El primer trabajo realizado en la tesis ha sido el de desarrollar la teoría básica para el estudio riguroso del espectro modal de medios guiadores inhomogéneos (guías blindadas o guías dieléctricas abiertas), como también de medios dieléctricos periódicos infinitos, los cuales son el elemento básico de las SSFD. Para tal fin se ha adaptado el Método de las Bases Bi-Ortogonales, desarrollado inicialmente en el Departamento de Física Aplicada y Electromagnetismo y en el Departamento de Óptica de la Universitat de València al estudio de un amplio espectro de guías ópticas y de microondas. En segundo lugar se ha llevado a cabo el análisis de la dispersión de ondas planas en Superficies Selectoras de Frecuencia Dieléctricas (SSFD), que son estructuras planares multicapa formadas por láminas dieléctricas homogéneas o periódicas en una dimensión. Dentro del análisis de las SSFD, las principales aportaciones y conclusiones de este estudio se resumen a continuación:En primer lugar se ha desarrollado la teoría básica para el estudio del campo electromagnético en regiones dieléctricas con periodicidad en una dirección, empleando para ello el Método de las Bases Bi-Ortogonales en el caso de dieléctricos sin pérdidas, mientras que para el caso de medios con pérdidas se ha empleado el Método de los Momentos. Dada la geometría del problema, se ha planteado una descomposición modal en los modos de Floquet o de Bloch Tipo-E y Tipo-H. Se ha desarrollado un algoritmo eficiente y rápido que se basa en la transformación de las ecuaciones diferenciales que describen la evolución de los campos en el plano transversal, en un problema matricial de autovalores. La resolución del mismo permite obtener las constantes de propagación y los campos eléctrico y magnético modales. Las pérdidas óhmicas en los materiales se pueden incluir de una forma natural en la formulación. Con el fin de analizar la bondad del método propuesto, se han comparado nuestros resultados con los obtenidos en la bibliografía, obteniendo buena concordancia entre ambos, tanto para incidencia 2D como para incidencia 3D. Para el análisis de la dispersión de ondas planas bajo incidencia 3D en SSFD se ha empleado la Técnica de Adaptación Modal, formulada con Matrices de Dispersión Generalizadas. Dicho análisis de dispersión se ha llevado a cabo suponiendo que sobre las SSFD incide una onda plana linealmente polarizada con polarización arbitraria, cuyos campos se han descompuesto en modos de Floquet de orden n=0 tipo-E, tipo-H. Esta descomposición se ha particularizado para los dos casos más habituales, que corresponden a la incidencia de una onda plana con polarización perpendicular y paralela al plano de incidencia, respectivamente, comúnmente conocidas como polarización TE y TM. Se ha desarrollado un programa en FORTRAN que calcula los parámetros de dispersión y los coeficientes de reflexión y transmisión en potencia de estas estructuras a partir de la obtención de la MDG de las mismas. El programa es muy eficiente, con tiempos de computación por punto en frecuencia muy reducidos. Tras ello se han comparado los resultados obtenidos para una serie de estructuras con los proporcionados en la bibliografía, resultando para todos los casos un excelente acuerdo entre ambos. Por último, se ha realizado el diseño de una serie de filtros en reflexión basados en SSFD, que han resultado tener buenas prestaciones. Finalmente, podemos concluir que el modelo desarrollado permite tratar con eficacia tanto el estudio del espectro modal en sistemas guiadores inhomogéneos, como el análisis de la dispersión de ondas planas en SSFD. Una parte de los resultados obtenidos en este trabajo ha dado lugar a una serie de publicaciones científicas en revistas de ámbito internacional y en congresos, tanto nacionales como internacionales. / In first place it has been developed the basic theory for the rigorous study of the modal spectrum in inhomogeneous guiding media (shielded waveguides and open dielectric waveguides), and also in infinite periodic dielectric media, which are the basic element of dielectric frequency selective surfaces (DFSS). To this end the Bi-Orthogonal Basis Method developed in the Departamento de Física Aplicada y Electromagnetismo and in the Departamento de Óptica de la Universitat de València has been adapted to the study of a wide variety of optical and microwave waveguides, based on the transformation of the differential equations describing the evolution of the transverse fields in a matrix eigenvalue problem, whose solution yields the propagation constants and the transverse magnetic and electric field distributions of the modes. Secondly, it has been analyzed the dispersion of plane waves in DFSS, which are multilayer planar structures formed by homogeneous and periodic dielectric layers with periodicity in one dimension. To this end, the modes in a periodic dielectric medium have been obtained with the Bi-Orthogonal Basis method in the case of lossless dielectrics, while for the case of lossy dielectric media it has been used the Method of Moments. These modes are expressed as a superposition of E-Type and H-Type Floquet modes. The reflection and transmission coefficients of the structures have been obtained by imposing the boundary conditions between adjacent layers, under a linearly polarized plane wave excitation with arbitrary polarization, whose fields have been decomposed in E-Type and H-Type Floquet modes of zero order. This decomposition has been particularized to the two most usual cases of incidence with polarization perpendicular (TE) or parallel (TM) to the plane of incidence, respectively. Study of the scattering parameters of the whole multilayered structure is accomplished by the cascade connection of components as characterized by their scattering parameters. Results for the scattering of 2D and 3D plane waves in DFSS are compared with both theoretical and experimental results presented in the literature, finding a very good agreement. Finally, several spectral and angular reflection filters have been designed based on DFSS for optical and microwave frequencies.

La nanotecnología electrónica surge como disciplina científica para dar respuesta a la demanda creciente por parte de la sociedad de dispositivos electrónicos más eficientes y de menor coste. Como su propio nombre indica, esta disciplina involucra los estudios que se llevan a cabo en la actualidad en sistemas electrónicos elementales que, aunque basados en diferentes materiales y técnicas de fabricación, tienen un nexo común en su tamaño nanométrico. En este marco, en el trabajo de tesis presentado se han investigado las propiedades ópticas y electrónicas de cajas cuánticas aisladas de Arseniuro de Indio mediante diferentes técnicas de espectroscopía óptica confocal de alta resolución espacial y espectral. Dicha resolución nos ha permitido profundizar en el estudio de las propiedades individuales de estos objetos nanométricos tanto desde el punto de vista fundamental como aplicado. En primer lugar, se han analizado los espectros de fotoluminiscencia (PL) y el correspondiente espectro de excitación de la PL (PLE) de cajas cuánticas aisladas y sometidas a un campo eléctrico externo. Las cajas cuánticas se hallan en la región activa de un dispositivo de efecto campo que nos permite controlar de manera precisa el número de electrones confinados en cada nanoestructura individual. El estudio de la evolución de la línea de emisión fundamental de cada caja en función del número de electrones en exceso nos ha permitido deducir la magnitud de las distintas interacciones coulombianas existentes entre los diferentes portadores. Algunas de ellas son bien conocidas, como es la de atracción directa entre electrón y hueco que da lugar al excitón, mientras que otras son más sutiles y difíciles de cuantificar hasta hace poco tiempo, como son la de repulsión directa electrón-electrón o su correspondiente interacción de intercambio. Todas ellas han sido investigadas de manera cualitativa y cuantitativa comparando los resultados experimentales con modelos teóricos de reconocida vigencia en este tipo de sistemas.Por otro lado, hemos utilizado un láser sintonizable en el rango de interés para determinar la estructura electrónica asociada a los estados excitados de anillos cuánticos aislados de InAs. Los resultados demuestran que el acoplamiento entre los estados discretos y el continuo determinan en gran medida los procesos de captura y relajación de los portadores hacia el estado fundamental. Este tipo de comportamiento corrobora lo observado por otros autores en nanoestructuras de similar tamaño y composición aunque distinta morfología, si bien ésta es la primera vez que ha sido observado en anillos cuánticos de InAs. En la segunda parte de este estudio, hemos demostrado que es posible determinar los espectros de absorción y reflectividad correspondientes a una sola caja cuántica aislada con una resolución espectral sin precedentes en este tipo de sistemas y con una elevada relación señal-ruido. Para ello, partiendo de un montaje confocal dual de transmisión y reflexión, y aplicando un campo eléctrico externo, hemos explotado el Efecto Stark de Confinamiento Cuántico para sintonizar la energía de la transición interbanda investigada con nuestro láser de prueba mejorando así la eficiencia del experimento respecto a otras aproximaciones basadas en la sintonización del láser. El análisis de los espectros obtenidos de esta manera nos ha proporcionado información valiosa no accesible de manera directa mediante otro tipo de experimentos como son la anchura homogénea de las transiciones interbanda o su fuerza de oscilador, así como indicios de fenómenos de interacción no lineales como el Efecto Stark Óptico. Finalmente, se ha demostrado que este sistema actúa como un interferómetro acoplado a una sola caja cuántica con grados de libertad suficientes para ejercer un control efectivo del grado de interacción, amplitud y fase, entre radiación y materia a estas escalas nanométricas. / The electronic and optical properties of InAs single self-assembled quantum dots (SAQDs) have been investigated by using a confocal arrangement adapted to work at 4 K. The layer containing the QDs is embedded in a field effect device with a semitransparent Schottky gate. In this configuration, varying the applied voltage, it is possible to tune the number of electrons confined in a given QD to investigate the exciton radiative recombination as a function of such number of electrons in excess. This way, comparing the experimental results with state of the art theoretical models, we have determined the role played by the interband and intraband coulomb interactions in this system. The electronic structure above the fundamental state is accessible scanning the excitation energy of our laser (PLE spectra). In our nanostructures, we observe that, below the continuum band edges, the expected discrete bound to bound transitions are degenerated with broad bands associated with continuum to bound transitions. As pointed out recently by other authors, we conclude that this result imposes a revision of the concept of an isolated quantum dot embedded in an homogeneous media (macroatom picture). We have demonstrated also the feasibility of a new method, based in the spectral shift of the electronic levels due to the Quantum Confined Stark Effect, to measure the differential absorption spectra of single SAQDs with unmatched spectral resolution and signal to noise ratios. In the linear regime, light and matter interaction can be described by the Lorentz model to extract the oscillator strength and homogeneous linewidth of non-degenerated optical transitions in our QDs. Furthermore, due to the large interlevel spacing in each band, we observe that the two level approximation works finely in this system enabling the study of non linear optical phenomena as the Optical Stark Effect. Finally, the reflectance spectrum of a single electronic level in our QDs has been determined by using a built-in interferometer in our confocal setup. We have demonstrated that the phase relation between probe and reflectedfields can be controlled externally enabling the coherent control of the QD polarization in the next future.

Esta tesis está centrada en el estudio del crecimiento cristalino y propiedades físicas del óxido de zinc (ZnO). Este material puede ser considerado como un semiconductor "antiguo", cuyo interés en la investigación se ha mantenido vivo durante varias décadas debido a su aplicación en diferentes áreas científicas e industriales, como son los dispositivos acusto-ópticos, los varistores, los sensores de gas, los electrodos transparentes conductores o su uso como ventana óptica en células solares. Además, en los últimos años ha surgido un interés especial debido a que sus propiedades físicas le convierten en un serio candidato para la fabricación de dispositivos optoelectrónicos en el rango del ultravioleta. La alta temperatura de fusión del ZnO hace que sea difícil abordar el crecimiento de cristales masivos de este material a partir de la fase liquida. Por tanto, el método hidrotermal y los métodos de transporte en fase gaseosa han sido los habitualmente utilizados para abordar el crecimiento de cristales de ZnO. Los cristales obtenidos mediante el método hidrotermal presentan una buena calidad estructural. Sin embargo, estos cristales contienen impurezas de litio y/o potasio, procedentes de los disolventes utilizados, que pueden afectar a las propiedades ópticas del ZnO. El crecimiento mediante métodos de transporte en fase gaseosa aparece como una alternativa atractiva para mejorar este punto. En el caso de los métodos de transporte en fase gaseosa es bien conocido que la velocidad de crecimiento del ZnO en sistemas cerrados, en el rango de temperaturas próximas a 1000 ºC y gradientes térmicos habituales, es muy baja si el proceso tiene lugar en ausencia de "especies adicionales". El uso de ciertas "especies adicionales" permite obtener velocidades de crecimiento mayores.En esta tesis hemos profundizado en la comprensión de los procesos involucrados en el crecimiento cristalino de ZnO mediante estos métodos, tanto en los mecanismos de generación de vapor como en los relacionados con el transporte de éste. El entendimiento de estos procesos ha sido muy útil para la optimización de la velocidad de crecimiento y para el control de la composición de la mezcla gaseosa existente dentro de la ampolla de crecimiento. Este hecho ha permitido actuar sobre la estequiometria de los cristales de ZnO y, por tanto, sobre sus propiedades físicas. Además, se han analizado diferentes estrategias para localizar y controlar el proceso de nucleación inicial. De esta forma se ha conseguido actuar sobre las propiedades estructurales de los cristales de ZnO. En este sentido, también se han sometido algunos de los cristales obtenidos a diferentes tratamientos térmicos posteriores al crecimiento. Estos se han llevado a cabo en le rango de temperaturas comprendido entre 900 y 1200 ºC tanto en vacío, como en atmósferas de oxígeno o zinc. Estos procesos térmicos han mejorado la calidad estructural de los cristales y, además, han aportado información sobre la naturaleza química y la concentración de defectos intrísencos puntuales presentes en los cristales de ZnO obtenidos. Para ello se han analizado la variación de sus propiedades estructurales, ópticas y eléctricas mediante diferentes técnicas de caracterización (difracción de rayos X de alta resolución, espectroscopia Raman, medidas de transmisión óptica y efecto may).Adicionalmente, en la última parte de esta tesis, se ha abordado el crecimiento de dos heerostructuras basadas en capas de ZnO con morfología nano-estructurada y su posible aplicabilidad como células solares. Las curvas tensión-voltaje (iV) obtenidas para la heterostructura ZnO/CdSe/CuSCN la convierten en una opción interesante para el desarrollo de una nueva tecnología en la producción de células solares. Este hecho pone de manifiesto la multifuncionalidad del ZnO. / Due to its high melting point (~2000ºC), is difficult to grow ZnO from the liquid phase. That is why hydrothermal and vapour transport methods have been mainly implemented so far for the growth of bulk ZnO crystals. Crystal growth from the vapour phase appears as an attractive alternative. Nevertheless, it has been well established that the growth rate of ZnO in closed ampoules at moderate temperatures (~1000ºC) and temperature gradients is very low if the process takes place in absence of any "additional species". Higher growth rates are obtained if some particular "additional species" are introduced in the ampouleIn this work, we will try to gain a further insight into the vapour generation and transport mechanisms involved in the ZnO growth using some "additional species". The knowledge of these mechanisms can be very useful to optimise the growth rate and it could allow to control the gas composition inside the growth ampoule. This fact would allow to act on the off-stoichiometry degree of the ZnO crystals and, therefore, on their physical properties. Besides, we will analyse some ways to localise and control the onset of nucleation that can improve the structural properties and the crystal size. On the other hand, some of the grown ZnO crystals will be annealed at temperatures in the range 900-1200 ºC in vacuum, as well as in oxygen and zinc atmospheres. These annealing processes improve the structural quality and will be used as a tool to obtain some information about the initial intrinsic defects present in as-grown crystals.Different fundamental characterisation techniques as X-ray diffraction, Raman spectroscopy, optical transmission and Hall effect measurements will be used to study the physical properties of the as-grown and annealed ZnO crystals.In addition, we will study the application of two p-i-n heterostructures based on a ZnO electrodeposited layer, which shows nanocolumnar morphology, as eta (extremely thin absorber)-solar cells. The ZnO and the successively built up layers will be analysed by scanning electron microscopy, X-ray diffraction and optical transmission and reflectance. Finally, the i-V curves and the energy conversion efficiency of the device will be measured.

En el presente trabajo de Tesis se ha realizado un estudio teórico de las principales propiedades de los puntos cuánticos semiconductores auto-organizados (SAQDs). Estas estructuras surgen de la unión de diferentes materiales semiconductores donde la contribución de uno de ellos presenta una escala nanométrica. Debido a su reducido tamaño, estas nanoestructuras son capaces de confinar espacialmente los electrones que se hallen en su interior. Es por ello que presentan unas propiedades más parecidas a las de un átomo que a las de una estructura semiconductora. Todo ello conduce a que se espere una mejora en el rendimiento de los dispositivos basados en SAQDs.El estudio teórico ha sido divido en tres grandes bloques bien diferenciados. En la primera parte se han estudiado algunas propiedades generales de estas nanoestructuras. Debido al proceso de crecimiento por el que los SAQDs son fabricados es preciso abordar un estudio de la distribución de la deformación. Para ello hemos recurrido al método de las inclusiones de Eshelby. Dependiendo de las propiedades de los materiales constituyentes de la nanoestructura, también puede resultar necesario el estudio del potencial interno. Este punto ha sido abordado haciendo uso de la teoría del electromagnetismo. En el segundo bloque se ha procedido al estudio de la estructura electrónica recurriendo al método k·p y a la teoría de la masa efectiva. En el tercer y último bloque se ha tratado el problema de la interacción entre los electrones confinados en un SAQD, para lo cual se ha hecho uso del método de la interacción de configuraciones. Los resultados numéricos correspondientes a cada una de las partes descritas han sido obtenidos en base a los sistemas InAs/GaAs y GaN/AlN. El primero de ellos tiene un gran interés en la industria de las telecomunicaciones y el segundo en el campo de los dispositivos optoelectrónicos que operan en la región del espectro denominada de longitud de onda corta, i.e. en el azul y ultravioleta próximo. / The present work contains a theoretical study of the most relevant properties of self-organized semiconductor quantum dots (SAQDs). These structures consist of spontaneously grown island of nanoscale dimensions. This particularly size reduction offers the possibility to spatially confine a finite number of electrons in its interior, and are therefore often called artificial atoms. The theoretical study has been divided in three main parts. In the first part some general properties has been object of study. As a consequence of the growth process employed in the fabrication of SAQDs it is very important to study the strain distribution in these systems. The Eshelby's method of inclusions has been implemented to tackle this task. The study of the internal potential, when the materials of the system require to be considered, has been made employing the electromagnetism theory. The second part is dedicated to the description of the electronic structure. The electronic structure has been calculated with the help of the kp method and the effective mass theory. Finally, the third part of the study deals with the coulomb interaction between the confined particles. For this study the configuration interaction method has been employed.The numerical results presented in the text have been obtained for the systems InAs/GaAs and GaN/AlN. The former presents promising properties for the optical telecommunication industry. The later is a good candidate for the development of new optoelectronic devices to work in the electromagnetic spectrum range of short wavelengths, i.e. form blue to near ultraviolet.

Hemos combinado fotolumiscencia en onda continua (PL) y resuelta en tiempo (TRPL) en el estudio de colectivos de puntos cuánticos (QD) con diferentes formas. Se presenta un análisis sistemático del tiempo de decaimiento en función de la temperatura a través de un modelo de ecuaciones de balance que incluye escape térmico de portadores. El incremento del tiempo de vida en el rango de baja temperatura se describe a través de la termalización excitónica a un estado oscuro.Hemos realizado microscopia confocal en un único punto cuántico, que muestra un cambio brusco en sus transiciones ópticas bajo excitación óptica selectiva. El análisis de la micro-PL y TRPL combinados en base a un modelo de ecuaciones de microestados, permite la estimación precisa del rango de tiempos implicados en los distintos procesos físicos. Se pueden diseñar nuevos experimentos para medir directamente el tiempo que el electrón extra permanece en el QD, después de la captura a través de la impureza.Finalmente, se ha medido la dinámica de la ganancia en un amplificador óptico de semiconductor (SOA) basado en puntos quánticos tras amplificar trenes de pulsos cortos. El papel de la captura directa desde el reservorio 2D al estado fundamental del QD se clarifica cuando se trabaja en el régimen de saturación óptica. Un modelo de ecuaciones de balance nos permite describir el proceso de la recuperación de ganancia como un proceso de reequilibrio térmico. Esta descripción permite extraer los parámetros que gobiernan la dinámica de amplificación, y usarlos para el diseño o análisis del funcionamiento de láseres y amplificadores basados en puntos quánticos. / We have combined continuous wave photoluminescence (PL) and time resolved photoluminescence(TRPL) to the study of different shape quantum dots (QD) ensembles. A systematic analysis of the decay times as a function of temperatures is presented within a rate equation model including carrier escape at high temperatures. The increase of the decay time in the range of low temperature is described through exciton thermalization to a dark state.We have performed confocal microscopy on a single QD, that exhibits optical switching effect under optical selective pumping. The analysis of micro-PL and TRPL combined experimental data in the framework of a microstate master equation model, allows to accurately estimate the time ranges involved in the different physical processes.Future experiments are proposed to directly measure the time that the extra electron stays on the QD after the impurity mediated capture and evaluate its origin.Finally, the gain dynamics of a QD based Semiconductor optical amplifier (SOA) under short train pulses is measured. The role of direct capture from the 2D reservoir to the QD ground state is clari_ed when working in the optical saturation regime. A rate equation model allows us to describe the gain recovery process as a thermal re-equilibrium process. This description allows to extract the parameters governing the amplification dynamics, and use them in the design or performance analysis of QD based lasers and amplifiers.

En esta tesis se ha desarrollado un método de representación modal tridimensional para la obtención del espectro de modos de cavidades inhomogéneas. El método se fundamenta en el hecho de que los modos de una cavidad inhomogénea son solución de una ecuación de valores propios, cuyo operador es autoadjunto. Con ello, la solución de un problema auxiliar sencillo puede proporcionar una base ortogonal para representar matricialmente las ecuaciones diferenciales de otros problemas de mayor complejidad. De esta forma, el problema se reduce a la solución de un sistema algebraico de valores propios.El método propuesto permite calcular los modos de sistemas inhomogéneos con distribuciones arbitrarias del índice de refracción. Estos sistemas pueden ser abiertos o cerrados, incluso pueden incluir medios absorbentes cuyos índices de refracción sean complejos.La validez del método se ha comprobado analizando diferentes sistemas, tanto en el rango óptico (láminas de cristal fotónico) como en el de las microondas (cavidades inhomogéneas), y comparando los resultados obtenidos con los publicados anteriormente por diferentes autores. Esto ha servido para tratar las cuestiones prácticas que surgen en la implementación del método, como son el efecto de una frontera artificial en el estudio de sistemas abiertos y el efecto del número finito de modos de la base auxiliar. El método desarrollado se caracteriza por su generalidad y una alta versatilidad para tratar problemas no convencionales, lo que se ha aprovechado para estudiar láminas de cristal fotónico en las que las paredes de los surcos están inclinadas, sistema que no puede ser simulado ―o es prácticamente inviable su análisis― mediante otras técnicas más convencionales.En una segunda parte, se ha particularizado el método modal tridimensional al caso bidimensional y reobteniendo el método modal de las bases biortogonales desarrollado con anterioridad en la Universitat de València. Este método modal bidimensional se ha empleado para estudiar algunas guías que soportan los llamados modos complejos, cuyas constantes de propagación presentan una parte imaginaria aunque no hayan pérdidas en los materiales. Con este método se han obtenido, también, los modos de estructuras guiadoras complejas como son las fibras de Bragg, identificando diferentes diseños para los que la dispersión de la velocidad de grupo de estas fibras posee un comportamiento acromático o apocromático, con dispersión positiva, negativa o nula, en diferentes ventanas de longitudes de ondas.Finalmente, se ha abordado el estudio de las propiedades de transmisión y reflexión de dispositivos inhomogéneos con guías de entrada y salida también inhomogéneas. Para ello, se ha combinado adecuadamente los métodos de representación modal tridimensional y bidimensional con el desarrollo de una nueva técnica para la determinación de los parámetros de scattering de los dispositivos. Como aplicación inmediata de esta técnica, se han analizado, por un lado, el comportamiento de algunos filtros y adaptadores basados en guías NRD de microondas, y por otro, la respuesta de filtros ópticos y microcavidades construidos con láminas de cristal fotónico unidimensionales de tamaño finito y con defectos. / In this doctoral thesis a novel modal method has been formulated to analyse three dimensional dielectric systems. The vector wave equation which determines the resonant frequencies and fields is written in terms of a linear operator, whose eigenvectors satisfy a orthonormality relation. The key of the method is to obtain a matrix representation of the wave equation in a basis that is defined by the modes of an auxiliary system. The method has been applied to study optical devices (photonic crystal waveguides) and microwave cavities. The accuracy of the method is demonstrated by comparing the obtained results with other results available in the literature.In a second part, the technique has been particularised to analyse translation invariant systems reobtaining the biorthogonal-basis method. This method has been used to model the complex wave propagation in inhomogeneously filled waveguides and the group velocity dispersion properties of a novel type of Bragg fibres. Finally, a computationally efficient technique has been developed for the full-wave characterisation of inhomogeneously dielectric-filled cavities connected to inhomogeneously dielectric loaded waveguides. The multimode scattering matrix of the cavity is computed throughout an efficient implementation of the orthonormal-basis method for the calculation of the cavity modes. Moreover, the biorthogonal-basis method is employed for the analysis of the waveguides connected to the cavity. Non-radiative dielectric guide components and microstructured optoelectronic devices generated with photonic crystal waveguides have been analysed using the present technique.

Los trabajos y experimentos desarrollados en esta tesis han ido dirigidos fundamentalmente a la fabricación de fibras de cristal fotónico y a la grabación de redes de Bragg en éstas. Este proyecto se ha desarrollado en dos partes. La primera parte consiste en conocer las características y propiedades de las redes de Bragg grabadas en fibras ópticas. Describe cuáles son las técnicas empleadas para la fabricación de redes de Bragg y explica el método utilizado en la grabación de redes en este trabajo, enfatizando la técnica de apodización de redes de Bragg que se implementó como mejora en el sistema de grabación previamente existente. Se describen algunas de las aplicaciones desarrolladas en temas tales como láseres de fibra óptica, filtros ópticos de microondas y cavidades Fabry-Perot. La parte del trabajo dedicada a estas aplicaciones ha sido la grabación de las redes de difracción con la anchura, amplitud y forma espectral adecuada además de realizar en buena parte de los experimentos el montaje del sistema y las medidas de caracterización correspondientes. En la segunda parte se trata de fabricar fibras de cristal fotónico fotosensibles a la luz ultravioleta, para poder grabar redes de Bragg sobre éstas, con láseres convencionales en la banda de 240 nm sin necesidad de recurrir a láseres de femtosegundos o de longitudes de onda más cortas. Se ha trabajado en la fabricación de fibras de cristal fotónico. Se explica de forma detallada el proceso de fabricación mediante la técnica de apilamiento de capilares y estiramiento, y el resultado de los diferentes tipos de fibra obtenidos. En primer lugar se trabajó en fibras cuyo único material era la sílice, y posteriormente se fabricaron fibras microestructuradas con el núcleo dopado con otros materiales. Por una parte se utilizó como dopante el erbio, necesario en fibras destinadas a la construcción de láseres y amplificadores, y por otra parte, empleamos el germanio en la fabricación de fibras fotosensibles para poder grabar redes de Bragg. Analizamos las propiedades de guiado de las fibras fabricadas en función de los parámetros de su estructura. En particular se caracterizan ampliamente las propiedades de una fibra con el núcleo en forma de “Y” y se muestran los resultados de algunos experimentos para estudiar cómo afecta la inserción de un líquido con alto índice de refracción a la propagación de la luz en la fibra. Estas fibras también se han utilizado para la generación de supercontinuo. Ha sido posible emplear la técnica de grabación de redes de Bragg en fibra convencional para el caso de las fibras de cristal fotónico. Se detallan los aspectos de las redes uniformes grabadas en las diferentes fibras de cristal fotónico previamente fabricadas, así como la grabación de redes con chirp en fibras abocinadas (cónicas). Se ha caracterizado la longitud de onda de Bragg de las redes frente a la tensión y la temperatura, comparando los resultados con los característicos de las fibras convencionales; también se han infiltrado líquidos en los agujeros de fibras con redes grabadas para estudiar los cambios que pueden introducir en sus características. / The work developed in this thesis is about photonic crystal fiber fabrication and fiber Bragg grating photoinscription in them. The work is divided in two parts. The first one has been focused on the properties and characteristics of the fiber Bragg gratings fabricated in conventional fibers and also explains the photoinscription process that has been employed. A group of gratings with different characteristics has been designed to develop several applications as for example optic fiber lasers, microwave optical filters and Fabry-Perot cavities. These devices and the fiber gratings features required for a good operation are described too. In the second part, the fabrication process of photosensitive photonic crystal fibers is described. We have fabricated several photosensitive photonic crystal fibers with a germanium doped region in the core of the fiber. This doped region provides the fiber with photosensitivity to 244 nm light and allows us to fabricate fiber Bragg gratings using our equipment. Moreover, we analyze the guiding properties of our fibers and we focus on the ones from a “Y-shaped” fiber. The properties of this fiber can be modified after its fabrication if a material is inserted inside the holes. We obtain interesting results when we fill this fiber employing liquids with a particular refractive index. The results of the fiber Bragg gratings photoinscribed in the photonic crystal fibers are shown. The fabrication of chirped gratings in tapered fiber is studied, and the Bragg wavelength shift as a function of temperature and strain is compared to the shift of the gratings written in conventional fibers. At the end, some experiments are developed to describe the spectral changes of the gratings when a liquid is inserted

El objetivo básico de la tesis ha sido el desarrollo de algoritmos de reconstrucción que permiten obtener imágenes de cuerpos biológicos de alto contraste. Los datos de entrada de los distintos algoritmos son los campos dispersados por el cuerpo para distintas ondas incidentes a frecuencias de microondas. Además, se han desarrollado algoritmos para el calculo de los campos dispersados por modelos numéricos, o resolución del problema directo, necesarios para el estudio del problema inverso, o reconstrucción. Se incluye una extensa recopilación de resultados, tanto simulados como obtenidos a partir de medidas reales, que permiten conocer el comportamiento de los distintos algoritmos en función de los parámetros de diseño de un tomógrafo.

Los métodos de evaluación no destructiva en el campo de la ingeniería civil suponen una alternativa a los métodos de control tradicionales. Disponer de técnicas que permitan obtener información relevante acerca de las características físicas de una estructura (o de la evolución de ésta) sin modificar la muestra supone a la vez un ahorro económico y una mayor fiabilidad desde el punto de vista constructivo. La presente tesis desarrolla un método para medir estructuras de hormigón mediante sensores planos, los cuales permiten caracterizar las propiedades electromagnéticas del material poniendo el sensor en contacto con una única cara de la estructura o probeta, lo cual permite medir en múltiples contextos reales como presas o túneles, en los que únicamente se tiene acceso a una cara del material. El principio de funcionamiento de los sensores desarrollados se basa en la transmisión de una onda electromagnética de banda ancha a lo largo de una línea de transmisión plana. La medida del tiempo de propagación y la atenuación que sufre la onda permiten determinar la permitividad, permeabilidad y conductividad del material, que actúa como dieléctrico del sistema. Así, dichas magnitudes actúan como indicadores de las características estructurales del hormigón: en la presente tesis se aplican por un lado a monitorizar el nivel de humedad presente en una muestra de hormigón, y por otro lado, la dosificación de fibras en hormigón reforzado con fibras de acero (HRFA). Desde un punto de vista electromagnético, tanto la presencia de agua como la adición de fibras de acero se modelan de forma análoga, dado que ambos fenómenos implican un incremento de la conductividad resultante, y de la permitividad efectiva, lo cual se justifica mediante los diferentes modelos teóricos de materiales heterogéneos que se han estudiado. De igual forma, los modelos teóricos de las líneas planas permiten extraer las propiedades electromagnéticas a partir de la medida, en el dominio temporal o frecuencial, de la propagación de una onda electromagnética. El desarrollo del método conlleva establecer la geometría adecuada de los sensores empleados en función de cada aplicación, para lo que se ha recurrido al estudio de baluns de banda ancha. Posteriormente, una vez establecida la configuración de medida, la instrumentación empleada, y el procesado de las señales medidas, se ha desarrollado un método de calibración (TYS), adecuado para sensores planos, para los que otros métodos presentan ciertas dificultades. Finalmente, se presenta la aplicación del método propuesto, en primer lugar a la monitorización del fraguado de una losa de mortero durante 28 días, como muestra de la disminución de agua en el hormigón, y en segundo lugar a la medida de la dosificación de fibras de acero en probetas de hormigón, mostrando resultados prometedores de cara a la aplicación de dicha técnica en medidas de campo. / Non-destructive testing and evaluation methods in the field of civil engineering provide an alternative to traditional control methods. The availability of techniques to obtain relevant information about the physical characteristics of a structure (or its evolution) without modifying the sample results in both financial savings and greater reliability from the construction point of view. This thesis develops a method for measuring concrete structures using planar sensors, which can characterise the electromagnetic properties of the material by placing the sensor in contact with only one side of the structure or sample, which allows to measure in many real situations as dams or tunnels, in which only one side of the material can be accessed. The operating principle of the sensors developed is based on the transmission of a broadband electromagnetic wave along a planar transmission line. The measurement of the propagation time as well as the attenuation of the wave, determines the permittivity, permeability and conductivity of the material, which acts as the dielectric of the system. Thus, these variables are indicators of the structural characteristics of concrete: in this thesis they are applied to monitor the humidity level in a sample of concrete, as well as the dosage of fibres in steel fibre reinforced concrete (SFRC). From an electromagnetic point of view, both the presence of water and the addition of steel fibres are modelled similarly, since both phenomena involve an increase in the conductivity and effective permittivity, which is justified by the different theoretical models of composite materials that have been studied. Similarly, the electromagnetic properties of the measurement of the electromagnetic wave propagation can be obtained by means of the theoretical models of planar lines, both in the time or frequency domain. The development of the method involves establishing the appropriate geometry of the sensors used on each application, which entails the study of broadband baluns. Later on, once the measurement configuration and the instrumentation used are established, as well as the processing of the measured signals, a calibration method (TYS) suitable for planar sensors has been developed, for which other methods showed some difficulties. Finally, the application of the proposed method is reported. Firstly, the setting of a mortar slab was monitored for 28 days, showing the decrease of water in the sample, and secondly the dosage of steel fibres in concrete specimens was measured, showing promising results in order to the apply this technique in field measurements.

The interaction of light with matter is a central topic in both fundamental science and applied technology. At the heart of this interaction lies the absorption or emission of a photon by an electronic transition in for example an atom, molecule or semiconductor. Because such quantum emitters are generally much smaller than the wavelength of light, they interact slowly and omnidirectionally with light, limiting their absorption and emission. At radio frequencies similar issues were encountered and addressed long ago. Electrical circuits radiate little because they are much smaller than the corresponding wavelength. To enable wireless communication, they are connected to antennas that have dimensions in the order of the wavelength. These antennas are designed to effectively convert electrical signals into radiation and vice versa. The same concept can be applied in optics. The central idea of this thesis is that the interaction of a quantum emitter with light can be improved by near-field coupling it to the resonant plasmon modes of a metal nano-particle, which then acts as an optical antenna. In this way, excitation and emission rates can be enhanced, and the angular, polarization, and spectral dependence controlled. Chapter 1 of this thesis outlines these concepts and introduces optical antennas for single emitters. The experimental demonstration of optical antennas requires the near-field coupling of a single emitter to a resonant optical antenna. We fabricated optical monopole antennas on scanning probes, so that they can be precisely positioned near single fluorescent molecules. In this way we directly mapped the changes in the excitation and emission of a single quantum emitter as it is scanned near the antenna. Chapter 2 presents the results for the excitation part of the interaction. The enhanced excitation field at the antenna is highly confined (within 25 nm); the emitter only interacts with the antenna mode over this short distance. The antenna resonances were probed directly in the near-field and show that the antenna is indeed an optical analog of a monopole antenna. The experiments in Chapter 3 demonstrate how the antenna controls the emission. If the emitter is placed at the right position and if the antenna is tuned to resonance, the angular emission of the coupled system is determined by the antenna mode, regardless of the orientation of the emitter. In Chapter 4, we exploit that fact. We demonstrate, theoretically and experimentally, that the radiation from a single emitter coupled to a multi-element optical Yagi-Uda antenna is highly directed. We show that by reciprocity such a high directivity both enhances the excitation field and the collection efficiency. An intuitive way to understand optical antennas is as cavities for surface plasmon polaritons. In chapter 5, I present an extended description of the interaction of dipolar emitters with radiation through nano-rod antenna modes, by treating the antenna as a cavity. The results demonstrate how the properties of the antenna modes evolve from macroscopic perfectly conducting antennas to nanoscale plasmonic antennas, and highlight the similarities and differences between optical and conventional antennas. The results presented in this thesis show that optical antennas provide a new way to link single emitters to light. By designing the antenna the absorption and emission properties of the emitter can be tailored. More generally, optical antennas enhance and control light-matter interaction on the nano-scale, making them promising tools for applications in topics as diverse as high resolution near-field scanning optical microscopy, non-linear optics and spectroscopy, and photovoltaic devices. / La interacción entre luz y materia es fundamental tanto en ciencia básica como en tecnología aplicada. En el corazón de esta interacción están la emisión y absorción de fotones en transiciones electrónicas de, por ejemplo, átomos, moléculas o semiconductores. Tales emisores cuánticos son más pequeños que la longitud de onda de la radiación con la que interaccionan. La interacción es entonces lenta y omnidireccional, lo que limita los procesos de absorción y emisión. En radio frecuencias este mismo problema fue resuelto tiempo atrás. Los circuitos eléctricos radián poco por ser más pequeños que las ondas de radio. La comunicación inalámbrica es posible sólo si los circuitos están conectados a antenas con dimensiones del orden de la longitud de onda. Las antenas son diseñadas para convertir efectivamente señales eléctricas en radiación y viceversa. Este principio se extender a la óptica. La idea central de esta tesis es que la interacción entre la luz y un emisor cuántico incrementa cuando éste es acoplando, en el campo cercano, a los modos plasmónicos resonantes de una nano-partícula metálica. La partícula actúa entonces como una antena óptica. Es posible entonces aumentar las tasas de excitación y emisión, y controlar la dependencia angular, espectral y en polarización. El capítulo 1 de ésta tesis explica estos conceptos e introduce las antenas ópticas para emisores individuales. Para implementar experimentalmente una antena óptica es necesario acoplar en campo cercano un emisor individual a una antena resonante. Como las antenas ópticas monopolares fueron fabricadas sobre sondas de barrido, podemos ubicarlas con precisión cerca a una molécula fluorescente. Es así como escaneando un emisor cuántico singular cerca a la antena es posible mapear los cambios en la excitación y la emisión. El capítulo 2 presenta los resultados relativos a la parte de la interacción correspondiente a la excitación. El campo excitado en la antena está altamente confinado (25 nm); el emisor solo interactúa con los modos de la antena dentro de esta pequeña región. Las resonancias, probadas directamente en el campo cercano, muestran que en efecto la antena es el análogo óptico a una antena monopolar. Los experimentos en el capítulo 3 muestran como la antena controla la emisión. Cuando el emisor se ubica en la posición correcta y la antena está en resonancia, la emisión del sistema acoplado es determinada por el modo de la antena, independientemente de la dirección del emisor. El capítulo 4 explora esta característica. Teórica y experimentalmente, hemos demostrado la alta direccionalidad de la radiación de un emisor individual cuando es acoplado a una antena Yagi-Uda de múltiples elementos. Por reciprocidad, esta direccionalidad incrementa tanto el campo de excitación como la eficiencia de acoplamiento. En una forma intuitiva las antenas ópticas se pueden entender como cavidades para los plasmones-polaritones de superficie. Tratando las antenas como cavidades, el capítulo 5 presenta una descripción de la interacción entre los emisores dipolares y la radiación mediada por los modos de las nano-antenas. Los resultados muestran como las propiedades de estos modos evolucionan desde las antenas macroscópicas perfectamente conductoras hasta las nano-antenas plasmónicas. Los resultados también explican las diferencias entre las antenas ópticas y las convencionales. Los resultados presentados en esta tesis prueban que las antenas ópticas son una nueva alternativa para acoplar luz a emisores cuánticos individuales. Las propiedades de absorción y emisión del emisor pueden ser controladas diseñando adecuadamente las antenas. Las antenas ópticas permiten amplificar y controlar la interacción entre radiación y materia en la escala nanométrica, convirtiéndolas en herramientas importantes en campos muy diversos. Por ejemplo, en microscopia óptica de campo cercano, en información cuántica, en óptica no lineal, en espectroscopia y en dispositivos fotovoltaicos