Integrated Programmable Photonics for Unconventional Computing Applications

[ES] En los últimos años, el desarrollo de la fotónica integrada ha permitido la aparición de nuevas aplicaciones y dispositivos. En particular, la fotónica programable posibilita, dentro de un mismo hardware, modificar el estado de sus componentes básicos para guiar y procesar la luz mediante softw...

Descripción completa

Detalles Bibliográficos
Autor: Rausell-Campo, Jose Roberto|||0000-0002-6710-4766
Tipo de recurso: tesis doctoral
Fecha de publicación:2026
País:España
Institución:Universitat Politècnica de València (UPV)
Repositorio:RiuNet. Repositorio Institucional de la Universitat Politécnica de Valéncia
Idioma:inglés
OAI Identifier:oai:dnet:riunet______::1002c6b30949f7ff95742387400f2587
Acceso en línea:https://riunet.upv.es/handle/10251/235869
Access Level:acceso abierto
Palabra clave:Photonics
Photonic integrated circuit
Programmable photonics
Photonic computing
Photonic neural network
09.- Desarrollar infraestructuras resilientes, promover la industrialización inclusiva y sostenible, y fomentar la innovación
12.- Garantizar las pautas de consumo y de producción sostenibles
13.- Tomar medidas urgentes para combatir el cambio climático y sus efectos
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Pérez López, Daniel
Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Telecomunicación
Departamento de Comunicaciones
Instituto Universitario de Telecomunicación y Aplicaciones Multimedia
Repositorio Institucional de la Universitat Politècnica de València Riunet
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09.- Desarrollar infraestructuras resilientes, promover la industrialización inclusiva y sostenible, y fomentar la innovación
12.- Garantizar las pautas de consumo y de producción sostenibles
13.- Tomar medidas urgentes para combatir el cambio climático y sus efectos
description [ES] En los últimos años, el desarrollo de la fotónica integrada ha permitido la aparición de nuevas aplicaciones y dispositivos. En particular, la fotónica programable posibilita, dentro de un mismo hardware, modificar el estado de sus componentes básicos para guiar y procesar la luz mediante software bajo demanda. Los circuitos fotónicos programables han demostrado sus capacidades en campos como la fotónica de microondas, donde permiten la incorporación de filtros, etapas de retardo o generadores de señal en un único dispositivo. Otra de las áreas de interés para la fotónica programable es la multiplicación matricial, una operación computacionalmente exigente para los sistemas electrónicos, pero que puede implementarse directamente en sistemas fotónicos aprovechando las funciones de transferencia de sus dispositivos. Hasta la fecha, se han presentado en la literatura distintas configuraciones de sistemas fotónicos, tanto como soluciones independientes como constituyendo la base para aplicaciones más avanzadas, tales como redes neuronales fotónicas, computación cuántica o fotónica de microondas. A lo largo de este trabajo se ha demostrado, en primer lugar, la implementación de matrices en el dominio óptico a partir de una arquitectura crossbar basada en interferómetros de Mach-Zehnder y multiplexación por longitud de onda. Asimismo, se ha demostrado por primera vez la capacidad de los procesadores fotónicos programables de propósito general para implementar transformaciones unitarias. Posteriormente, utilizando esta capacidad, hemos introducido nuevos ámbitos de aplicación de la fotónica programable en el campo de la computación no convencional, como las redes neuronales, las máquinas de Ising y las máquinas de aprendizaje extremo. Finalmente, se ha mostrado cómo el uso de técnicas de redes neuronales permite mejorar la calibración y el control de estos dispositivos, aumentando su precisión, la cual se ve limitada por la naturaleza analógica de los sistemas.
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Los circuitos fotónicos programables han demostrado sus capacidades en campos como la fotónica de microondas, donde permiten la incorporación de filtros, etapas de retardo o generadores de señal en un único dispositivo. Otra de las áreas de interés para la fotónica programable es la multiplicación matricial, una operación computacionalmente exigente para los sistemas electrónicos, pero que puede implementarse directamente en sistemas fotónicos aprovechando las funciones de transferencia de sus dispositivos. Hasta la fecha, se han presentado en la literatura distintas configuraciones de sistemas fotónicos, tanto como soluciones independientes como constituyendo la base para aplicaciones más avanzadas, tales como redes neuronales fotónicas, computación cuántica o fotónica de microondas. A lo largo de este trabajo se ha demostrado, en primer lugar, la implementación de matrices en el dominio óptico a partir de una arquitectura crossbar basada en interferómetros de Mach-Zehnder y multiplexación por longitud de onda. Asimismo, se ha demostrado por primera vez la capacidad de los procesadores fotónicos programables de propósito general para implementar transformaciones unitarias. Posteriormente, utilizando esta capacidad, hemos introducido nuevos ámbitos de aplicación de la fotónica programable en el campo de la computación no convencional, como las redes neuronales, las máquinas de Ising y las máquinas de aprendizaje extremo. Finalmente, se ha mostrado cómo el uso de técnicas de redes neuronales permite mejorar la calibración y el control de estos dispositivos, aumentando su precisión, la cual se ve limitada por la naturaleza analógica de los sistemas.[EN] In recent years, the development of integrated photonics has enabled the emergence of new applications and devices. In particular, programmable photonics allows, within the same hardware, to modify the state of its basic components in order to guide and process light through software on demand. Programmable photonic circuits have demonstrated their capabilities in fields such as microwave photonics, where they enable the integration of filters, delay stages, or signal generators in a single device. Another area of interest for programmable photonics is matrix multiplication, a computationally demanding operation for electronic systems that can be directly implemented in photonic systems by exploiting the transfer functions of their devices. To date, different configurations of photonic systems have been presented in the literature, both as standalone solutions and as the foundation for more advanced applications, such as photonic neural networks, quantum computing, or microwave photonics. Throughout this work, we have first demonstrated the implementation of matrices in the optical domain using a crossbar architecture based on Mach-Zehnder interferometers and wavelength-division multiplexing. We have also demonstrated for the first time the ability of general-purpose programmable photonic processors to implement unitary transformations. Subsequently, leveraging this capability, we introduced new application domains of programmable photonics in the field of unconventional computing, such as neural networks, Ising machines, and extreme learning machines. Finally, we have shown how the use of neural network techniques can improve the calibration and control of these devices, enhancing their precision, which is limited by the analog nature of the systems.[CA] En els últims anys, el desenvolupament de la fotònica integrada ha permés l'aparició de noves aplicacions i dispositius. En particular, la fotònica programable possibilita, dins d'un mateix maquinari, modificar l'estat dels seus components bàsics per a guiar i processar la llum mitjançant programari a demanda. Els circuits fotònics programables han demostrat les seues capacitats en camps com la fotònica de microones, on permeten la incorporació de filtres, etapes de retard o generadors de senyal en un únic dispositiu. Una altra de les àrees d'interés per a la fotònica programable és la multiplicació matricial, una operació computacionalment exigent per als sistemas electrònics, però que pot implementar-se directament en sistemes fotònics aprofitant les funcions de transferència dels seus dispositius. Fins ara, s'han presentat en la literatura diferents configuracions de sistemes fotònics, tant com a solucions independents com constituint la base per a aplicacions més avançades, com ara les xarxes neuronals fotòniques, la computació quàntica o la fotònica de microones. Al llarg d'aquest treball s'ha demostrat, en primer lloc, la implementació de matrius en el domini òptic a partir d'una arquitectura crossbar basada en interferòmetres de Mach-Zehnder i multiplexació per longitud d'ona. Així mateix, s'ha demostrat per primera vegada la capacitat dels processadors fotònics programables de propòsit general per a implementar transformacions unitàries. Posteriorment, utilitzant aquesta capacitat, hem introduït nous àmbits d'aplicació de la fotònica programable en el camp de la computació no convencional, com ara les xarxes neuronals, les màquines d'Ising i les màquines d'aprenentatge extrem. Finalment, s'ha mostrat com l'ús de tècniques de xarxes neuronals permet millorar la calibració i el control d'aquests dispositius, augmentant la seua precisió, la qual es veu limitada per la naturalesa analògica dels sistemes.Capmany Francoy, JoséPérez López, DanielEscuela Técnica Superior de Ingeniería de TelecomunicaciónDepartamento de ComunicacionesInstituto Universitario de Telecomunicación y Aplicaciones MultimediaRepositorio Institucional de la Universitat Politècnica de València Riunet20262026-06-0520262026-04-07doctoral thesishttp://purl.org/coar/resource_type/c_db06AMhttp://purl.org/coar/version/c_ab4af688f83e57aainfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfapplication/pdfapplication/pdfhttps://riunet.upv.es/handle/10251/235869reponame:RiuNet. 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