NONLINEAR EFFECTS IN MAGNETIC GARNET FILMS AND NONRECIPROCAL OPTICAL BLOCH OSCILLATIONS IN WAVEGUIDE ARRAYS

This dissertation presents detailed experimental and theoretical investigations of nonlinear and nonreciprocal effects in magnetic garnet films. The dissertation thus comprises two major sections. The first section concentrates on the study of a new class of nonlinear magneto-optic thin film materials possessing strong higher order magnetic susceptibility for nonlinear optical applications. The focus was on enlarging the nonlinear performance of ferrite garnet films by strain generation and compositional gradients in the sputter-deposition growth of these films. Under this project several bismuth-substituted yttrium iron garnet (Bi,Y) 3 (Fe,Ga)5 O12(acronym as Bi:YIG) films have been sputter-deposited over gadolinium gallium garnet (Gd 3 Ga5 O12 ) substrates and characterized for their nonlinear optical response. One of the important findings of this work is that lattice mismatch strain drives the second harmonic (SH) signal in the Bi:YIG films, in agreement with theoretical predictions; whereas micro-strain was found not to correlate significantly with SH signal at the micro-strain levels present in these films. This study also elaborates on the role of the film's constitutive elements and their concentration gradients in nonlinear response of the films. Ultrahigh sensitivity delivered by second harmonic generation provides a new exciting tool for studying magnetized surfaces and buried interfaces, making this work important from both a fundamental and application point of view. The second part of the dissertation addresses an important technological need; namely the development of an on-chip optical isolator for use in photonic integrated circuits. It is based on two related novel effects, nonreciprocal and unidirectional optical Bloch oscillations (BOs), recently proposed and developed by Professor Miguel Levy and myself. This dissertation work has established a comprehensive theoretical background for the implementation of these effects in magneto-optic waveguide arrays. The model systems we developed consist of photonic lattices in the form of one-dimensional waveguide arrays where an optical force is introduced into the array through geometrical design turning the beam sideways. Laterally displaced photons are periodically returned to a central guide by photonic crystal action. The effect leads to a novel oscillatory optical phenomenon that can be magnetically controlled and rendered unidirectional. An on-chip optical isolator was designed based on the unidirectionality of the magneto-opticBloch oscillatory motion. The proposed device delivers an isolation ratio as high as 36 dB that remains above 30 dB in a 0.7 nm wavelength bandwidth, at the telecommunication wavelength 1.55 μm. Slight modifications in isolator design allow one to achieve an even more impressive isolation ratio ~ 55 dB, but at the expense of smaller bandwidth. Moreover, the device allows multifunctionality, such as optical switching with a simultaneous isolation function, well suited for photonic integrated circuits.

Locating the maximum power point for thermoelectric generators for constant heat operation

Thermoelectric generators (TEGs) are solid-state devices that can be used for the direct conversion between heat and electricity. These devices are an attractive option for generating clean energy from heat. There are two modes of operation for TEGs; constant heat and constant temperature. It is a well-known fact that for constant temperature operation, TEGs have a maximum power point lying at half the open circuit voltage of the TEG, for a particular temperature. This work aimed to investigate the position of the maximum power point for Bismuth Telluride TEGs working under constant heat conditions i.e. the heat supply to the TEG is fixed however the temperature across the TEG can vary depending upon its operating conditions. It was found that for constant heat operation, the maximum power point for a TEG is greater than half the open circuit voltage of the TEG.

Cálculo de constantes ópticas de películas delgadas de Cu3BiS3 a través del método de Wolfe

Se calculó la obtención de las constantes ópticas usando el método de Wolfe. Dichas contantes: coeficiente de absorción (α), índice de refracción (n) y espesor de una película delgada (d ), son de importancia en el proceso de caracterización óptica del material. Se realizó una comparación del método del Wolfe con el método empleado por R. Swanepoel. Se desarrolló un modelo de programación no lineal con restricciones, de manera que fue posible estimar las constantes ópticas de películas delgadas semiconductoras, a partir únicamente, de datos de transmisión conocidos. Se presentó una solución al modelo de programación no lineal para programación cuadrática. Se demostró la confiabilidad del método propuesto, obteniendo valores de α = 10378.34 cm−1, n = 2.4595, d =989.71 nm y Eg = 1.39 Ev, a través de experimentos numéricos con datos de medidas de transmitancia espectral en películas delgadas de Cu3BiS3.

Hall Effect and transient surface photovoltage (SPV) study of Cu3BiS3 thin films

Se presentan las propiedades eléctricas del compuesto Cu3BiS3 depositado por co-evaporación. Este es un nuevo compuesto que puede tener propiedades adecuadas para ser utilizado como capa absorbente en celdas solares. Las muestras fueron caracterizadas a través de medidas de efecto Hall y fotovoltaje superficial transiente (SPV). A través de medidas de efecto Hall se encontró que la concentración de portadores de carga n es del orden de 1016 cm-3 independiente de la relación de masas de Cu/Bi. También se encontró que la movilidad de este compuesto (μ del orden de 4 cm2V -1s-1) varía de acuerdo con los mecanismos de transporte que la gobiernan en dependencia con la temperatura. A partir de las medidas de SPV se encontró alta densidad de defectos superficiales, defectos que son pasivados al superponer una capa buffer sobre el compuesto Cu3BiS3.

Procesos hopping a través del modelo difusional en materiales nanocristalinos usados para aplicaciones fotovoltaicas

Se presentan los modelos de hopping de rango variable (variable range hopping; VRH), vecinos cercanos (nearest neighbor hopping; NNH) y barreras de potencial presentes en las fronteras de grano; como mecanismos de transporte eléctrico predominantes en los materiales semiconductores para aplicaciones fotovoltaicas. Las medidas de conductividad a oscuras en función de temperatura fueron realizadas para región de bajas temperaturas entre 120 y 400 K con Si y compuestos Cu3BiS2 y Cu2ZnSnSe4. Siguiendo la teoría de percolación, se obtuvieron parámetros hopping y la densidad de estados cerca del nivel de Fermi, N(EF), para todas las muestras. A partir de los planteamientos dados por Mott para VRH, se presentó el modelo difusional, que permitió establecer la relación entre la conductividad y la densidad de estados de defecto o estados localizados en el gap del material. El análisis comparativo entre modelos, evidenció, que es posible obtener mejora hasta de un orden de magnitud en valores para cada uno de los parámetros hopping que caracterizan el material.