to the limitations of silicon, the most used material in photonic devices, in relation to the intensity of the signals transported. Owing to this limitation, research has focused on the use of other materials and on the engineering of dispersion to reduce these limiting effects. In recent years, a series of features have been demonstrated based on nonlinear interactions, such as Raman lasers, miniature oscilloscopes, wavelength convertors, etc. These features make use of the increased capacity of the waveguides for this type of interaction. The nonlinear propagation regime is analysed using the nonlinear Schrödinger equation to the entire optical spectrum. In particular, the effect caused by the propagation of a high intensity short pulse through the waveguide is analysed in relation to its temporal shape and its frequency spectrum., En este trabajo se realiza el estudio del régimen de propagación no lineal en guías de onda integradas, con especial énfasis en las guías con núcleo de nitruro de silicio. Recientemente se ha visto un notable incremento del interés por este material debido a las limitaciones del silicio, el material más utilizado en dispositivos fotónicos, en relación a la intensidad de las señales transportadas. Debido a esta limitación, la investigación se ha centrado en el uso de otros materiales y en el diseño de la dispersión para reducir estos efectos limitantes. En los últimos años se han demostrado una serie de funcionalidades basadas en interacciones no lineales, como los láseres Raman, generadores de peine de frecuencias, amplificadores paramétricos, osciloscopios en miniatura, conversores de longitud de onda, etc. Estas funcionalidades hacen uso de la capacidad incrementada de las guías de onda para este tipo de interacción. Se analiza el régimen de propagación no lineal de guías de onda basadas en nitruro de silicio usando la ecuación no lineal de Schrödinger sobre todo el espectro óptico. En particular se analiza el efecto que provoca la propagación de un pulso intenso de corta duración por la guía de onda en relación a su forma temporal y espectro en frecuencia. En aquest treball es realitza un estudi del règim de propagació no lineal en guies de ona integrades, amb especial èmfasi en les guies de onda amb nucli de nitrur de silici. Recentment s¿ha vist un notable increment del interès per aquest material degut a les limitacions del silici, el material més utilitzat en dispositius fotònics, en relació a la intensitat de les senyals transportades. Degut a aquesta limitació, la investigació s¿ha centrat en l¿ús d¿altres materials i en el disseny de la dispersió per reduir aquests efectes limitants. En els últims anys s¿ha anat demostrant una sèrie de funcionalitats basades en interaccions no lineals, com els làsers Raman, generadors de pinta de freqüència, amplificadors paramètrics, oscil·loscopis en miniatura, convertidors de longitud d¿ona, etc. Aquestes funcionalitats fan ús de la capacitat incrementada de les guies d¿ona per a aquest tipus d¿interacció. En aquest treball s¿analitza el règim de propagació no lineal en guies d¿ona basades en nitrur de silici usant l¿equació no lineal de Schrödinger a tot l¿espectre òptic. En concret s¿analitza l¿efecte que provoca la propagació d¿un pols intens de curta duració per la guia d¿ona en relació a la seua forma temporal i al seu espectre en freqüència.

Los sensores SPR tienen un gran número de aplicaciones, como la detección cuantitativa de elementos químicos y biológicos. Esto incluye diagnósticos médicos, monitorización de parámetros ambientales, calidad de los alimentos, etcétera. Actualmente los sensores SPR son caros y voluminosos, por lo que sólo están disponibles en laboratorios de investigación y hospitales. Lo que se pretende en este proyecto es diseñar un sensor en tecnología óptica integrada, reduciendo tanto su tamaño como su precio, con el objetivo de permitir, en un futuro, su implementación en equipos médicos que permitirán el análisis de numerosos elementos (parámetros de la sangre, sustancias estupefacientes, hormonas...) así como diagnósticos (alergias, cáncer, etc) de manera rápida y barata, así como equipos que puedan manejar los propios pacientes desde casa. La resonancia de plasmones de superficie (SPR, por sus siglas en inglés) es una de las tecnologías ópticas que más aplicaciones encuentra en diferentes campos. En esta técnica, una onda electromagnética TM que choca contra un metal causa la excitación de unas oscilaciones en los electrones de la interfaz metal-dieléctrico conocida como onda de plasmones de superficie (SPW). Cuando la energía y el momento de ambas ondas, la incidente y la SPW, coinciden, ocurre una resonancia que produce una disminución muy brusca en la intensidad de la onda reflejada. La condición de resonancia depende del ángulo de incidencia, la longitud de onda y de las permitividades del metal y el dieléctrico. El sensor SPR tipo Kretschmann consta de una superficie de metal muy fina. Por un lado es por donde se deposita la muestra a medir, mientras que por el otro hay un prisma de material dieléctrico que permite la incidencia de un haz con un ángulo concreto. Un detector bien colocado recibe el haz reflejado y mide su intensidad. Esta versión reducida constará de dos grating couplers que permitirán acoplar la luz desde una guía óptica hacia la superficie de metal con un cierto ángulo y conducir la luz reflejada otra vez a la guía.

This project has focused on the fabrication and characterization of hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) thin films to fabricate photonic devices on them, which can be applied to make revolutionary applications in the field of telecommunications, computing, detection and chemical and biological diagnostics. To make these layers, we have worked in the clean room and we have used the plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD). By means of different characterization techniques the deposited layers have been measured and the growth rate, the refractive index and the approximate losses of the hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) have been identified as a function of various variables, such as the deposition temperature or the gases in the chamber. All of this has determined the adequate manufacturing parameters to standardize the process, that is, to do it in a more controlled and reproducible way. Finally, using the obtained results, a layer of hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) with the proper properties to perform guided optics on it has been produced. After that, optical guides have been fabricated and measured and it has been concluded that it is possible to guide light with low losses, as well as to manufacture photonic devices on this material. Aquest projecte s'ha centrat en la fabricació i caracterització de pel·lícules fines de silici amorf hidrogenat (a-Si:H) per realitzar dispositius fotònics en elles, que poden ser usats per fer aplicacions revolucionaries en disciplines com les telecomunicacions, la informàtica, la detecció i el diagnòstic químic i biològic. Per fabricar aquestes capes s’ha treballat en sala blanca i s’ha utilitzat deposició química de vapor assistida per plasma (PECVD). Mitjançant diferents tècniques de caracterització s'han mesurat les capes dipositades, i s’ha identificat el ritme de creixement, l'índex de refracció i les pèrdues aproximades del silici amorf hidrogenat (a-Si:H) en funció de diverses variables, com ara la temperatura de dipòsit o els gasos a la cambra. Amb tot això s'han determinat els paràmetres de fabricació adequats per estandarditzar el procés, és a dir, fer-lo de forma més controlada i reproduïble. Finalment, usant els resultats obtinguts s'ha fabricat una capa de silici amorf hidrogenat (a-Si:H) amb les propietats adequades per a realitzar òptica guiada en ella. Després d’això, s’han fabricat i mesurat diverses guies òptiques i s’ha conclòs que és possible guiar llum amb baixes perdudes, així com fabricar dispositius fotònics sobre aquest material. Este proyecto se ha centrado en la fabricación y caracterización de películas finas de silicio amorfo hidrogenado (a-Si:H) para realizar dispositivos fotónicos en ellas, que pueden ser utilizados para hacer aplicaciones revolucionarias en disciplinas como la informática, las telecomunicaciones, la detección y el diagnóstico químico y biológico. Para fabricar estas capas se ha trabajado en sala blanca y se ha utilizado deposición química de vapor asistida por plasma (PECVD). Mediante diferentes técnicas de caracterización se han medido las capas depositadas, y se ha identificado el ritmo de crecimiento, el índice de refracción y las pérdidas aproximadas del silicio amorfo hidrogenado (a-Si:H) en función de diversas variables, como por ejemplo la temperatura de depósito o los gases en la cámara. Con todo ello se han determinado los parámetros de fabricación adecuados para estandarizar el proceso, es decir, hacerlo de forma más controlada y reproducible. Finalmente, usando los resultados obtenidos se ha fabricado una capa de silicio amorfo hidrogenado (a-Si:H) con las propiedades adecuadas para realizar óptica guiada en ella. Después de esto, se han fabricado y medido varias guías ópticas y se ha llegado a la conclusión que es posible guiar luz con bajas perdidas, así como fabricar dispositivos fotónicos sobre este material.

This thesis is focused on the design of a physic packaging module for easier evaluation (testing) of the features of the systems in photonic technology (Silicon Photonics, Indium Phosphide, Silicon Nitride). Nowadays, the optoelectronic market is focused on telecommunications and consumer products. The chip functionality determines largely the type of packaging for the device (packaging butterfly (BTF), for high features, TO for laser transmitters/receptors, DIN, etc. The photonic integrated circuits provide high compactness of functionalities in one chip (less coupling losses, less number of elements, space reduction). The high interest in developing photonic integration has promoted a fabrication service through shared runs between customers, namely multi-project wafers (MPW), offered by foundries in order to reduce the manufacturing cost per user. However, the packaging process is between the 60 and 80 per cent of the cost of the photonic devices, so currently standard configurations are demanded for photonic packaging. The aim of the optoelectronic packaging is to provide an external interface where ruting the optical and electrical internal ports, providing also protection again contaminations and ensure the chip. The packaging process consists on attaching the photonic chip, connecting the electrical pads, optical fibre coupling and finally to ensure the mechanism against vibrations, contamination, heat transferences, etc. This work addresses the development of a generic platform on which to perform the assembly and connectorization of both electrical and optical integrated photonic circuits respecting the restrictions in terms of design and manufacturing, technological limitations and the main mechanisms and rules of encapsulation In the same way, it aims to provide solutions to current limitations regarding optical coupling. Physical aspects (size, dimensions, geometry), materials, electronic and optical precision as the implementation of a design of thermoelectric and mechanical stability is contemplated in the work., El presente trabajo está orientado al diseño de un módulo físico de encapsulado que facilite evaluar (testear) las prestaciones de sistemas preliminares en tecnología fotónica (Silicon Photonics, InP, Silicon Nitride). A día de hoy, el mercado optoelectronico se enfoca a las telecomunicaciones y a productos de consumo. La funcionalidad del chip determina en gran medida el encapsulado del dispositivo (encapsulado mariposa (BTF) para altas prestaciones, TO para receptores/transmisores, DIN,etc). Los circuitos fotónicos integrados ofrecen mayor integración de funcionalidades en un solo chip (menos perdidas de acoplo, menor numero de elementos, reducir espacio) y las foundries genéricas permiten reducir el coste de fabricación a través de rondas compartidas (MPW). Sin embargo el proceso de ensamblado supone entre el 60 y 80 por ciento del coste de un dispositivo fotónico por lo que actualmente se demanda estandarizar una configuración para el encapsulado fotónico. El objetivo del encapsulado optoelectrónico es ofrecer una protección e interfaz externa en que rutar los puertos ópticos y eléctricos internos del chip y asegurar el dispositivo fotónico. El proceso de ensamblado consiste en fijar el chip fotónico sobre un submount o subcarrier, conectorizar los pads electricos, acoplar las fibras ópticas y finalmente asegurar todo el mecanismo ante vibraciones, contaminantes, transferencia de temperatura, etc. En este trabajo se aborda el desarrollo de una plataforma genérica sobre la que realizar el ensamblaje y conectorizado tanto eléctrico como óptico de circuitos fotónicos integrados respetando las restricciones en cuanto a diseño y fabricación, las limitaciones tecnológicas y los principales mecanismos y reglas de encapsulado existentes. Del mismo modo, pretende dar solución a limitaciones actuales en cuanto a acoplo óptico. Aspectos físicos (tamaño, dimensiones, geometría), de materiales, eléctricos y de precisión óptica como la implementación de un diseño de estabilidad termo-eléctrica y mecánica está contemplado en el diseño.

Mestrado em Engenharia Electrónica e Telecomunicações Submitted by Cristina Santos (cmaria@ua.pt) on 2017-10-13T14:40:37Z No. of bitstreams: 1 tese_GuilhermeCabral.pdf: 11670519 bytes, checksum: 9c9256a7609ddad780797b7241b56aaa (MD5) Made available in DSpace on 2017-10-13T14:40:38Z (GMT). No. of bitstreams: 1 tese_GuilhermeCabral.pdf: 11670519 bytes, checksum: 9c9256a7609ddad780797b7241b56aaa (MD5) Previous issue date: 2016-07-26

Mestrado em Engenharia Electrónica e Telecomunicações Com o constante evoluir das necessidades do ser humano nos últimos anos, a transmissão e armazenamento de dados para aplicações vídeo e media têm crescido exponencialmente, obrigando a uma procura incessante de novas soluções para optimizar a largura de banda. Com a finalidade de obter um processamento de imagem mais rápido, os métodos de compressão são uma importante ferramenta para reduzir os dados redundantes. Entre diversas técnicas de transformação para compressão, as transformadas baseadas em wavelets são as mais usadas devido à sua simplicidade e computação rápida. Relativamente a esta abordagem, dadas as suas vantagens, o processamento de imagem totalmente ótico é aqui realizado, sendo baseado na transformada de Haar. Dado que esta transformada de wavelet já provou os seus benefícios face a outros métodos de transformação para compressão, a sua implementação em estruturas óticas guiadas é obrigatória. Neste contexto, é introduzido Photonic Integrated Circuit (PIC), já que pode incluir vários componentes num único chip ótico. Entre a extensa lista de blocos de construção (BBs) disponíveis para esta integração fotónica, as estruturas de interferência multimodo (MMI) são apresentadas como solução para realizar a transformada ótica de Haar. O desenvolvimento de tal componente foi elaborado assim como a sua implementação num PIC, concretizando a transformada de Haar de primeira ordem. Utilizando os BBs de uma fábrica específica, o esquemático do circuito de uma solução adoptada foi também implementado. With the evolution of the human needs in the last years, data transmission and storage for video and media applications have grown exponentially, demanding the search of new solutions for optimizing the bandwidth. In order to have faster image processing, compression methods are fundamental tools to decrease the redundant data. Among several transformation techniques for compression, wavelet-based transforms are the trendiest ones because of its simplicity and fast computation. Concerning this approach and given the advantages, all-optical image processing is here performed based on Haar Transform. Since this wavelet transform has shown its benefits when compared to other methods, its implementation in optical guided structures is mandatory. In this context, Photonic Integrated Circuit (PIC) is introduced since it can include different components into a single optical chip. Between the extensive list of building blocks (BBs) available for this photonic integration, the Multimode Interference (MMI) structure is presented as a possible solution to perform the optical Haar wavelet transform. The development of such a structure was done likewise its implementation into a PIC, performing the first order Haar. Using the BBs from a specific foundry, a layout of the circuit from an adapted Haar Transform solution was also made.

Este documento pretende mostrar una propuesta técnica y financiera para el diseño de una red de fibra óptica en el municipio de la Jagua de Ibirico ubicado en el departamento del Cesar. Solución planteada con el fin de dar acceso a internet y aplicaciones web educativas, orientadas a mejorar la calidad de la educación ya que actualmente el acceso a tecnologías de información en este municipio presentan falencias técnicas en temas de conectividad, perdidas de navegación, atenuaciones entre otras; donde al final esta situación impacta directamente a estudiantes, docentes y comunidad educativa en general. En el primer capítulo, se describe el marco teórico, características técnicas de los diferentes elementos que se plantean utilizar en la construcción de la red, integración y funcionalidad En el capítulo dos se describe el marco geográfico, procedimientos constructivos, manual de impacto urbano, planos, presupuestos, ingeniería de detalle, pruebas piloto e implementación. This document aims to show a technical and financial proposal for the design of a fiber optic network in the municipality of Jagua de Ibirico located in the department of Cesar. Solution proposed in order to give access to the Internet and educational web applications, aimed at improving the quality of education and currently accessing information technologies in this municipality has technical flaws in connectivity issues, navigation losses, attenuations among others; where in the end this situation directly impacts students, teachers and the educational community in general. In the first chapter, the theoretical framework, technical characteristics of the different elements that are proposed to be used in the construction of the network, integration and functionality are described. Chapter two describes the geographical framework, construction procedures, urban impact manual, plans , budgets, detailed engineering, pilot tests and implementation. Especialista en Gerencia de Proyectos en Ingeniería de Telecomunicaciones Especialización

Photonic structures with a sub-wavelength pitch, small enough to suppress diffraction, can behave as equivalent homogenous materials that can be engineered to exhibit a specific refractive index and dispersion. Here we discuss the design of a variety of integrated photonic devices, ranging from grating couplers to multimode interference couplers, for which the use of sub-wavelength structures enables unique characteristics. We will place special emphasis on the design and experimental demonstration of multi-mode interference couplers with an unprecedented bandwidth beyond 200nm at telecom wavelengths. Universidad de Málaga.Campus de Excelencia Internacional Andalucía Tech. Ministerio de Economía y Competitividad, "Programa Estatal de Investigación, Desarrollo e Innovación Orientada a los Retos de la Sociedad (cofinanciado FEDER)", Proyecto TEC2013-46917-C2-1-R

The objective of the project is the design of new Graphene - Silicon devices for optical communications in future low energy consumption optical networks. For this design it will be used commercial software and MIT designing tools. The objective of the project is the design of new Graphene - Silicon devices for optical communications in future low energy consumption optical networks. For this design it will be used commercial software and MIT designing tools. El objetivo de este proyecto es el diseño de dispositivos de Silicio basados en grafeno para comunicaciones ópticas en futuras redes ópticas low-cost. Para este diseño, se utiliza software comercial y una herramienta Open Source del MIT. L'objectiu d'aquest projecte es el disseny de dispositius de Silici basats en grafè per comunicacions òptiques en futures xarxes òptiques low-cost. Per aquest disseny, s'utilitza software comercial i una eina Open Source del MIT.

Los objetivos de esta Tesis se centran en el estudio y evaluación numérica de nuevos esquemas de recepción coherente multipuerto de sistemas de comunicación por fibra óptica. Se ha desarrollado y validado una herramienta para la simulación numérica del canal óptico en régimen no-lineal bajo transmisión multicanal WDM. Del mismo modo, en el extremo receptor, se han implementado los esquemas de detección directa, detección directa interferométrica y detección coherente digital, evaluándose numéricamente sus prestaciones. Asimismo, se ha analizado la capacidad de los diferentes esquemas de recepción para soportar el elevado régimen binario por canal de 100 Gbps que se plantea en la futura actualización de la infraestructura óptica troncal europea. El óptimo resultado de la detección coherente, debido fundamentalmente a su capacidad para la ecualización digital de los efectos dispersivos del canal y de las no-idealidades del receptor, justifica el detallado estudio que se realiza en esta Tesis. Se tomará como referencia el downconverter IQ convencional, que consiste en la integración de un híbrido a 90º, realizado preferentemente mediante un acoplador de interferencia multimodal MMI, con fotodetección balanceada. Se demuestra la notable reducción de sus prestaciones como consecuencia de la distorsión no-lineal al incrementar su ancho de banda operación respecto a la frecuencia central de diseño o al considerar tolerancias de fabricación razonables. Esta degradación de prestaciones es especialmente relevante para modulaciones QAM de orden elevado (por ejemplo 16-64 QAM). Para solucionar estos problemas se propone un esquema de detección basado en un acoplador 2x3 a 120º monolíticamente integrado. Se demuestra que tras una sencilla combinación lineal de las tres fotocorrientes de salida, que podrá efectuarse analógica o digitalmente tras un proceso de calibración previo, pueden resolverse sin distorsión las componentes IQ de la señal. Los resultados numéricos confirman que, incluso en ausencia de un dispositivo de demultiplexión o filtrado óptico (recepción ‘colorless’), aspecto clave para el futuro desarrollo de las redes reconfigurables, el esquema propuesto mejora ostensiblemente el rango dinámico y ancho de banda de operación respecto al receptor convencional. A continuación, se plantea la adaptación del procedimiento de calibración a las cuatro fotocorrientes de salida de un downconverter basado en un híbrido a 90º, de este modo se dispone de un grado de libertad adicional con el que se consigue incrementar el ancho de banda de operación ‘colorless’ a la totalidad de la banda C+L. Finalmente se propone y verifica numéricamente una nueva métrica, basada en la aplicación de la norma de Frobenius a la caracterización matricial del receptor, que permite estimar la penalización en sensibilidad producida por sus imperfecciones. El interés de esta métrica es que define un interfaz preciso para la evaluación de las prestaciones del downconverter con diversidad de polarización sin tener que considerar los algoritmos habituales del posterior procesado digital. Esta métrica se ha aplicado con éxito al establecer, por primera vez, unas especificaciones realistas de los separadores de polarización integrados de un receptor coherente digital con diversidad de polarización.

Mestrado em Engenharia Física Esta dissertação teve como objetivo estudar e desenvolver uma interface multi-comprimento, sintonizável, baseada em tecnologia de ótica integrada para um terminal de linha de uma rede ótica. Os dispositivos analisados, no âmbito desta dissertação para a implementação das interfaces multi-comprimento de onda, foram o micro-anel ressoador e o agregado de guias de onda (AWG), os quais apresentam caraterísticas de sintonização. O desenho e otimização dos componentes foram realizados através de simulação numérica em Matlab®, analisando-se as diferentes respostas dos dispositivos em função dos parâmetros físicos de cada um. O micro-anel ressoador funciona como desmultiplexador espectral, através da alteração do perímetro do anel ou do índice de refração do meio. O AWG separa as regiões espectrais, através de um conjunto dos guias de onda com diferentes comprimentos e das regiões de propagação livre. O AWG foi selecionado como a opção mais favorável, para ser implementado numa interface ótica sintonizável tendo sido projetado e solicitada a produção através de uma empresa de semicondutores de um terminal de linha para rede ótica em tecnologia de ótica integrada. This dissertation aimed to study and develop a multi-length interface, tunable, based on integrated optics technology for the line terminal of optical network. The devices in the framework of this dissertation for implementing multi wavelength interfaces were the micro-ring resonator and the arrayed waveguide grating (AWG), that have tunable characteristic. The design and optimization of the components were performed through numerical simulations in Matlab® to analyse the different responses of the devices as a function of their physical parameters. The micro-ring resonator act as a spectral desmultiplexer by changing the perimeter of the ring or the refractive index of the medium. The AWG separate the spectral regions through the arrayed waveguide with different lengths and the free propagation regions. The AWG was selected as the most suitable option to be implemented in a tunable optical FSR, having been projected and requested the production through a foundry of a line terminal of optical network.

Textos en castelán e inglés, El trabajo de investigación recogido en la presente memoria se inscribe dentro del campo dedicado a la teoría y diseño de dispositivos ópticos integrados no lineales. Destinados a operar de forma totalmente óptica, su funcionamiento estaría orientado a la realización de operaciones fundamentales en el marco de las comunicaciones y la computación en el dominio totalmente óptico.

[ANGLÈS] Integrated photonics provide a very versatile platform for nonlinear optics experiments, due to the tight field confinement that high index contrast structures offer and their great degree of tunability. Two applications of optical four wave mixing, namely squeezed light generation and optical coherence control, are studied and original theoretical results are presented. A silicon nitride platform for integrated nonlinear optics is then developed and devices are designed to demonstrate two mode squeezing generation, as well as optical data frequency conversion and a metrology application. [CASTELLÀ] La óptica integrada se establece como una plataforma muy versátil para realizar experimentos de óptica no-lineal, dado el elevado confinamiento de los campos electromagnéticos que oferece i el alto grado de control que se tiene sobre ellos. En este trabajo se estudian dos aplicaciones del proceso no-lineal Four Wave Mixing: la generación de squeezed light y el control de la coheréncia óptica. En el trabajo se desarrolla una plataforma integrada de nitrato de silicio para hacer óptica no-lineal i se disseñan circuitos ópticos para generar squeezed light y conversión de frecuencia óptica de banda ancha, además de una aplicación de metrologia. [CATALÀ] L'òptica integrada s'estableix com una plataforma molt versàtil per a portar a terme experiments d'òptica no-lineal, donat el elevat confinament dels camps electromagnètics que ofereix i l'alt grau de control que es té sobre ells. En aquest treball s'estudien dues aplicacions del procés no-lineal Four Wave Mixing: la generació de squeezed light i el control de la coherència òptica. En el treball es desenvolupa una plataforma integrada de nitrat de silici per fer òptica no-lineal i es dissenyen circuits òptics per generar squeezed light i conversió de frequència òptica de banda ampla, a més d'una aplicació de metrologia.

In recent years, it has been proposed that circular microresonators may become an important element in the core of many photonic devices. The high Q-factors seen in fused silica micro-spheres and micro-toroids for light coupled in the whispering gallery modes (WGMs) inside the micro-resonator led to many new developments in a diversity of fields. Indeed, WGM micro-resonators have found applications in laser oscillation, optical filtering, bio and chemical sensing, frequency stabilization, quantum electrodynamics experiments, nonlinear parametric conversion and in many other light-matter interaction processes where light recirculation is an essential ingredient. For second and third order nonlinear optical phenomena a high-Q micro circular cavity is an ideal framework to lower the light intensity or material density and still obtain a measurable interaction. This may become particularly useful when the nonlinear interaction is considered on the sphere surface because at an interface centro-symmetry is always broken. In this thesis, we approach the problem of obtaining SHG with the smallest amount of material possible. Our goal is to demonstrate that WGMs in micro-sphere resonators are an optimal option to consider such type of non-linear interaction. SHG from a small amount of material may found interesting applications in high sensitivity unmarked detection of low numbers of very small objects such as molecules, viruses or other types of nano-particles. The different experimental and theoretical developments we implemented to achieve such goal are reported in the four chapters of the current thesis. In chapter 1 we introduce basic concepts of spherical micro-resonators an their interest. Theoretical aspects of light propagation and nonlinear light generation in the whispering gallery modes in such micro-resonators are discussed in Chapter 2. A new method to obtain patterns of non-linear material is presented in Chapter 3. In Chapter 4, the developments presented in the previous chapters are combined to obtain second harmonic generation in the whispering gallery modes of microspheres. In this chapter we report the design and fabrication of a nonlinear spherical resonator to experimentally measure SHG from molecules deposited on its surface. Such nonlinear interaction is quasi-phase matched by implementing the periodical patterning reported in Chapter 3 on a molecular layer deposited on the surface of a micro-sphere. By coupling laser light pulses at the fundamental frequency into the whispering gallery modes of the high-Q spherical micro-resonators we demonstrate that a signal at the second harmonic (SH) frequency can be measured when less than 100 molecules contribute in the nonlinear interaction. Finally, applications of such type of generation in highly sensitive sensing are discussed., En años recientes los microresonadores circulares han sido propuestos como un elemento central para formar parte de muchos dispositivos fotónicos. El alto factor de calidad observado en microesferas o microtoroides de sílice cuando la luz se propaga en modos "whispering gallery" (WG) ha dado lugar a un gran número de nuevos desarrollos en campos muy diversos. En efecto, los micro resonadores con modos WG han encontrado aplicación en la oscilación laser, en el filtrado óptico, en sensores bioquímicos, como estabilizadores de frecuencia, en experimentos de electrodinámica cuántica, en la conversión paramétrica no lineal y en muchas otros procesos donde la recirculación de luz es un ingrediente esencial para su interacción con la materia. En fenómenos ópticos no lineales de segundo y tercer orden, la micro cavidad circular con un alto factor de calidad constituye una estructura ideal para poder obtener una interacción medible incluso cuando se consideran pequeñas intensidades de luz o bajas densidades de materia. Esto puede resultar particularmente útil en la superficie de la microesfera ya que en la interface entre dos materiales se rompe la simetría de inversión incluso cuando los materiales son centro simétricos. En esta tesis abordamos la generación de segundo armónico con una cantidad mínima de material. Nuestra meta es demostrar que los modos WG en resonadores de microesfera son una opción óptima para poder considerar este tipo de interacción no lineal. La generación de segundo armónico con una cantidad muy pequeña de material puede encontrar aplicaciones interesantes en la detección de muy pocos objetos pequeños tales como moléculas, viruses o cualquier otro tipo de nanopartículas. Los diferentes desarrollos experimentales y teóricos que implementamos para alcanzar nuestro objetivo están explicados en los cuatro capítulos de esta tesis. En el Capítulo 1 introducimos conceptos básicos de microresonadores esféricos y su interés. Aspectos teóricos de la propagación y generación no lineal de luz de los modos WG en dichos resonadores se discuten en el Capítulo 2. Un método nuevo para generar patrones de material no lineal se presenta en el Capítulo 3. En el Capítulo 4, los desarrollos de los capítulos previos presentados se combinan para implementar la generación de segundo armónico en los modos WG de las microesferas. En este capítulo reportamos el diseño y la fabricación del resonador esférico no lineal para llegar a medir experimentalmente la generación de segundo armónico de las moléculas depositadas en su superficie. Dicha interacción no lineal se obtiene en la configuración "quasi-phase matched" implementando el mecanismo de escritura de patrones reportado en el Capitulo 3, sobre una capa molecular depositada en la superficie de la microesfera. Mediante el acoplamiento de pulsos de luz láser a la frecuencia fundamental en los modos WG de un microresonador esférico con un alto factor de calidad Q, demostramos que la señal a la frecuencia de segundo armónico puede ser medida, menos de 100 moléculas contribuyen a esta interacción no lineal. Finalmente, se discuten aplicaciones de ese tipo de generación para la detección altamente sensible.

Un receptor ‘colorless’ requerirá en su banda de operación de un elevado rechazo en modo común CMRR para reducir eficientemente la interferencia en banda base ocasionada por los canales colindantes al detectado y conseguir un mayor rango dinámico de operación. La obtención de un elevado CMRR se ve imposibilitada en la práctica en el receptor convencional a 90º (basado aquí en un MMI 2x4) por los inevitables desbalanceos, ya sea por operar lejos de su frecuencia de diseño o por las tolerancias presentes en su proceso de fabricación. En esta contribución se propone como alternativa un esquema coherente basado en un acoplador a 120º (implementado con un MMI 2x3), capaz simultáneamente de demodular sin distorsión las componentes IQ de un canal específico y ofrecer un elevado CMRR en una amplia banda de operación. Esto es posible desde la realización de una sencilla operación lineal desde un circuito analógico calibrado, pudiendo prescindir así de los algoritmos de ortogonalización (GSOP) necesarios en el receptor convencional a 90º para resolver sus desbalanceos. Los resultados numéricos muestran que en un escenario realista de fabricación nuestra propuesta es una interesante alternativa al receptor convencional. Así, específicamente, para una recepción 'colorless' de 80 canales modulados a 56 Gbps bajo 16-QAM, es capaz de ofrecer un rango dinámico de 21 dB frente a los 8 dB del receptor convencional a 90º Universidad de Málaga Campus de Excelencia Internacional Andalucía Tech. CEIC de Andalucía (P09-TIC-5268), C.I.C.Y.T. (TEC2009-10152), MIRTHE ICT-2009-5 nº 257980

Mestrado em Engenharia Eletrónica e Telecomunicações During the last years, the demand for high data transfer rates in optical fiber communications has increased exponentially. Since image in its original format exactly as it is captured by the digital camera requires an enormous amount of storage capacity, it is important to develop a system that increases its amount of compression while preserving the important image’s information. In the topic of image’s compression, there are several transformation techniques used for data compression. Discrete Wavelet Transform (DWT) is one of the most commonly used, thanks to its multi-resolution transformation. This multi-resolution property allows to develop, not only a lossless compression method, from which the original image can be obtained exactly as it was before the transform, but also, a lossy method where it is not possible to obtain the original image. In this context, this thesis will develop the idea to apply the Haar wavelet transform using optical circuits. This concept will be analyzed, verifying the possibility of its implementation in the optical domain, using several methods, lossy and lossless, to conclude about the best compression method to apply to an image. Finally, the lossy method will be tested in the laboratory with different components and design the optical device able to accomplish the Haar wavelet transform. Nos últimos anos, a procura por elevados ritmos de transferência de informação em comunicações óticas tem aumentado exponencialmente. Dado que imagem, no seu formato original exactamente como é captada pela câmara fotográfica ocupa enormes quantidades de espaço de armazenamento, torna-se importante desenvolver um sistema que aumente o seu grau de compressão, preservando as informações importantes da imagem. No tópico da compressão de imagem existem várias técnicas de transformação usadas para compressão de dados. A transformada discreta de onduleta é uma das mais usadas, graças ao uso da transformação em multiresolução. Esta propriedade de multi-resolução permite não só desenvolver métodos de compressão de imagem sem perdas, nos quais se obtém a imagem original exatamente como era antes da transformação, como também métodos com perdas, já não sendo possível obter a imagem original. Neste contexto, esta tese irá desenvolver a ideia de aplicar a transformada de onduleta de Haar usando circuitos óticos. Este conceito irá ser analisado, verificando a possibilidade da sua implementação no domínio ótico, usando vários métodos, com perdas e sem perdas, para concluir acerca do melhor método de compressão a aplicar a uma imagem. Por fim, o método com perdas irá ser testado no laboratório com diferentes componentes e desenhar o dispositivo ótico capaz de aplicar a transformada de onduleta de Haar.

[ANGLÈS] RSoft Design is a software used by researchers, system integrators, manufacturers and service providers, thanks to its tools which provide a wide range of applications, from the design of photonic components to planning and design of systems and networks. Regarding the design of photonic components it is possible to model active and passive components, for both purposes there is a Device Suit, and each one includes a CAD environment, simulation engines with one with a different calculation method, and an optimization utility. The targeted photonic component to be designed was the MMI Coupler, that follows the selfimaging principle of multimodal waveguides, the application of this kind of devices has grown due to the interest of its effects in integrated optics and its advantages, this component specifically offers higher fabrication tolerances and polarization independent results, both features of great convenience regarding the different applications of this component in integrated circuits. The MMI Coupler falls into the category of a passive photonic component, and from the series of engines which could be applied, the BeamPROP engine, based on the Beam Propagation Method, is implemented for its accuracy in the final results of the simulations, and its outstanding computational performance. The design of the Coupler was based on the Fraunhofer IZM model for waveguides, which is a SOI structure with specific standard dimensions, and as simulations were performed particular geometric characteristics, were implemented to obtain an optimized result. The geometric characteristics mentioned before are the choosing of an appropriate width for the MMI section which resulted in the best possible output, the tapering of the access segments between the MMI section and the monomode waveguides to create a better balance between the different outputs and to obtain a higher power in the same point, and finally, when necessary the tapering of the MMI section to avoid cross-talk between the monomode segments after the coupling section. [CASTELLÀ] RSoft Design es un software usado por investigadores, integradores de sistemas, fabricantes y proveedores de servicios, gracias a sus herramientas que ofrecen un rango considerablemente amplio de aplicaciones, desde el diseño de componentes fotónicos hasta la planificación y diseño de sistemas y redes. En lo referente al diseño de componentes fotónicos es posible modelar componentes activos y componentes pasivos, y en ambos casos se puede contar con un Device Suit, un medio CAD, motores de simulación, cada uno con diversos métodos de cálculo, y utilidades de optimización. El componente fotónico a ser diseñado fue el acoplador de Interferencia Multimodal, que sigue los principios de autoimagen característicos de las guías de onda multimodal, la aplicación de estos dispositivos ha aumentado enormemente debido al interés de sus efectos en las ópticas integradas y sus ventajas, este componente ofrece específicamente una tolerancia de fabricación considerablemente elevada y resultados que son independientes de la polarización usada, ambas características convenientes en la aplicación de este componente en ciruitos integrados. El acoplador antes mencionado se encuentra categorizado como un componente fotónico pasivo, y de la serie de motores utilizables para estos modelos, el motor BeamPROP, basado en el Método de Propagación del Haz, es implementado, por su precisión en los resultados finales de las simulaciones y por el excepcional rendimiento compucional que presenta. El diseño del acoplador se basó en el modelo de guía de ondas de Fraunhofer IZM, el cual es una estructura SOI con dimensiones estándares específicas, y al llevar a cabo numerosas simulaciones fueron introducidas ciertas particularidades geométricas para obtener resultados optimizados. Las características geométricas mencionadas previamente fueron la escogencia de una anchura apropiada para la sección MMI que produjese el mejor resultado posible, la disminución o aumento gradual de los segmentos de entrada, entre la sección MMI y las guías de onda monomodo para así crear un mejor balance entre las diferentes salidas y asi obtener en el mismo punto una potencia más elevada, y finalmente, cuando fuese necesario la disminución o aumento gradual de la sección MMI para evitar diafonía entre los segmentos monomodo luego del sector de acoplamiento. [CATALÀ] RSoft Design és un programari usat per investigadors, integradors de sistemes, fabricants i proveïdors de serveis, gràcies a les seves eines que ofereixen un rang considerablement ampli d'aplicacions, des del disseny de components fotònics fins a la planificació i disseny de sistemes i xarxes. Pel que fa al disseny de components fotònics és possible modelar components actius i components passius, i en ambdós casos es pot comptar amb un Device Suit, un mitjà CAD, motors de simulació, cadascun amb diversos mètodes de càlcul, i utilitats d'optimització. El component fotònic a ser dissenyat va ser l'acoblador d'Interferència Multimodal, que segueix els principis d'autoimatge característics de les guies d'ona multimodal, l'aplicació d'aquests dispositius ha augmentat enormement a causa de l'interès dels seus efectes en les òptiques integrades i els seus avantatges, aquest component ofereix especificament una tolerància de fabricació considerablement elevada i resultats que són independents de la polarització utilitzada, ambdues característiques convenients en l'aplicació d'aquest component en circuits integrats. L'acoblador abans esmentat està categoritzat com un component fotònic passiu, i de la sèrie de motors utilitzables per aquests models, el motor BeamPROP, basat en el Mètode de Propagació del Feix, és implementat, per la seva precisió en els resultats finals de les simulacions i per l'excepcional rendiment compucional que presenta. El disseny de l'acoblador es va basar en el model de guia d'ones de Fraunhofer IZM, el qual és una estructura SOI amb dimensions estàndards específiques, i en dur a terme nombroses simulacions van ser introduïdes certes particularitats geomètriques per obtenir resultats optimitzats. Les característiques geomètriques esmentades prèviament van ser la tria d'una amplada apropiada per a la secció MMI que produís el millor resultat possible, la disminució o augment gradual dels segments d'entrada, entre la secció MMI i les guies d'ona monomode per així crear un millor balanç entre les diferents sortides i així obtenir en el mateix punt una potència més elevada, i finalment, quan fos necessari, la disminució o augment gradual de la secció MMI per evitar diafonia entre els segments monomode després del sector d'acoblament.