Synchronization and application of delay-coupled semiconductor lasers

The work in this thesis is focused on the complex dynamics of semiconductor laser (SL) devices which receive time-delayed feedback from an external cavity or are delay-coupled with a second semiconductor laser. We investigate fundamental properties of the dynamics and study the utilization of transient complex dynamics of a single SL arising from delayed feedback and external signal injection for a neuro-inspired photonic data processing scheme. Based on experiments and numerical modelling, we investigate systems of two coupled SLs, gaining insights into the role of laser and coupling parameters for the synchronization characteristics of these systems. We link certain features of the synchronization dynamics, like intermittent desynchronization events, to the underlying nonlinear dynamics in the coupled laser system. Our research thus combines both fundamental insights into delay-coupled lasers as well as novel application perspectives

Reservoir computing based on delay-dynamical systems

Today, except for mathematical operations, our brain functions much faster and more efficient than any supercomputer. It is precisely this form of information processing in neural networks that inspires researchers to create systems that mimic the brain’s information processing capabilities. In this thesis we propose a novel approach to implement these alternative computer architectures, based on delayed feedback. We show that one single nonlinear node with delayed feedback can replace a large network of nonlinear nodes. First we numerically investigate the architecture and performance of delayed feedback systems as information processing units. Then we elaborate on electronic and opto-electronic implementations of the concept. Next to evaluating their performance for standard benchmarks, we also study task independent properties of the system, extracting information on how to further improve the initial scheme. Finally, some simple modifications are suggested, yielding improvements in terms of speed or performanc

Dinàmica no lineal de sistemes làsers: potencials de Lyapunov i diagrames de bifurcacions

En aquest treball s'ha estudiat la dinàmica dels làsers de classe A i de classe B en termes del potencial de Lyapunov. En el cas que s'injecti un senyal al làser o es modulin alguns dels paràmetres, apareix un comportament moltmés complex i s'estudia el conjunt de bifurcacions. 1) Als làsers de classe A, la dinàmica determinista s'ha interpretat com el moviment damunt el potencial de Lyapunov. En la dinàmica estocàstica s'obté un flux sostingut per renou per a la fase del camp elèctric. 2) Per als làsers de classe A amb senyal injectat, s'ha descrit el conjunt de bifurcacions complet i s'ha determinat el conjunt d'amplituds i freqüències en el quals el làser respon ajustant la seva freqüència a la del camp extern. 3) S'ha obtingut un potencial de Lyapunov pels làsers de classe B, només vàlid en el cas determinista, que inclou els termes de saturació de guany i d’emissió espontània. 4) S’ha realitzat un estudi del conjunt de bifurcacions parcial al voltant del règim tipus II de la singularitat Hopf--sella--node en un làser de classe B amb senyal injectat. 5) S'han identificat les respostes òptimes pels làsers de semiconductor sotmesos a modulació periòdica externa. S'han obtingut les corbes que donen la resposta màxima per cada tipus de resonància en el pla definit per l'amplitud relativa de modulació i la freqüència de modulació.In this work we have studied the dynamics of both class A and class B lasers in terms of Lyapunov potentials. In the case of an injected signal or when some laser parameters are modulated, and more complex behaviour is expected, the bifurcation set is studied. The main results are the following: 1) For class A lasers, the deterministic dynamics has been interpreted as a movement on the potential landscape. In the stochastic dynamics we have found a noise sustained flow for the phase of the electric field. 2) For class A lasers with an injected signal, we have been able to describe the whole bifurcation set of this system and to determine the set of amplitudes frequencies for which the laser responds adjusting its frequency to that of the external field. 3) In the case of class B lasers, we have obtained a Lyapunov potential only valid in the deterministic case, including spontaneous emission and gain saturation terms. The fixed point corresponding to the laser in the on state has been interpreted as a minimum in this potential. Relaxation to this minimum is reached through damped oscillations. 4) We have performed a study of the partial bifurcation set around the type II regime of the Hopf-saddle-node singularity in a class B laser with injected signal. 5) We have identified the optimal responses of a semiconductor laser subjected to an external periodic modulation. The lines that give a maximum response for each type of resonance are obtained in the plane defined by the relative amplitude modulation and frequency modulation

Gravitational wave observation of compact binaries Detection, parameter estimation and template accuracy

La tesi tracta, des del punt de vista de l’anàlisi de dades, la possibilitat de detecció directa d’ones gravitatòries emeses per sistemes binaris d’objectes compactes de massa similar: forats negres, estels de neutrons, nanes blanques. En els capítols introductoris, a) es dóna una descripció detallada i exhaustiva de com passar dels patrons d’ona teòrics a la senyal detectada; b) s’introdueixen les eines més emprades en l’anàlisi de dades d’ones gravitatòries, amb especial menció a la discussió sobre les amplituds efectiva i característica. A més, els resultats originals de la tesi segueixen tres línies de recerca diferents: 1) S’ha predit la precisió amb la que el futur detector interferomètric espacial LISA, estimarà els paràmetres (posició, masses, velocitat de rotació, paràmetres cosmològics…) de les observacions de xocs entre dos forats negres supermassius en la fase “inspiral”. 2) S’ha desenvolupat un algorisme propi de cerca de senyals gravitatòries procedents de sistemes binaris estel•lars, basat en teories de probabilitat Bayesiana i MCMC. Aquest algorisme distingeix alhora milers de senyals superposades en una única sèrie temporal de dades, extraient paràmetres individuals de cadascuna d’elles. 3) S’ha definit de manera matemàtica rigorosa com determinar el rang de validesa (per a extracció de paràmetres i detecció) de models aproximats de patrons d’ones gravitatòries, aplicant-ho a un cas concret de models semi-analíticsLa tesis trata, desde el punto de vista del análisis de datos, la posibilidad de detección directa de ondas gravitacionales emitidas por sistemas binarios de objetos compactos de masa similar: agujeros negros, estrellas de neutrones, enanas blancas. En los capítulos introductorios, a) se desarrolla una descripción detallada y exhaustiva de como pasar de los patrones de onda teóricos a la señal detectada; b) se introducen las herramientas más utilizadas en el análisis de datos de ondas gravitacionales, con especial mención a la discusión sobre las amplitudes efectiva y característica. Además, los resultados originales de la tesis siguen tres líneas de investigación diferentes: 1) Se ha predicho la precisión con la que el futuro detector interferométrico espacial LISA, estimará los parámetros (posición, masas, velocidad de rotación, parámetros cosmológicos…) de las observaciones de choques entre dos agujeros negros supermasivos en la fase “inspiral”. 2) Se ha desarrollado un algoritmo propio de búsqueda de señales gravitacionales procedentes de sistemas binarios estelares, basado en teorías de probabilidad Bayesiana y MCMC. Este algoritmo distingue a la vez miles de señales superpuestas en una única serie temporal de datos, extrayendo parámetros individuales de cada una de ellas. 3) Se ha definido de manera matemática rigurosa como determinar el rango de validez (para extracción de parámetros y detección) de modelos aproximados de patrones de ondas gravitacionales, aplicándolo a un caso concreto de modelos semi-analíticos.In this PhD thesis one studies, from the data analysis perspective, the possibility of direct detection of gravitational waves emitted by similar mass compact binary objects: black holes, neutron stars, white dwarfs. In the introductory chapters, a) a detailed and exhaustive description about how to derive the detected strain from the theoretical emitted waveform predictions is given; b) the most used gravitational wave data analysis results are derived, being worth pointing out the discussion about effective and characteristic amplitudes. Moreover, three different research lines have been followed in the thesis: 1) It has been predicted the parameter estimation (position, masses, spin, cosmological parameters…) of supermassive black hole binary inspiral signals, observed with the future interferometric space detector, LISA. 2) A new algorithm, based on Bayesian probability and MCMC techniques, has been developed in order to search for gravitational wave signals from stellar-mass binary systems. The algorithm is able to distinguish thousands of overlapping signals from a single observed time series, allowing for individual parameter extraction. 3) It has been, mathematically and rigorously, defined how to compute the validity range (for parameter estimation and detection purposes) of approximated gravitational waveform models, applying it to the particular case of closed-form model

An advanced Framework for efficient IC optimization based on analytical models engine

En base als reptes sorgits a conseqüència de l'escalat de la tecnologia, la present tesis desenvolupa i analitza un conjunt d'eines orientades a avaluar la sensibilitat a la propagació d'esdeveniments SET en circuits microelectrònics. S'han proposant varies mètriques de propagació de SETs considerant l'impacto dels emmascaraments lògic, elèctric i combinat lògic-elèctric. Aquestes mètriques proporcionen una via d'anàlisi per quantificar tant les regions més susceptibles a propagar SETs com les sortides més susceptibles de rebre'ls. S'ha desenvolupat un conjunt d'algorismes de cerca de camins sensibilitzables altament adaptables a múltiples aplicacions, un sistema lògic especific i diverses tècniques de simplificació de circuits. S'ha demostrat que el retard d'un camí donat depèn dels vectors de sensibilització aplicats a les portes que formen part del mateix, essent aquesta variació de retard comparable a la atribuïble a les variacions paramètriques del proces.En base a los desafíos surgidos a consecuencia del escalado de la tecnología, la presente tesis desarrolla y analiza un conjunto de herramientas orientadas a evaluar la sensibilidad a la propagación de eventos SET en circuitos microelectrónicos. Se han propuesto varias métricas de propagación de SETs considerando el impacto de los enmascaramientos lógico, eléctrico y combinado lógico-eléctrico. Estas métricas proporcionan una vía de análisis para cuantificar tanto las regiones más susceptibles a propagar eventos SET como las salidas más susceptibles a recibirlos. Ha sido desarrollado un conjunto de algoritmos de búsqueda de caminos sensibilizables altamente adaptables a múltiples aplicaciones, un sistema lógico especifico y diversas técnicas de simplificación de circuitos. Se ha demostrado que el retardo de un camino dado depende de los vectores de sensibilización aplicados a las puertas que forman parte del mismo, siendo esta variación de retardo comparable a la atribuible a las variaciones paramétricas del proceso.Based on the challenges arising as a result of technology scaling, this thesis develops and evaluates a complete framework for SET propagation sensitivity. The framework comprises a number of processing tools capable of handling circuits with high complexity in an efficient way. Various SET propagation metrics have been proposed considering the impact of logic, electric and combined logic-electric masking. Such metrics provide a valuable vehicle to grade either in-circuit regions being more susceptible of propagating SETs toward the circuit outputs or circuit outputs more susceptible to produce SET. A quite efficient and customizable true path finding algorithm with a specific logic system has been constructed and its efficacy demonstrated on large benchmark circuits. It has been shown that the delay of a path depends on the sensitization vectors applied to the gates within the path. In some cases, this variation is comparable to the one caused by process parameters variation

Test estructural i predictiu per a circuits RF CMOS

En aquesta tesi s’ha desenvolupat una tècnica de test que permet testar un LNA i un mesclador, situats en el capçal RF d’un receptor CMOS, en una configuració de test semblant al mode normal de funcionament. La circuiteria necessària per a implementar aquesta tècnica consta d’un generador IF, per a generar el senyal IF de test, i d’un mesclador auxiliar, per a obtenir el senyal RF de test. Les observables de test escollides han estat l’amplitud de la tensió de sortida del mesclador i el component DC del corrent de consum. S’ha estudiat l’eficàcia de la tècnica de test proposada utilitzant les estratègies de test estructural i predictiu, mitjançant simulacions i mesures experimentals. La seva eficàcia és comparable a altres tècniques de test existents, però l’àrea addicional dedicada a la circuiteria test és inferior.En esta tesis se ha desarrollado una técnica de test que permite verificar un LNA y un mezclador, situados en el cabezal RF de un receptor CMOS, en una configuración de test similar al modo normal de funcionamiento. Los circuitos necesarios para implementar esta técnica son: un generador IF, que permite generar la señal IF de test, y un mezclador auxiliar, para obtener la señal RF de test. Las observables de test seleccionadas han sido la amplitud de la tensión de salida y la componente DC de la corriente de consumo. Se ha estudiado la eficacia de la técnica propuesta usando las estrategias de test estructural y predictiva, mediante simulaciones y medidas experimentales. Su eficacia es comparable a otras técnicas existentes, pero el área dedicada a la circuiteria de test es inferior.This PhD thesis develops a test technique intended for the RF front end of CMOS integrated receivers. This test technique allows testing individually the building blocks of the receiver in a sequential way. The test mode configuration of each block is similar to the normal mode operation. The auxiliary circuitry required to generate the test stimuli consists of an IF generator, which generates the IF test signal, and an auxiliary mixer that produces the RF test signal by mixing the IF test signal with the local oscillator signal. The test observables selected for the test are the voltage amplitude after the IF amplifier, and the DC component of the supply current in each block. The capability of the proposed test technique to perform structural and predictive test strategies has been validated by simulation and experimentally. Its efficiency is comparable to other existing techniques, but the silicon area overhead is lower

Complex networks approach to modeling online social systems. The emergence of computational social science

This thesis is devoted to quantitative description, analysis, and modeling of complex social systems in the form of online social networks. Statistical patterns of the systems under study are unveiled and interpreted using concepts and methods of network science, social network analysis, and data mining. A long-term promise of this research is that predicting the behavior of complex techno-social systems will be possible in a way similar to contemporary weather forecasting, using statistical inference and computational modeling based on the advancements in understanding and knowledge of techno-social systems. Although the subject of this study are humans, as opposed to atoms or molecules in statistical physics, the availability of extremely large datasets on human behavior permits the use of tools and techniques of statistical physics. This dissertation deals with large datasets from online social networks, measures statistical patterns of social behavior, and develops quantitative methods, models, and metrics for complex techno-social systemsLa presente tesis está dedicada a la descripción, análisis y modelado cuantitativo de sistemas complejos sociales en forma de redes sociales en internet. Mediante el uso de métodos y conceptos provenientes de ciencia de redes, análisis de redes sociales y minería de datos se descubren diferentes patrones estadísticos de los sistemas estudiados. Uno de los objetivos a largo plazo de esta línea de investigación consiste en hacer posible la predicción del comportamiento de sistemas complejos tecnológico-sociales, de un modo similar a la predicción meteorológica, usando inferencia estadística y modelado computacional basado en avances en el conocimiento de los sistemas tecnológico-sociales. A pesar de que el objeto del presente estudio son seres humanos, en lugar de los átomos o moléculas estudiados tradicionalmente en la física estadística, la disponibilidad de grandes bases de datos sobre comportamiento humano hace posible el uso de técnicas y métodos de física estadística. En el presente trabajo se utilizan grandes bases de datos provenientes de redes sociales en internet, se miden patrones estadísticos de comportamiento social, y se desarrollan métodos cuantitativos, modelos y métricas para el estudio de sistemas complejos tecnológico-sociales