Analysis of irregular behaviour on an optical computing logic cell

A new methodology to study irregular behaviours in logic cells is reported. It is based on two types of diagrams, namely phase and working diagrams. Sets of four bits are grouped and represented by their hexadecimal equivalent. Some hexadecimal numbers correspond to certain logic functions. The influence of the internal and external tolerances, namely those appearing in the employed devices and in the working signals, may be analysed with this method. Its importance in the case of logic structures with chaotic behaviours is studied.

Digital chaos synchronization in optical networks

A new method to obtain digital chaos synchronization between two systems is reported. It is based on the use of Optically Programmable Logic Cells as chaos generators. When these cells are feedbacked, periodic and chaotic behaviours are obtained. They depend on the ratio between internal and external delay times. Chaos synchronization is obtained if a common driving signal feeds both systems. A control to impose the same boundary conditions to both systems is added to the emitter. New techniques to analyse digital chaos are presented. The main application of these structures is to obtain secure communications in optical networks.

Free-form optics for Fresnel-lens-based photovoltaic concentrators

The Concentrated Photovoltaics (CPV) promise relies upon the use of high-efficiency triple-junction solar cells (with proven efficiencies of over 44%) and upon high-performance optics that allow for high concentration concurrent with relaxed manufacturing tolerances (all key elements for low-cost mass production). Additionally, uniform illumination is highly desirable for efficiency and reliability reasons. All of these features have to be achieved with inexpensive optics containing only a few (in general no more than 2) optical elements. In this paper we show that the degrees of freedom using free-forms allow the introduction of multiple functionalities required for CPV with just 2 optical elements, one of which is a Fresnel lens.

Spectral behavior of a low-cost all-fiber component based on untapered multifiber unions

Untapered multifiber unions are reported to show a spectral behavior similar to the tapered ones. Their oscillatory behavior does not depend on the biconical regions. This suggests a novel way to make low-cost all-fiber devices with applications as passive components such as optical filters and wavelength multiplexers/demultiplexers. Two types of multimode fibers have been studied and information about the index profile influence has been obtained. Polarization insensitivity and temperature stability have been observed.

Photonic Logic Based on Molecular Reorientation of Nematic Liquid Crystals

A new type of photonic logic, based on the use of nematic liquid crystals is proposed. The system takes advantage of the refractive-index changes induced by laser beams. Examples of AND, OR and NOR functions are presented.

Contribución al estudio de sistemas de hipertermia óptica y su aplicación en muestras biológicas

Las nanopartículas de metales nobles (especialmente las de oro) tienen un gran potencial asociado al desarrollo de sistemas de terapia contra el cáncer debido principalmente a sus propiedades ópticas, ya que cuando son irradiadas con un haz de luz sintonizado en longitud de onda con su máximo de Resonancia de Plasmón Superficial, absorben de manera muy eficiente dicha luz y la disipan rápidamente al medio en forma de calor localizado. Esta característica por tanto, puede ser aprovechada para conseguir elevar la temperatura de células tumorales hasta sobrepasar umbrales a partir de los cuales se produciría la muerte celular. Partiendo de estos principios, esta tesis se centra en el desarrollo y la caracterización de una serie de prototipos de hipertermia óptica basados en la irradiación de nanopartículas de oro con un haz de luz adecuado, así como en la aplicación in vitro de la terapia sobre células cancerígenas. Además, el trabajo se orienta a identificar y comprender los procesos mecánicos y térmicos asociados a este tipo de hipertermia, y a desarrollar modelos que los describan, estudiando y planteando nuevas formas de irradiación, para, en última instancia, poder optimizar los procesos descritos y hacerlos más efectivos. Los resultados obtenidos indican que, el uso de nanopartículas de oro, y más concretamente de nanorods de oro, para llevar a cabo terapias de hipertermia óptica, permite desarrollar terapias muy efectivas para inducir muerte en células cancerígenas, especialmente en tumores superficiales, o como complemento quirúrgico en tumores internos. Sin embargo, los efectos de la toxicidad de las nanopartículas de oro, aún deben ser detalladamente estudiados, ya que este tipo de terapias sólo será viable si se consigue una completa biocompatibilidad. Por otro lado, el estudio exhaustivo de los procesos térmicos que tienen lugar durante la irradiación de las nanopartículas ha dado lugar a una serie de modelos que permiten determinar la efectividad fototérmica de las nanopartículas y además, visualizar la evolución de la temperatura tanto a escala nanométrica como a escala macrométrica, en función de los parámetros ópticos y térmicos del sistema. El planteamiento de nuevas formas de irradiación y el desarrollo de dispositivos orientados a estudiar los fenómenos mecánicos que tienen lugar durante la irradiación pulsada de baja frecuencia y baja potencia de nanopartículas de oro, ha dado lugar a la detección de ondas de presión asociadas a procesos de expansión termoelástica, abriendo la puerta al desarrollo de terapias de hipertermia que combinen la muerte celular producida por calentamiento con la muerte derivada de los fenómenos mecánicos descritos.VII Noble metal nanoparticles (especially gold ones), have a huge potential in the development of therapy systems against cancer mainly due to their optical properties, so that, when these particles are irradiated with a light that is syntonized in wavelength with their maximum of Surface Plasmon Resonance, they effectively absorb and dissipate the light to the surrounding medium as localized heat. We can take advantage of this characteristic for rising the temperature of cancer cells above the threshold at which cellular death would occur. From these principles, this thesis is oriented to the development and characterization of a series of optical hyperthermia prototypes based on the irradiation of gold nanoparticles using the suitable light, and on the in vitro application of this therapy over cancer cells, to understand the mechanical and thermal processes associated with this kind of hyperthermia, developing descriptive models, and to study and to approach new ways of irradiation in order to, ultimately, optimize the described processes and make them more effective. The obtained results show that, the use of gold nanoparticles, and more specifically, of gold nanorods, to carry out optical hyperthermia therapies, allows the development of very effective therapies in order to induce death in VIII cancer cells, especially in superficial tumors, or like surgical complement in more internal tumors. However, the toxicity effects of the gold nanoparticles still need to be studied more detail, because this kind of therapies will be feasible only if a complete biocompatibility is achieved. On the other hand, the exhaustive study of the thermal processes that take place during the irradiation of the nanoparticles resulted in a series of models that allow the determination of the photothermal efficiency of the nanoparticles and also the visualization of the temperature evolution, both at nanoscale and at macroscale, as a function of the optical and thermal parameters of the system. The proposal of new ways of irradiation and the development of devices oriented to study the mechanical effects that take place during the low frequency and low power pulsing irradiation of gold nanoparticles has led to the detection of pressure waves associated to thermoelastic expansion processes, opening the door to the development of hyperthermia therapies that combine the cellular death due to the heating with the death derived from the described mechanical phenomena.

Digital chaotic output from an optically processing element

Digital chaotic behavior in an optically processing element is reported. It is obtained as the result of processing two fixed trains of bits. The process is performed with an optically programmable logic gate, previously reported as a possible main block for optical computing. Outputs for some specific conditions of the circuit are given. Digital chaos is obtained using a feedback configuration. Period doublings in a Feigenbaum‐like scenario are obtained. A new method to characterize this type of digital chaos is reported.

Minimal template size for Iris-Recognition

A method to achieve improvement in template size for an iris-recognition system is reported. To achieve this result, the biological characteristics of the human iris have been studied. Processing has been performed by image processing techniques, isolating the iris and enhancing the area of study, after which multi resolution analysis is made. Reduction of the pattern obtained has been obtained via statistical study.

Monte Carlo simulation on a system of hard cylinders at a very high packing fraction

Using the Monte Carlo method the behavior of a system of true hard cylinders has been studied. Values of the length-to-breadth ratio L/D and packing fraction η have been chosen similar to those of real nematic liquid crystals. Results include radial distribution function g(r), structure factor S(k), and orientational order parameter M. These results lead to the conclusion that the hard cylinder model may be a useful reference for real mesomorphic phases.

Synchronizing chaotic optically-programmable digital circuits

In this paper an approach to the synchronization of chaotic circuits has been reported. It is based on an optically programmable logic cell and the signals involved are fully digital. It is based on the reception of the same input signal on sender and receiver and from this approach, with a posterior correlation between both outputs, an identical chaotic output is obtained in both systems. No conversion from analog to digital signals is needed. The model here presented is based on a computer simulation.

Electrooptical behavior of twisted-wedge nematic structures

A new type of domain in twisted-wedge negative nematics is reported. The wedge shape allows the separation of ordinary and extraordinary beams that can be studied separately. In these conditions, at least five different regions can be detected, depending on applied voltages and frequencies. Both rays are shown to yield different diffraction patterns. The relative light intensity of several spots of these paterns is also studied.

Electrooptic effect in cholesteric blue phases with small positive dielectric anisotropy

An electrooptic effect in the blue phase of the cholesteric mixture S811-and the nematic mixture N5 is reported. To demonstrate this effect ac voltages (ƒ = 1000 Hz) between 0 and 150 νwere applied. Wavelength shifts of 70 nm were obtained.

Liquid-crystal electro-optic modulator based on electrohydrodynamic effects

A new method of light modulation is reported. This method is based on the electro-optical properties of nematic materials and on the use of a new wedge structure. The advantages of this structure are the possibility of modulating nonpolarized light and the improved signal-to-noise ratio. The highest modulating frequency obtained is 25 kHz.

Diseño de una red de fibra óptica para la implementación de servicios de una banda ancha en una zona de viviendas en casco urbano

El objetivo del proyecto es el diseño y la instalación de una red de fibra óptica para la implementación de servicios de banda ancha en una zona de viviendas. Mediante esta instalación se dará servicio de fibra óptica hasta el hogar (FTTH). El proyecto cubre la instalación desde la Central de Comunicación hasta los usuarios.

Photon Management Structures for Absorption Enhancement in Intermediate Band Solar Cells and Crystalline Silicon Solar Cells

El objetivo de la tesis es investigar los beneficios que el atrapamiento de la luz mediante fenómenos difractivos puede suponer para las células solares de silicio cristalino y las de banda intermedia. Ambos tipos de células adolecen de una insuficiente absorción de fotones en alguna región del espectro solar. Las células solares de banda intermedia son teóricamente capaces de alcanzar eficiencias mucho mayores que los dispositivos convencionales (con una sola banda energética prohibida), pero los prototipos actuales se resienten de una absorción muy débil de los fotones con energías menores que la banda prohibida. Del mismo modo, las células solares de silicio cristalino absorben débilmente en el infrarrojo cercano debido al carácter indirecto de su banda prohibida. Se ha prestado mucha atención a este problema durante las últimas décadas, de modo que todas las células solares de silicio cristalino comerciales incorporan alguna forma de atrapamiento de luz. Por razones de economía, en la industria se persigue el uso de obleas cada vez más delgadas, con lo que el atrapamiento de la luz adquiere más importancia. Por tanto aumenta el interés en las estructuras difractivas, ya que podrían suponer una mejora sobre el estado del arte. Se comienza desarrollando un método de cálculo con el que simular células solares equipadas con redes de difracción. En este método, la red de difracción se analiza en el ámbito de la óptica física, mediante análisis riguroso con ondas acopladas (rigorous coupled wave analysis), y el sustrato de la célula solar, ópticamente grueso, se analiza en los términos de la óptica geométrica. El método se ha implementado en ordenador y se ha visto que es eficiente y da resultados en buen acuerdo con métodos diferentes descritos por otros autores. Utilizando el formalismo matricial así derivado, se calcula el límite teórico superior para el aumento de la absorción en células solares mediante el uso de redes de difracción. Este límite se compara con el llamado límite lambertiano del atrapamiento de la luz y con el límite absoluto en sustratos gruesos. Se encuentra que las redes biperiódicas (con geometría hexagonal o rectangular) pueden producir un atrapamiento mucho mejor que las redes uniperiódicas. El límite superior depende mucho del periodo de la red. Para periodos grandes, las redes son en teoría capaces de alcanzar el máximo atrapamiento, pero sólo si las eficiencias de difracción tienen una forma peculiar que parece inalcanzable con las herramientas actuales de diseño. Para periodos similares a la longitud de onda de la luz incidente, las redes de difracción pueden proporcionar atrapamiento por debajo del máximo teórico pero por encima del límite Lambertiano, sin imponer requisitos irrealizables a la forma de las eficiencias de difracción y en un margen de longitudes de onda razonablemente amplio. El método de cálculo desarrollado se usa también para diseñar y optimizar redes de difracción para el atrapamiento de la luz en células solares. La red propuesta consiste en un red hexagonal de pozos cilíndricos excavados en la cara posterior del sustrato absorbente de la célula solar. La red se encapsula en una capa dieléctrica y se cubre con un espejo posterior. Se simula esta estructura para una célula solar de silicio y para una de banda intermedia y puntos cuánticos. Numéricamente, se determinan los valores óptimos del periodo de la red y de la profundidad y las dimensiones laterales de los pozos para ambos tipos de células. Los valores se explican utilizando conceptos físicos sencillos, lo que nos permite extraer conclusiones generales que se pueden aplicar a células de otras tecnologías. Las texturas con redes de difracción se fabrican en sustratos de silicio cristalino mediante litografía por nanoimpresión y ataque con iones reactivos. De los cálculos precedentes, se conoce el periodo óptimo de la red que se toma como una constante de diseño. Los sustratos se procesan para obtener estructuras precursoras de células solares sobre las que se realizan medidas ópticas. Las medidas de reflexión en función de la longitud de onda confirman que las redes cuadradas biperiódicas consiguen mejor atrapamiento que las uniperiódicas. Las estructuras fabricadas se simulan con la herramienta de cálculo descrita en los párrafos precedentes y se obtiene un buen acuerdo entre la medida y los resultados de la simulación. Ésta revela que una fracción significativa de los fotones incidentes son absorbidos en el reflector posterior de aluminio, y por tanto desaprovechados, y que este efecto empeora por la rugosidad del espejo. Se desarrolla un método alternativo para crear la capa dieléctrica que consigue que el reflector se deposite sobre una superficie plana, encontrándose que en las muestras preparadas de esta manera la absorción parásita en el espejo es menor. La siguiente tarea descrita en la tesis es el estudio de la absorción de fotones en puntos cuánticos semiconductores. Con la aproximación de masa efectiva, se calculan los niveles de energía de los estados confinados en puntos cuánticos de InAs/GaAs. Se emplea un método de una y de cuatro bandas para el cálculo de la función de onda de electrones y huecos, respectivamente; en el último caso se utiliza un hamiltoniano empírico. La regla de oro de Fermi permite obtener la intensidad de las transiciones ópticas entre los estados confinados. Se investiga el efecto de las dimensiones del punto cuántico en los niveles de energía y la intensidad de las transiciones y se obtiene que, al disminuir la anchura del punto cuántico respecto a su valor en los prototipos actuales, se puede conseguir una transición más intensa entre el nivel intermedio fundamental y la banda de conducción. Tomando como datos de partida los niveles de energía y las intensidades de las transiciones calculados como se ha explicado, se desarrolla un modelo de equilibrio o balance detallado realista para células solares de puntos cuánticos. Con el modelo se calculan las diferentes corrientes debidas a transiciones ópticas entre los numerosos niveles intermedios y las bandas de conducción y de valencia bajo ciertas condiciones. Se distingue de modelos de equilibrio detallado previos, usados para calcular límites de eficiencia, en que se adoptan suposiciones realistas sobre la absorción de fotones para cada transición. Con este modelo se reproducen datos publicados de eficiencias cuánticas experimentales a diferentes temperaturas con un acuerdo muy bueno. Se muestra que el conocido fenómeno del escape térmico de los puntos cuánticos es de naturaleza fotónica; se debe a los fotones térmicos, que inducen transiciones entre los estados excitados que se encuentran escalonados en energía entre el estado intermedio fundamental y la banda de conducción. En el capítulo final, este modelo realista de equilibrio detallado se combina con el método de simulación de redes de difracción para predecir el efecto que tendría incorporar una red de difracción en una célula solar de banda intermedia y puntos cuánticos. Se ha de optimizar cuidadosamente el periodo de la red para equilibrar el aumento de las diferentes transiciones intermedias, que tienen lugar en serie. Debido a que la absorción en los puntos cuánticos es extremadamente débil, se deduce que el atrapamiento de la luz, por sí solo, no es suficiente para conseguir corrientes apreciables a partir de fotones con energía menor que la banda prohibida en las células con puntos cuánticos. Se requiere una combinación del atrapamiento de la luz con un incremento de la densidad de puntos cuánticos. En el límite radiativo y sin atrapamiento de la luz, se necesitaría que el número de puntos cuánticos de una célula solar se multiplicara por 1000 para superar la eficiencia de una célula de referencia con una sola banda prohibida. En cambio, una célula con red de difracción precisaría un incremento del número de puntos en un factor 10 a 100, dependiendo del nivel de la absorción parásita en el reflector posterior. Abstract The purpose of this thesis is to investigate the benefits that diffractive light trapping can offer to quantum dot intermediate band solar cells and crystalline silicon solar cells. Both solar cell technologies suffer from incomplete photon absorption in some part of the solar spectrum. Quantum dot intermediate band solar cells are theoretically capable of achieving much higher efficiencies than conventional single-gap devices. Present prototypes suffer from extremely weak absorption of subbandgap photons in the quantum dots. This problem has received little attention so far, yet it is a serious barrier to the technology approaching its theoretical efficiency limit. Crystalline silicon solar cells absorb weakly in the near infrared due to their indirect bandgap. This problem has received much attention over recent decades, and all commercial crystalline silicon solar cells employ some form of light trapping. With the industry moving toward thinner and thinner wafers, light trapping is becoming of greater importance and diffractive structures may offer an improvement over the state-of-the-art. We begin by constructing a computational method with which to simulate solar cells equipped with diffraction grating textures. The method employs a wave-optical treatment of the diffraction grating, via rigorous coupled wave analysis, with a geometric-optical treatment of the thick solar cell bulk. These are combined using a steady-state matrix formalism. The method has been implemented computationally, and is found to be efficient and to give results in good agreement with alternative methods from other authors. The theoretical upper limit to absorption enhancement in solar cells using diffractions gratings is calculated using the matrix formalism derived in the previous task. This limit is compared to the so-called Lambertian limit for light trapping with isotropic scatterers, and to the absolute upper limit to light trapping in bulk absorbers. It is found that bi-periodic gratings (square or hexagonal geometry) are capable of offering much better light trapping than uni-periodic line gratings. The upper limit depends strongly on the grating period. For large periods, diffraction gratings are theoretically able to offer light trapping at the absolute upper limit, but only if the scattering efficiencies have a particular form, which is deemed to be beyond present design capabilities. For periods similar to the incident wavelength, diffraction gratings can offer light trapping below the absolute limit but above the Lambertian limit without placing unrealistic demands on the exact form of the scattering efficiencies. This is possible for a reasonably broad wavelength range. The computational method is used to design and optimise diffraction gratings for light trapping in solar cells. The proposed diffraction grating consists of a hexagonal lattice of cylindrical wells etched into the rear of the bulk solar cell absorber. This is encapsulated in a dielectric buffer layer, and capped with a rear reflector. Simulations are made of this grating profile applied to a crystalline silicon solar cell and to a quantum dot intermediate band solar cell. The grating period, well depth, and lateral well dimensions are optimised numerically for both solar cell types. This yields the optimum parameters to be used in fabrication of grating equipped solar cells. The optimum parameters are explained using simple physical concepts, allowing us to make more general statements that can be applied to other solar cell technologies. Diffraction grating textures are fabricated on crystalline silicon substrates using nano-imprint lithography and reactive ion etching. The optimum grating period from the previous task has been used as a design parameter. The substrates have been processed into solar cell precursors for optical measurements. Reflection spectroscopy measurements confirm that bi-periodic square gratings offer better absorption enhancement than uni-periodic line gratings. The fabricated structures have been simulated with the previously developed computation tool, with good agreement between measurement and simulation results. The simulations reveal that a significant amount of the incident photons are absorbed parasitically in the rear reflector, and that this is exacerbated by the non-planarity of the rear reflector. An alternative method of depositing the dielectric buffer layer was developed, which leaves a planar surface onto which the reflector is deposited. It was found that samples prepared in this way suffered less from parasitic reflector absorption. The next task described in the thesis is the study of photon absorption in semiconductor quantum dots. The bound-state energy levels of in InAs/GaAs quantum dots is calculated using the effective mass approximation. A one- and four- band method is applied to the calculation of electron and hole wavefunctions respectively, with an empirical Hamiltonian being employed in the latter case. The strength of optical transitions between the bound states is calculated using the Fermi golden rule. The effect of the quantum dot dimensions on the energy levels and transition strengths is investigated. It is found that a strong direct transition between the ground intermediate state and the conduction band can be promoted by decreasing the quantum dot width from its value in present prototypes. This has the added benefit of reducing the ladder of excited states between the ground state and the conduction band, which may help to reduce thermal escape of electrons from quantum dots: an undesirable phenomenon from the point of view of the open circuit voltage of an intermediate band solar cell. A realistic detailed balance model is developed for quantum dot solar cells, which uses as input the energy levels and transition strengths calculated in the previous task. The model calculates the transition currents between the many intermediate levels and the valence and conduction bands under a given set of conditions. It is distinct from previous idealised detailed balance models, which are used to calculate limiting efficiencies, since it makes realistic assumptions about photon absorption by each transition. The model is used to reproduce published experimental quantum efficiency results at different temperatures, with quite good agreement. The much-studied phenomenon of thermal escape from quantum dots is found to be photonic; it is due to thermal photons, which induce transitions between the ladder of excited states between the ground intermediate state and the conduction band. In the final chapter, the realistic detailed balance model is combined with the diffraction grating simulation method to predict the effect of incorporating a diffraction grating into a quantum dot intermediate band solar cell. Careful optimisation of the grating period is made to balance the enhancement given to the different intermediate transitions, which occur in series. Due to the extremely weak absorption in the quantum dots, it is found that light trapping alone is not sufficient to achieve high subbandgap currents in quantum dot solar cells. Instead, a combination of light trapping and increased quantum dot density is required. Within the radiative limit, a quantum dot solar cell with no light trapping requires a 1000 fold increase in the number of quantum dots to supersede the efficiency of a single-gap reference cell. A quantum dot solar cell equipped with a diffraction grating requires between a 10 and 100 fold increase in the number of quantum dots, depending on the level of parasitic absorption in the rear reflector.