Recientemente se ha abierto un nuevo campo de investigación en el área del electromagnetismo aplicado y de la ingeniería de microondas basado en el control de las propiedades electromagnéticas de ciertas estructuras periódicas artificiales conocidas como metamateriales. Debido a que las celdas constitutivas de este tipo de estructuras presentan unas dimensiones muy reducidas en términos de longitud de onda es posible diseñar, en base a este concepto, dispositivos que combinen un gran nivel de compactación y elevadas prestaciones. En esta tesis se han utilizado las propiedades de dichos medios para la implementación de filtros de microondas en tecnología planar. Particularmente se han desarrollado técnicas de síntesis que permiten el diseño de filtros con características controlables, en términos de ancho de banda, rizado en la banda de paso, colocación de ceros de transmisión en la banda de rechazo, etc. En este documento se pueden encontrar varios ejemplos de aplicación de estas técnicas, dando lugar a varios prototipos con respuestas en varios rangos de frecuencia, que van desde respuestas de banda estrecha hasta respuestas ultra anchas. / In the last years, a new research field in the area of applied electromagnetism and microwave engineering based on the control of electromagnetic properties of artificial structures has taken a great interest. These structures are known as metamaterials. Due to the small dimensions of its constitutive cells it is possible to design, based on this concept, devices that combine high performance and compact dimensions. This thesis concerns the application of metamaterial technology to the synthesis of microwave filters in planar technology. In this document can be found a design methodology for each cell of the structure according to the desired frequency response of the filter (bandwidth, pass band ripple, location of transmission zeroes, etc). This methodology is also applicable to the design of filters with standard frequency responses (Chebyshev, Butterworth, etc). The theoretical work is also supported with experimental results of several prototypes with different bandwidths, from narrow band responses to ultra wide band filters.

Al comienzo delsiglo XXI ha surgido un nuevo campo de investigación en el area del electromagnetismo aplicado y de la ingenierıa de microondas, basado en el control de las propiedades electromagnéticas de estructuras artificiales, conocidas como metamateriales. Este nuevo concepto de metamaterial agrupa diversas estructuras que suelen ser periódicas. En el caso de los cristales electromagnéticos, abarca a los medios en el que el periodo de la estructura es comparable a la longitud de onda de la radiación que se propaga por dicho medio. Para los medios efectivos, las celdas que forman el medio tienen un tamaño mucho menor que la longitud de onda a la frecuencia de operación y de esta forma la señal ve dicho medio como un continuo, sin diferenciar las partes individuales que forman dicho medio. Con este concepto de medio efectivo podemos combinar diferentes estructuras que en conjunto muestren características electromagnéticas inexistentes en la naturaleza, y cuyas propiedades son diferentes a las que tendrían por separado. Este tipo de medio puede estar formado por elementos resonantes cuyas dimensiones son inferiores a la longitud de onda a su frecuencia de resonancia, por lo que se les llama resonadores eléctricamente pequeñoos, lo que nos permite diseñar celdas de reducidas dimensiones en términos de longitud de onda. Debido a que el tamaño de la celda unidad que forma el medio vendrá determinado por el tamaño de los elementos que la componen, reducir el tamaño de estos elementos implica una reducción en el tamaño de la estructura completa. El objetivo principal de esta tesis será la obtención de nuevos resonadores eléctricamente pequeños cuyas dimensiones sean menores a las de los ya existentes, su utilización en líneas de transmisión planares, la caracterización tanto de los resonadores como de las líneas donde se utilicen y su aplicación en el diseño de circuitos de microondas planares de reducidas dimensiones. La finalidad de esto es la miniaturización de circuitos de microondas utilizados en sistemas de comunicación, sin reducir prestaciones e incluso mejorándolas.

Memoria para optar al título de Ingeniero Civil Eléctrico / En los últimos años ha existido un justificado interés en el desarrollo y aplicaciones de los metamateriales. Estos consisten en estructuras o materiales compuestos que pueden imitar respuestas de materiales conocidos o exhibir propiedades que no están disponibles en la naturaleza. Ser capaz modificar las propiedades de los metamateriales permite controlar su comportamiento a nivel electromagnético. En el diseño de antenas esto significa contar con herramientas adicionales para mejorar el desempeño, reducir el tamaño y abrir nuevas áreas de investigación. En esta memoria se muestra el diseño, fabricación y caracterización de arreglos ante- nas microstrip utilizando una superficie selectiva de frecuencia como elemento radiador, y acoplamiento por apertura como técnica de alimentación. El objetivo del presente trabajo es explorar el desempeño de un arreglo de antenas . Este diseño considera excitar cada antena del arreglo por separado y así tener aplicaciones con el sintetizador de haces en la banda 5.8 GHz ISM que posee el Laboratorio de Ondas Milimétricas. Se construyeron tres prototipos de arreglos. El prototipo final cuenta con 16 elementos distribuidos en un sustrato de dimensiones 129 x 129 mm y su desempeño se mide con las siguientes figuras de mérito. Ancho de banda fraccional medido varía entre 11,3% hasta 47.5% para los elementos del arreglo, con un promedio de 27,2%. Su beamwidth es de 23.5° a 5,81 GHz Lóbulos laterales en simulación tienen 15 dB menos que al haz principal. La Eficiencia de radiación simulada es de 80,57% en sustrato FR4 y 95,74% en sustrato Kappa 438. / ROGERS CORPORATION por la donación de sustrato RO4003C y KAPPA 438

Ingeniero Civil Eléctrico / Los metamateriales han revolucionado la forma de diseñar antenas, principalmente por lograr propiedades difíciles de obtener por técnicas tradicionales. El presente trabajo muestra el diseño, fabricación y caracterización de tres antenas de microcinta operando en la banda de 2.4 GHz para explorar el efecto de estructuras de metamateriales, en busca de un mejor desempeño en términos de ancho de banda, eficiencia de radiación y ganancia. La metodología utilizada comprende el diseño por software de análisis electromagnético, manufactura con técnicas de impresión de circuitos utilizando FR4, un insumo de propósito general, y el despliegue de un montaje experimental para la medición de pérdidas por retorno (S11) y patrones de radiación. Se han realizado experimentos de caracterización del parámetro S11 entre 1 GHz y 10 GHz, y seis cortes del patrón de radiación por antena, para 3 puntos de frecuencia, en co-polarización y polarización cruzada en cada uno. Las tres antenas construidas han mostrado anchos de banda excepcionales, del 49 %, 107 % y 29 %, eficiencias superiores al 75 % y ganancias totales sobre 3 dB. Se ha comparado el desempeño de cada una, utilizando figuras de mérito tales como: tamaño del haz de media potencia, eficiencia, ancho de banda, nivel de polarización cruzada, tamaño eléctrico y ganancia máxima. Asimismo, los dispositivos presentados pueden ser utilizados en variadas aplicaciones de la banda de 2.4 GHz. En particular, enlaces de gran alcance, comunicación multibanda e integración en sistemas compactos.

Los metamateriales son una nueva clase de materiales artificiales que pueden ser diseñados para poseer propiedades que serían difíciles o imposibles de encontrar en la naturaleza. Los metamateriales han posibilitado la aparición de un gran número de nuevos dispositivos fotónicos con asombrosas propiedades. Entre ellos, cabe destacar a los medios de índices negativos (NIMs) con los que es posible construir superlentes carentes del límite de resolución de las lentes convencionales, así como los dispositivos basados en óptica de transformación, una nueva teoría del electromagnetismo que permite conocer las propiedades que un medio debe tener para curvar o distorsionar el espacio electromagnético. Como consecuencia, ha sido posible crear dispositivos fascinantes, tales como capas de invisibilidad o agujeros negros ópticos. Debido a su importancia, en esta tesis nos hemos centrado en estas dos aplicaciones de los metamateriales. En el caso de los medios de índice negativo, hemos estudiado cómo éstos pueden ser construidos a partir de estructuras de transmisión extraordinaria. Como resultado principal, se ha diseñado y verificado experimentalmente un novedoso metamaterial de altas prestaciones que presenta una elevada figrua de mérito (sustancialmente mayor que las de trabajos previos)en el espectro visible. La estructura también presenta independencia de polarización y propiedades homogéneas para incidencia normal. Esta demostración corresponde al primer NIM experimental con bajas pérdidas en el régimen visible y también al primero formado por varias celdas unidad en la dirección de propagación, un paso imporante hacia NIMs homogéneos en esta banda. Este trabajo ha sido reconocido como uno de los últimos hitos en metamateriales ópticos tridimensionles. Además, otros autores han demostrado que las propiedades de esta estructura pueden ser empleadas para controlar la velocidad de propagación (subluminal y superluminal) de pulsos laser de femtosengudos o para conseguir c / García Meca, C. (2012). Design and implementation of photonic metamaterials [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/16465 / Palancia

Inspirados por las investigaciones realizadas en los campos de la plasmónica y los metamateriales, en este trabajo hemos estudiado la difusión de la luz por pequeñas partículas (nanopartículas en el rango del visible) con propiedades ópticas arbitraria, tanto convencionales (dieléctricas como metálicas) como no convencionales (con permeabilidad magnética distinta de 1). El trabajo está principalmente enfocado en controlar la propiedades (principalmente la dirección) de la luz difundida por una partícula mediante la manipulación de sus constantes ópticas. Las principales aplicaciones de este estudio se pueden concentrar en los campos de los biosensores y/o de las comunicaciones ópticas. Es por esto que hemos considerado tanto partículas aisladas como sistemas de partículas(dímeros principalmente). / Inspired by the last researches on plasmonics and metamaterials, this work is devoted to the study of light scattering by small particles (nanoparticles in the visible range) with arbitrary optical properties, both conventional and non-conventional. We focused the analysis on the control of the directionality of light scattering by tunning the optical constants of the scatterer. This could be interesting for the design of futuristic optical communications and/or for the generation of improved biosensores. For this reason, isolated particles and also clusters of them (mainly dimers) were considered.

La plasmónica es la ciencia que estudia la interacción, a escala nanométrica, entre la luz y los electrones libres de los metales, dando lugar a la propagación de ondas altamente confinadas a su superficie. La plasmónica tiene multitud de aplicaciones en nanotecnología, como son el sensado biológico y químico, espectroscopía, nanolitografía, comunicaciones de banda ultra ancha integradas en chips, nanoantenas para luz, filtrado, y manipulación de señales ópticas, entre muchas otras. Una de las aplicaciones más novedosas es la creación de metamateriales: estructuras artificiales diseñadas para controlar la propagación de la luz, con aplicaciones fascinantes como la lente perfecta o la capa de invisibilidad. La plasmónica y los metamateriales están al frente de la investigación actual en fotónica, gracias al auge de la nanotecnología y la nanociencia, que abre las puertas a una gran cantidad de nuevas aplicaciones. Esta tesis, desarrollada en el Centro de Tecnología Nanofotónica de Valencia de la UPV, en colaboración con la University of Pennsylvania y King's College London, trata de aportar nuevas ideas, estructuras y dispositivos a los campos de la plasmónica y los metamateriales, tratando de realizar su fabricación y medida experimental cuando sea posible. La tesis no se ciñe a una única aplicación o dispositivo, sino que realiza una extensiva exploración de los diversos sub-campos de la plasmónica en busca de fenómenos novedosos. Los resultados descritos son los siguientes: En el campo de los metamateriales de índice negativo se presentan dos estructuras: nanocables en forma de U, y guías coaxiales plasmónicas. En el campo del sensado plasmónico se presenta el diseño y la prueba experimental de un sensor se sustancias químicas de altas prestaciones con nanocruces metálicas. También se detallan teóricamente: un novedoso dispositivo para luz lenta e inversión temporal de pulsos basada en metamateriales y cristales fotónicos, un metamaterial para conversión de polarización sintonizable mediante pérdidas, un análogo plasmónico al efecto de levitación Meissner en superconductores y un método de reducción de pérdidas en guías plasmónicas mediante interferencia en guías multimodo. Por último se presenta teórica y experimentalmente un nuevo ejemplo fundamental de interferencia de campo cercano, logrando la excitación unidireccional de modos fotónicos ---ya sean plasmónicos o no--- mediante los campos cercanos de un dipolo circularmente polarizado. / Rodríguez Fortuño, FJ. (2013). Design and implementation of plasmonic metamaterials and devices [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/31207 / TESIS / Premios Extraordinarios de tesis doctorales

[ES] La tomografía por difracción surge para mejorar las técnicas de imagen al considerar la naturaleza ondulatoria de la luz. Mientras que los primeros sistemas de imagen médica se basaban únicamente en fuentes sin difracción, este enfoque consigue mejorar la reconstrucción del índice de refracción de los objetos, lo que permite, por ejemplo, el estudio de estructuras subcelulares. Del mismo modo, la demanda de redes de telecomunicaciones cada vez más rápidas y seguras ha propiciado la aparición de la fotónica. Hace dos décadas, la combinación de estos dos campos dio lugar a los primeros sistemas de tomografía por difracción óptica (ODT), los cuáles han evolucionado rápidamente durante este siglo. En esta tesis, presentamos dos nuevas aplicaciones de la ODT. La primera está relacionada con el concepto del microscopio tomográfico de fase (TPM), una versión de la ODT que permite el estudio de células aisladas, con muchas aplicaciones biomédicas, como el diagnóstico y la prognosis del cáncer. Sin embargo, los sistemas TPM actuales son caros, pesados y complejos. Para resolver estos problemas, proponemos el concepto de TPM en chip. Con este fin, diseñamos una hoja de ruta hacia el primer dispositivo tomográfico integrado en el marco de la tecnología lab-on-a-chip (LoC), y desarrollamos los primeros pasos para ello: 1) Hasta ahora, sólo se han utilizado detectores planos para obtener los mapas de índice de refracción de los objetos estudiados en TPM, basados en la detección del campo difractado hacia delante. Sin embargo, los principios físicos fundamentales indican que medir también el campo difractado hacia detrás debería mejorar la resolución de las imágenes. Además, un detector plano no es la configuración óptima para el TPM en chip. En esta línea, hemos explorado la posibilidad de usar detectores circulares en este escenario, como una técnica más adecuada para las configuraciones en chip, demostrando al mismo tiempo que este enfoque proporciona una mejor resolución que el lineal. 2) Proponemos un esquema de TPM en chip basado en el uso de nanoantenas dieléctricas como fuente de luz y píxeles detectores ODT, y caracterizamos experimentalmente su comportamiento mediante microscopía óptica de campo cercano. En cuanto a la segunda aplicación, estudiamos el potencial de la ODT como nuevo paradigma en la detección de capas de invisibilidad realistas, una de las aplicaciones más importantes de los metamateriales. Hasta ahora, el scattering cross section (SCS) se ha utilizado como modelo de referencia para diseñar y observar la eficacia de estos dispositivos para ocultar objetos. En nuestro estudio, demostramos que la ODT puede detectar las capas de invisibilidad prácticas con una sensibilidad superior a la que ofrece el SCS, incluso a las frecuencias de trabajo óptimas. Además, es posible obtener una imagen representativa del tamaño y la forma de la capa, revelando claramente su existencia. Finalmente, se discuten las conclusiones extraídas de los resultados obtenidos. Además, se detallan las futuras líneas de trabajo para abordar los retos que no se han completado en esta tesis doctoral. / [CA] La tomografia per difracció sorgeix per millorar les tècniques d'imatge anteriors en considerar la naturalesa ondulatòria de la llum. Mentre que els primers sistemes d'imatge mèdica es basaven únicament en fonts sense difracció, aquest enfocament aconsegueix millorar la reconstrucció de l'índex de refracció dels objectes, la qual cosa permet, per exemple, l'estudi d'estructures subcelulars. De la mateixa manera, la demanda de xarxes de telecomunicacions cada vegada més ràpides i segures ha propiciat l'aparició de la fotònica. Fa dues dècades, la combinació d'aquests dos camps va portar als primers sistemes de tomografia per difracció òptica (ODT), els quals han evolucionat ràpidament durant aquest segle. En aquesta tesi, presentem dues noves aplicacions de la ODT. La primera està relacionada amb el concepte del microscopi tomogràfic de fase (TPM), una versió de la ODT que permet l'estudi de cèl·lules aïllades, amb moltes aplicacions en biomedicina, com el diagnòstic i prognosi del càncer. No obstant això, els sistemes TPM actuals són cars, pesats i complexos. Per resoldre aquests problemes, proposem el concepte de TPM en xip. Per fer-ho, dissenyem un full de ruta cap al primer dispositiu tomogràfic integrat en el marc de la tecnologia lab-on-a-chip (LoC), i desenvolupem els primers passos a aquest efecte: 1) Fins ara, només s'han utilitzat detectors plans per a obtindre els mapes d'índex de refracció dels objectes estudiats en TPM, basats en la detecció del camp difractat cap avant. No obstant això, els principis físics fonamentals indiquen que mesurar també el camp difractat cap endarrere hauria de millorar la resolució de les imatges. A més, un detector pla no és la configuració òptima per al TPM en xip. En aquesta línia, hem explorat la possibilitat d'usar detectors circulars en aquest escenari, com una tècnica més adequada per a les configuracions en xip, demostrant al mateix temps que aquest enfocament proporciona una millor resolució que el lineal. 2) Proposem un esquema de TPM en xip basat en l'ús de nanoantenes dielèctriques com a font de llum i píxels detectors ODT, i caracteritzem experimentalment el seu comportament en camp pròxim mitjançant microscòpia òptica de camp pròxim. Pel que fa a la segona aplicació, estudiem el potencial de la ODT com a nou paradigma en la detecció de capes d'invisibilitat realistes, una de les aplicacions més importants dels metamaterials. Fins ara, el scattering cross section (SCS) s'ha utilitzat com a model de referència per a dissenyar i observar l'eficàcia d'aquests dispositius per a ocultar objectes. En el nostre estudi, vam demostrar que la ODT pot detectar les capes d'invisibilitat pràctiques amb una sensibilitat superior a la que ofereix el SCS, fins i tot a les freqüències de treball òptimes. A més, és possible obtindre una imatge representativa de la grandària i la forma de la capa, revelant clarament la seua existència. Finalment, es discuteixen les conclusions extretes dels resultats obtinguts i es detallen les futures línies de treball per a abordar els reptes que no s'han completat en aquesta tesi doctoral. / [EN] Diffraction Tomography arises to improve previous imaging techniques by considering the wave nature of light. Whereas the first medical imaging systems relied only on non-diffracting sources, this approach results in an enhanced reconstruction of the object's refractive index distribution, allowing, for example, the study of subcellular structures. Likewise, the demand for increasingly faster and secure telecommunication networks led to the advent of photonics. Two decades ago, the combination of these two fields gave rise to the first optical diffraction tomography (ODT) systems, which have rapidly evolved during this century. In this thesis, we present two novel applications of ODT. The first one is related to the concept of tomographic phase microscopy (TPM), a version of ODT that enables the study of isolated cells, with many applications in biomedicine, such as the diagnosis and prognosis of cancer. Nevertheless, current TPM systems are expensive, heavy, and cumbersome. To solve these issues we propose the concept of on-chip TPM. For this purpose, we design a roadmap towards the first integrated tomographic device in the frame of lab-on-a-chip (LoC) technology and develop the first steps to this end: 1) Until now, only flat detectors have been used to obtain the refractive index maps of the objects studied in TPM, based on the detection of the forward scattering. However, fundamental physical principles indicate that measuring also the backscattered field should improve the resolution of the images. Moreover, a flat detector is not the optimal configuration for on-chip TPM. In this vein, we have explored the possibility of using circular detectors in this scenario as a more suitable technique for on-chip configurations, demonstrating at the same time that this approach provides a better resolution than the linear one. 2) We propose a TPM on-chip scheme based on the use of dielectric nanoantennas as the ODT light source and detector pixels, and experimentally characterize their near-field behavior via scanning near-field optical microscopy. As for the second application, we study the potential of ODT as a new paradigm in the detection of realistic invisibility cloaks, one of the most important applications of metamaterials. Up to now, the scattering cross section (SCS) has been used as the gold standard to design and observe the effectiveness of these devices in hiding objects. In our study, we show that ODT can detect practical invisibility cloaks with a higher sensitivity than that offered by the SCS, even at the optimal working frequencies. Moreover, it is possible to obtain an image depicting the size and shape of the cloak, clearly revealing their existence. Finally, the conclusions drawn from the obtained results are discussed. In addition, future lines of action to address the challenges that have not been completed in this doctoral thesis are detailed. / Díaz Fernández, FJ. (2021). Novel Applications of Optical Diffraction Tomography: On-chip Microscopy and Detection of Invisibility Cloaks [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/180125 / TESIS