Loss mechanisms and coherent control in integrated photonic networks

• Autores: Douglas Oña
• Directores de la Tesis: Iñigo Liberal Olleta (dir. tes.), Angel Ortega Gomez (codir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Pública de Navarra ( España ) en 2026
• Idioma: inglés
• Número de páginas: 109
• Tribunal Calificador de la Tesis: Philipp Del Hougne (presid.), Miguel Beruete Díaz (secret.), Iñigo Artundo Martínez (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Tecnologías de las Comunicaciones, Bioingeniería y de las Energías Renovables por la Universidad Pública de Navarra
• Materias:
  • Física
    • Óptica
      • Óptica física
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Academica-e
• Resumen
  • español

    La fotónica integrada se ha convertido en una tecnología clave para superar las limitaciones de rendimiento de los sistemas electrónicos y permitir la implementación de redes ópticas compactas, energéticamente eficientes y de alto rendimiento. En este contexto, esta tesis aborda tres aspectos fundamentales que influyen en el funcionamiento, la optimización y la escalabilidad de los sistemas fotónicos integrados: las perdidas radiativas en las Y-branches, la absorción perfecta coherente (CPA por sus siglas en ingles) en sistemas complejos y el diseño, la fabricación y la evaluación experimental de guías de onda basadas en materiales de índice cercano a cero (NZI por sus siglas en ingles). En primer lugar, se lleva a cabo un estudio exhaustivo de las Y-branches, identificando la radiación como el mecanismo de perdida dominante y cuantificando su dependencia de los parámetros geométricos. Además, se analiza su funcionalidad en configuraciones de tipo Wilkinson dentro de la fotónica integrada, revelando su potencial para implementar esquemas compactos y eficientes de división y combinación de potencia con aislamiento controlado. En segundo lugar, se investigan teóricamente las propiedades de los modos CPA en sistemas complejos. El análisis demuestra la existencia de canales ortogonales entre las señales de información y el ruido térmico asociado a los modos CPA, lo que permite la separación física entre ambos. Estos resultados abren la puerta a soluciones integradas para gestionar el ruido térmico y la disipación de calor sin comprometer la integridad de la señal. Por último, se diseñan, fabrican y caracterizan guías de onda basadas en celdas unitarias NZI de tipo cono de Dirac. Aunque se observan perdidas de inserción significativas en los experimentos realizados hasta el momento, los resultados proporcionan información valiosa sobre las limitaciones actuales de las guías de onda NZI y orientan las futuras mejoras en el diseño y la caracterización. En general, esta tesis proporciona resultados teóricos, numéricos y experimentales que arrojan luz sobre algunos mecanismos clave que rigen la perdida y la respuesta de diversos dispositivos y fenómenos físicos presentes en las redes fotónicas integradas, lo que representa un paso mas hacia el desarrollo de plataformas fotónicas optimizadas.

  • English

    Integrated photonics has become a key technology for overcoming the performance limitations of electronic systems and enabling the implementation of compact, energy-efficient, high-performance optical networks. In this context, this thesis addresses three fundamental aspects that influence the operation, optimization, and scalability of integrated photonic systems: radiative losses in Y-branches, coherent perfect absorption (CPA) in complex networks, and the design, fabrication, and experimental evaluation of waveguides based on near-zero index (NZI) materials. First, a comprehensive study of Y-branches is carried out, identifying radiation as the dominant loss mechanism and quantifying its dependence on geometric parameters. In addition, their functionality in Wilkinson-type configurations within integrated photonics is analyzed, revealing their potential for implementing compact and efficient power splitting and combining schemes with controlled isolation. Second, the properties of CPA modes in complex systems are investigated theoretically. The analysis demonstrates the existence of orthogonal channels between the information signals and the thermal noise associated with CPA modes, allowing for physical separation between the two. These results open the door to integrated solutions for managing termal noise and heat dissipation without compromising signal integrity. Finally, waveguides based on Dirac cone NZI unit cells are designed, fabricated, and characterized. Although significant insertion losses are observed in the experiments performed so far, the results provide valuable information on the current limitations of NZI waveguides and guide future improvements in design and characterization. Overall, this thesis provides theoretical, numerical, and experimental results that shed light on some key mechanisms governing loss and the response of various devices and physical phenomena present in integrated photonic networks, representing a further step toward the development of optimized photonic platforms.