[en] This thesis presents numerical and experimental investigations that validate the use of photonic systems as information processors. For that, the complex temporal dynamical properties of semiconductor lasers subject to delayed optical feedback and optical injection have been investigated. The first part of the thesis presents the experimental setup used for information processing. The different parts that form the time delay reservoir computer (TDRC) are explored by gradually investigating the contribution of different disturbances to the laser emission. A laser subjected to feedback, then injection, then feedback and injection, and lastly, also modulated injection. Graphs regarding the dynamics of the system are obtained utilizing equipment capable of high bandwidth RF and optical spectrum measurements. The second part of the thesis leverages the master-slave configuration present in our TDRC to generate system responses with speeds up to tens of gigahertz. The response bandwidth is increased by employing strong optical injection of the drive laser into reservoir one. This bandwidth enhancement is proved to speed up the photonic TDRC computation without sacrificing performance. It is proved firstly through numerical results, and later demonstrated experimentally. Two main conclusions are drawn from the study. First, a wider region of better performance is achieved for strong optical condition. This is important, since a robust operation of the TDRC as a processing system is critical for establishing this technique as a credible candidate for ultrafast analog signal processing. Second, a faster system response allows for faster information processing. A nonlinear transfer function that generates transient responses at tens of gigahertz speed is demonstrated for different tasks. Efficient data recovery in fiber transmission systems is demonstrated in the third part of the thesis. Photonic processing schemes (TDRC and extreme learning machines, ELM) are compared to digital ones (Kramers-Kronig receiver) for the post-processing after an experimental transmission link. For the ELM approach, an improvement on the data recovery performance is achieved in comparison to that of a digital one for certain optical signal-to-noise ratio (OSNR). The advantages and disadvantages of using hardware photonic systems for data recovery are also discussed. Alternative photonic processing architecture is presented in the last part of the thesis, where wavelength division multiplexing is used instead of the time-multiplexing technique in the TDRC approach. An experimental setup mimicking a tapped delay neural network is implemented experimentally and tested against digital to analog conversion and header recognition tasks. Altogether, the thesis presents results that highlight the future of photonics in the field of information processing. The ideas presented here have the potential to be used for commercial applications.

[es] Esta tesis presenta investigaciones numéricas y experimentales que validan el uso de sistemas fotónicos como procesadores de información. Para ello, se han investigado las complejas dinámicas temporales generadas por láseres de semiconductor sujetos a retroalimentación óptica retardada e inyección óptica. La primera parte de la tesis presenta la configuración experimental utilizada para el procesamiento de información. Se exploran las diferentes partes que conforman el sistema de reservorio con retardo temporal (en inglés TDRC, acrónimo de "time-delayed reservoir computing"), investigando cómo afecta cada una de ellas a la emisión láser. Primero, se somete el láser a retroalimentación óptica retardada, luego se estudia el efecto de la inyección, después se estudian los dos efectos de forma conjunta, y, finalmente, también se estudia el efecto de una inyección modulada. Estas investigaciones están apoyadas por gráficos que capturan las distintas dinámicas del sistema en espectro de radio frecuencia y espectro óptico con un gran ancho de banda. La segunda parte de la tesis aprovecha la configuración maestro-esclavo presente en nuestro TDRC para generar respuestas del sistema con velocidades de hasta decenas de gigahercios. Este incremento del ancho de banda se produce mediante un aumento de la intensidad óptica del láser de inyección (maestro) sobre el láser que forma el reservorio (esclavo). Se demuestra que este incremento del ancho de banda acelera la computación fotónica del TDRC sin sacrificar el rendimiento. Primero se demuestra de forma numérica y luego de forma experimental. Del estudio se desprenden, principalmente, dos conclusiones. La primera, que mediante una mayor intensidad óptica del láser de inyección se logra ampliar la región de mejor rendimiento del sistema. Esto es importante, ya que una operación robusta del TDRC como sistema de procesamiento es crucial para establecer esta técnica como una alternativa factible para el procesamiento de señales analógicas ultrarápidas. La segunda, que una respuesta más rápida del sistema permite un procesamiento de información más rápido. Se demuestra una función de transferencia no lineal que genera respuestas transitorias a velocidades de decenas de gigahercios, útil para diferentes tareas. La tercera parte de la tesis demuestra cómo recuperar de manera eficiente datos en sistemas de transmisión por fibra. Para ello, se comparan sistemas de procesamiento fotónico (TDRC, y máquinas de aprendizaje extremo ELM - por su acrónimo en inglés "extreme learning machine") con otros de procesamiento digital (receptor de Kramers-Kronig), en tareas de postprocesamiento tras una transmisión por fibra, haciendo uso de un enlace experimental. Usando el enfoque de ELM, y para ciertos valores de señal-ruido ópticos (OSNR, por su acrónimo en inglés "optical signal-to-noise ratio"), se logra una mejora en el rendimiento de la recuperación de datos en comparación con el sistema digital. También se discuten las ventajas e inconvenientes de utilizar sistemas fotónicos para la recuperación de datos. En la última parte de la tesis se presenta una arquitectura alternativa de procesamiento fotónico, donde se utiliza la multiplexación por división de longitud de onda en lugar de la técnica de multiplexación temporal del enfoque TDRC. Se implementa experimentalmente una configuración que imita una red neuronal de retardo a tramos (TDNN, por su acrónimo en inglés "tapped delay neural network") que se prueba en tareas de conversión digital-analógica y de reconocimiento de encabezado. En resumen, la tesis presenta resultados que destacan el futuro de la fotónica en el campo del procesamiento de información. Las ideas presentadas aquí tienen el potencial para ser utilizadas en aplicaciones comerciales.