Since its discovery in 2004, graphene, a one-atom-thick layer of carbon atoms arranged in a hexagonal lattice, has attracted huge interest from the scientific community due to its extraordinary electronic, mechanical, and optical properties. While most of the earliest studies focused on electronic transport, in recent years the fields of graphene photonics and optoelectronics have thriven. The goal of this thesis is to explore the use of graphene for novel optoelectronic devices, adopting different approaches to enhance the electrically tunable graphene-light interaction in a broad spectral range, from the visible to the mid-infrared. This includes investigating the sub-wavelength interaction and energy transfer between a dipole and a graphene sheet, as well as working on efficient photodetection schemes. Indeed graphene high electronic mobility, broadband absorption, flexibility and tunable optoelectronic properties (described in Chapter 1) make it extremely appealing for the development of optoelectronic applications with new functionalities. Concerning the devices, the starting point of the experiments presented in the thesis are graphene field effect transistors of different geometries, whose fabrication and characterization techniques are described in Chapter 2. The tunability of the optoelectronic properties via control over the Fermi energy is an essential feature of the fabricated devices. The change in the Fermi level is achieved applying a voltage to a back-gate or a polymer electrolyte top-gate. We address both aspects at the core of optoelectronics, i.e. the control of optical properties with electric fields and the modification of electrical quantities, such as current, with light. Therefore the first part of the thesis (comprising Chapter 3, 4 and 5) is devoted to graphene nanophotonics and plasmonics, while the second part deals with graphene-based photodetection (Chapter 6, 7, 8 and 9). In Chapter 3, the main concepts at the basis of graphene nanophotonics are presented, such as the electrical tunability and the strong field confinement of the 2D plasmons, as well as the coupling of an optical emitter to graphene plasmons or electron-hole pair excitations. Then we present two experiments showing the control of light by means of static electric fields. In Chapter 4 we show the electrical control of the relaxation pathways of erbium ions in close proximity to a graphene sheet: the energy flow from the emitters is tuned to electron-hole pairs in graphene, to free space photons and to plasmons by changing the graphene Fermi level. In Chapter 5 we present the real-space imaging and tuning of highly confined graphene plasmons in the mid-infrared, launched by the dipole of a metallized s-SNOM tip (Chapter 5). In this case modifying the graphene Fermi level leads to a change in the plasmon wavelength. In Chapter 6 we review existing schemes for graphene photodetectors and the main mechanisms enabling photodetection with graphene, with particular emphasis toward the photothermoelectric effect. Then we present three cases where graphene photoresponse is enhanced exploiting the interaction with surrounding materials. A hybrid graphene-quantum dot photodetector in the visible and near-infrared is reported in Chapter 7: a photogating effect after light absorption in the quantum dots leads to extremely high responsivities (over one million A/W). In Chapter 8 we demonstrate how the excitation of bulk phonons of a polar substrate enhances the mid-infrared photocurrent via a photothermoelectric effect. Also substrate surface phonons, launched by illuminating a metal edge with light polarized perpendicularly to it, lead to an increase in the photoresponse, as described in Chapter 9. The results presented in this thesis open new avenues in the field of graphene-based optoelectronics for active nano-photonics and sensing. / Desde su descubrimiento en 2004, el grafeno, una sola capa átomos de carbono en un retículo hexagonal, ha atraído un gran interés de la comunidad científica debido a sus propiedades electrónicas, mecánicas y ópticas extraordinarias. Los primeros estudios se centraron en el transporte electrónico, pero en los últimos años estudios en el campo de la fotónica y de las propiedades optoelectrónicas del grafeno han suscitado un mayor interés. El objetivo de esta tesis es explorar el uso del grafeno para nuevos dispositivos optoelectrónicos, adoptando diferentes enfoques para mejorar la interacción del grafeno con la luz en un amplio rango espectral, desde el rango visible hasta el infrarrojo medio. Esto incluye la investigación de la interacción y la transferencia de energía entre un dipolo y una monocapa de grafeno cercana, así como trabajar en esquemas de fotodetección eficientes. La alta movilidad electrónica, la absorción de banda ancha, la flexibilidad y las propiedades optoelectrónicas sintonizables (véase Capítulo 1) hacen que el grafeno sea extremadamente atractivo para el desarrollo de aplicaciones optoelectrónicas con nuevas propiedades funcionalidades. En cuanto a los dispositivos, el punto de partida de los experimentos presentados en esta tesis son transistores de efecto de campo con diferentes geometrías, cuya fabricación y técnicas de caracterización se describen en el Capítulo 2. La capacidad de ajuste de las propiedades optoelectrónicas a través del control de la energía de Fermi es una característica esencial de los dispositivos, y se logra con la aplicación de un voltaje de puerta. Nos dirigimos a ambos aspectos a la base de la optoelectrónica, es decir, el control de las propiedades ópticas con campos eléctricos y la modificación de magnitudes eléctricas, como la corriente con la luz incidente. Por tanto, la primera parte de la tesis (Capítulos 3, 4 y 5) se dedica al estudio de la nanofotónica y plasmónica del grafeno, mientras que la segunda parte se ocupa de fotodetección basada en grafeno (Capítulos 6, 7, 8 y 9). En el Capítulo 3, se explican los principales conceptos del campo de la nanofotónica de grafeno, como la capacidad de ajuste eléctrico y el fuerte confinamiento de los plasmones 2D, así como el acoplamiento de un emisor óptico con los plasmones o pares electrón-hueco. Luego se presentan dos experimentos que muestran el control de la luz por medio de campos eléctricos estáticos. En el Capítulo 4 se muestra el control eléctrico de las vías de relajación de iones de erbio en las proximidades de una monocapa de grafeno: el flujo de energía a partir de los emisores se puede dirigir a pares electrón-hueco en el grafeno, a fotones y a plasmones cambiando el nivel de Fermi del grafeno. En el Capítulo 5 se presenta la excitación y el ajuste de plasmones de grafeno altamente confinados en el infrarrojo medio, activado mediante el dipolo de una punta de microscopia de campo cercano (Capítulo 5). En el Capítulo 6 se revisan los fotodetectores de grafeno existentes y los principales mecanismos que permitan fotodetección con grafeno. A continuación se presentan tres casos donde la fotorrespuesta del grafeno se mejora con la explotación de la interacción con los materiales circundantes. Un fototransistor híbrido de grafeno y puntos cuánticos (véase Capitulo 7) llega a responsividad extremadamente alta en el visible y infrarrojo cercano (más de un millón de A/W). En el Capítulo 8 se demuestra cómo la excitación de fonones de bulk de un sustrato polar aumenta la fotocorriente en el infrarrojo medio a través de un efecto fototermoeléctrico. También fonones superficie del sustrato, lanzados por la iluminación de un borde de metal con luz polarizada perpendicularmente, conducen a un aumento en la fotorrespuesta (Capítulo 9). Los resultados presentados en esta tesis abren nuevos caminos en el campo de la optoelectrónica basada en el grafeno en el campo de la nano-fotónica activa y de los sensores

Error de paginació al capítol 5 / The nonlocal correlations of entangled systems are a feature inherent to quantum theory that is fundamentally at odds with our common-sense notions of realism and locality. Additionally, entanglement is an essential resource for numerous quantum communication protocols such as quantum teleportation and quantum dense coding, quantum cryptography, as well as quantum-enhanced metrological schemes and quantum computation. These quantum schemes allow for significant gains in performance over their classical counterparts, and a commercial implementation of protocols utilizing entangled photons thus seems likely in the foreseeable future. A key challenge to be addressed, in order to achieve a global-scale implementation of quantum-enhanced protocols, is the distribution of entanglement over long distances. While photons are in many ways ideal carriers of quantum information, their distribution over long distances is significantly impeded by losses. At present, loss in optical fiber links or atmospheric attenuation and obstructions of the line of sight in terrestrial free-space links limit the distribution of photonic entanglement to several hundred kilometers. Installing sources of photons with quantum correlations on space platforms would allow such distance limitations to be overcome. This would not only lead to the first global-scale implementation of quantum communication protocols, but would also create the opportunity for a completely new class of quantum experiments in a general relativistic framework. State-of-the-art laboratory sources of entangled photons are generally ill-suited for applications in harsh environments such as space, either owing to the use of bulky lasers, the requirement for active interferometric stabilization, or insufficient photon-pair-generation efficiency. Thus, an integral milestone for the experimental implementation of quantum communication protocols over satellite links is the development of robust, space-proof sources of entangled photons with high brightness and entanglement visibility. This thesis is intended to bridge laboratory experiments and real-world applications of quantum entanglement in harsh operational conditions. To this end, the main results of this thesis are: Highly efficient sources of polarization-entangled photons for the distribution of entanglement via long-distance free-space links. The sources are very robust and compact, and incorporate only components which are compliant with the severe requirements of space flight and operation. Optimization of spectral properties and fiber-coupling efficiency of photon pairs generated via spontaneous parametric down-conversion in bulk periodically poled potassium titanyl phosphate. The results of these studies are of great practical relevance for the development of an ultra-stable and efficient entangled photon source. Engineering and characterization of field-deployable polarization-entangled photon sources with high visibility (>99%) and record pair-detection rates (>3 million detected pairs per mW of pump power). As a result of the performance demonstrated, the sources developed have been incorporated into ongoing experiments, for example in quantum nanophotonics and quantum communications, and will provide an enabling tool for future real-world applications. / Las correlaciones no locales de sistemas entrelazados son una característica inherente a la teoría cuántica que está fundamentalmente en desacuerdo con nuestra noción intuitiva de realismo y localidad. Además, el entrelazamiento es un recurso esencial en numerosos protocolos de comunicaciones cuánticas, como por ejemplo la teleportación cuántica o la criptografía cuántica, en esquemas metrológicos cuánticos y en computación cuántica. Todos estos esquemas cuánticos permiten mejoras significativas de rendimiento con respecto a sus homólogos clásicos, por lo tanto, parece previsible que en un futuro próximo veamos implementaciones comerciales de protocolos que utilicen fotones entrelazados. Un reto fundamental con el fin de lograr una implementación a escala global del entrelazamiento cuántico es su distribución a grandes distancias. A pesar de que los fotones son portadores ideales de información cuántica, su distribución a través de largas distancias está significativamente limitada por pérdidas. En la actualidad, las pérdidas introducidas por las fibras ópticas, la atenuación atmosférica, o la dificultad de obtener una línea de visión directa en enlaces terrestres limitan la distribución de entrelazamiento fotónico a varios cientos de kilómetros. La instalación de fuentes de fotones con correlaciones cuánticas en plataformas espaciales permitiría superar tales limitaciones de distancia. Esto no sólo daría lugar a la primera aplicación de protocolos de comunicación cuántica a escala mundial, sino que también daría la oportunidad de llevar a cabo un nuevo tipo de experimentos cuánticos en un marco de la relatividad general. Las fuentes de fotones entrelazados que podemos encontrar hoy en día en los laboratorios de óptica cuántica no están en general preparadas para ser usadas en entornos hostiles, como podría ser el espacio, ya sea por la utilización de láseres voluminosos, la necesidad de estabilizar interferómetros activamente o simplemente por tener una eficiencia insuficiente. Por lo tanto, un prerrequisito para lograr la implementación experimental de protocolos de comunicación cuántica a través de enlaces satelitales es el desarrollo de fuentes de fotones entrelazados que sean robustas, compatibles con operación espacial, y con alto brillo y visibilidad. En esta tesis se pretende conectar los experimentos de laboratorio en entrelazamiento cuántico y las aplicaciones en entornos operacionales desfavorables en el mundo real. Los principales resultados son: ¿ Fuentes de fotones entrelazados en polarización de alta eficiencia para la distribución de entrelazamiento a través de enlaces en espacio libre de larga distancia. Las fuentes son muy robustas y compactas, y utilizan únicamente componentes que son compatibles con estrictos requisitos de vuelo y operaciones espaciales. - Optimización de las propiedades espectrales y la eficiencia de acoplamiento a fibra monomodo de pares de fotones generados a través de spontaneous parametric down-conversion en titanil fosfato de potasio polarizado periódicamente. Los resultados de estos estudios son de gran importancia para el desarrollo de una fuente de fotones entrelazados ultra-estable y eficiente. - Desarrollo y caracterización de fuentes de fotones entrelazados en polarización con alta visibilidad (> 99%) y alto brillo (> 3 millones de pares detectados por mW de potencia de bombeo). Como resultado del rendimiento obtenido, las fuentes desarrolladas en esta tesis ya están siendo utilizadas en experimentos en curso, como por ejemplo en nanofotónica cuántica y en comunicaciones cuánticas, y serán un elemento esencial en futuras aplicaciones.

El camp de l'òptica integrada es presenta com un dels mes prometedors a curt-mig plaç degut als clars avantatges que presenta amb respecte de l'electrònica tradicional. El fet d'utilitzar la llum com a medi vehicular, la qual no es veu afectada per les possibles pertorbacions electromagnètiques, entre altres propietats, fan que aquest camp sigui una de les sortides mes viables als greus problemes de congestió de les vies de telecomunicacions que es preveuen en un futur proper. Per altra part, l'ús de l'òptica integrada per a la realització de sensors ofereix unes prestacions superiors a la majoria de transductors actuals: La resistència a condicions hostils, la mesura sense contacte directe i la seguretat en ambients perillosos, fan que aquests siguin de gran interès pel mon industrial.Dels diferents materials aptes per a la realització de components òptics integrats, únicament el silici, amb l'ampli bagatge de processos altament desenvolupats, derivats de la micromecanització i la microelectrònica, permet la fabricació de grans sèries a preus reduïts. Tot i que les propietats òptiques d'aquest element son limitades, la seva abundància, baix preu, elevada puresa, estabilitat química i rigidesa mecànica, fan d'aquest el substrat ideal per a la realització d'estructures híbrides, on les diferents funcions, òptiques i electròniques es combinen sobre el silici, utilitzant tècniques de muntatge superficial amb interconnexió òptica, a través de guies d'ona, dels diferents elements.El confinament òptic amb estructures ARROW es basa en la reflexió total interna a l'interfase amb l'aire i l'elevada reflectivitat que provoquen les capes subjacents al nucli. L'índex de refracció i el gruix d'aquestes capes es sintonitza de manera que el mode fonamental presenti un mínim de pèrdues, mentre que els modes superiors pateixen una elevada atenuació. D'aquesta manera, és possible obtenir guies d'ona monomode amb tamany similar a la fibra òptica, encarregades d'injectar la llum, minimitzant les pèrdues d'inserció. Aquesta propietat fa que aquest tipus de guies siguin les candidates òptimes per a la fabricació de transductors òptics, els quals es basen en la idea que qualsevol alteració d'una propietat física o química produïda a un medi pot detectar-se a partir del canvi que produeix a las característiques de propagació de la llum a través d'ell.En aquest treball s'han desenvolupat les eines necessàries per a la caracterització dels transductors òptics integrats: s'ha posat a punt els programes de simulació de diferències finites amb xarxa no-uniforme (NU-FDM) i el Mètode de propagació del feix (BPM), que permeten analitzar el comportament tridimensional de tota l'estructura. La tecnologia de Sala Blanca ha estat acondicionada per tal d'aconseguir els requeriments que necessitava l'Òptica Integrada. A aquest fet, l'obtenció de capes per PECVD amb diferents índexs de refracció, així com l'optimització de les tècniques de gravat RIE, han permès realitzar tota una sèrie de transductors òptics amb unes característiques notables. Les guies d'ona han estat mesurades en potència i longitud d'ona. Així, s'ha pogut comprovar com la configuració ARROW es trobava ben sintonitzada, a la longitud d'ona de treball (633nm) tant en gruix com en índex de refracció, validant la tecnologia emprada.Gràcies als punts anteriors, s'han pogut realitzar tres tipus de transductors. El primer d'ells consisteix en un interferòmetre Mach-Zehnder (MZI), el qual basa el seu principi de funcionament en la modificació del camí òptic a una de les seves branques, obtenint un patró interferomètric. A partir d'aquest, és possible determinar la variació en la part real de l'índex de refracció. El segon transductor es basa en la modificació de la part imaginaria de l'índex de refracció. Entremig de dues guies es situa una membrana selectiva, la qual té com a característica principal la modificació de la seva transmissió, a una certa longitud d'ona, a mesura que absorbeix un determinat ió. A partir de l'atenuació mesurada al final del dispositiu, és possible conèixer la quantitat d'ions absorbits. Finalment, el tercer transductor es basa en l'obstrucció del camí òptic amb un material absorbent mòbil. La posició d'aquest absorbent ha estat dissenyada per variar amb l'acceleració, obtenint un accelerómetre òptic. / Integrated optics is one of the most interesting research fields in the short-mid term due to the clear advantages that it has as compared to the traditional electronics. Using light as the carrier of information, which is unaffected to electromagnetic perturbations, cause this field to be one of the most viable solutions concerning the telecommunications bottleneck. In addition, the application of integrated optics in the sensor field offers a better response as compared to the transducers used nowadays: Its capability to resist harsh environments, the measurement without direct contact and the safety in explosive media cause this to be of huge interest for the industry.Between the different materials available to be used for integrated optics, only silicon, with the great knowledge of their technological aspects, allows the mass low-cost fabrication. Although its limited optical properties, its abundance, high purity, chemical stability and mechanical stiffness cause it to be ideal for hybrid integration, where the optical an electrical parts of the device are combined on silicon, using surface mounting techniques and with optical interconnection, using waveguides, between them.The optical confinement with ARROW structures is based on the total internal reflection at the upper interface and the ultra-high reflectivity that cause the layers beneath the core. The refractive index and the thickness of these layers is tuned in such a way that the lowest order mode has a minimum of losses, while the rest of the modes suffer from high attenuation. Then, it is possible to obtain single mode waveguides with core thickness comparable to the single-moded fiber optics, minimizing the insertion losses. Then, these waveguides seem to be the most promising candidates for the fabrication of optical transducers, which are based on the idea that any variation of a physical or chemical property caused to a media can be detected form a the change that is produced on the light path across it.In this thesis it has been developed the necessary tools to characterize the integrated optical transducers: It has been implemented the simulation programs based on non-uniform finite-difference method (NU-FDM) and the Beam propagation method (BPM), that allows analyzing the 3D behavior of any structure. The technological steps have been arranged so as to meet the integrated optics requirements. Concretely, the deposition of PECVD layers with different refractive index, together with the optimization of the RIE process, has allowed obtaining several optical transducers with excellent properties. Their waveguides have measured, both in power and in wavelength, showing that the ARROW structure was tuned in according to specifications.With the basis of the waveguides, it has been possible to define three different optical transducers: A Mach-Zehnder Interferometer, an absorption sensor and an optical accelerometer.

Al llarg de la tesis, diversos elements òptics i fluidics s’han aconseguit integrar en sistemes optofluidics completament funcionals. La integració d’aquests s’ha realitzat fent servir la tècnica de soft-lithography i el PDMS com material constituent per garantir el baix cost i la felxibilitat dels sistemes LOC. Els elements desenvolupats s’han caracteritzat individualment i els LOCs s’han testat i caracteritzat com a eines per a l’analisis bioquímic per sobrepassar problemes actuals. Es resalta el diseny, optimització, fabricació i caracterització dels elements optics individuals. Els elements òptics es divideixen en dos grups, passius i actius. Els passius són aquells que no necessiten cap font d’energia externa per funcionar. Primerament, els més simples, i.e., lents col·limadores i estructures d’autoalineament, necessàries per crear estructures més complexes. Aquests elements s’havien publicat prèviament, però l’optimització feta així com el desenvolupament d’estructures auxiliars tot fabricat utilitzant la mateixa tecnologia i sense augmentar el passos necessaris doten els elements d’una gran robustesa i ens permeten crear estructures més complexes. Miralls d’aire i lents s’han combinat per formar divisors de feix. El principal problema dels divisors de feix és la desviació entre la intensitat als canals de sortida. Aquest problema indica que pot haver-hi un desalineament en la posició de les fibres, les lents col·limadores o els miralls d’aire. Utilitzant variacions de la tecnologia MIMIC un nou element òptic passiu s’ha dissenyat, fabricat i caracteritzat. PDMS dopat amb 3 pigments diferents s’ha utilitzat per crear filtres amb stopbands al llarg de l’espectr visible. Finalment, un element actiu, un emissor integrat, s’ha redissenyat utilitzant software de simulació òptica. Els resultats suggereixen que hi ha volums morts dins l’estructura i per tant, es proposa una reducció de tamany i un canvi de forma. La integració de molts d’aquests elements més alguns de fluídics es detalla. Primerament, connectors entre mòduls es dissenyen i testegen. L’emissor redissenyat es manufactura i caracteritza. El seu comportament concorda amb les simulacions i suggereig que encara es podria rediu més el volum. Tots els mòduls es fabriquen de dues repliques de PDMS. Cada mòdul és elàstic i pot ser connectat amb els altres en qualsevol substrat, les connexions entre mòduls no són permanents i es poden fer i desfer sense cap coneixement previ sobre microfluidica o LOC. Per tant, el sistema modular té prou flexibilitat per crear LOC a la carta a investigadors sense els coneixements necessaris per crear-los des de zero. Per provar-ho diversos mòduls s’han unit i utilitzat per determinar la concentració de Cristall violeta. Les lents col·limadores ja reportades s’han integrat monolíticament en un generador de microgotes monodisperses. S’han proposat dues configuracions òptiques per possibilitar les mesures en fluorescència i absorbància de les microgotes. Ambdues s’han testejat i comparat amb el set up previ demostrant resultats equiparables. A més, les configuracions proposades poden detectar gotes no etiquetades, una fet que no era possible amb el set up previ, amb la mateixa precisió i fiabilitat. Malgrat tot, degut a les nostres lents col·limadores i els equips de lectura, la velocitat de detecció de gotes està limitada a 160 gotes/s. Finalment, la determinació del medi interior de la gota s’ha demostrat experimentalment per primer cop en un sistema optofluidic. Finalment, s’ha contruit un FCOR comapcte i integrables utilitzant tècniques de soft-lithography i utilitzant únicament PDMS i aire per assegurar baix cost i robustesa. S’han utilitzat phaseguides per crear un FCOR amb un mirall mòbil sense parts mòbils. Aquest LOC és repetitiu i té una llarga durabilitat (no s’aprecia degradació o baixada de rendiment en tot l’espectre visible durant setmanes). Per últim, FCOR s’ha integrat amb dos LOC reportats amb anterioritat per fer mesures en paral·lel de glucosa i lactat amb una única font de llum. Un cop calibrat el sistema, el FCOR permet la mesura de glucosa i lactat amb coherència amb resultats previs. Validant, per tant, el FCOR per anàlisis en paral·lel. / Along the thesis, several optics and fluidics elements are succesfully integrated in fully functional optouidic systems. Integration of these elements using soft-lithography fabrication technique and PDMS as constituent material ensures low-cost, disposable and flexible LOCs systems. Developed elements are individually characterized and LOCs are characterized and tested as (bio)chemical tools to overcome unsolved issues of the present state of the art in LOC applications. Design, optimization, fabrication and characterization of individual optical elements is outlined. Optical elements have been divided in two categories, passive and active elements. Passive elements are those which do not require an energy source to work. Firstly, the most simple elements, i.e., collimation lenses and self-alignment structures, necessary to create more complex structures. Such elements usually were published previously, but our development and optimization of elements as well as auxiliary structures, e.g., stoppers and self-alignment channels, built using a single technology with no increase of fabrication steps, provide a robust approach to create more complex structures. Air mirrors and lenses are combined to create beam splitters. The major issue of the BS is the deviation of output power between channels. This result suggests that some misalignment in the fibre position, the lens collimation or the waveguide geometry has occurred. Using developed MIMIC variations a new passive optical element are designed, fabricated and characterized. PDMS doped with three different pigments are used to create filters with stopbands along the whole visible spectrum. Finally, an active element, an integrated emitter, is redesigned using TracePro simulation software. Simulation results suggest there are dead volumes inside the emitter chamber. Then, size reduction and shape change is proposed. Integration of many of the these optical plus some fluidic elements is explained. Firstly, different connectors between modules are designed and tested. The previously redesigned integrated emitter are manufactured and characterized. Its behaviour matches with simulations results and suggest a further size reduction is not only possible but also recommendable. All the modules are fabricated from two PDMS replicas. Each module is elastic and can be assembled with other modules in any substrate, modules connections are not permanent and can be plug and unplug with no previous knowledge in microfluidics or LOC. Hence, presented modular system have enough flexibility to create LOC on demand to researchers without the background required to design and manufacture LOC systems from scratch. In order to prove it several modules are tested together in a crystal violet concentration determination. Previously reported collimation lenses are monolithically integrated in a monodisperse microdroplets generator. Two different optical configurations have been proposed in order to make possible fluorescence and absorbance measurement of droplets. Both are tested and compared to previous set up with equivalent results. In addition, proposed configurations can detect unlabelled droplets, a feature that was not possible with the previous set up, with the same precision and reliability. However, due to our collimation lenses and readout equipment, the droplet generation rate is limited to 160 drops/s. Finally, screening of droplet inner medium is experimentally proved for first time in optofluidic system. Afterwards, a compact and integrable fluidically controlled optical router (FCOR) is build using soft-lithographic techniques and made entirely of PDMS and air ensuring low-cost and robustness. Phaseguides, has been exploited to create a FCOR with a movable mirror without mobile parts. The LOC is repetitive, and has a good durability (non appreciable degradation or performance deterioration for weeks, in the whole visible spectrum). Finally, FCOR is integrated in a previously reported LOC performing parallel measurements of glucose and lactate with a single light source. After setup calibration, the FCOR allows parallel measurement of glucose and lactate showing good agreement with previous results. Validating then, the FCOR for parallel analysis.

El interés y la originalidad del trabajo científico de esta tesis se centra en el crecimiento cristalino, el análisis composicional, estructural, morfológico y óptico de la fase monoclínica de los tungstatos dobles que responden a la fórmula K(RE3+)(WO4)2, donde RE3+ denota iones como Y3+, Gd3+, Yb3+, Er3+ y Lu3+. Estos materiales cristalinos se han estudiado sin dopar y dopados con iones Yb3+ y Er3+ para la generación de radiación láser. La obtención de la fase monoclínica de estos tungstatos dobles se ha realizado mediante el método de crecimiento a partir de solución a alta temperatura Top-Seeded Solution Growth (TSSG) utilizando como solvente el pirotungstato de potasio, K2W2O7, debido a las ventajas que ofrece respecto otros solventes. Se han obtenido monocristales con una muy buena calidad óptica y de tamaño adecuado para su posterior caracterización tanto química como física. La caracterización óptica de estos materiales ha sido la parte más extendida en el trabajo y se ha centrado, por una parte, en la matriz (tungstatos dobles sin dopar) y por otra parte en los iones activos generadores de radiación láser. En cuanto a la matriz se ha llevado a cabo la determinación del rango espectral de transparencia óptica (el cual se extiende entre 0.32 y 5.4 micrómetros), la orientación de los ejes principales ópticos respecto a los ejes cristalográficos y en la medida de los índices de refracción a lo largo de las tres direcciones principales ópticas y para un rango de longitudes de onda que se extiende desde los 450 nm hasta los 1500 nm (índice de refracción alrededor de 2).Por otra parte la caracterización óptica de los iones activos se ha centrado en la espectroscopia del yterbio y del erbio y en los experimentos de laseado realizados sobre los iones yterbio. La espectroscopia concierne, en primer lugar, a la absorción óptica polarizada de los dos iones a temperatura ambiente y a temperaturas criogénicas, 6 K (es destacable el valor del coeficiente de absorción del yterbio, que deriva en una longitud de absorción de tansolo 13.3 micrómetros para el caso del KYb(WO4)2 y en una elevada sección eficaz de emisión del orden de 14x10-20 cm2 a una longitud de onda de 980 nm para la polarización etiquetada como Nm). Dicha longitud de absorción permite pensar en la posibilidad de láseres de disco fino (Thin disk lasers) y guías de onda, y debido a la elevada sección eficaz de absorción, se ha utilizado este ión como sensibilizador de las emisiones del erbio. Además, el rango de longitudes de onda de absorción del yterbio permite la posibilidad de excitación mediante diodo con las ventajas que ello supone. En segundo lugar, la espectroscopia concierne a la luminiscencia de dichos iones desde el punto de vista de la emisión óptica también a temperatura ambiente y bajas temperaturas y a la medida de vidas medias. La emisión del yterbio también destaca por su anchura de las líneas de emisión, muy interesantes para la generación de láser pulsados en régimen de pico- y femtosegundos. Las emisiones del erbio que se han estudiado con mayor profundidad han sido las emisiones con máximo de intensidad a 1530 nm y a 550 nm.La generación de radiación láser a partir de iones yterbio se ha realizado en modo continuo para el caso de KLu(WO4)2 dopado con yterbio y en modo pulsado (Quasi-CW) para el caso en que el ión activo no está presente en cantidades dopantes en la estructura sino substituyendo totalmente a la tierra rara (RE), el KYb(WO4)2. La excitación del yterbio se ha realizado mediante un láser de titanio-zafiro y mediante diodo. / The interest and originality of the scientific work of this thesis focuse on the crystal growth, the compositional, structural, morphologycal and optical analysis of the monoclinic phase of the double tungstates K(RE3+)(WO4)2, where RE3+ denotes ions like Y3+, Gd3+, Yb3+, Er3+ and Lu3+. These crystalline materials have been studied without doping and doped with Yb3+ and Er3+ ions for the generation of laser radiation. The obtention of the monoclinic phase of these double tungstates has been realized by means of the Top-Seeded Solution Growth (TSSG) method using the potassium pyrotungstate, K2W2O7, as solvent. This was due to the advantages that it offers in front of other solvents. Single crystals with very high optical quality and suitable size for later chemical and physical characterizations have been obtained. The optical characterization of these materials has been the most extended part of this work and focused, on the one hand, on the host (double tungstates without doping) and, on the other hand, on the active ions. Concerning the host, the determination of the optical spectral range of transparency (that extends from 0.32 to 5.1 micrometers), the orientation of the principal optical axes with respect to the crystallographic axes and the measurement of the refractive indices along the three principal optical directions and for a wavelength range from 450 nm to 1500 nm (refractive index around 2) have been determined.On the other hand, the optical characterization of the active ions focused on the ytterbium and erbium spectroscopy and the laser experiments realized on ytterbium ions. The spectroscopy concerns, in first place, in the polarized optical absorption of the two ions at room temperature and cryogenic temperature, 6 K (it is remarkable the absorption coefficient of ytterbium, that derived in an absorption length of only 13.3 micrometers for the case of KYb(WO4)2, and in a very high absorption cross-section of 14x10-20 cm2 at 980 nm for the polarization labelled Nm). This absorption length allows think in the possibility of Thin-Disk laser designs and waveguides, and due to the high absorption cross-section, this ion has been used as sensitizer of the erbium emissions. Moreover, the range of absorption wavelength for ytterbium allows the possibility of exciting by means of diode. In second place, the spectroscopy involved the luminescence of these ions under the point of view of the optical emission also at room temperature and low temperature and the measurement of the lifetime. The emission of ytterbium is interesting also for the broadening of the emission lines, that is very interesting for the generation of laser pulses in the pico- and femtosecond regimes. The erbium emissions that have been studied deeper have been the 1530 and 550 nm emissions.The generation of laser radiation from ytterbium ions has been realized in continuous-wave mode for the case of KLu(WO4)2 doped with ytterbium and in pulsed mode (Quasi-CW) for the case of KYb(WO4)2. Ytterbium ions have been excited by means of a Titanium-Sapphire laser and a diode.

El fenomen de la refracció cònica en cristalls biaxials és conegut des del 1832, quan William Hamilton va predir matemàticament que un feix de llum idealment col·limat travessant un cristall biaxial paral·lelament a un dels eixos òptics del cristall, es refracta com un conus asimètric i emergeix del cristall com un cilindre de llum, la secció transversal del qual forma un anell de llum. La posterior observació del fenomen només uns mesos després per part de Humphrey Lloyd, va convertir la refracció cònica en un dels primers fenòmens observats després de la seva predicció, així com va donar el triomf de la teoria ondulatòria de la llum sobre la teoria corpuscular. A finals dels anys 70 del segle passat, Belsky i Khapalyuk van presentar la formulació difractiva del fenomen per a feixos amb simetria cil·líndrica, la qual va estar re-formulada per Berry durant la passada dècada. En aquesta tesi, explorem la refracció cònica d’una manera àmplia, alhora que profunda. Primerament, demostrem que, després d’un cert desenvolupament, la teoria de Berry pot ser utilitzada per estudiar la propagació de qualsevol feix, independentment del seu estat de polarització o perfil transversal, tant al llarg de l’eix òptic com a fora del mateix i per a qualsevol nombre de cristalls biaxials en cascada. Aquesta teoria difractiva també és utilitzada per a demostrar que, només ajustant la raó entre el radi de l’anell de refracció cònica i l’amplada del feix d’entrada, es poden aconseguir feixos molt dispars i que donen lloc a singularitats òptiques i vector beams molt interessants. Seguidament, demostrem que la refracció cònica pot ser entesa com la transformació de les ones incidents en dues ones còniques, la interferència de les quals dóna lloc als típics anells dobles al pla focal. A més a més, proposem una teoria alternativa que permet calcular el patró final després del cristall de qualsevol tipus de feix d’entrada, només tenint en compte refracció de vectors d’ona incidents i ho apliquem al cas particular de tenir múltiples cristalls en cascada. En particular, demostrem un sistema de multiplexació i de-multiplexació de senyals monocromàtiques per a aplicacions en les comunicacions òptiques en espai lliure basat en tres cristalls biaxials en cascada. Tot l’estudi anterior serveix per a la realització de noves propostes per a trampes òptiques per a àtoms neutres i partícules absorbents. En aquest sentit, demostrem tant teòricament com experimental que les estructures fosques que es generen amb refracció cònica són de gran utilitat per a atrapar àtoms ultra-freds, en col·laboració amb el grup del Prof. Gerhard Birkl a la Technische Universität Darmstadt. Tanmateix, utilitzem la particular distribució de polarització dels anells de refracció cònica per a construir una ampolla òptica re-configurable en temps real i que permet carregar i descarregar partícules macroscòpiques absorbents. També ens endinsem en el món de l’òptica quàntica a través de l’estudi de la generació de segon harmònic tant de tipus I com de tipus II a partir d’un feix de refracció cònica i demostrem que les propietats del feix de segon harmònic són pràcticament iguals a les del feix fonamental. Finalment, fem una proposta teòrica per a dissenyar un dispositiu capaç de detectar entrellaçament quàntic en moment lineal entre fotons bessons on l’element clau és un cristall biaxial. / The conical refraction phenomenon in biaxial crystals is known since 1832 when William Hamilton predicted mathematically that and ideally collimated light beam passing through a biaxial crystal parallel to one of the crystal optic axes would refract as an slanted cone within the crystal and emerge as a hollow light cylinder, whose transverse profiles forms a light ring. The afterwards observation of the phenomenon by Humphrey Lloyd made the conical refraction phenomenon to become one of the first phenomenon that were observed after their prediction, as well as the one who tip the scales towards the wave theory of light against the corpuscular theory. In the late 70s, Belsky and Khapalyuk presented the diffractive formulation of the phenomenon for cylindrically symmetric beams, this formalism being reformulated by Berry during the last decade. In this thesis, we explore conical refraction in deep and present some applications of this phenomenon. Firstly, we show that, after some theoretical development, Berry’s formalism can be used to predict the transformation of beams along any propagation direction, no matter the state of polarization or transverse profile they posses and the number of crystals in cascade used. The diffractive theory is also used to demonstrate that, by simply tuning the ratio between the conical refraction ring radius and the waist radius of the input beam, a rich variety of light beams and optical singularities can be generated. Then, we show that conical refraction can be understood as the transformation of the input plane waves into a pair of conical waves whose interference leads to the characteristic concentric bright rings at the focal plane. Additionally, we propose an alternative theory that allows calculating the resulting pattern beyond the biaxial crystal for any input light beam by considering splitting of input wave-vectors and we apply this simple formalism to predict the resulting pattern for a cascade of crystals. In particular, we demonstrate a multiplexing and de-multiplexing system for monochromatic signals for free space optical communications applications based on three biaxial crystals in cascade. The latter results are used to propose and realize different optical architectures for optical trapping of both ultra-cold atoms and absorbing particles. In this sense, show both theoretically and experimentally that dark optical geometries generated with conical refraction are of complete usefulness to trap Bose–Einstein condensates, in collaboration with the group of Prof. Gerhard Birkl at the Technische Universität Darmstadt. Additionally, we use the particular polarization distribution along the conical refraction rings to build a reconfigurable optical bottle capable to load and unload macroscopic absorbing particles at wish, in collaboration with the group of Prof. Wieslaw Krolikowski at the Australian National University. We also explore the world of quantum optics throughout the analysis of both type I and type II second harmonic generation of a conically refracted beam and we demonstrate that the second harmonic beam keeps most of the properties of the fundamental harmonic beam. Finally, we present a theoretical proposal to design an optical device able to detect linear momentum entanglement between twin photons, a biaxial crystal being the key element of the device.

Physics has two main ambitions: to predict and to understand. Indeed, physics aims for the prediction of all natural phenomena. Prediction entails modeling the correlation between an action, the input, and what is subsequently observed, the output.Understanding, on the other hand, involves developing insightful principles and models that can explain the widest possible varietyof correlations present in nature. Remarkably, advances in both prediction and understanding foster our physical intuition and, as a consequence, novel and powerful applications are discovered. Quantum mechanics is a very successful physical theory both in terms of its predictive power as well as in its wide applicability. Nonetheless and despite many decades of development, we do not yet have a proper physical intuition of quantum phenomena. I believe that improvements in our understanding of quantum theory will yield better, and more innovative, protocols and vice versa.This dissertation aims at advancing our understanding and developing novel protocols. This is done through four approaches. The first one is to study quantum theory within a broad family of theories. In particular, we study quantum theory within the family of locally quantum theories. We found out that the principle that singles out quantum theory out of this family, thus connecting quantum local and nonlocal structure, is dynamical reversibility. This implies that the viability of large scale quantum computing can be based on concrete physical principles that can be experimentally tested at a local level without needing to test millions of qubits simultaneously. The second approach is to study quantum correlations from a black box perspective thus making as few assumptions as possible. The strategy is to study the completeness of quantum predictions by benchmarking them against alternative models. Three main results and applications come out of our study. Firstly, we prove that performing complete amplification of randomness starting from a source of arbitrarily weak randomness - a task that is impossible with classical resources - is indeed possible via nonlocality. This establishes in our opinion the strongest evidence for a truly random event in nature so far. Secondly, we prove that there exist finite events where quantum theory gives predictions as complete as any no-signaling theory can give, showing that the completeness of quantum theory is not an asymptotic property. Finally, we prove that maximally nonlocal theories can never be maximally random while quantum theory can, showing a trade-off between the nonlocality of a theory and its randomness capabilities. We also prove that quantum theory is not unique in this respect. The third approach we follow is to study quantum correlations in scenarios where some parties have a restriction on the available quantum degrees of freedom. The future progress of semi-device-independent quantum information depends crucially on our ability to bound the strength of these correlations. Here we provide a full characterization via a complete hierarchy of sets that approximate the target set from the outside. Each set can be in turn characterized using standard numerical techniques. One application of our work is certifying multidimensional entanglement device-independently.The fourth approach is to confront quantum theory with computer science principles. In particular, we establish two interesting implications for quantum theory results of raising the Church-Turing thesis to the level of postulate. Firstly, we show how different preparations of the same mixed state, indistinguishable according to the quantum postulates, become distinguishable when prepared computably. Secondly, we identify a new loophole for Bell-like experiments: if some parties in a Bell-like experiment use private pseudorandomness to choose their measurement inputs, the computational resources of an eavesdropper have to be limited to observe a proper violation of non locality. / La física tiene dos finalidades: predecir y comprender. En efecto, la física aspira a poder predecir todos los fenómenos naturales. Predecir implica modelar correlaciones entre una acción y la reacción subsiguiente.Comprender, implica desarrollar leyes profundas que expliquen la más amplia gama de correlaciones presentes en la naturaleza. Avances tanto en la capacidad de predicción como en nuestra comprensión fomentan la intuición física y, como consecuencia, surgen nuevas y poderosas aplicaciones. La mecánica cuántica es una teoría física de enorme éxito por su capacidad de predicción y amplia aplicabilidad.Sin embargo, a pesar de décadas de gran desarrollo, no poseemos una intuición física satisfactoria de los fenómenos cuánticos.Creo que mejoras en nuestra comprensión de la teoría cuántica traerán consigo mejores y más innovadores protocolos y vice versa.Ésta tesis doctoral trata simultáneamente de avanzar nuestra comprensión y de desarrollar nuevos protocolos mediante cuatro enfoques distintos.El primero consiste en estudiar la mecánica cuántica como miembro de una familia de teorías: las teorías localmente cuánticas. Probamos que el principio que selecciona a la mecánica cuántica, conectando por tanto la estructura cuántica local y no local, es la reversibilidad de su dinámica.Ésto implica que la viabilidad de la computación cuántica a gran escala puede ser estudiada de manera local, comprobando experimentalmente ciertos principios físicos. El segundo enfoque consiste en estudiar las correlaciones cuánticas desde una perspectiva de 'caja negra', haciendo así el mínimo de asunciones físicas. La estrategia consiste en estudiar la completitud de las predicciones cuánticas, comparándolas con todos los modelos alternativos. Hemos obtenido tres grandes resultados. Primero, probamos que se puede amplificar completamente la aleatoriedad de una fuente de aleatoriedad arbitrariamente débil.Ésta tarea, imposible mediante recursos puramente clásicos, se vuelve factible gracias a la no localidad. Ésto establece a nuestro parecer la evidencia más fuerte de la existencia de eventos totalmente impredecibles en la naturaleza. Segundo, probamos que existen eventos finitos cuyas predicciones cuánticas son tan completas como permite el principio de 'no signaling'. Ésto prueba que la completitud de la mecánica cuántica no es una propiedad asintótica. Finalmente, probamos que las teorías máximamente no locales no pueden ser máximamente aleatorias, mientras que la mecánica cuántica lo es. Ésto muestra que hay una compensación entre la no localidad de una teoría y su capacidad para generar aleatoriedad. También probamos que la mecánica cuántica no es única en éste respecto. En tercer lugar, estudiamos las correlaciones cuánticas en escenarios dónde algunas partes tienen restricciones en el número de grados de libertad cuánticos accesibles. Éste escenario se denomina 'semi-device-independent'. Aquí encontramos una caracterización completa de éstas correlaciones mediante una jerarquía de conjuntos que aproximan al conjunto buscado desde fuera y que pueden ser caracterizados a su vez mediante técnicas numéricas estandar. Un aplicación de nuestro trabajo es la certificación de entrelazamiento multidimensional de manera 'device-independent'. El cuarto y último enfoque consiste en enfrentar a la mecánica cuántica con principios provenientes de la computación. En particular, establecemos dos implicaciones para la mecánica cuántica de elevar la tesis de Church-Turing al nivel de postulado. Primero, mostramos que diferentes preparaciones de un mismo estado mixto, indistinguibles de acuerdo a los axiomas cuánticos, devienen distinguibles cuando son preparados de manera computable. Segundo, identificamos un nuevo 'loophole' en experimentos de Bell: si algunas partes en un experimento de Bell usan pseudo aleatoriedad para escoger sus medidas, los recursos computacionales de un espía deben ser limitados a fin de observar verdaderamente la no localidad.

RESÚMLa formació de patrons espacials en sistemes òptics té molts elements en comú amb altres sistemes formadors de patrons que trobem a la natura (hidrodinàmics, biològics, mecànics, químics.). Ara bé, n'hi ha trets particulars dels sistemes òptics que motiven encara més l'estudi de la formació de patrons en aquests.D'una banda, les potencials aplicacions a la tecnologia de la informació i les telecomunicacions: la formació d'estructures en el pla transversal a la direcció de propagació de la llum en sistemes nolineals òptics obre la porta al processat òptic de la informació en paral·lel, amb la codificació i emmagatzemament de la informació en aquest pla transversal. Respecte a aquest fet, haurem de tindre en compte dos aspectes . El primer d'ells és la possibilitat de multiestabilitat espacial, és a dir, d'existència de més d'una solució del sistema per a uns valors donats dels paràmetres : ja que parlem de sistemes extensos, implica la possibilitat d'assolir diverses solucions estables en distintes regions transversals. Aquest fet possibilita no només la coexistència entre patrons extensos, sinò l'existència d'estructures localitzades, de gran interés per a les aplicacions pràctiques que comentàvem adés, on actuaríen com bits de informació. És per tant d'importància estudiar com controlar els patrons emergents, i més en concret, les estructures localitzades, així com la possibilitat de crear-les, moure-les i esborrar-les. Aquest control permetria la utilització pràctica de les estructures localitzades com components de memòries òptiques, on la informació podria codificar-se i processar-se.D'altra banda, en una interacció nolineal estan creant-se i destruint-se fotons del camp electromagnètic. Aquesta naturalesa quàntica de la llum es manifesta fins i tot a temperatura ambient, cosa que diferencia notablement els sistemes òptics de qualsevol altre sistema. Aquest fet ha motivat l'estudi dels efectes quàntics en patrons espacials transversals i, més recentment, en les estructures localitzades.Aquesta tesi versa sobre un tipus d'estructures localitzades que suporten diverses cavitats òptiques nolineals : els solitons de cavitat. Pot dividir-se en dues grans seccions, agrupant els diversos articles que constitueixen el cos fonamental d'aquesta tesi : la primera està dedicada a l'estudi clàssic d'aquestes estructures, en la segona s'estudia, per primer cop, les fluctuacions quàntiques dels solitons de cavitat.La primera secció consta d'un primer apartat, que engloba els articles Vectorial Kerr-cavity solitons, Opt.Lett. 25, 957 (2000) i Bright cavity solitons in anisotropic vectorial Kerr cavities, J.Opt.B : Quantum Semiclass. Opt. 3 S118 (2001), on s'estudien les condicions d'existència i el tipus de solitó que trobem en cavitats Kerr anisòtropes i birrefringents i es relacionen amb les solucions d'una equació de paràmetre d'ordre (nolineal d'Schrödinger amb decaïment i forçament paramètric : PDNLS), que descriu la susdita cavitat en el límit de gran anisotropia. Un segon apartat, constituït pels treballs Domain Walls and Ising-Bloch Transition in Parametrically Driven Systems, Phys.Rev.Lett. 89, 164101 (2002), The Ising-Bloch transition in degenerate optical parametric oscillators, J.Opt.B: Quantum Semiclass. Opt. 6, S361 (2004) i Stabilizing and controlling domain walls and dark-ring cavity solitons, Opt.Exp. 12, 2130 (2004), tracta sobre les parets de domini. En particular s'estudia la transició Ising-Bloch en la PDNLS i els oscil·ladors òptics paramètrics degenerats (DOPO). En aquest sistema, es presenten també dos mecanismes d'estabilització i control de les estructures en sistemes bidimensionals, on les parets no són estables. La segona secció tracta el problema de les fluctuacions quàntiques en aquests solitons, estudiant-se l'espectre d'squeezing de solitons en DOPOs. El treball Squeezed quantum cavity solitons, arxiv:quant-ph/0405148, enviat per la seva publicació a Physical Review Letters, presenta un tractament general per l'estudi d'aquestes fluctuaciones i estudia per primer cop les fluctuacions quàntiques dels solitons de cavitat, trobant reducció de soroll perfecta per qualsevol rang de paràmetres on existeix el solitó. / ABSTRACThe matter of this Thesis is the study of a type of localized structures (LS) supported by different nonlinear optical cavities, in particular, cavity solitons (CSs), both bright and dark -domain walls- CSs. By a hand, we study the nonlinear dynamics of these cavities and the features and behavior of LSs semiclassically. By other hand, we investigate about the quantum fluctuations features of CSs.We study these CSs in anisotropic vectorial Kerr cavities, in optical parametric oscillators and in an order parametric equation -the parametrically driven nonlinear Schrödinger equation-, also. We demonstrate two alternative techniques for controlling and stabilizing dark CSs. About the problem of quantum fluctuations in CSs, in particular, we study the squeezing spectrum of CSs in degenerate optical parametric oscillators, but the method can be used with any different cavity in a trivial way.The structure of the Thesis consists of two sections:-An introduction with two different parts. First one is a brief summary of the field of nonlinear dynamics in optical cavities: main concepts, techniques, beginning and evolution of quantum optics, taking special care about the spatial aspects.-The introduction to the synopsis of articles, the mean body of this Thesis, grouped in three subjects, each one emphasizes most important results and conclusions:- Vectorial Kerr-cavity solitons, Opt.Lett. 25, 957 (2000); Bright cavity solitons in anisotropic vectorial Kerr cavities, J.Opt.B : Quantum Semiclass. Opt. 3 S118 (2001), where bright CSs in Kerr cavities are studied.- Domain walls are treated in Domain Walls and Ising-Bloch Transition in Parametrically Driven Systems, Phys. Rev. Lett. 89, 164101 (2002), The Ising-Bloch transition in degenerate optical parametric oscillators, J.Opt.B: Quantum Semiclass.Opt. 6, S361 (2004) and Stabilizing and controlling domain walls and dark-ring cavity solitons, Opt.Exp. 12, 2130 (2004).- We develop the study of quantum fluctuations in CSs in Squeezed quantum cavity solitons, (Physical Review Letters, sent).At the end, we add some appendices for clarifying technical or mathematicalpoints. The last appendix consists of the complete synopsis of articles.

Aquesta tesi doctoral tracta sobre alguns aspectes de la generació de llum comprimida en cavitats no lineals tipus Kerr. La llum comprimida és un dels tipus de "llum quàntica", un tipus de llum que posseeix propietats relatives a les fluctuacions en els valors esperats dels seus observables de les què no es pot donar compte si no és mitjançant l'ús de la teoria quàntica de la radiació. L'estat buit del camp electromagnètic posseeix fluctuacions d'acord amb el principi d'incertitud d'Heisenberg. En aquest context, denominem llum comprimida a un tipus de radiació que presenta en algun dels seus observables fluctuacions menors que les corresponents a l'estat buit. Aquest tipus especial de radiació ha assolit força importància per diverses raons. D'una banda, permet anar més enllà dels límits de la precisió que la mecànica quàntica imposa per a les mesures realitzades emprant estats coherents - semblants als camps produïts pels làsers -. A més a més, cal afegir que una nova àrea d'aplicació ha fet créixer l'interès per la llum comprimida: el camp de la informació quàntica; coincidència d'interessos ja que compressió de la llum i entrellaçat quàntic (entanglement) són dues cares de la mateixa moneda i l'entanglement és l'element fonamental responsable dels avantatges de la informació quàntica respecte de la informació clàssica. Donat que l'estudi d'aquest tipus de llum implica l'anàlisi quàntica cal remarcar que en aquest treball únicament descriurem quànticament la radiació electromagnètica, però obviarem la quantització de la matèria i de les interaccions a les quals puguera donar lloc. Així doncs, si partim d'aquesta descripció, l'obtenció d'aquesta llum comprimida exigeix que estiga generada per processos òptics no lineals, és a dir, processos l'Hamiltonià dels quals siga no lineal en els operadors creació i destrucció quàntics. La dinàmica seguida en la interacció entre el medi no lineal i el camp electromagnètic aporta graus alts de compressió per alguns valors dels paràmetres del sistema i dels camps injectats, els punts que anomenem crítics i que corresponen als valors per als quals l'evolució del sistema presenta una bifurcació o bé perquè entra en un règim de biestabilitat o bé perquè s'engega un altre mode del camp electromagnètic. Pel que fa a les interaccions no lineals, també poden ser de diversos tipus, però les de tipus ⁽²⁾ i les del tipus χ⁽³⁾ són les més emprades, ja que les interaccions ressonants són freqüentment acompanyades de processos d'emissió espontània que devaluen la compressió. En aquesta tesi s'estudien les propietats per a produir llum comprimida de les cavitats no lineals del tipus ⁽³⁾ també conegudes com cavitats Kerr. Pel que fa a la redacció d'aquesta tesi, es pot agrupar en dos grans blocs. Per una part, hem dut a terme una contribució en el domini de les eines matemàtiques que són necessàries per estudiar aquestos processos. La nostra contribució, relativa a l'ús de les distribucions de quasiprobablitat, apareix dins d'aquesta exposició. A la segona part de la tesi s'aborden la resta d'aportacions: generació de llum amb polarització comprimida en una cavitat Kerr vectorial, obtenció de compressió no crítica per trencament espontani de la simetria de rotació i també per trencament espontani de la simetria de polarització. Aquestes dues últimes contribucions constitueixen exemples particulars d'un mecanisme de generació de llum comprimida que ha estat proposat originalment pel nostre grup d'investigació i tot fa pensar que aquesta tècnica farà possible obtenir nivells de compressió encara millors que els detectats fins aquest moment. El treball es tanca amb una recapitulació crítica dels resultats obtinguts així com de les perspectives de futur que s'obren amb la seua cloenda. / This thesis treats on some aspects of the generation of squeezed light in Kerr-type non-linear optical cavities. This special type of radiation, squeezed light, has attained quite a lot importance for several reasons. On one hand, from the viewpoint of metrology, it allows going further in the precision of measurements; on the other hand, it is connected with continuous variable quantum information. As the study of squeezed light involves a quantum analysis, it is necessary to remark that in this work we shall only describe quantum mechanically the electromagnetic field, ignoring the quantization of matter, a usual procedure in this type of studies. We describe carefully several types of Kerr systems all of them involving two signal modes, which can correspond to different polarizations or to different spatial modes. Regarding the writing of the thesis, its chapters can be grouped into two blocks. In the first part we present in some detail the mathematical tools that are necessary to study these processes. There is one original contribution in this part, relative to the use of quasiprobablity distributions. In the second part we address our original contributions relative to (i) the generation of amplitude and polarization squeezing in a vectorial Kerr cavity model, and (ii) to the generation of non-critical squeezing through spontaneous symmetry breaking (of the rotational symmetry around the system axis in one case, and of the light polarization symmetry in the other case). These two last contributions constitute particular examples of a mechanism of generation of squeezed light that has been proposed originally by our group of research. Our results suggest that the spontaneous breaking of symmetries could lead to levels of squeezing larger than those reached at present. The work ends with a critical summary of the obtained results, as well as of the prospects of future.

El propósito principal de esta tesis ha sido desarrollar un nuevo proceso con el fin de lograr el control reproducible de las dimensiones y la ubicación espacial de nanoestructuras (islas y nano hilos) de Ge sobre sustratos de Si. En este contexto, nuestro objetivo básico era formar matrices bidimensionales de nanocúmulos de Au utilizando haces de iones focalizados (FIB) de Au2+ con filtro de masas y posteriormente utilizarlos como patrón para la nucleación de nanoestructuras de Ge. El primer capítulo está dedicado a la revisión de: 1) las propiedades fundamentales de Si y Ge, 2) generalidades sobre las capas de aleación de SiGe y 3) el crecimiento de islas y nano hilos de Ge auto-ensamblados. Se han expuesto los detalles sobre el modo de crecimiento de las nanoestructuras. El mecanismo de crecimiento para los nano hilos - vapor líquido sólido (VLS) - se describe junto con el comportamiento del Au como catalizador. El segundo capítulo ofrece una visión general de las tecnologías de grabado (haces de iones focalizados) y crecimiento (epitaxia por haces moleculares). Además, se describen los métodos para la caracterización de las muestras, tanto morfológica como desde un punto de vista óptico. El tercer capítulo está dedicado a investigar la influencia de la formación de nanocúmulos de Ge sobre la determinación de la composición y de la tensión de capas de aleaciones de Si1-xGex/Si. La causa de la gran dispersión de los valores de las frecuencias Raman de fonones medidos en capas de aleación relajadas que se encuentra en los datos de la literatura se reveló que estaba relacionada con la existencia de los nanocúmulos de Ge. Su presencia dentro de las capas de aleación de SiGe es el resultado de haber empleado métodos de crecimiento epitaxial de no equilibrio, tales como la epitaxia por haces moleculares. Las capas de aleación obtenidas en este trabajo que contenían nanocúmulos de Ge se trataron térmicamente y el efecto de dichos recocidos acumulativos para conseguir una disposición aleatoria de los átomos de Ge dentro de la capa de aleación fue demostrado. Adicionalmente, hemos demostrado que la tensión de las capas de SiGe y su composición pueden ser evaluadas y determinadas mediante la realización de una sola medición Raman. Se elaboró también un método gráfico para estimar la composición en Ge y el estado de tensión dentro de las capas de aleación de SiGe independiente de su estado de tensión. El crecimiento de las nanoestructuras de Ge en substratos de Si grabados se ha presentado en el cuarto capítulo. Se ha investigado y desarrollado un proceso en tres pasos basado principalmente en: i) el uso de haces de iones focalizados (FIB) para obtener los patrones, ii) recocido y iii) el crecimiento de nanoestructuras mediante epitaxia por haces moleculares (MBE). Se grabaron sustratos de silicio con distintas orientaciones cristalográficas (Si (001) y Si (111)) usando un equipo de haces de iones de Au2+ focalizados. Se examinó la variación de los patrones en función de los parámetros FIB empleados, y se exploró su evolución al realizar tratamientos térmicos utilizando una amplia gama de temperaturas y tiempos. Durante los recocidos se logró la formación de cúmulos de AuSi dentro de las áreas grabadas con el FIB. Después de la deposición de Ge se formaron islas y/o nano hilos dependiendo de la dosis de iones utilizada para grabar los sustratos. También se investigó el efecto de la cantidad de Au y de las dimensiones de los hoyos sobre el modo de crecimiento y la morfología de las nanoestructuras formadas. / The main purpose of this thesis has been to develop a new process in order to achieve reproducible control of the dimensions and spatial location of Ge nanostructures (islands and nanowires) formed on Si substrates. In this context, our primary objective was to form bi-dimensional arrays of Au nanoclusters using mass-filtered focused ion beam (FIB) with Au2+ ions and to use them as patterns to nucleate the Ge nanostructures. The first chapter is dedicated to a review of: 1) Si and Ge fundamental properties, 2) generalities about the SiGe alloy layers, and 3) growth of the self assembled Ge islands and nanowires. Details about the nanostructure growth mode are exposed. The nanowire growth mechanism – vapor liquid solid (VLS) – is described along with the Au behavior as a catalyst. Chapter 2 gives an overview of the patterning (focused ion beam) and growth (molecular beam epitaxy) techniques. Besides them, methods for sample characterization from a morphological and optical point of view are described. The third chapter is devoted to investigate the influence of Ge nanoclustering on the composition and strain determination of Si1-xGex/Si alloys. The cause of the large scatter of the phonon frequency values measured by Raman for relaxed alloy layers that is found in the literature was revealed as due to Ge nanoclustering effects. This phenomenon occurs in SiGe alloy layers as a result of employing nonequilibrium epitaxial growth methods such as molecular beam epitaxy. The obtained alloy layers presenting Ge nanoclusters were thermally treated and the effect of the cumulative annealings of randomizing the Ge atom distribution within the alloy layer was demonstrated. Additionally, we proved that the strain and composition of the SiGe alloy layers can be evaluated and determined by performing a single Raman measurement. An analytical/graphical method to estimate the Ge composition and strain status within the SiGe alloy layers independent of their strain status was elaborated. The growth of the Ge nanostructures on patterned Si substrates was investigated and is presented in chapter 4. For this purpose a three step process was developed, based mainly on: i) focused ion beam (FIB) patterning, ii) annealing and iii) molecular beam epitaxy growth. Si substrates with different crystallographic orientations [(001) and (111)] were patterned using a FIB equipment with Au2+ ions. Pattern evolution as a consequence of the employed FIB parameters was examined, and their progress with the thermal treatments performed using a large range of temperatures and times was explored. The formation of AuSi clusters inside the FIB patterned areas during the annealings was achieved. Depending on the ion dose used to pattern the substrates, after Ge deposition, both islands and/or nanowires were formed. The effect of the Au amount and hole dimensions on the growth mode, morphology, and two-dimensional ordering of the nanostructures was investigated.