Analysis, design and development of a photonics-based radar

The purpose of this project is to analyze, design and develop a type of Microware Photonic Radar. Microwave photonics provides a solution to overcoming the limitations of electrical devices in conventional radar systems with tremendous potential for the development of future radar systems. A photonics-based method for measuring distance and velocity simultaneously will be studied, consisted of multi-band Linearly frequency Modulated (LFM) microwave signals with frequency chirps of opposite sign. Single-chirped LFM signals are applied to distance measurement and imaging, while the magnitude of velocity will be found with dual-band LFM signals with opposite frequency chirps. It will be necessary a third band to recognize the radial direction of velocity.El objetivo de este proyecto es analizar, diseñar y desarrollar un tipo de radar fotónico de microondas. La fotónica de microondas proporciona una solución para superar las limitaciones de los dispositivos electrónicos en los radares convencionales, con un gran potencial para el futuro desarrollo en los sistemas de radares. Se estudiará un método basado en fotónica para medir distancia y velocidad simultáneamente, el cual consiste en una señal de microondas multibanda modulada linealmente en frecuencia con chirps de signo contrario. La señal de una sola banda se aplicará para encontrar la medida de la distancia, mientras que la magnitud de la velocidad se encontrará con una señal doble banda con chirps de frecuencia de signo contrario. Una tercera banda se necesitará para reconocer la dirección radial de la velocidad.L'objectiu d'aquest projecte és analitzar, dissenyar i desenvolupar un tipus de radar fotònic de microones. La fotònica de microones proporciona una solució per superar les limitacions dels dispositius electrònics als radars convencionals, amb un gran potencial per al futur desenvolupament de sistemes de radars. S'estudiarà un mètode basat en fotònica per mesurar distància i velocitat simultàniament, el qual consisteix en un senyal de microones multibanda modulada linealment en freqüència amb chirps de signe contrari. Els senyals d'una sola banda s'aplicarà per trobar la mesura de la distància, mentre que la magnitud de la velocitat es trobarà amb un senyal doble banda amb chirps de freqüència de signe oposat. Una tercera banda es necessitarà per reconèixer la direcció radial de la velocitat

Distributed radiofrequency signal processing based on space-division multiplexing fibers

[EN] Space-division multiplexing fibers emerged as a promising solution to overcome the imminent capacity crunch of conventional singlemode fiber networks. Despite these fibers were initially conceived as distribution media for long-haul high-capacity digital communications, they can be applied to a wide variety of scenarios including centralized radio access networks for wireless communications, data-center interconnects, Microwave Photonics signal processing and fiber sensing. Particular interest is raised by emerging communications paradigms, such as 5G and The Internet of Things, which require a full integration between the optical fiber and the wireless networks segments. Microwave Photonics, discipline that focuses on the generation, processing, control and distribution of radiofrequency signals by photonics means, is called to play a decisive role. One of the major challenges that Microwave Photonics has to overcome to satisfy next-generation communication demands relates to the reduction of size, weight and power consumption while assuring broadband seamless reconfigurability and stability. There is one revolutionary approach that has however been left untapped in finding innovative ways to address that challenge: exploiting space, the last available degree of freedom for optical multiplexing. In this Thesis, we propose to exploit the inherent parallelism of multicore and few-mode fibers to implement sampled discrete true time delay lines, providing, in a single optical fiber, a compact and efficient approach for both Microwave Photonics signal distribution and processing. For the multicore fiber approach, we study the influence of the refractive index profile of each heterogeneous core on the propagation characteristics as to feature specific group delay and chromatic dispersion values. We designed and fabricated two different heterogeneous trench-assisted 7-core fibers that behave as sampled true time delay lines. While one of them was fabricated by using 7 different preforms to feature a plenary performance, the other one employed a single preform with the aim of minimizing fabrication costs. In the case of few-mode fibers, we propose the implementation of a tunable true time delay line by means of a custom-designed fiber with a set of inscribed long period gratings that act as mode converters to properly tailor the sample group delays. We designed and fabricated a true time delay line on a 4-mode fiber by inscribing 3 long period gratings at specific positions along the fiber link. As a proof-of-concept validation, we experimentally demonstrated different Microwave Photonics signal processing functionalities implemented over both multicore and few-mode fiber approaches. This work opens the way towards the development of distributed signal processing for microwave and millimeter wave signals in a single optical fiber. These true time delay lines can be applied to a wide range of Information and Communication Technology paradigms besides fiber-wireless communications such as broadband satellite communications, distributed sensing, medical imaging, optical coherence tomography and quantum communications.[ES] La multiplexación por división espacial en fibras ópticas surgió como una solución prometedora al inminente colapso en la capacidad de las redes de fibra monomodo convencionales. Aunque estas fibras fueron concebidas inicialmente como medio de distribución en comunicaciones digitales de larga distancia y alta capacidad, pueden emplearse en una amplia variedad de escenarios, incluyendo redes de acceso radio centralizadas para comunicaciones inalámbricas, interconexiones en centros de datos, así como procesado de señal en Fotónica de Microondas y sensado en fibra. Los paradigmas de comunicaciones emergentes despiertan un interés particular, como 5G y el Internet de las Cosas, que requieren una integración total entre el segmento de red de fibra óptica y el inalámbrico. La Fotónica de Microondas, disciplina que se focaliza en la generación, procesado, control y distribución de señales de radiofrecuencia por medio de la fotónica, está destinada a jugar un papel decisivo. Uno de los mayores desafíos que la Fotónica de Microondas debe superar para satisfacer los requisitos de las nuevas generaciones de comunicaciones se basa en la reducción de tamaño, peso y consumo de potencia, mientras se garantiza reconfiguración y estabilidad de banda ancha. Encontramos aquí un enfoque revolucionario capaz de abordar este desafío de una manera innovadora que, sin embargo, no ha sido aprovechado en este contexto: la explotación del espacio, el último grado de libertad para multiplexación óptica. En esta Tesis, proponemos explotar el paralelismo inherente de las fibras ópticas multinúcleo y de pocos modos para implementar líneas de retardo en tiempo real muestreadas que proporcionan, en una sola fibra óptica, una solución compacta y eficiente tanto para distribución como para procesado de señales de Fotónica de Microondas. En el caso de fibras multinúcleo, estudiamos la influencia del perfil de índice de refracción de cada núcleo heterogéneo en las características de propagación para que exhiba unos valores concretos de retardo de grupo y dispersión cromática. Diseñamos y fabricamos dos fibras distintas de 7 núcleos con zanjas que se comportan como líneas de retardo en tiempo real muestreadas. Mientras que una de ellas se fabricó utilizando 7 preformas diferentes para garantizar un funcionamiento completo, la segunda se fabricó utilizando una única preforma con el objetivo de minimizar costes de fabricación. En el caso de fibras de pocos modos, proponemos la implementación de líneas de retardo en tiempo real sintonizables mediante el uso de una fibra específicamente diseñada y la inscripción de un conjunto de redes de difracción de periodo largo que actúan como conversores de modos para ajustar adecuadamente el retardo de grupo de las muestras. Diseñamos y fabricamos una línea de retardo en tiempo real en una fibra de 4 modos mediante la inscripción de 3 redes de difracción de periodo largo en posiciones concretas a lo largo de enlace de fibra. Como validación de prueba de concepto, demostramos experimentalmente diferentes funcionalidades de procesado de señal de Fotónica de Microondas implementadas en fibras multinúcleo y de pocos modos. Este trabajo abre el camino hacia el desarrollo del procesado de señal distribuido para señales de microondas y ondas milimétricas en una única fibra óptica. Además, las líneas de retardo en tiempo real desarrolladas pueden aplicarse a una amplia variedad de paradigmas de Tecnologías de la Información y Comunicaciones más allá de las comunicaciones radio sobre fibra, como es el caso de las comunicaciones de banda ancha por satélite, el sensado distribuido, la imagen médica, la tomografía óptica coherente y las comunicaciones cuánticas.[CA] La multiplexació per divisió espacial en fibres òptiques va sorgir com una solució prometedora a l'imminent col·lapse en la capacitat de les xarxes de fibra monomode convencionals. Encara que estes fibres foren concebudes inicialment com a mitjà de distribució en comunicacions digitals de llarga distància i alta capacitat, poden emprar-se en una àmplia varietat d'escenaris, incloent xarxes d'accés radio centralitzades per a comunicacions sense fils, interconnexions en centres de dades, així com processat de senyal en Fotònica de Microones i sensat en fibra. Els paradigmes de comunicacions emergents desperten un interès particular, com el 5G i la Internet de les Coses, que requereixen una integració total entre els segments de xarxa de fibra òptica i el de sense fils. La Fotònica de Microones, disciplina que es focalitza en la generació, processat, control i distribució de senyals de radiofreqüència per mitjà de la fotònica, està destinada a jugar un paper decisiu. Un dels majors desafiaments que la Fotònica de Microones ha de superar per satisfer els requisits de les noves generacions de comunicacions es basa en la reducció de grandària, pes i consum de potència, mentre es garanteix reconfiguració i estabilitat de banda ampla Trobem ací un enfocament revolucionari capaç d'abordar aquest desafiament d'una manera innovadora que, no obstant això, no ha sigut aprofitat encara en este context: la explotació de l'espai, l'últim grau de llibertat per a multiplexat òptic. En aquesta Tesi, proposem explotar el paral·lelisme inherent de les fibres òptiques multinucli i de pocs modes per a implementar línies de retard en temps real de mostres discretes que proporcionen, en una sola fibra òptica, una solució compacta i eficient tant per a distribució com per a processat de senyals de Fotònica de Microones. En el cas de fibres multinucli, estudiem la influència del perfil d'índex de refracció de cada nucli heterogeni en les característiques de propagació perquè exhibisca uns valors concrets de retard de grup i dispersió cromàtica. Dissenyem i fabriquem dues fibres distintes de 7 nuclis amb rases que es comporten com a línies de retard en temps real mostrejades. Mentre que una d'elles es va fabricar utilitzant 7 preformes diferents per a garantir un funcionament complet, la segona va fabricar-se utilitzant una única preforma amb l'objectiu de minimitzar costos de fabricació. En el cas de fibres de pocs modes, proposem la implementació de línies de retard en temps real sintonitzables mitjançant l'ús d'una fibra específicament dissenyada i la inscripció d'un conjunt de xarxes de difracció de període llarg que actuen com a convertidors de modes per tal d'ajustar adequadament el retard de grup de les mostres. Dissenyem i fabriquem una línia de retard en temps real en una fibra de 4 modes mitjançant la inscripció de 3 xarxes de difracció de període llarg en posicions concretes al llarg de l'enllaç de fibra. Com a validació de proba de concepte, demostrem experimentalment diferents funcionalitats de processat de senyal de Fotònica de Microones implementades en fibres multinucli i de pocs modes. Aquest treball obri el camí cap al desenvolupament del processat de senyal distribuït per a senyals de microones i ones mil·limètriques en una única fibra òptica. A més, aquestes línies de retard en temps real poden aplicar-se a una àmplia varietat de paradigmes de Tecnologies de la Informació i Comunicacions més enllà de les comunicacions radio sobre fibra, com es el cas de les comunicacions de banda ampla per satèl·lit, el sensat distribuït, la imatge mèdica, la tomografia òptica coherent i les comunicacions quàntiques.Agradezco al Ministerio de Economía y Competitividad del Gobierno de España por la financiación recibida mediante la ayuda FPI.García Cortijo, S. (2020). Distributed radiofrequency signal processing based on space-division multiplexing fibers [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/147858TESI

Integrated Optical Filters for Microwave Photonic Applications

[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.[CA] 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/10251/67690TESI

Design and fabrication of customized fiber gratings to improve the interrogation of optical fiber sensors

[EN] Fiber grating sensors and devices have demonstrated outstanding capabilities in both telecommunications and sensing areas, due to their well-known advantageous characteristics. Therefore, one of the most important motivations lies in the potential of customized fiber gratings to be suitably employed for improving the interrogation process of optical fiber sensors and systems. This Ph.D. dissertation is focused on the study, design, fabrication and performance evaluation of customized fiber Bragg gratings (FBGs) and long period gratings (LPGs) with the double aim to present novel sensing technologies and to enhance the response of existing sensing systems. In this context, a technique based on time-frequency domain analysis has been studied and applied to interrogate different kind of FBGs-based sensors. The distribution of the central wavelength along the sensing structures has been demonstrated, based on a combination of frequency scanning of the interrogating optical pulse and optical time-domain reflectometry (OTDR), allowing the detection of spot events with good performance in terms of measurand resolution. Moreover, different customized FBGs have been interrogated using a technology inspired on the operation principle of microwave photonics (MWP) filters, enabling the detection of spot events using radio-frequency (RF) devices with modest bandwidth. The sensing capability of these technological platforms has been fruitfully employed for implementing a large scale quasi-distributed sensor, based on an array of cascaded FBGs. The potentiality of LPGs as fiber optic sensors has also been investigated in a new fashion, exploiting the potentials of MWP filtering techniques. Besides, a novel approach for simultaneous measurements based on a half-coated LPG has been proposed and demonstrated. Finally, the feasibility of FBGs as selective wavelength filters has been exploited in sensing applications; an alternative approach to improve the response and performance of Brillouin distributed fiber sensors has been studied and validated via experiments. The performance of the reported sensing platforms have been analyzed and evaluated so as to characterize their impact on the fiber sensing field and to ultimately identify the use of the most suitable technology depending on the processing task to be carried out and on the final goal to reach.[ES] Los sensores y dispositivos en fibra basados en redes de difracción han mostrado excepcionales capacidades en el ámbito de las telecomunicaciones y del sensado, gracias a sus excelentes propiedades. Entre las motivaciones más estimulantes destaca la posibilidad de fabricar redes de difracción ad-hoc para implementar y/o mejorar las prestaciones de los sensores fotónicos. Esta tesis doctoral se ha enfocado en el estudio, diseño, fabricación y evaluación de las prestaciones de redes de difracción de Bragg (FBGs) y de redes de difracción de periodo largo (LPGs) personalizadas con el fin de desarrollar nuevas plataformas de detección y a la vez mejorar la respuesta y las prestaciones de los sensores fotónicos ya existentes. En este contexto, una técnica basada en el análisis tiempofrecuencia se ha estudiado e implementado para la interrogación de sensores en fibra basados en varios tipos y modelos de FBGs. Se ha analizado la distribución de la longitud de onda central a lo largo de la estructura de sensado, gracias a una metodología que conlleva el escaneo en frecuencia del pulso óptico incidente y la técnica conocida como reflectometria óptica en el dominio del tiempo (OTDR). De esta manera se ha llevado a cabo la detección de eventos puntuales, alcanzando muy buenas prestaciones en términos de resolución de la magnitud a medir. Además, se han interrogado varias FBGs a través de una técnica basada en el principio de operación de los filtros de fotónica de microondas (MWP), logrando así la detección de eventos puntuales usando dispositivos de radio-frecuencia (RF) caracterizados por un moderado ancho de banda. La capacidad de sensado de estas plataformas tecnológicas ha sido aprovechada para la realización de un sensor quasi-distribuido de gran alcance, formado por una estructura en cascada de muchas FBGs. Por otro lado, se han puesto a prueba las capacidades de las LPGs como sensores ópticos según un enfoque novedoso; para ello se han aprovechados las potencialidades de los filtros de MWP. Asimismo, se ha estudiado y demostrado un nuevo método para medidas simultáneas de dos parámetros, basado en una LPG parcialmente recubierta por una película polimérica. Finalmente, se ha explotado la viabilidad de las FBGs en cuanto al filtrado selectivo en longitud de onda para aplicaciones de sensado; para ello se ha propuesto un sistema alternativo para la mejora de la respuesta y de las prestaciones de sensores ópticos distribuidos basados en el scattering de Brillouin. En conclusión, se han analizado y evaluado las prestaciones de las plataformas de sensado propuestas para caracterizar su impacto en el ámbito de los sistemas de detección por fibra y además identificar el uso de la tecnología más adecuada dependiendo de la tarea a desarrollar y del objetivo a alcanzar.[CA] Els sensors i dispositius en fibra basats en xarxes de difracció han mostrat excepcionals capacitats en l'àmbit de les telecomunicacions i del sensat, gràcies a les seus excel¿lents propietats. Entre les motivacions més estimulants destaca la possibilitat de fabricar xarxes de difracció ad-hoc per a implementar i/o millorar les prestacions de sensors fotònics. Esta tesi doctoral s'ha enfocat en l'estudi, disseny, fabricació i avaluació de les prestacions de xarxes de difracció de Bragg (FBGs) i de xarxes de difracció de període llarg (LPGs) personalitzades per tal de desenvolupar noves plataformes de detecció i al mateix temps millorar la resposta i les prestacions dels sensors fotònics ja existents. En este context, una tècnica basada en l'anàlisi temps-freqüència s'ha estudiat i implementat per a la interrogació de sensors en fibra basats en diversos tipus i models de FBGs. S'ha analitzat la distribució de la longitud d'ona central al llarg de l'estructura de sensat, gràcies a una metodologia que comporta l'escaneig en freqüència del pols òptic incident i la tècnica coneguda com reflectometria òptica en el domini del temps (OTDR). D'esta manera s'ha dut a terme la detecció d'esdeveniments puntuals, aconseguint molt bones prestacions en termes de resolució de la magnitud a mesurar. A més, s'han interrogat diverses FBGs a través d'una tècnica basada en el principi d'operació dels filtres de fotònica de microones (MWP), aconseguint així la detecció d'esdeveniments puntuals utilitzant dispositius de ràdio-freqüència (RF) caracteritzats per un moderat ample de banda. La capacitat de sensat d'aquestes plataformes tecnològiques ha sigut aprofitada per a la realització d'un sensor quasi-distribuït a llarga escala, format per una estructura en cascada de moltes FBGs. D'altra banda, s'han posat a prova les capacitats de les LPGs com a sensors òptics segons un enfocament nou; per a això s'han aprofitat les potencialitats dels filtres de MWP. Així mateix, s'ha estudiat i demostrat un nou mètode per a mesures simultànies de dos paràmetres, basat en una LPG parcialment recoberta per una pel¿lícula polimèrica. Finalment, s'ha explotat la viabilitat de les FBGs pel que fa al filtrat selectiu en longitud d'ona per a aplicacions de sensat; per això s'ha proposat un sistema alternatiu per a la millora de la resposta i de les prestacions de sensors òptics distribuïts basats en el scattering de Brillouin. S'han analitzat i avaluat les prestacions de les plataformes de sensat propostes per a caracteritzar el seu impacte en l'àmbit dels sistemes de detecció per fibra i a més identificar l'ús de la tecnologia més adequada depenent de la tasca a desenvolupar i de l'objectiu a assolir.Ricchiuti, AL. (2016). Design and fabrication of customized fiber gratings to improve the interrogation of optical fiber sensors [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/66343TESISPremiad

Polymer optical fiber gratings for microwave photonics and communications application

Tesis por compendio[ES] Con el continuo desarrollo de materiales y tecnologías de fabricación durante las últimas tres décadas, la atenuación de la transmisión de las fibras ópticas de polímero (POF) se ha reducido considerablemente. Las POF son ventajosas para las redes domésticas, así como para las interconexiones de almacenamiento, y tienen ventajas significativas para muchas aplicaciones de detección, que incluye el límite alto de tensión elástica, alta resistencia a la fractura, alta flexibilidad en la flexión, alta sensibilidad a la tensión y coeficientes termoópticos negativos. Esta tesis consigue mejorar la tecnología de irradiación con láser para POF e investiga dispositivos especiales basados en redes de difracción en POF para comunicaciones ópticas, microondas, fotónica y detección. En particular, desarrollamos la tecnología de fabricación rápida de FBGs en POF con un estudio detallado y la optimización de los parámetros de fabricación de redes de difracción de Bragg en fibra (FBG). Los resultados más destacados incluyen un FBG uniforme de 8 dB con un solo pulso láser Nd: YAG (26 nsm) (8 ns) basado en fibra dopada con BDK, que es el tiempo más corto presentado hasta ahora para la fabricación de FBGs en POF. La irradiación de fibras ópticas de polímero utilizando diferentes materiales basado en el láser KrF a 248 nm permitió demostrar un mejor rendimiento en comparación con el sistema que emplea el láser He-Cd a 325 nm. Además, se fabricaron FBGs uniformes en POFs de índice escalón dopadas con TS en menos de 1 segundo mediante la repetición de pulsos con baja energía. Finalmente, el estudio de la irradiación UV con pulsos de baja energía para la fabricación de redes de difracción estables permitió ahorrar energía en el proceso de fabricación de FBGs en POF, como uno de los principales requisitos para la producción en masa. Basándonos en la tecnología de fabricación mejorada, nos centramos en la fabricación de redes de difracción con diferentes estructuras: se fabricó un FBG con desplazamiento de fase utilizando dos pulsos de 15 ns a 248 nm KrF superpuestos por el método de Moiré; el primer FBG con chirp sintonizable se logró utilizando un solo pulso corto del láser, que abrió nuevas perspectivas a las aplicaciones basadas en redes de difracción con chirp en POF; también se propuso un nuevo método basado en gradientes térmicos para obtener FBG con chirp en POF basadas en FBG uniformes, y se demostró como la forma más conveniente publicada hasta la fecha para lograr este tipo de FBGs no uniformes en POF; y, finalmente, también se han fabricado redes de difracción de largo período utilizando un proceso de fabricación de corto tiempo, especialmente en comparación con investigaciones anteriores. En la última parte de la tesis, y en base a los dispositivos basados en redes de difracción obtenidos a lo largo de este trabajo, se han propuesto varias aplicaciones . De manera similar a los FBG en fibra de sílice, los FBGs con chirp en POF tienen muchas aplicaciones futuras en las áreas de comunicaciones ópticas y de los sensores. Este documento describe la aplicación de detección de tensión basada en una FBG con chirp sintonizable en POF, su aplicación para detección térmica en sistemas biomédicos; e ilustra el potencial de los dispositivos de dispersión sintonizables en el campo de las comunicaciones ópticas, bien como compensación de dispersión o en fotónica de microondas.[CA] Amb el continu desenvolupament de materials i tecnologies de fabricació durant les últimes tres dècades, l'atenuació de la transmissió de les fibres òptiques de polímer (POF) s'ha reduït considerablement. Els POF són avantatjosos per a les xarxes domèstiques, així com per a les interconnexions d'emmagatzematge, i tenen avantatges significatius per a moltes aplicacions de detecció, inclosos els límits de tensió elàstica alta, alta resistència a la fractura, alta flexibilitat en la flexió, alta sensibilitat a la tensió i potencials coeficients termoópticos negatius. Aquesta tesi va millorar la tecnologia d'irradiació amb làser per a POF i va investigar dispositius basats en xarxes difracció de Bragg (FBG) especials en POF per a comunicació òptica, microones, fotònica i detecció. En particular, desenvolupem la tecnologia de fabricació ràpida de FBG en POF amb un estudi detallat i l'optimització dels paràmetres per a la seua fabricació. Els punts destacats dels resultats inclouen un FBG uniforme de 8 dB amb un sol pols del làser Nd: YAG (266 nm) (8 ns) basat en fibra dopada amb BDK, que és el temps més curt reportat per a la fabricació de POF FBG. La irradiació de fibres òptiques de polímer utilitzant diferents materials sota el sistema de làser KrF a 248 nm va permetre demostrar un millor rendiment en comparació amb el sistema de làser Kimmon de 325 nm. A més, els FBG uniformes en el POF dopat amb TS d'índex escalonat es van aconseguir amb menys d'1 segon mitjançant la repetició de polsos de control i l'energia baixa de pols. Finalment, l'estudi de la irradiació d'energia de pols per a la fabricació de FBGs estables va permetre estalviar energia en el procés de fabricació de FBGs en POF, com un dels principals objectius de la producció en massa. Basant-nos en la tecnologia de fabricació millorada, ens centrem en la fabricació de diferents estructures de xarxes de difracció: es va fabricar un FBG amb desplaçament de fase utilitzant dos polsos de 15 ns a 248 nm KrF superposats pel mètode de Moiré; el primer FBG amb chirp sintonitzable es va aconseguir utilitzant un sol pols curt de làser, que va obrir les aplicacions basades en FBG amb chirp en POF; també es va proposar un nou mètode amb gradients tèrmics per a obtindre FBG en POF basat en FBG uniformes, i es va demostrar com la forma més convenient publicada fins hui per a aconseguir FBG POF estimulada; i, finalment, també s'han aconseguit xarxes de llarg període utilitzant un procés de fabricació de curt temps, especialment en comparació amb investigacions anteriors. Finalment, sobre la base dels dispositius de xarxes de difracció obtinguts al llarg d'aquest treball, s'han proposat diverses aplicacions potencials en aquesta tesi. De manera similar que per als FBG amb silici, el FBG amb chirp en POF té moltes aplicacions potencials en comunicacions òptiques i a l¿àrea de sensors. Aquest document descriu l'aplicació de detecció de tensió basada en FBG amb chirp sintonitzable en POF; a més, l'aplicació de detecció tèrmica en sistemes biomèdics; i el potencial dels dispositius de dispersió sintonitzables en les comunicacions òptiques, com per eixample a la compensació de dispersió o a la fotònica de microones.[EN] With the continuing development of material and fabrication technologies over the last three decades, the transmission attenuation of polymer optical fibers (POF) has been greatly decreased. POFs are advantageous for home networks as well as storage interconnections and have significant advantages for many sensing applications, including high elastic strain limits, high fracture toughness, high flexibility in bending, high sensitivity to strain and potential negative thermo-optic coefficients. This thesis improved the laser irradiation technology for POF and investigated special grating devices in POF for optical communication, microware photonics and sensing. In particular, we developed fast POF grating fabrication technology with a detailed study and optimization of the polymer optical fiber Bragg grating (POFBG) fabrication parameters. Highlights of the results include an 8 dB uniform POFBG with one single Nd:YAG (266nm) laser pulse (8 ns) based on BDK doped fiber, which is the shortest time ever reported for POFBG fabrication. The irradiation of polymer optical fibers using different materials under 248 nm KrF laser system allowed to demonstrate a better performance compared with 325 nm Kimmon laser system. Furthermore, uniform FBGs in step-index TS doped POF were achieved with less than 1 second by means of controlling pulse repetition and low pulse energy. Finally, the study of low UV pulse power irradiation for fabricating stable gratings allowed to save energy in the POF grating fabrication process, as one of the main goals for mass production. Based on the improved fabrication technology, we focused on the fabrication of different grating structures: a phase-shifted FBG was fabricated by using two 15 ns 248 nm KrF pulses overlapped by Moiré method; the first tunable chirped FBG was achieved by using a single laser short pulse, which opened the applications based on chirped POF BGs; also a novel thermal annealing method was proposed to obtain chirped POFBGs based on uniform FBGs, and proved as the ever published most convenient way to achieve chirped POFBG; and finally, long period gratings have been also achieved by using a short time fabrication process, specially when compared with previous research. Finally, based on the grating devices obtained throughout this work, several potential applications have been proposed in this thesis. Similarly, to silica chirped FBG, chirped FBG in POF have many potential applications in optical communications and sensing area. This document described the potential strain sensing application based on tunable chirped POFBG; also, the thermal detection application in bio-medical systems; and the potential of tunable dispersion devices in optical communications, i.e., dispersion compensation or microwave photonics.Min, R. (2019). Polymer optical fiber gratings for microwave photonics and communications application [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/125473TESISCompendi

Photonic Millimeter Wave Signal Generation and Transmission Over Hybrid Links in 5G Communication Networks

[ES] El estándar de quinta generación (5G) es la clave potencial para satisfacer el aumento exponencial en la demanda de nuevas aplicaciones, servicios y usuarios. La tecnología 5G ofrecerá una latencia extremadamente baja de 1 ms, una velocidad máxima de datos de 10 Gbit/s, una alta densidad de conexión de hasta 106 dispositivos/km2 y permitirá una alta movilidad de los dispositivos de hasta 500 km/h. En esta Tesis se proponen varias soluciones basadas en tecnologías habilitadoras para el despliegue de redes 5G. La arquitectura de la red de acceso de radio en la nube (C-RAN) se emplea junto con las técnicas de Fotónica de Microondas como una solución prometedora para generar y transmitir señales de ondas milimétricas (mmW) en la próxima generación de comunicaciones móviles. La tecnología radio sobre fibra (RoF) ha demostrado ser una buena opción para enfrentarse al desafío de la distribución inalámbrica mmW debido a la gran distancia de transmisión, el gran ancho de banda y la inmunidad a las interferencias electromagnéticas, entre algunas de las principales ventajas. Además, esta tecnología se puede ampliar con comunicaciones ópticas de espacio libre (FSO) en sistemas de radio sobre FSO (RoFSO) en las redes inalámbricas. En esta Tesis, las señales mmW se generan fotónicamente mediante modulación externa de doble banda lateral con supresión de portadora (CS-DSB) y se distribuyen a través de enlaces fronthaul híbridos RoF/FSO. Además, la generación múltiple de señales permite la distribución reconfigurable en canales multiplexados por división de longitud de onda (WDM) desde una oficina central hasta las estaciones base, y se ha evaluado el impacto de las turbulencias producidas en los canales FSO sobre las señales mmW generadas fotónicamente en términos de fluctuaciones de potencia y ruido de fase de la señal. Se propone la técnica de modulación directa de un láser (DML) como solución principal para la transmisión de datos a través de enlaces ópticos híbridos que emplean un esquema de multiplicación de frecuencias ópticas, es decir, CS-DSB, para la generación de señales de mmW. En concreto, se evalúan teórica y experimentalmente los esquemas de generación fotónica local y remoto de señales mmW y se comparan para su implementación práctica en la red frontal de la C-RAN y, además, se estudia experimentalmente el impacto de la distorsión armónica y de la intermodulación en la transmisión de datos. Igualmente, con el fin de obtener la capacidad que ofrece el DML en términos de ancho de banda, también se presenta una evaluación teórica y experimental del efecto de la dispersión de la fibra y el chirp sobre diferentes anchos de banda de señales de M-modulación de amplitud en cuadratura (QAM). No obstante, la Tesis también incluye otro enfoque para la transmisión de datos basado en el uso de otro modulador externo. En este caso, la demostración experimental de la generación de señales ópticas empleando CS-DSB y la transmisión de señales a través de fibra híbrida y red frontal FSO se completa con un enlace de antena que permite transmitir señales 5G 64/256-QAM. La investigación realizada con los sistemas CS-DSB y DSB también permiten comparar la robustez frente al desvanecimiento inducido por la dispersión cromática de la fibra. Además, se ha realizado una evaluación experimental impacto las turbulencias producidas en los canales FSO sobre las señales mmW generadas fotónicamente con diferentes distribuciones térmicas y se ha cuantificado la degradación de la señal de datos de acuerdo con las condiciones de la turbulencia. Como demostradores finales, esta Tesis incluye un sistema de transmisión full-dúplex que emplea señales 5G en enlace descendente (DL) a 39 GHz y en enlace ascendente (UL) a 37 GHz; y la transmisión de señales OFDM LTE de 60 GHz (DL) y 25 GHz (UL) sobre una infraestructura heterogénea de frontal óptico que consiste en fibra óptica de 10 km, un canal FSO de 100 m y un enlace de radio inalámbrico de 2 m.[CA] L'estàndard de quinta generació (5G) és la clau potencial per a satisfer l'augment exponencial en la demanda de noves aplicacions, serveis i usuaris. La tecnologia 5G oferirà una latència extremadament baixa d'1 ms, una velocitat màxima de dades de 10 Gbit/s, una alta densitat de connexió de fins a 106 dispositius/km2 i permetrà una alta mobilitat dels dispositius de fins a 500 km/h. En aquesta tesi es proposen diverses solucions basades en tecnologies habilitadores per al desplegament de xarxes 5G. L'arquitectura de la xarxa d'accés de ràdio en el núvol (CRAN) s'empra junt amb les tècniques de Fotònica de Microones com una solució prometedora per a generar i transmetre senyals d'ones mil·limètriques (mmW) en la pròxima generació de comunicacions mòbils. La tecnologia ràdio sobre fibra ( RoF) ha demostrat ser una bona opció per a enfrontar-se al desafiament de la distribució sense fil mmW a causa de la gran distància de transmissió, el gran ample de banda i la immunitat a les interferències electromagnètiques, entre alguns dels principals avantatges. A més, aquesta tecnologia es pot ampliar amb comunicacions òptiques d'espai lliure (FSO) en sistemes de ràdio sobre FSO (RoFSO) en les xarxes sense fil. En aquesta Tesi, els senyals mmW es generen fotònicament per mitjà de modulació externa de doble banda lateral amb supressió de portadora (CS-DSB) i es distribueixen a través d'enllaços frontals híbrids RoF/FSO.. A més, la generació múltiple de senyals permet la distribució reconfigurable en canals multiplexats per divisió de longitud d'ona ( WDM) des d'una oficina central fins a les estacions base, i s'ha avaluat l'impacte de les turbulències produïdes en els canals FSO sobre els senyals mmW generades fotònicament en termes de fluctuacions de potència i soroll de fase del senyal. Aquest treball proposa la tècnica de modulació directa d'un làser (DML) com solució principal per a la transmissió de dades a través d'enllaços òptics híbrids que fan servir un esquema de multiplicació de freqüències òptiques, és a dir, CS-DSB, per a la generació de senyals de mmW. En concret, s'avalua teòric i experimentalment els esquemes de generació fotònica local i remota de senyals mmW i es comparen per a la seua implementació pràctica a la xarxa frontal de la C-RAN i a més, s'estudia experimentalment l'impacte de la distorsió harmònica i de la intermodulació en la transmissió de dades. Igualment, amb el fi d'obtindre la capacitat que ofereix el DML en termes d'amplada de banda, també es presenta una avaluació teòrica i experimental de l'efecte de la dispersió de la fibra i el chirp sobre diferents amples de banda de senyals de M-modulació d'amplitud en quadratura (QAM). No obstant això, la Tesis també inclou altre enfocament per a la transmissió de dades basat amb l¿ús d'altre modulador extern. En aquest cas, la demostració experimental de la generació de senyals òptics emprant CS-DSB i la transmissió de senyals a través de fibra híbrida i xarxa frontal FSO es completa com un enllaç d'antena que permet transmetre senyals 5G 64/256-QAM. La investigació realitzada amb els sistemes CS-DSB i DSB també permet comparar la seua robustesa davant l¿esvaïment induït per la dispersió cromàtica. A més, s'ha avaluat experimentalment l'impacte de les turbulències produïdes en els canals FSO sobre els senyals mmW generades fotònicament amb diferents distribucions tèrmiques i s'ha quantificat la degradació del senyal de dades d'acord amb les condicions de la turbulència. Com a demostradors finals, aquesta Tesi inclou un sistema de transmissió full-dúplex que empra senyals 5G en enllaç descendent (DL) a 39 GHz i en enllaç ascendent (UL) a 37 GHz; i la transmissió de senyals OFDM LTE de 60 GHz (DL) i 25 GHz (UL) sobre una infraestructura heterogènia de frontal òptic que consisteix en fibra òptica de 10 km, un canal FSO de 100 m i un enllaç de ràdio sense fil de 2 m.[EN] The fifth generation (5G) standard is the potential key to meet the exponentially increasing demand of the emerging applications, services and mobile end users. 5G technology will offer an extremely low latency of 1 ms, peak data rate of 10 Gbit/s, high contention density up to 106 devices/km2 and enable high mobility up to 500 km/h. This Thesis proposes several solutions based on enabling technologies for deploying 5G networks. Cloud-radio access network (C-RAN) architecture is employed in conjunction with microwave photonics techniques as a promising solution to generate and transmit millimeter wave (mmW) signals in the next generation of mobile communications. Radio over fiber (RoF) has been demonstrated as a good option to face the challenge of mmW wireless distribution, due to long transmission distance, large bandwidth and immunity to electromagnetic interference, as some of the main advantages. Moreover, this technology can be extended with free-space optical (FSO) communications in Radio over FSO systems (RoFSO) as wireless networks. In this Thesis, mmW signals are photonically generated by carrier suppressed double sideband (CS-DSB) external modulation and distributed over hybrid RoF/FSO fronthaul links. Moreover, multiple generated signals allow reconfigurable distribution in wavelength-division multiplexed (WDM) channels from a central office to the base stations, and the impact of turbulent FSO channels on photonically generated mmW signals has been evaluated in terms of power signal fluctuations and phase noise. A directly modulated laser (DML) is proposed as a major solution for signal transmission over hybrid optical links employing optical frequency multiplication scheme, i.e. CS-DSB, for mmW signal generation. Moreover, local and remote photonic mmW signal generation schemes are theoretically and experimentally evaluated and compared for practical deployment in C-RAN fronthaul network while the impact of harmonic and intermodulation distortion on data transmission is also experimentally studied. Furthermore, for the sake of obtaining the DML usability in terms of bandwidth, theoretical and experimental evaluation of the effect of fiber dispersion and chirp over different M-quadrature amplitude modulation (QAM) signals bandwidth is also presented. Another data transmission approach based on the cascade of two external modulators is also employed in the Thesis. In this case, the experimental demonstration of optical signal generation employing CS-DSB and signal transmission over hybrid fiber and FSO fronthaul network is completed with a seamless antenna link leading to successful transmission of 64/256-QAM 5G signals. The CS-DSB and DSB schemes are also investigated for the sake of comparison in terms of robustness against fiber chromatic dispersion-induced fading. Furthermore, experimental evaluation of the impact of turbulent FSO links on photonically generated mmW signals with different thermal distributions has been performed and data signal degradation has been quantified according to the turbulence conditions. As final demonstrators, the Thesis includes a full-duplex transmission system employing 39 GHz downlink (DL) and 37 GHz uplink (UL) 5G signals over hybrid links; and 60 GHz (DL) and 25 GHz (UL) OFDM LTE signal transmission over an heterogeneous optical fronthaul infrastructure consisting of 10 km optical fiber, 100 m FSO channel and 2 m wireless radio link.I would like to acknowledge the financial support given by Research Excellence Award Programme GVA PROMETEO 2017/103 Future Microwave Photonics and European Network for High Performance Integrated Microwave Photonics (EUIMWP) CA16220.Vallejo Castro, L. (2022). Photonic Millimeter Wave Signal Generation and Transmission Over Hybrid Links in 5G Communication Networks [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/19025

Integrated Microwave Photonic Processors using Waveguide Mesh Cores

Integrated microwave photonics changes the scaling laws of information and communication systems offering architectural choices that combine photonics with electronics to optimize performance, power, footprint and cost. Application Specific Photonic Integrated Circuits, where particular circuits/chips are designed to optimally perform particular functionalities, require a considerable number of design and fabrication iterations leading to long-development times and costly implementations. A different approach inspired by electronic Field Programmable Gate Arrays is the programmable Microwave Photonic processor, where a common hardware implemented by the combination of microwave, photonic and electronic subsystems, realizes different functionalities through programming. Here, we propose the first-ever generic-purpose Microwave Photonic processor concept and architecture. This versatile processor requires a powerful end-to-end field-based analytical model to optimally configure all their subsystems as well as to evaluate their performance in terms of the radiofrequency gain, noise and dynamic range. Therefore, we develop a generic model for integrated Microwave Photonics systems. The key element of the processor is the reconfigurable optical core. It requires high flexibility and versatility to enable reconfigurable interconnections between subsystems as well as the synthesis of photonic integrated circuits. For this element, we focus on a 2-dimensional photonic waveguide mesh based on the interconnection of tunable couplers. Within the framework of this Thesis, we have proposed two novel interconnection schemes, aiming for a mesh design with a high level of versatility. Focusing on the hexagonal waveguide mesh, we explore the synthesis of a high variety of photonic integrated circuits and particular Microwave Photonics applications that can potentially be performed on a single hardware. In addition, we report the first-ever demonstration of such reconfigurable waveguide mesh in silicon. We demonstrate a world-record number of functionalities on a single photonic integrated circuit enabling over 30 different functionalities from the 100 that could be potentially obtained with a simple seven hexagonal cell structure. The resulting device can be applied to different fields including communications, chemical and biomedical sensing, signal processing, multiprocessor networks as well as quantum information systems. Our work is an important step towards this paradigm and sets the base for a new era of generic-purpose photonic integrated systems.Los dispositivos integrados de fotónica de microondas ofrecen soluciones optimizadas para los sistemas de información y comunicación. Generalmente, están compuestos por diferentes arquitecturas en las que subsistemas ópticos y electrónicos se integran para optimizar las prestaciones, el consumo, el tamaño y el coste del dispositivo final. Hasta ahora, los circuitos/chips de propósito específico se han diseñado para proporcionar una funcionalidad concreta, requiriendo así un número considerable de iteraciones entre las etapas de diseño, fabricación y medida, que origina tiempos de desarrollo largos y costes demasiado elevados. Una alternativa, inspirada por las FPGA (del inglés Field Programmable Gate Array), es el procesador fotónico programable. Este dispositivo combina la integración de subsistemas de microondas, ópticos y electrónicos para realizar, mediante la programación de los mismos y sus interconexiones, diferentes funcionalidades. En este trabajo, proponemos por primera vez el concepto del procesador de propósito general, así como su arquitectura. Además, con el fin de diseñar, optimizar y evaluar las prestaciones básicas del dispositivo, hemos desarrollado un modelo analítico extremo a extremo basado en las componentes del campo electromagnético. El modelo desarrollado proporciona como resultado la ganancia, el ruido y el rango dinámico global para distintas configuraciones de modulación y detección, en función de los subsistemas y su configuración. El elemento principal del procesador es su núcleo óptico reconfigurable. Éste requiere un alto grado de flexibilidad y versatilidad para reconfigurar las interconexiones entre los distintos subsistemas y para sintetizar los circuitos para el procesado óptico. Para este subsistema, proponemos el diseño de guías de onda reconfigurables para la creación de mallados bidimensionales. En el marco de esta tesis, hemos propuesto dos nuevos nodos de interconexión óptica para mallas reconfigurables, con el objetivo de obtener un mayor grado de versatilidad. Una vez escogida la malla hexagonal para el núcleo del procesador, hemos analizado la configuración de un gran número de circuitos fotónicos integrados y de funcionalidades de fotónica de microondas. El trabajo se ha completado con la demonstración de la primera malla reconfigurable integrada en un chip de silicio, demostrando además la síntesis de 30 de las 100 funcionalidades que potencialmente se pueden obtener con la malla diseñada compuesta de 7 celdas hexagonales. Este hecho supone un record frente a los sistemas de propósito específico. El sistema puede aplicarse en diferentes campos como las comunicaciones, los sensores químicos y biomédicos, el procesado de señales, la gestión y procesamiento de redes y los sistemas de información cuánticos. El conjunto del trabajo realizado representa un paso importante en la evolución de este paradigma, y sienta las bases para una nueva era de dispositivos fotónicos de propósito general.Els dispositius integrats de Fotònica de Microones oferixen solucions optimitzades per als sistemes d'informació i comunicació. Generalment, estan compostos per diferents arquitectures en què subsistemes òptics i electrònics s'integren per a optimitzar les prestacions, el consum, la grandària i el cost del dispositiu final. Fins ara, els circuits/xips de propòsit específic s'han dissenyat per a proporcionar una funcionalitat concreta, requerint així un nombre considerable d'iteracions entre les etapes de disseny, fabricació i mesura, que origina temps de desenrotllament llargs i costos massa elevats. Una alternativa, inspirada per les FPGA (de l'anglés Field Programmable Gate Array), és el processador fotònic programable. Este dispositiu combina la integració de subsistemes de microones, òptics i electrònics per a realitzar, per mitjà de la programació dels mateixos i les seues interconnexions, diferents funcionalitats. En este treball proposem per primera vegada el concepte del processador de propòsit general, així com la seua arquitectura. A més, a fi de dissenyar, optimitzar i avaluar les prestacions bàsiques del dispositiu, hem desenrotllat un model analític extrem a extrem basat en els components del camp electromagnètic. El model desenrotllat proporciona com resultat el guany, el soroll i el rang dinàmic global per a distintes configuracions de modulació i detecció, en funció dels subsistemes i la seua configuració. L'element principal del processador és el seu nucli òptic reconfigurable. Este requerix un alt grau de flexibilitat i versatilitat per a reconfigurar les interconnexions entre els distints subsistemes i per a sintetitzar els circuits per al processat òptic. Per a este subsistema, proposem el disseny de guies d'onda reconfigurables per a la creació de mallats bidimensionals. En el marc d'esta tesi, hem proposat dos nous nodes d'interconnexió òptica per a malles reconfigurables, amb l'objectiu d'obtindre un major grau de versatilitat. Una vegada triada la malla hexagonal per al nucli del processador, hem analitzat la configuració d'un gran nombre de circuits fotónicos integrats i de funcionalitats de fotónica de microones. El treball s'ha completat amb la demostració de la primera malla reconfigurable integrada en un xip de silici, demostrant a més la síntesi de 30 de les 100 funcionalitats que potencialment es poden obtindre amb la malla dissenyada composta de 7 cèl·lules hexagonals. Este fet suposa un rècord enfront dels sistemes de propòsit específic. El sistema pot aplicarse en diferents camps com les comunicacions, els sensors químics i biomèdics, el processat de senyals, la gestió i processament de xarxes i els sistemes d'informació quàntics. El conjunt del treball realitzat representa un pas important en l'evolució d'este paradigma, i assenta les bases per a una nova era de dispositius fotónicos de propòsit general.Pérez López, D. (2017). Integrated Microwave Photonic Processors using Waveguide Mesh Cores [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/91232TESI

Sistemas de Distribución de Clave Cuántica Basados en Codificación en Frecuencia

Esta tesis se centra en el estudio de la aplicabilidad que dos disciplinas, la fotónica de microondas (MWP) y las comunicaciones cuánticas, pueden aportar en el desarrollo de nuevos sistemas de distribución de clave cuántica (QKD). El objetivo principal es el análisis y la validación experimental de sistemas QKD en la técnica de codificación en frecuencia (FC-QKD), por medio de distintas configuraciones de moduladores. Los sistemas FC-QKD permiten la incorporación de técnicas de multiplexación empleadas en MWP, por ello, se presenta un sistema basado en multiplexación de la subportadora (SCM) y multiplexación en longitud de onda (WDM) que permite la correcta distribución de claves mediante el protocolo BB84. Los sistemas SCM-QKD presentan algunas ventajas como su alta eficiencia espectral y la posibilidad de compartir una única fuente para todos los canales. Esto reduce considerablemente la complejidad del sistema y permite incorporar la técnica WDM aumentando el número de claves que se transmiten paralelamente y transmitiendo la informacióon de estas junto a canales clásicos sobre la misma fibra óptica. Para entender las funcionalidades de los sistemas FC-QKD se ha realizado un análisis teórico, que permite obtener expresiones para la tasa de error de bit (QBER) y la tasa de transmisión de clave, teniendo en cuenta los diferentes factores limitantes de los sistemas SCM-QKD, incluyendo la dispersión de la fibra y los efectos de intermodulación. Complementando este análisis teórica, se desarrolla diferentes esquemas experimentales en el laboratorio para evaluar la viabilidad experimental de este tipo de estructuras y tecnologías para su uso en sistemas QKD. Finalmente se presenta un sistema con cuatro canales independientes consiguiéndose una tasa de bit en crudo de 10 kb/s por canal, con un QBER por debajo del 2% y un enlace de 11 km. Estos resultados abren el camino para el uso de estos sistemas QKD en redes ópticas.Ruiz Alba Gaya, A. (2012). Sistemas de Distribución de Clave Cuántica Basados en Codificación en Frecuencia [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/16699Palanci

Design of photonic sensors based on cavities and new interrogation techniques

[ES] Los sensores ópticos son dispositivos fotónicos sensibles a determinadas magnitudes que se usan precisamente para medir, ya sea de forma absoluta o relativa, esas magnitudes. Medir la temperatura, la presión, la tensión, la humedad o la presencia de un determinado gas son algunas de las funcionalidades que llevan a cabo estos sensores. A lo largo de las últimas décadas multitud de sensores y técnicas de interrogación han sido desarrolladas, lo que ha tenido un increíble impacto en multitud de áreas. Uno de los ejemplos más claro es la arquitectura civil, donde los sensores fotónicos juegan un papel fundamental en la monitorización del estado de las estructuras. A pesar de los buenos resultados conseguidos por los sensores ópticos hasta la fecha, las técnicas de interrogación desarrolladas hasta ahora muestran algunas desventajas. Tiempos de medida altos, baja resolución o una gran complejidad son algunas de ellas. En esta tesis doctoral se presenta el diseño y caracterización de diversos sensores fotónicos basados en las ya conocidas redes de difracción de Bragg así como la implementación de nuevas técnicas de interrogación de dichos sensores para intentar eliminar o reducir esas desventajas. Las técnicas de interrogación desarrolladas en este trabajo se basan en la fotónica de microondas, donde la interacción entre las señales ópticas y eléctricas se usa para detectar en este caso los cambios en una determinada magnitud. Las técnicas desarrolladas en este trabajo buscan ser lo más versátiles y escalables posibles para así poder adaptarse a los requerimientos de diferentes escenarios. Encontramos así técnicas que permiten interrogar a miles de sensores con una gran resolución y sensibilidad así como también técnicas de interrogación de sensores puntuales con una enorme sensibilidad y simplicidad tanto en la interrogación como en el sistema usado para ello. También están presentes los resultados obtenidos mediante la colaboración con el instituto de investigación sueco ACREO para el desarrollo de un sensor de campo eléctrico basado en fibras polarizadas donde se han fabricado varias redes de difracción de Bragg.[CA] Els sensors òptics son dispositius fotònics sensibles a determinades magnituds que s'usen precisament per a mesurar, ja siga de forma absoluta o relativa, aquestes magnituds. Mesurar la temperatura, la pressió, la tensió, la humitat o la presència d'un determinat gas són algunes de les funcionalitats que realitzen aquestos sensors. Al llarg de les últimes dècades multitud de sensors i tècniques d'interrogació han sigut desenvolupades, i això ha tingut un impacte increïble a multitud d'àrees. Un dels exemples més clar es l'arquitectura civil, on aquestos sensors juguen un paper fonamental en la monitoratge de l'estat de les estructures. Encara que els resultats aconseguits han sigut bons, les tècniques d'interrogació desenvolupades fins ara mostren alguns desavantatges. Temps de mesurament alt, baixa resolució o una gran complexitat són algun d'ells. A aquesta tesi doctoral es presenta el disseny i caracterització de diversos sensors fotònics basats en les ja conegudes xarxes de difracció de Bragg així com l'implementació de noves tècniques d'interrogació per a intentar eliminar o reduir aquestos inconvenients. Les tècniques d'interrogació desenvolupades en aquest treball es basen en la fotònica de microones, on l'interacció entre les senyals òptiques i elèctriques s'usa per a detectar en aquest cas els canvis en una determinada magnitud. Les tècniques desenvolupades en aquest treball busquen ser el més versàtils i escalables possibles per a poder adaptar-se als requeriments dels diferents escenaris. Trobem així tècniques que permeten interrogar milers de sensors amb una gran resolució i sensitivitat però també tècniques que permeten interrogar sensors puntuals amb una increïble sensitivitat mostrant una gran simplicitat en el seu disseny. També estan presents els resultats obtinguts mitjançant la col¿laboració amb l'institut d'investigació suec ACREO per al desenvolupament d'un sensor de camp eléctric basat en FBGs i en fibres polaritzades.[EN] Optical sensors are photonic devices sensitive to different magnitudes that are used precisely to measure, in an absolute or a relative way, these magnitudes. These optical sensors are nowadays used to measure temperature, pressure, strain, humidity or the presence of a particular gas. In the past few decades a multitude of photonic sensors and different interrogation techniques have been developed, which had a great impact in dozens of different fields. One of the best examples is civil architecture, in which photonic sensors play a fundamental role in order to monitor the condition of the structures. Despite of the good results showed by photonic sensors, the interrogation techniques used show different drawbacks. A large measurement time, low resolution or great complexity are some of them. In this doctoral thesis the design and characterization of a set of different photonic sensors based on the already known fiber Bragg gratings, along with the implementation of new interrogation techniques, are used in order to eliminate or at least reduce these problems. The interrogation techniques developed in this work are based on Microwave Photonics techniques, in which the interaction between optical and electrical signals is used to detect in this case the changes in a particular magnitude. The techniques showed in this work have been designed in order to be as versatile and scalable as possible to have the opportunity to adapt to any requirement in different scenarios. In this work techniques that are able to interrogate hundreds or even thousands of sensors with great sensitivity and resolution can be found in addition to techniques that are developed to interrogate individual sensors with an enormous sensitivity. The work carried out in collaboration with the Swedish research institute ACREO, based on the development of an electric field sensor based on poled fibers together with FBGs is also present.Hervás Peralta, J. (2019). Design of photonic sensors based on cavities and new interrogation techniques [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/119754TESI

Fotónica de microondas aplicada a la interferometría de baja coherencia

[ES] La interferometría de baja coherencia (Low Coherence Interferometry, LCI) es una técnica óptica de medida de distancias capaz de alcanzar resoluciones del orden de las micras en la dirección axial de la muestra. Su principio físico está basado en la generación de un patrón de interferencia que, tras ser procesado, permite obtener la información estructural de la muestra estudiada. Entre las aplicaciones de LCI, destaca el área de la medicina, principalmente debido a la naturaleza no invasiva de la técnica. En este sentido, la aplicación más reconocida es la tomografía de coherencia óptica (Optical Coherence Tomography, OCT), donde la obtención de imágenes en 2D y 3D mediante el uso de LCI permite realizar análisis y diagnósticos de diferentes tejidos biológicos. Entre otros campos de aplicación de esta técnica se encuentran el sensado o la caracterización de componentes ópticos. Sin embargo, existen también limitaciones asociadas a los sistemas LCI como su gran volumen y coste, sobre todo cuando se aplica al campo de la medicina, donde son necesarias estructuras ópticas más complejas. Asimismo, existe una importante limitación relacionada con el patrón de interferencia, ya que éste se captura en el dominio óptico donde es altamente sensible a las variaciones de temperatura o las vibraciones. Por estos motivos, el objetivo principal de esta tesis doctoral se centra en el estudio de la técnica LCI a través de su combinación con el campo de la fotónica de microondas (Microwave Photonics, MWP). Las ventajas que puede aportar el campo MWP a LCI son numerosas, donde se puede destacar el análisis del patrón de interferencia en el dominio eléctrico en lugar de en el óptico, o la posibilidad de hacer uso de una tecnología mucho más madura como es la fotónica de microondas. El principio de operación de la técnica, denominada como MWP-LCI, está basado en el análisis de la función de transferencia del sistema cuando se considera una muestra concreta. Las características estructurales de dicha muestra generan diferentes resonancias de RF cuya posición y anchura dentro del espectro eléctrico se relacionan directamente con las diferentes capas de las que está compuesta la muestra. En este sentido, la tesis doctoral se centra, en primer lugar, en la demostración de la analogía existente entre las técnicas LCI y MWP-LCI. Posteriormente, se realizan diferentes propuestas de mejora y evolución a la estructura MWP-LCI más básica. Mediante el análisis teórico de dichas propuestas se demuestra que el uso de los conocimientos del área MWP permite superar las limitaciones ligadas a las primeras propuestas realizadas en MWP-LCI. Asimismo, se incluyen las demostraciones experimentales asociadas a todas las propuestas realizadas, alcanzando un excelente grado de concordancia con los resultados teóricos. Por último, se centra el análisis en los elementos clave que componen estas estructuras: la muestra, la fuente óptica y el elemento dispersivo. A través de las distintas evoluciones realizadas a la técnica MWP-LCI se ha podido demostrar experimentalmente que las sensibilidades alcanzadas se sitúan en torno a los 60 dB junto a resoluciones de 28 µm, siendo sencillo superar 1 cm de rango de operación.[CA] La interferometria de baixa coherència (Low Coherence Interferometry, LCI) és una tècnica òptica de mesura de distàncies capaç d'abastar resolucions de l'ordre de les micres en la direcció axial de la mostra. El seu principi físic es basa en la generació d'un patró d'interferència que, en ser processat, permet obtindre la informació estructural de la mostra estudiada. Entre les aplicacions d'LCI, destaca l'àrea de la medicina, principalment a causa de la naturalesa no invasiva de la tècnica. En aquest sentit, l'aplicació més reconeguda és la tomografia de coherència òptica (Optical Coherence Tomography, OCT), en què l'obtenció d'imatges en 2D i 3D mitjançant l'ús d'LCI permet portar a terme anàlisis i diagnòstics de diferents teixits biològics. Entre altres camps d'aplicació d'aquesta tècnica hi ha el sensat o la caracterització de components òptics. Tanmateix, hi ha també limitacions associades als sistemes LCI, com la grossària i el cost, sobretot quan s'aplica al camp de la medicina, en què són necessàries estructures òptiques més complexes. Així mateix, hi ha una limitació important relacionada amb el patró d'interferència, ja que aquest es captura en el domini òptic on és altament sensible a les variacions de temperatura o les vibracions. Així doncs, l'objectiu principal d'aquesta tesi doctoral se centra en l'estudi de la tècnica LCI a través de la seua combinació amb el camp de la fotònica de microones (Microwave Photonics, MWP). En són nombrosos, els avantatges que pot aportar el camp MWP a LCI, entre els quals es pot destacar l'anàlisi del patró d'interferència en el domini elèctric en comptes d'en l'òptic, o la possibilitat de fer ús d'una tecnologia molt més madura, com és la fotònica del microones. El principi d'operació de la tècnica, que s'anomena MWP-LCI, es basa en l'anàlisi de la funció de transferència del sistema quan es considera una mostra concreta. Les característiques estructurals de la susdita mostra generen diferents ressonàncies d'RF, i la seua posició i amplària dins de l'espectre elèctric es relacionen directament amb les diferents capes de què està composta la mostra. En aquest sentit, la tesi doctoral se centra, en primer lloc, en la demostració de l'analogia que existeix entre les tècniques LCI i MWP-LCI. Tot seguit, es porten a terme diferents propostes de millora i evolució a l'estructura MWP-LCI més bàsica. Mitjançant l'anàlisi teòrica de les esmentades propostes es demostra que l'ús dels coneixements de l'àrea MWP permet superar les limitacions lligades a les primeres propostes fetes en MWP-LCI. De la mateixa manera, s'inclouen les demostracions experimentals associades a totes les propostes fetes, amb la qual cosa s'ha assolit un excel·lent grau de concordança amb els resultats teòrics. Finalment, l'anàlisi se centra en els elements clau que componen aquestes estructures: la mostra, la font òptica i l'element dispersiu. A través de les diferents evolucions realitzades a la tècnica MWP-LCI s'ha pogut demostrar experimentalment que les sensibilitats assolides se situen al voltant dels 60 dB junt amb resolucions de 28 µm, tot sent senzill superar 1 cm de rang d'operació.[EN] Low Coherence Interferometry (LCI) is an optical technique for distance measurements, able to reach the micron scale of resolution in the axial direction of the sample. Its physical principle is based on the generation of an interference pattern which, after processing, can reveal the structural information of the sample studied. Among all the LCI applications, the medical field arises as one of the most relevant, mainly due to the non-invasive nature of the technique. In this sense, the Optical Coherence Tomography (OCT) is one of the most recognizable applications, where the acquisition of 2D and 3D images by using LCI enables the analysis and diagnosis of different biological tissues. Among other fields of application of this technique, we can highlight sensing and the optical components characterization. Nevertheless, LCI systems also suffer from some limitations related to compactness and cost-effectiveness, mainly when it is applied to the medical field where more complex structures are required. Furthermore, it also exists a strong limitation related to the interference pattern mostly due to its acquisition in the optical domain, where it is highly sensitive to vibrations and temperature variations. On this basis, the main objective of this Ph.D. is focused in the study of the LCI technique and its combination with the field of Microwave Photonics (MWP). The benefits that MWP can offer to LCI are numerous, among which we can highlight the analysis of the interference pattern in the electrical domain instead of in the optical domain, or the possibility to make use of a more mature technology as the field of MWP is. The principle of operation of this technique, labelled as MWP-LCI, is based on the analysis of the interference pattern of the system when a certain sample is considered. The structural features of that sample generate different RF resonances where their position and width in the electrical spectrum are directly related to the different layers that compose the sample. In this way, the current Ph.D. is focused, firstly, in the demonstration of the existing analogy between the LCI and MWP-LCI techniques. Afterwards, several upgrade proposals are made to develop the most basic MWP-LCI structure. By the corresponding theoretical analysis of those proposals, it is demonstrated that the use of the MWP field allows the possibility to improve the limitations related to the first demonstrations carried out in MWP-LCI. Moreover, the experimental demonstrations associated to all the proposals are included, showing an excellent agreement with the theoretical results. Finally, the analysis is focused in the key elements that compose these structures: the sample, the optical source and the dispersive element. Through the different improvements applied to the MWP-LCI technique, we have been able to experimentally demonstrate a sensitivity level of 60 dB with resolutions of 27 µm in a working range that can easily exceed 1 cm.Benítez González, J. (2019). Fotónica de microondas aplicada a la interferometría de baja coherencia [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/123054TESI