[width=.25]fig/logoCIO.jpg 5mm Estudio de efectos lineales y no

R ESPUESTA ÓPTICA DE N ANOESTRUCTURAS
E FECTOS NO LINEALES EN F IBRAS DE C RISTAL F OT ÓNICO
Estudio de efectos lineales y no lineales en
nanoestructuras y guı́as de onda
Norberto Arzate Plata
[email protected]
http://cassandra.cio.mx/∼narzate/pwp/Site/Welcome.html
Centro de Investigaciones en Óptica, A.C.
11 de abril de 2016
R ESPUESTA ÓPTICA DE N ANOESTRUCTURAS
E FECTOS NO LINEALES EN F IBRAS DE C RISTAL F OT ÓNICO
Contenido
Respuesta óptica de Nanoestructuras
Efectos no lineales en Fibras de Cristal Fotónico
R ESPUESTA ÓPTICA DE N ANOESTRUCTURAS
E FECTOS NO LINEALES EN F IBRAS DE C RISTAL F OT ÓNICO
Nanoestructuras
Objetivo general
Calcular las propiedades electrónicas, ópticas y fotónicas de
nanoestructuras. Respuesta óptica lineal y no lineal.
Grupo de Propiedades Ópticas de Nanoestructuras, superficies
e interfaces
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E FECTOS NO LINEALES EN F IBRAS DE C RISTAL F OT ÓNICO
Nanotubos de silicio (SiNTs)
Figura: a) y c) Imágenes de TEM de SiNTs [Song et al., Nano Letters
(2010).]
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E FECTOS NO LINEALES EN F IBRAS DE C RISTAL F OT ÓNICO
Nanoalambres de silicio (SiNWs)
Figura: a) y c) Imagenes de TEM y HRTEM, respectivamente, de 3.8 nm
SiNWS. b) y d) Estructura modelada. [Teo and Sun, Chem Rev., (2007)]
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E FECTOS NO LINEALES EN F IBRAS DE C RISTAL F OT ÓNICO
Nanocristales de silicio (SiNCs)
Figura: a) y c) Imagenes de TEM de nanoesferas basadas en silicio [He
et al. Nano Today, (2010)]
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E FECTOS NO LINEALES EN F IBRAS DE C RISTAL F OT ÓNICO
Monocapas atómicas
Figura: Imágenes de estructuras 2D de una sola capa cristalina:
Imágenes de AFM de: a) NbSe2 , b) grafito; Imagen SEM de
Bi2 Sr2 CaCu2 Ox e imagen de microscopio óptico de MoS2 . [Novosolov
2005, PNAS (2005)]
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E FECTOS NO LINEALES EN F IBRAS DE C RISTAL F OT ÓNICO
Monocapas atómicas
Figura: Imágenes con resolución atómica: a) imagen STM de una
monocapa de NbSe2 ; imágenes HRTEM de: a) Bi2 Sr2 CaCu2 Ox y b) de
una doble monocapa de MoS2 [Novosolov 2005, PNAS (2005)]
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Monocapas atómicas
Grafeno
Monocapa de MoS2
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E FECTOS NO LINEALES EN F IBRAS DE C RISTAL F OT ÓNICO
Nanolistones de silicio (NRs)
Figura: Imagenes de TEM de estructuras parallelas 1D de silicio
crecidad en Ag(110). a) Vista de 42×42 nm2 . [Aufray, et al., APL (2010)]
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E FECTOS NO LINEALES EN F IBRAS DE C RISTAL F OT ÓNICO
Nanoestructuras
Nanotubos (NTs)
Nanoalambres (NWs)
Nanocristales (NCs)
Mnocapas (ML) atómicas y Nanolistones (NRs)
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E FECTOS NO LINEALES EN F IBRAS DE C RISTAL F OT ÓNICO
Aplicaciones
[R. Yan et al., Nature Photonics (2009)]
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E FECTOS NO LINEALES EN F IBRAS DE C RISTAL F OT ÓNICO
Objetivos particulares
Calcular la configuración geométrica y electrónica de
sistema de nanoestructuras unidimensionales.
Calcular la respuesta óptica de NTs y NWs.
Calcular la respuesta óptica de NCs de silicio.
Calcular la respuesta óptica de nanolistones basados en
carbono y silicio.
Calcular la respuesta óptica de monocapas atómicas.
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E FECTOS NO LINEALES EN F IBRAS DE C RISTAL F OT ÓNICO
Objetivos particulares
Calcular la configuración geométrica y electrónica de
sistema de nanoestructuras unidimensionales.
Calcular la respuesta óptica de NTs y NWs.
Calcular la respuesta óptica de NCs de silicio.
Calcular la respuesta óptica de nanolistones basados en
carbono y silicio.
Calcular la respuesta óptica de monocapas atómicas.
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E FECTOS NO LINEALES EN F IBRAS DE C RISTAL F OT ÓNICO
Objetivos particulares
Calcular la configuración geométrica y electrónica de
sistema de nanoestructuras unidimensionales.
Calcular la respuesta óptica de NTs y NWs.
Calcular la respuesta óptica de NCs de silicio.
Calcular la respuesta óptica de nanolistones basados en
carbono y silicio.
Calcular la respuesta óptica de monocapas atómicas.
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E FECTOS NO LINEALES EN F IBRAS DE C RISTAL F OT ÓNICO
Objetivos particulares
Calcular la configuración geométrica y electrónica de
sistema de nanoestructuras unidimensionales.
Calcular la respuesta óptica de NTs y NWs.
Calcular la respuesta óptica de NCs de silicio.
Calcular la respuesta óptica de nanolistones basados en
carbono y silicio.
Calcular la respuesta óptica de monocapas atómicas.
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E FECTOS NO LINEALES EN F IBRAS DE C RISTAL F OT ÓNICO
Respuesta óptica de NSs 1D
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E FECTOS NO LINEALES EN F IBRAS DE C RISTAL F OT ÓNICO
Respuesta óptica de NSs 1D
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E FECTOS NO LINEALES EN F IBRAS DE C RISTAL F OT ÓNICO
Respuesta óptica de NSs 1D
Arzate et al., Optics and Lasers Engin. 49 668 (2011).
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E FECTOS NO LINEALES EN F IBRAS DE C RISTAL F OT ÓNICO
Degree of Spin Polarization
The degree of spin polarization (DSP) along a direction
Da (`, ω) =
Ṡ a (`, ω)
(~/2)ṅ(`, ω)
√
E(ω) = E0 (ω)(x̂ + i ŷ )/ 2
⇒
Dz (`, ω)
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E FECTOS NO LINEALES EN F IBRAS DE C RISTAL F OT ÓNICO
Vista frontal de Si(111)-In
y
↑
[101̄]
4×1
4×2
8×2
→x
[112̄]
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E FECTOS NO LINEALES EN F IBRAS DE C RISTAL F OT ÓNICO
DSP - Si(111)-In
Arzate et al., PRB 90, 205310 (2014).
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E FECTOS NO LINEALES EN F IBRAS DE C RISTAL F OT ÓNICO
DSP - MoS2
Arzate et al., PRB 93, 115433 (2016).
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E FECTOS NO LINEALES EN F IBRAS DE C RISTAL F OT ÓNICO
Metodologı́a
Método Cuántico → Primeros principios
Teorı́a Funcional de la Densidad
Método de GW
Cálculo de posiciones atómicas
Cálculo de funciones de onda, y estados energéticos
Cálculo de elementos de matriz
Cálculo de la respuesta óptica
Nota: Se hara uso de códigos libres y abiertos a la comunidad
cientı́fica como abinit, Yambo.
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E FECTOS NO LINEALES EN F IBRAS DE C RISTAL F OT ÓNICO
Metodologı́a
Método Cuántico → Primeros principios
Teorı́a Funcional de la Densidad
Método de GW
Cálculo de posiciones atómicas
Cálculo de funciones de onda, y estados energéticos
Cálculo de elementos de matriz
Cálculo de la respuesta óptica
Nota: Se hara uso de códigos libres y abiertos a la comunidad
cientı́fica como abinit, Yambo.
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E FECTOS NO LINEALES EN F IBRAS DE C RISTAL F OT ÓNICO
Temas de estudio en NSs
Estudio de la respuesta óptica y electrónica de
nanoestructuras unidimensionales.
Estudio de la respuesta óptica y electrónica de NCs
basados en silicio
Estudio de la respuesta óptica y electrónica de nanolistones
basados en carbono y/o silicio
Estudio de monocapas atómicas tipo grafeno.
R ESPUESTA ÓPTICA DE N ANOESTRUCTURAS
E FECTOS NO LINEALES EN F IBRAS DE C RISTAL F OT ÓNICO
Temas de estudio en NSs
Estudio de la respuesta óptica y electrónica de
nanoestructuras unidimensionales.
Estudio de la respuesta óptica y electrónica de NCs
basados en silicio
Estudio de la respuesta óptica y electrónica de nanolistones
basados en carbono y/o silicio
Estudio de monocapas atómicas tipo grafeno.
R ESPUESTA LINEAL : función dieléctrica, grado de
polarización de spı́n.
R ESPUESTA NO LINEAL : generación de segundo armónico,
generación de fotocorrientes
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E FECTOS NO LINEALES EN F IBRAS DE C RISTAL F OT ÓNICO
Fibras de Cristal Fotónico
Objetivo general
Calcular las propiedades de dispersión y coeficientes no
lineales de fibras de cristal fotónico, ası́ como estudiar la
generación de efectos no lineales durante la propagación de
pulsos en en las fibras.
Grupo de Fibras Ópticas: colaboración con el Dr. Ismael Torres
Gómez
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E FECTOS NO LINEALES EN F IBRAS DE C RISTAL F OT ÓNICO
Fibras de Cristal Fotónico
Las Fibras de Cristal Fotónico (FCF) guı́an luz dentro de un
arreglo periodico de huecos que se extienden a lo largo de toda
la longitud de la fibra.
Figura: Imágenes de micróscopio electrónico de diferentes estructuras
de fibras de cristal fotónico. [Russell, Review Appl. Phys. (2003)]
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E FECTOS NO LINEALES EN F IBRAS DE C RISTAL F OT ÓNICO
Metodologı́a
Problema modal de propagación de ondas
electromagnéticas en sistemas de FCF
Elemento finito
Expansión de funciones base en ondas planas
Evolución de pulsos de luz en FCF
Se resuelve la ecuación de propagación no lineal de
Schrödinger
Nota: Se hara uso del códigos libres y abiertos a la comunidad
cientı́fica MPB.
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E FECTOS NO LINEALES EN F IBRAS DE C RISTAL F OT ÓNICO
Temas de estudio
Compresión de pulsos
Dinámica de solitones
Desplazamiento Raman
Generación de supercontinuo
Generación de fotones correlacionados
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E FECTOS NO LINEALES EN F IBRAS DE C RISTAL F OT ÓNICO
FCF con huecos hexagonales
O BJETIVO PARTICULAR: Calcular parámetros de dispersión de una
FCF con huecos hexagonales y núcleo sólido de sı́lice.
Imagen de microscopio y estructura modelada de la sección
transversal de una FCF con huecos hexagonales.
Yadira et al., Proc. of SPIE, 8011, (2011)
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E FECTOS NO LINEALES EN F IBRAS DE C RISTAL F OT ÓNICO
FCF con núcleo lı́quido
O BJETIVO PARTICULAR : Calcular los parámetros de dispersión y
área efectiva de una FCF con núcleo lı́quido de CS2 .
a) Esquema de la sección transversal de una FCF con núcleo
lı́quido; d= 0.6 µm y el pitch, Λ=1.
E. S. Vargas-Rodrı́guez, Estudio de las fibras de cristal fotónico de
núcleo lı́quido, Tesis de Maestrı́a (2013).
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E FECTOS NO LINEALES EN F IBRAS DE C RISTAL F OT ÓNICO
Compresión de pulsos
O BJETIVO PARTICULAR: Estudiar la compresión de pulsos en FCF
de núcleo hueco adelgazadas.
N. González-Baquedano, et al. Photonics and Nanostructures, 10, 594
(2012)
R ESPUESTA ÓPTICA DE N ANOESTRUCTURAS
E FECTOS NO LINEALES EN F IBRAS DE C RISTAL F OT ÓNICO
Autodesplazamiento de frecuencia de solitones
O BJETIVO PARTICULAR: Estudiar el desplazamiento de frecuencia
de pulsos soliton en FCF de núcleo hueco adelgazadas
N. González-Baquedano, et al., Optics Express, 21, 9132 (2013)
R ESPUESTA ÓPTICA DE N ANOESTRUCTURAS
E FECTOS NO LINEALES EN F IBRAS DE C RISTAL F OT ÓNICO
Guı́a de onda de Silicio
Figura: Imagen de SEM de una nanoguı́a de onda dieléctrica. [Huby et
al., APL (2011)]
Leuthold et al., Nature Photonics (2010)
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Aplicaciones
Generación de Supercontinuo en el visible empleando una fibra
convencional adelgazada y una fuente de bombeo a 800 nm.
R. Magin Moreno Mejı́a 2012 (Foto publicada en la página de la AMO)
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Aplicaciones
Fuentes de Luz
Sensor de gas
Leuthold et al., Nature Photonics (2010)
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E FECTOS NO LINEALES EN F IBRAS DE C RISTAL F OT ÓNICO
Temas de estudio en FCF
Estudio de los efectos de dispersión en FCF de núcleo
sólido y hueco
Estudio de los efectos de dispersión en FCF de núcleo
lı́quido
Estudio de compresión de pulsos en FCF adelgazadas
Estudio de la generación de supercontinuo en FCF
Estudio de la propagación de pulsos en nanoguı́as de onda.
Estudio de la generación de pares de fotones
correlacionados
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E FECTOS NO LINEALES EN F IBRAS DE C RISTAL F OT ÓNICO
Infraestructura
“Cluster” de cómputo
3 nodos sixteen-core de
4U (192 núcleos) Intel
Xeon de 64 bits y con 3
Tb de memoria RAM
p/nodo.
36 nodos six-core
duales (432 núcleos)
Intel Xeon de 64 bits y
con 48 Gb de memoria
RAM.
14 nodos quad-core
duales (112 núcleos)
Intel Xeon de 64 bits y
con 12 Gb de memoria
RAM.
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E FECTOS NO LINEALES EN F IBRAS DE C RISTAL F OT ÓNICO
Gracias por su atención