Search

We perform a detailed theoretical analysis of the far field narrowing in broad-area edgeemitting semiconductor amplifiers that are electrically injected through the contacts periodically modulated in both, longitudinal and transverse, directions. The beam propagation properties within the semiconductor amplifier are explored by a (1+2)-dimensional traveling wave model and its coupled mode approximation. Assuming a weak field regime, we analyze the impact of different parameters and modulation geometry on the narrowing of the principal far field component.

The propagation of light through 3D ordered photonic nanostructures is strongly affected by real aspects of actual crystals, especially at the spectral range where the wavelength of light is on the order of the lattice parameter. We perform a theoretical study on anomalous light propagation in finite thin artificial opal slabs made of a reduced number of layers. The vector KKR method we use accounts for the finite character of the structure and for different sources of losses. We show that an interplay between finite-size effects and losses engineers group velocity at this high energy range. Only depending on the crystal size and extinction, light propagation can either be superluminal (positive or negative) or approach zero for certain frequencies. The numerically calculated group index is in good agreement with experimental results some of which remained partially unexplained

An experimental analysis of the distribution and thickness of the bulk nonlinearity induced in poled silica is reported. The second-order susceptibility decreases exponentially from the anodic interface. Maker fringe patterns showing a double structure are interpreted in relation to the presence of two nonlinear profiles, one concentrated near the anodic surface and another extending into the bulk of the sample. The Maker fringe theory is properly generalized and a double fitting technique reproducing well the experimental results is used to characterize the induced nonlinearities. The dependence of the second-harmonic signal on the poling temperature is given, which is different from that of sol-gel silica.

The quest for new artificial structures and materials uncovers novel new light-matter interactions, and intriguing physical phenomena. Since the late 80’s purely dielectric materials have been structured, at the wavelength-scale, to develop photonic crystals and photonic crystal fibres. Recently, also the modulation of gain and losses came into play. The new platform based on complex refractive index materials, combining index and gain-loss modulations, opens the door towards new physical concepts and novel applications. One of these fascinating new insights is the realization of classical analogues of quantum systems described by non-Hermitian Hamiltonians, where the complex refractive index plays the role of a complex optical potential. Thus, by carefully combining the real and imaginary parts of the refractive index; it is possible to observe unusual features that cannot be attained in classical Hermitian systems. In particular, non-Hermitian PT-symmetric systems, invariant under the parity and time-reversal symmetries, may support nidirectional mode coupling which is at the basis of novel ideas and applications such as unidirectional invisibility, single mode microlasers or super-sensitive sensors just to name a few. Non-Hermitian photonics has overturned the conventional negative perception of losses, and offers new possibilities to utilize the gain and loss for steering optical processes. The aim of this thesis is to provide new insights into the wave dynamics in this new artificial complex media since a flexible wave control may be essential to design novel technological devices. The work has a double scope: to propose and develop new concepts in fundamental science framework; and to provide technological studies for direct applications in actual and ubiquitous devices such as broad area semiconductor lasers. In this sense, the main contribution is a novel approach to manipulate the light flow using non-Hermitian systems for light localization and enhancement, and for the control of the flow of light following arbitrary vector fields and corresponding applications to photonic devices. We apply the new fundamental concept of local PT-symmetry to one and two dimensions PT-axisymmetric configurations to obtain highly localized fields at selected position or area. Further, we extend and generalize the idea of local PT-symmetry to design systems able to control the flow of light. We develop a mathematical framework to design such 2D (or higher dimensional) complex structured material for any arbitrary vector field and desired topology, referred as a local Hilbert transform which relates the real and imaginary parts of the complex refractive index. The theory of such directionality field is tested on random, periodic, quasi-periodic and localized patterns to generate arbitrary field flows in the form of a sink, vortices or circular channel flows, both in linear and nonlinear systems. Moreover, we investigate non-Hermitian structures for technological applications. We consider 2D periodic lattices, with simultaneous transverse and longitudinal PT-symmetry to obtain self-collimated beams, useful for example in integrated optics. We also propose different schemes of index and gain/loss modulations to enhance the stability of broad area semiconductor (BAS) devices. Besides, we show how: (i) the introduction of spatiotemporal modulation on the pump of vertical-external-cavity surface-emitting lasers (VECSELs) with a simple flat mirror configuration, may stabilize its emission; (ii) in phase modulations of index and gain-loss profiles stabilizes the emission from BAS lasers and amplifiers, a proposal relying on the suppression of modulation instabilities using dispersion management; (iii) PT-axisymmetry applied either to BAS lasers or VCSELs renders these lasers into bright and narrow laser sources., La recerca de nous materials i estructures artificials revela nous mecanisme d’interacció llum-matèria i fenòmens físics inesperats. A finals dels 80, es desenvolupen els primers materials estructurats a escala de la longitud d'ona, cristalls fotònics i fibres de cristall fotònic, utilitzant materials purament dielèctrics. Més recentment, s’afegeixen també modulacions del guany òptic i pèrdues (absorció). Els nous materials artificials estructurats, que combinen modulacions d'índex i de guanys i pèrdues, caracteritzats per tenir índexs de refracció complexos, obren les portes a noves idees físiques i futures aplicacions. Aquests sistemes permeten també realitzar sistemes clàssics anàlegs als quàntics amb Hamiltonians no hermítics, on l’índex de refracció complex juga el paper de potencial òptic complex. Amb un dissenyat acurat del potencial òptic s’assoleixen característiques impossibles en sistemes hermítics clàssics. En particular, els sistemes no hermítics invariants sota la simetria de Paritat i d’inversió Temporal, denominats sistemes amb simetria PT, permeten acoblaments unidireccionals entre modes, que són la base d’idees i aplicacions sorprenents com: la invisibilitat unidireccional, microlàsers monomode, super-sensors,... La fotònica no hermítica canvia la percepció negativa que es tenia de l’absorció en dispositius òptics, ja que permet utilitzar de forma avantatjosa no només el guany òptic sinó també les pèrdues. L'objectiu d'aquesta tesi és aprofundir en la propagació dones a través de sistemes òptics no hermítics, ja que el seu control pot ser essencial per al disseny de nous dispositius. Així, la tesi té un doble objectiu: l’estudi d’aspectes fonamentals de la fotònica no hermítica i la seva aplicació directa en la millora de dispositius tecnològics ja existents (com en làsers de semiconductors) o innovadors. La principal aportació és el desenvolupament d’un nou mecanisme per al control i manipulació del flux de la llum, que permet: localitzar i concentrar la llum en un punt desitjat, o controlar el flux de llum seguint un camp vectorial arbitrari; i la proposta d’aplicacions a dispositius fotònics. Primer es formula un nou concepte fonamental: els sistemes amb simetria PT local (amb configuracions PT-axisimètriques en una i dues dimensions) per obtenir camps molt localitzats en una posició o àrea determinada. Després, es generalitza la idea per dissenyar camps capaços de controlar el flux de la llum. Es desenvolupa una eina matemàtica que anomenen transformació local d’Hilbert, per dissenyar aquest tipus de sistemes estructurats en dues (o més) dimensions, per aconseguir que el flux de llum segueixi qualsevol camp vectorial arbitrari i topologia desitjada. Aquesta transformació relaciona la part real i imaginària de l'índex de refracció complex. Es comprova el funcionament del potencials generats seguint aquest procediment, utilitzant inicialment diferents patrons: aleatoris, periòdics, quasi-periòdics o bé localitzats. En tots els cassos es demostra que és possible generar fluxos en forma radial, vòrtex o fluxos circulars, tant en sistemes lineals com no lineals. Pel que fa a aplicacions tecnològiques, es consideren xarxes periòdiques en dues dimensions, amb simetria PT transversal i longitudinal per obtenir feixos auto-col·limats, útils, per exemple, en òptica integrada. També s’estudien diferents esquemes per millorar l'estabilitat de fonts de llum de semiconductors d'àrea ampla (BAS). Es demostra que: (i) la modulació espacio-temporal del bombeig estabilitza emissors làser de superfície amb cavitat externa vertical (VECSEL) amb configuració de mirall pla; (ii) les modulacions d'índex i de guany i pèrdua poden suprimir les inestabilitats de modulació mitjançant el control de dispersió en làsers i amplificadors BAS amb; (iii) la simetria PT aplicada als làsers BAS o els VCSEL modula el feix

Recent advancement in Photonics have brought about a new era of miniaturisation. Along came a need for technology to allow the manipulation of light at the micrometer scale, with precise control over beam propagation. The past decades have seen numerous studies devoted to periodic nanophotonic structures, Photonic Crystals (PhCs), which brought out different temporal and spatial functionalities such as frequency bandgaps, waveguiding, or managing diffractive properties of the beam. More recently, attention was paid to equally accessible artificial nanophotonic structures, where gain and losses are modulated on the wavelength scale: Gain Loss Modulated Materials (GLMMs). Therefore, the aim of my PhD was providing a deep analysis on beam propagation in GLMMs, identifying the spatial propagation effects they held and proposing realistic scenarios in which they could be implemented, in existing and evolving technology and devices. We built our studies from a solid understanding of GLMMs of prior works performed, however, using a paraxial approximation, which reduces the predictions accuracy by excluding propagation at large angles. The methodology adopted is a combination of analytical predictions and numerical confirmation of the predicted effects. We initially investigated the high anisotropy of beam amplification/attenuation within GLMMs. As predicted by the plane wave expansion method, the propagation of light beams within such structures is sensitive to the propagation direction. We provided a numerical proof in 2D periodic Loss Modulated Materials (LMM) with square and rhombic lattice symmetry, by solving the full set of Maxwell¿s equations, using the finite difference time domain method, which entails no approximation. Anisotropy of amplification/attenuation leads to the narrowing of the angular spectrum of beams with wavevectors close to the edges of the first Brillouin Zone. The effect provides a novel tool to filter out high spatial harmonics from noisy beams, while being amplified. A later study lead us to analyse the focalisation performance of a flat LMM slab. Flat lensing was analytically predicted by the dispersion curves obtained from a coupled mode expansion of Maxwell¿s equations, and then numerically confirmed. For a range of frequencies coinciding with a high transmission window at resonant Bragg frequencies (bandgap frequencies for PhCs), light beams undergo negative (anomalous) diffraction through LMMs. The phase shifts accumulated within the structure are then compensated by normal diffraction in free space, leading to a substantial focalization beyond it. The predicted phenomena are generic for spatially modulated materials and other kinds of waves. Thus, we also discussed, for the first time, propagation in LMM acoustic crystals, predicting high angular transmission bands. While these initial studies assumed hypothetical LMM materials, in a realistic scenario, loss modulations are always accompanied by refractive index modulations, as predicted by Kramers-Kronig relations. During the final phase of my PhD, we focused on more realistic structures exhibiting both index and loss modulations, namely metallic photonic crystals (MPhCs), made of 2D rhombic arrays of metallic cylinders embedded in air. We explored their ability to tailor the spatial propagation of light beams. Indeed, MPhCs support self-collimated propagation and negative diffraction. In this later case, flat lensing was demonstrated, leading to the focalization of beams behind MPhCs slabs. Also, the anisotropic attenuation of light within MPhCs enables spatial filtering. Finally, we initiated studies towards the implementation of GLMMs as an intrinsic mechanism to improve the beam quality from Broad Area Semiconductor (BAS) amplifiers. Along the development of my PhD, we proposed, analysed and established spatial beam propagation effects in GLMM, from purely ideal LMM structures to more realistic structure as MPhCs or BAS amplifiers., Els avenços recents en Fotònica han començat una nova era de miniaturització, apareixent la necessitat tecnològica de manipular la llum a l'escala micromètrica, amb un control precís de la propagació del feixos. Les darreres dècades han estat testimoni de nombrosos estudis dedicats a estructures periòdiques nanofotòniques, Cristalls Fotònics (PhC), amb propietats temporals i espacials, com ara bandes prohibides de freqüència, guies d'ones, o el control sobre la difracció dels feixos de llum. Més recentment, s'han considerat altres estructures artificials nanofotòniques igualment accessibles, amb guanys i pèrdues modulades a l'escala de la longitud d'ona, Materials Modulats amb Guanys i Pèrdues (GLMMs). Així, l'objectiu de la meva tesi doctoral és proporcionar una anàlisi profunda sobre la propagació dels feixos de llum en GLMMs, identificant efectes espacials i proposant escenaris reals per implementar-los, en tecnologies i dispositius ja existents o en desenvolupament. Els treball parteix d'estudis previs que proporcionen una comprensió sòlida dels GLMMs, malgrat que es basen en l'aproximació paraxial, reduint la precisió de les prediccions ja que s'exclou la propagació a angles grans. La metodologia adoptada és una combinació de prediccions analítiques i confirmació numèrica dels efectes predits. Inicialment, s'investiga l'alta anisotropia d'amplificació/atenuació de feixos dins GLMMs. Tal com es prediu amb el mètode d'expansió en ones planes, la propagació del feixos en aquestes estructures és molt sensible a la direcció; proporcionant la prova numèrica en Materials 2D amb Pèrdues Modulades (LMM) amb simetria de xarxa quadrada i romboïdal, resolent el conjunt complet de les equacions de Maxwell (mètode de diferències finites en domini temporal), sense cap aproximació. L'anisotropia de l'amplificació/atenuació redueix l'espectre angular dels feixos amb vectors d'ona propers als límits de la primera zona de Brillouin; efecte que proporciona una nova eina per filtrar harmònics espacials de feixos amb soroll, mentre s'amplifiquen. Un estudi posterior duu a analitzar la possibilitat de focalitzar amb una làmina plana LMM. L'efecte es prediu analíticament amb les corbes de dispersió (expansió en modes acoblats de les equacions de Maxwell) i es confirma numèricament. Per a un rang de freqüències dins la finestra d'alta transmissió de les freqüències ressonants de Bragg (banda prohibida per a PhC), la difracció és negativa (anòmala) a través de l'LMM. La difracció normal de l'espai lliure compensa la fase negativa acumulada en l'estructura i el feix focalitza després de la làmina. Els fenòmens predits són genèrics pels materials modulats espacialment i altres tipus d'ones. També s'estudia, per primera vegada, la propagació en cristalls acústics LMM, predient bandes angulars d'alta transmissió. Malgrat inicialment es consideren materials LMM ideals, en un escenari més realista, les modulacions de pèrdues van sempre acompanyades de modulacions d'índex de refracció segons les relacions de Kramers-Kronig. La fase final de la meva Tesi se centra en estructures més realistes tant amb modulacions d'índex com de pèrdues: cristalls fotònics metàl·lics (MPhCs), formats per distribucions periòdiques ròmbiques de cilindres metàl·lics en aire, explorant-ne la capacitat per controlar la propagació de feixos de llum. En MPhCs és possible tant la propagació col·limada com la difracció negativa. En aquest últim cas, es demostra la focalització per làmines planes de MPhCs. A més, l'atenuació anisòtropa de la llum permet el filtratge espacial. Finalment, s'explora l'aplicació dels GLMMs com a mecanisme intrínsec per millorar la qualitat dels feixos emesos per amplificadors de semiconductors (BAS). Al llarg de la meva tesi doctoral, s’han proposat, analitzat i establert mecanismes de control de la difracció de feixos de llum en GLMM, des d'estructures purament ideals LMM a més realistes com MPhCs o amplificadors BAS.