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Una década del Instituto de Física Aplicada,1995-2005

Una década del Instituto de Física Aplicada,1995-2005

Pedro Corredera Guillén,F. Javier Gutiérrez Monreal

Instituto de Física AplicadaConsejo Superior de Investigaciones Científicas

ISBN: 978-84-612-1440-2

Madrid, 2007

En memoria de nuestro amigo y compañero Manuel Torres Hernanz

Índice

Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

Estados cuasiperiódicos en experimentos de ondas lineales superficiales. . . . . . . . 13M. Torres, J.P. Adrados, P. Cobo, A. Fernández, G. Chiappe, E. Louis, J.A. Miralles,J.A. Verges and J.L. Aragón

Dispositivos fotónicos integrados en LiNbO3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19Ginés Lifante, Fernando Cussó, Eugenio Cantelar, Manuela Domenech, Isaac Suárezy Pablo Luis Pernas

Sensores optoelectrónicos aplicados a la biología . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27L.M. Lechuga, E. Mauriz, B. Sepúlveda, J. Sánchez del Río, A. Llobera, A. Calle and C. Domínguez

Tecnologías de sensores fotónicos: técnicas y tendencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33J.M. López-Higuera, A. Cobo, O.M. Conde, M. Lomer, F.J. Madruga, M.A. Quintela, A. Quintela, D.A. González

Fuente supercontinua en fibra óptica (basada en bombeo continuo) . . . . . . . . . . . 49Sonia Martín-López, Miguel González-Herraez, Pedro Corredera Guillén, Ana Carrasco Sanz, Maria Luisa Hernanz Sanjuan y Laura Abrardi

Recubrimientos ópticos en el rango espectral entre 50 y 200 nm . . . . . . . . . . . . . . 57Mónica Fernández Perea, José Antonio Méndez, Juan Ignacio Larruquert, José Antonio Aznárez

Tomografía óptica coherente y generación de supercontinuo . . . . . . . . . . . . . . . . . 65Frédérique Vanholsbeeck, Sonia Martín-López, Miguel González-Herráez, and Stéphane Coen

Fabricación y caracterización de cristales fotónicos bidimensionales para nuevos dispositivos optoelectrónicos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

P. A. Postigo, A. R. Alija, L. J. Martínez and J. Sánchez-Dehesa

Electroluminiscencia y amplificación óptica en nanoestructuras de silicio: hacia la integración de la electrónica y la fotónica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

Blas Garrido

Luz lenta y luz rápida en fibras ópticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91Luc Thévenaz, Kwang-Yong Song, Miguel González-Herraez

Propiedades ópticas no lineales de nanocompuestos metal dieléctrico . . . . . . . . . . 99Javier Solís

El alba de las comunicaciones ópticas: de la Revolución Francesa al Imperio . . . 105José A. Martín Pereda

La exploración de Marte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111Luis Vázquez

Espectroscopía vibracional sobre nanoestructuras metálicas (SERS y SEIR): nuevos sustratos y aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

José Vicente García-Ramos y Santiago Sánchez-Cortés

Espectroscopía Raman de nanotubos de carbono . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123C. Domingo

Aplicación de los nanotubos de carbono como nuevos materiales sensores para la detección de gases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

I. Sayago Olmo

Criptografía caótica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137Gonzalo Álvarez Marañón

Criptoanálisis de registros de desplazamiento irregularmente controlados . . . . . . 143Slobodan Petrovic

Identificación biométrica de personas: un paso más en seguridad . . . . . . . . . . . . . 149Carmen Sánchez Ávila

Necesidades de investigación en Nanotecnología Biomédica para el desarrollo de las regulaciones de control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

D.G. Rickerby

Radiometria de precisión para el sensado remoto en el rango spectral del visible y del infrarrojo próximo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

Edward Zalewski

Óptica adaptativa: de los telescopios al ojo humano. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165Pablo Artal Soriano

Focalización y colimación de luz por láminas delgadas metálicas. . . . . . . . . . . . . . 167Nicolás García García

IntroducciónEl presente libro recoge la colección de trabajos que resumen el ciclo de seminarios

realizado durante el año 2005 en el Instituto de Física Aplicada del CSIC de Madrid, conmotivo del décimo aniversario de su creación.

El Instituto de Física Aplicada (IFA) del CSIC se creó en 1995, como resultado del plande reestructuración y reorganización de los Centros e Institutos de Física del CSIC del áreade la calle Serrano de Madrid.

El Instituto de Física Aplicada está formado actualmente por 32 investigadores(incluidos los doctores vinculados), 12 becarios predoctorales y 24 personas de apoyotécnico. Nuestras líneas de investigación abarcan desde la Medida de la Radiación Óptica,Tecnologías para las Comunicaciones Ópticas, Interacción de Campos Electromagnéticoscon el entorno, Tecnología de Antenas, Criptografía y Seguridad de la Información, Propa-gación Ondulatoria, Sensores de Gases y Óptica de Láminas Delgadas.

Con motivo del décimo aniversario del IFA han tenido lugar dos tipos de actosconmemorativos: un ciclo de conferencias que se denominó “10 años del Instituto de FísicaAplicada (IFA-CSIC), 1995-2005” y una mesa redonda titulada “La Física Aplicada y laIndustria Española”.

El ciclo de conferencias “10 años del Instituto de Física Aplicada (IFA-CSIC), 1995-2005” se diseñó con un doble objetivo: por una parte, presentar a la comunidad científicalos resultados de las investigaciones realizadas por los distintos grupos del propio Institutoy, por otra, ofrecer a los investigadores de otros institutos y de la comunidad científicanacional e internacional la posibilidad de compartir con nosotros sus conocimientos yavances. Con este propósito y con escasos recursos, se han impartido un total de 23seminarios durante todo el año 2005. Para organizar la selección de estos seminarios seinvitó a cada grupo de investigación del Instituto a impartir una conferencia relacionada conla línea de investigación cultivada y, además, se ha contado con la colaboración deinvestigadores y amigos de otros grupos e instituciones, que nos han enriquecido con susconocimientos y sus logros científicos.

El presente libro se ha organizado por bloques temáticos que abordan temas que vandesde la óptica guiada y la nanofotónica, los sensores ópticos, los procesos no lineales enfibras y materiales, las láminas delgadas y la óptica del ultravioleta lejano, la exploraciónde Marte, la espectroscopia y las nanotecnologías, la criptografía, la identificaciónbiomédica y la regulación europea en las nanotecnologías. Se han incorporado al final dellibro los anuncios de tres de las conferencias que a la hora de la edición del presente librono hemos conseguido una versión más ampliada de la contribución.

Nuestro sincero agradecimiento a los conferenciantes, por su esfuerzo en presentarnosde forma amena y didáctica los logros de su investigación, y por aportar los resúmenes queconfiguran el contenido de este libro; y tambien nuestro agradecimiento a los amigos ycompañeros que nos han acompañado como oyentes y que han contribuido a las discusionesen cada uno de los seminarios.

Finalmente, queremos que este libro sea un homenaje a nuestro compañero ManuelTorres Hernanz que desafortunadamente nos dejó el pasado 12 de Noviembre de 2006,cuando estábamos terminando la composición de este libro.

Pedro Corredera Guillén y F. Javier Gutiérrez Monreal

Estados cuasiperiódicos en experimentos de ondas lineales superficialesQuasiperiodic states in linear surface wave experiments

M. Torres*(1), J.P. Adrados(1), P. Cobo(2), A. Fernández(2), G. Chiappe, E(3), Louis, J.A. Miralles(3), J.A. Verges(4) and J.L. Aragón(5)

(1)Instituto de Física Aplicada, Consejo Superior de Investigaciones Científicas, Serrano 144, 28006 Madrid, Spain

(2)Instituto de Acústica, Consejo Superior de Investigaciones Científicas, Serrano 144, 28006 Madrid, Spain

(3)Departamento de Física Aplicada and Unidad Asociada del Consejo Superior de Investigaciones Científicas, Universidad de Alicante,

San Vicente del Raspeig, Alicante 03690, Spain(4)Departamento de Teoría de la Materia Condensada,

Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid, Consejo Superior de Investigaciones Científicas, Cantoblanco, Madrid 28049, Spain

(5)Centro de Física Aplicada y Tecnología Avanzada, Universidad Nacional Autónoma de México,

Apartado Postal 1-1010, Querétaro 76000, México

*Email: [email protected]

Resumen.- Se presenta un sutil procedimiento para confinar modos hidrodinámicos dentrode una región aislada en la superficie libre de un fluido. El experimento consiste en unavasija cuadrada con un pozo concéntrico sumergido vibrando ambos verticalmente, de talmodo que los modos superficiales generados por el menisco en el borde de la vasijainterfieren con los estados ligados del pozo interior sumergido. Ésta es una analogía clásicade un pozo doble cuántico donde algunos fenómenos fundamentales de interferencia puedenvisualizarse y controlarse. La interferencia descrita muestra por primera vez, una transiciónhidrodinámica de patrones cuasiperiodicos a periódicos. Como se demuestra, los análogoscuánticos del presente experimento sugieren que nuestros resultados podrían ser transferidosal diseño de sistemas cuánticos de confinamiento de ondas exibiendo estados electrónicoscuasiperiódicos o sus aproximaciones racionales.

Abstract.- A subtle procedure to confine quasiperiodic hydrodynamic modes within anisolated region on the free surface of a fluid is presented here. The experiment consists of asquare vessel with an immersed concentric square well vibrating vertically, so that thesurface waves generated by the meniscus at the vessel boundary interfere with the boundwave states of the well. This is a classical analogy of a double quantum well where somefundamental interference phenomena can be visualized and controlled. The describedinterference leads to a hydrodynamic transition from quasiperiodic to periodic patterns forthe first time. As it will be shown, the quantum analogs of the present experiment suggest thatour results could be transferred to design quantum confinements exhibiting quasiperiodicelectronic states or their rational approximants.

Una década del Instituto de Física Aplicada, 1995-2005

-14-M. Torres and J.L. Aragón

1.- IntroductionThe interest in experiments of classical

analogs, which accurately model the salientfeatures of some quantum systems or otherfundamental ondulatory phenomena is themain goal of this paper [1]. Such correspon-dences could be exploited to investigate andaddress formally similar quantum effects asthose observed in quantum corrals and ingrain boundaries or simple surface steps [1].

2.- Confinement of quasiperiodic hydrodynamic modes on the free surface of a liquidOur main goal is to build up the

hydrodynamic analogy of a double squarequantum well. So we assembled an ex-perimental set up consisting of a square-boxvessel with a single square drilled well at itsbottom; both squares are concentric and thewell diagonals are parallel to the box sides.When the vessel vibrated vertically with suchamplitudes that the Faraday instability wasprevented, the geometry produced three kindsof linear, or weakly non-linear, patterns onthe free surface of the liquid. The first patternis a sort of bound state restricted to thesurface area occupied by the immersed wellthat acts as a weak potential which bindsstanding waves. The second pattern isproduced by the meniscus at the vessel wallsand it can come into the region of theimmersed well depending on the liquid depthand the vibration frequency of the vessel.Finally, the last pattern arises from theinterference between the meniscus wave ofthe vessel and the bound states of the well.The observed pattern depends on the liquiddepth h1, which plays the role of an orderparameter by controlling the amplitudes ofthe bound standing states inside the boundaryof the immersed well.

The bound states arise from an inertialhydrodynamic instability, balanced by theliquid surface tension that grows over theregion of the square well. The amplitudes ofthe bound states increase on increasing 1/a2; where a2 = T/ρg, a is the capillary length,T is the liquid surface tension, ρ is the liquiddensity and g = g0 ± αω2 is the effectivegravity, α is the vibration amplitude of thevessel and ω is the vibration angularfrequency of the vessel. On the contrary, theamplitude of the meniscus wave depends onthe variation of the meniscus volume for eachvessel oscillation and it grows accordinglywith a2 [1]. In our experiment a is about 60µm and the amplitude of the meniscus wavereaches a maximum at a vibration frequencyof the vessel of 64 Hz. The frequency and thewavelength of the wave patterns are relatedby the well known dispersion relation ofgravity-capillary waves.

We chose a square vessel and theconfiguration of the orientated square well toverify that the immersed well confined wavestates. Then we used a square methacrylatebox with side L of 8 cm where a single squarewell with depth d of 2 mm and side l of 3.5 cmwas drilled at its bottom. The bottom of thevessel was covered with a shallow ethanollayer of depth h1. The liquid depth over thewell was then h2 = h1 + d.

As it was already mentioned, thevibration amplitude of the vessel was 60 µm,below the threshold of Faraday instability atthe frequencies of the experiment. The vesselvibrated vertically at a single frequency lyingwithin the range from 35 to 60 Hz. Anoptimum frequency was 50 Hz. Our expe-rimental results can be separated into threecases according to the depth h1.


-15- M. Torres and J.L. Aragón

Case I. For h1 lower than 1 mm, theexperiment shows two square lattices with ashift of 45º between them, namely the latticeof the immersed square well is separatedfrom the square lattice of the vessel.

Case II. At a vibration frequency of thevessel of 50 Hz and when h1 is 1.2 mm, aquasicrystalline standing wave patternappears inside the region of the immersedsquare well whereas the outer-wave pattern isa square network, as seen in figure 1(a). Theimmersed square well acts as a weakpotential and binds standing plane waveswith eigenvectors parallel to the well sides.Nevertheless, it is transparent for the standingwaves of the square box which tunnel theframe of the immersed well under theexperimental conditions. Inside the region ofthe square box, the vessel eigenstates haveeigenvectors parallel to the outer box sides.For the mentioned liquid depth and vibrationfrequency, , where A2 and A'2 arethe amplitudes of the meniscus and boundwaves inside the immersed well, respec-tively. The interference of both standingpatterns increases the symmetry in the wellfrom square crystalline to octagonal quasi-crystalline. According to the dispersionrelation for gravity-capillary waves describedelse-where [1] the difference between theexternal and internal wavenumbers k1 and k2

is about 2% and the refraction bending ofabout 1.1º at the boundary of the centralwindow is negligible. Furthermore, thereflection of the external wave at the well stepis also negligible with such parameters. Onthe other hand, slender outgoing evanescentwaves are emitted at the boundary of the welland they play a role in the matching betweenpatterns.

Case III. When h1 is increased, the“potential” of the immersed well is seen

increasingly weaker by the system, and A'2decreases accordingly. Under such condi-tions, transitional patterns appear graduallyon the hydrodynamic window making thetransition from a quasicrystalline form to acrystalline one. Figure 1(b) shows a transi-tional pattern corresponding to a liquid depthh1 of 1.5 mm and an excitation frequency of

Figure 1.- (a) Snapshot of the system vibrating at 50 Hz for h1 = 1.2 mm. Fourier transform of

the quasicrystalline wave pattern (inset). (b) Snapshot of the system vibrating at 50 Hz

for h1 = 1.5 mm. Fourier transform of the transitional pattern with four brighter spots in

the main octagonal ring (inset)

A2 A'2=


-16-M. Torres and J.L. Aragón

50 Hz. The Fourier transforms of the experi-mental patterns are calculated, as seen infigures 1(a) and 1(b), according to crystallo-graphic techniques of image processing des-cribed elsewhere [1].

3.- Quantum analogsTo test the feasibility of a quantum

scenario analogous to our experimental re-sults, we numerically studied the quantumconfinement of a double square well by usinga tight-binding Hamiltonian in a L×L clusterof the square lattice with a single atomicorbital per lattice site [1].

The tight-binding Hamiltonian of a 2Datomic structure is:

where represents an atomic orbitalat site (m,n), with energy εm,n, and tmn;m’n’ isthe hopping energy between the nearestneighbor sites (m,n) and (m',n'). In order tosimulate the inner square we have exploredseveral possibilities. The energy of allorbitals is taken equal to zero outside theinner square. Moreover, the hopping energiesbetween nearest-neighbor sites were all takenequal to 1. On the other hand, we eitherchanged the orbital or the hopping energiesinside the inner square. Some illustrativeresults are shown in figure 2. Figures 2(a) and(b) correspond to wavefunctions close to theband bottom, i.e., long wavelengths and highlinearity. The octagonal symmetry within theinner square is clearly visible in figure 2(a);whereas figure 2(b) illustrates an effect that ispurely quantum, namely, the effect of theouter square is visible even on a wavefunc-tion localized in the inner square. Althoughone cannot expect a one-to-one correspon-dence between the experiments discussedhere and this simple quantum simulation, the

Figure 2.- Quantum wave functions of the tight-binding Hamiltonian described

in the text.

',',,,'';

'';,

, nmnmtnmnmHnmmn

nmmnnm

nm ∑∑ −= ε

m n,| ⟩


-17- M. Torres and J.L. Aragón

results suggest clearly that similar effectscould be observed in a suitable quantumsystem.

Figure 2(c) shows a peculiar null energystate which is not located at the band bottom.In this state the hopping energy outside thesquare is equal to 1, whereas it is 0.7 insidethe square, and the general pattern resemblesour experiment conspicuously. The Fourierspectrum of the inner square pattern has beenperformed and it corresponds to a rationalapproximant of an octagonal quasicrystal. Asabove mentioned, the energy has been chosenas null for the square lattice. This means botha high degeneration of states and the exis-tence of a Van Hove singularity with a wave-length similar to the lattice parameter. Suchfeatures support the adequate choice of nullenergy.

The existence of quantum well states hasbeen demonstrated recently on thin metalfilm grown by epitaxy on a semiconductor[1]. In such films the conduction electrons areconfined along the depth axis by the vacuumon one side and the metal-semiconductorinterface on the other. Such quantum wellstates combined with adequate boundary con-ditions on the XY plane could be strongcandidates to carry out our proposal on confi-nement of quasiperiodic quantum states.

4.- ConclusionsWe have described here a hydrodynamic

experiment that gives rise to the confinementof wave states within an isolated region onthe free surface of a liquid. It constitutes astirring macroscopic experimental scenariowhich models some salient features of adouble quantum well and stimulates the studyand visualization of feasible confinedquantum states which are already present onsystems such as metal thin film grownepitaxially on semiconductors [1]. The

confinement of quasiperiodic quantum statescould be achieved by handling the adequateboundary conditions on the XY plane of themetal-semiconductor interface.

AcknowledgmentsTechnical support from C. Sorrel, S.

Tehuacanero and C. Guerrero is gratefullyacknowledged. This work has been partiallysupported by the Spanish MCYT (BFM2001-0202 and MAT2002-04429), the MexicanDGAPA-UNAM (IN-108502-3) andCONACyT (D40615-F), the ArgentineanUBACYT (x210 and x447) and FundaciónAntorchas, and the University of theAlicante.

Reference[1]. M. Torres et al., “Quasiperiodic states in

linear surface wave experiments”, Phil-osophical Magazine Vol. 86, Nos. 6-8,1065-1073 (2006) (And referencestherein).

1.- IntroducciónBajo el apelativo de fotónica integrada se

engloban los sistemas formados por dispo-sitivos fotónicos construidos e interconec-tados mediante guías de onda ópticas, diseña-dos sobre un mismo substrato, para sustituir alos dispositivos electrónicos convencionalesen la transmisión y procesado de señales [1].Desde un inicio, a finales de los 60, la inten-ción fue desarrollar dispositivos ópticos de

modo análogo a los circuitos integrados enelectrónica convencional. En la actualidad losavances de la óptica integrada constituyen labase de una nueva generación de dispositivosoptoelectrónicos que reemplazará a cortoplazo la tecnología puramente electrónica,por sus muy diversas ventajas, pero ante todo,por el gran ancho de banda de la luz. De modoanálogo al caso de las fibras ópticas, la fotó-nica integrada se fundamenta en el hecho deque la luz puede ser confinada y guiada por

Dispositivos fotónicos integrados en LiNbO3

Integrated photonic devices based on LiNbO3

Ginés Lifante(1)*, Fernando Cussó(1), Eugenio Cantelar(1), Manuela Domenech, Isaac Suárez(1) y Pablo Luis Pernas(2)

Grupo de Investigación AMIGO:“Advanced Materials for Integrated Guided Optics”

(1)Departamento de Física de Materiales, C-IV. Universidad Autónoma de Madrid. 28048-Madrid. España.

(2)Departamento de Física Aplicada, C-XII, UAM. 28048-Madrid. España


Resumen.- En este trabajo se describen diversos ejemplos de dispositivos fotónicosintegrados fabricados en LiNbO3 utilizando tecnología de difusión de Zn en la fabricaciónde circuitos ópticos. Se detalla el método de fabricación de las guías de onda planas yacanaladas, y se indica las técnicas de caracterización óptica utilizada. Se describen acontinuación tres tipos de dispositivos fotónicos integrados: el láser integrado deLiNbO3:Nd3+ como dispositivo activo, un emisor RGB como dispositivo no-lineal, y final-mente un modulador electroóptico basado en interferómetros Mach-Zehnder como ejemplode dispositivo fotónico integrado de tipo funcional.

Abstract.- In this work we describe several examples concerning integrated photonic devicesfabricated in LiNbO3 crystals using Zn in-diffusion technology for the optical circuitsfabrication. The planar and channel waveguide fabrication is detailed, and the opticalcharacterization techniques are indicated. Using this technlogy, three kind of integratedphotonic devices are described: an integrated laser based on LiNbO3:Nd3+ substrates as anactive device, a RGB emitter as non-linear device, and finally an electroóptic modulatorbased on Mach-Zehnder interferometer as an example of functional-type integratedphotonic device.


-20-Ginés Lifante

capas delgadas o canales de material transpa-rente. Combinando tales películas con estruc-turas apropiadas, la tecnología de ópticaintegrada ha logrado realizar una granvariedad de dispositivos, cuyas funcionesabarcan operaciones pasivas (divisores dehaz, …), activas (láseres, …) y funcionales(moduladores electroópticos, …) [2]. Estoscomponentes son pequeños y compactos,posibilitando así incorporar en un solo subs-trato múltiples funciones, que normalmenterequerirían de todo un laboratorio para reali-zar tales montajes. De entre los materialesinorgánicos de mayor interés en el área de lafotónica integrada destaca el LiNbO3 graciasa sus altos coeficientes piezoeléctricos,electroópticos y no lineales. Además, ofrecela posibilidad de incorporar impurezas ópti-camente activas que pueden convertirlo en unmaterial para amplificación óptica o comoláser [3]. Para realizar guías de onda enLiNbO3 existen diferentes tecnologías comoel intercambio protónico, la implantacióniónica o la difusión de un metal dopante. Detodos estos métodos, el más implantado es ladifusión de una impureza metálica, siendoelegida como tal el titanio. Las razones deesta preferencia son que las guías de ondabasadas en LiNbO3:Ti poseen unas bajaspérdidas de propagación [4]. Sin embargo,poseen algunos inconvenientes, como la ne-cesidad de alcanzar altas temperaturas en elproceso de fabricación, y la aparición delllamado daño fotorrefractivo. Por ello se hanestudiado como alternativas otras impurezasmetálicas que soslayen estos inconvenientes,en concreto el Zn, el cual es el métodoelegido para fabricar los dispositivos descri-tos en este trabajo.

2.- Fabricación de guías de ondaEl método de fabricación aquí utilizado

consiste en la difusión de Zn desde la fase de

vapor en dos etapas. Con este método sefabrican guías de onda sobre substratos purose impurificados de LiNbO3. El primer pasoprevio a la difusión es la litografía, que con-siste en el depósito de una capa de óxido desilicio en una de las caras del substrato conlos motivos diseñados y transferidos desdeuna máscara de Cr2O3 utilizando técnicas delitografía UV estándar de micro-electrónica[5]. En la fabricación se han utilizado dostipos diferentes de máscaras: una máscara deguías acanaladas, y una máscara de interfe-rómetros Mach-Zehnder.

Una vez fotolitografiados los substra-tos,se colocan en una cestilla y se introducen enun tubo de acero, donde el Zn metálico secoloca en el fondo. Este tubo es a su vezintroducido dentro de un horno, el cual con laayuda de un controlador fija la temperatura dedifusión durante el tiempo deseado. Parapoder obtener guías de onda es necesario unsegundo proceso, que consiste en un recocidode la muestra en atmósfera abierta durante untiempo y una temperatura controlados [6]. Eneste punto los iones de Zn se difunden dentrodel cristal, provocando así la formación deguías acanaladas en la cara donde se ha reali-zado la litografía y de una guía plana en lacara sin depósito de SiO2 (figura 1).

Para caracterizar la guía de onda se utilizael método de modos oscuros, basado enacoplar un haz láser en la guía plana pormedio de un prisma isósceles de rutilo,colocando este montaje en un goniómetro. Deesta manera se puede conocer los modos quesoporta la guía plana en cada polarización. Apartir del conjunto de líneas oscuras que sevisualiza en la pantalla (figura 2) puedereconstruirse el perfil de índice de la guíaconocidos los ángulos modales mediantedistintos algoritmos [1].


-21- Ginés Lifante

Figura 2.- Sistema de medida por modos oscuros.

Figura 1.- Fabricación de guías acanaladas.


-22-Ginés Lifante

3.- Guías activas: láseres integrados

De entre todas las tierras raras, el ion Nd3+

es uno de los más relevantes como impurezaactiva, ya que cuando se introduce en ma-trices sólidas, ya sean vidrios o cristales,presenta propiedades muy adecuadas comocentro activo láser IR. La combinación de lasexcelentes propiedades de la matriz deLiNbO3 con las relativas al ion neodimiopermite la obtención de acción láser enconfiguración guiada con bajos umbrales deoscilación y alta eficiencia [7].

La figura 4 muestra la curva caracterís-tica de potencia para un láser integrado sobreuna guía de onda de 15 m de anchura, bajobombeo π (polarización paralela al eje ópti-co), emitiendo a 1.08 μm. Se observa un bajoumbral de oscilación, cercano a los 4 mW, yuna alta eficienca (14%). Es de destacarademás el régimen de oscilación en CW atemperatura ambiente.

El resonador óptico está compuesto dedos espejos multicapa dieléctricos planos yun medio activo, que consiste en iones Nd3+

localizados en LiNbO3 que conforma unaguía de onda acanalada. Para el caso de laemisión láser correspondiente a la transición

de los iones Nd3+ el espejo deentrada posee una reflectividad > 99.99%para un rango de longitudes de onda de 1040-1100 nm y una transmitancia del 98% para elrango de 750-850 nm. Por otro lado, se utilizaun espejo de salida con un 85% de reflec-tividad a la emisión láser (figura 3).

F43 2⁄ I4

11 2⁄→

Figura 3.- Esquema del láser integrado

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 260.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0

φ= 16 %

Guía de 15 μmBombeo π

Pote

ncia

Lás

er (m

W)

Potencia de bombeo acoplada (mW)Figura 4.- Curva de eficiencia láser


-23- Ginés Lifante

4.- Guías no-lineales: dispositivo RGBEl LiNbO3 es un buen candidato para

aplicaciones no-lineales, no sólo por sus altoscoeficientes NL, sino por la posibilidad demodular espacialmente sus dominios ferro-eléctricos (PPLN), que permite realizar con-versión de frecuencia via procesos de quasi-ajuste de fase (QPM), y donde es posible con-seguir altas densidades de potencia en confi-guración guiada. Aquí se presenta la genera-ción simultánea de luz azul, verde y roja enguías acanaladas no-lineales de PPLN-LiNbO3 congruente fabricadas por difusiónde Zn, a partir de substratos impurificadoscon iones Er3+/Yb3+, crecidos por la técnicaCzochralski descentrada, que favorece laaparición de domios periódicos en el cristal,con una periodicidad de ~7 μm (figura 5) [8].

Un haz procedente de un láser deTi:Zafiro operando a 920 nm se acopla a laentrada de una guía acanalada monomodo de4 μm de anchura y 1 cm de longitud (figura5). El haz IR se acopla como modo TE, ypuede o bien excitar los iones de Yb3+, o bieninteraccionar con el coeficiente no-lineal d33

del LiNbO3. La figura 6 presenta el espectrode emisión en el rango visible (450-700 nm),donde se observa que la luz de salida es unacombinación de dos bandas anchas en el rojoy verde y una línea estrecha en la región azuldel espectro.

La emisión azul es debida a la gene-ración de segundo armónico de la luz de 920nm de bombeo, produciéndose cuando el hazIR (ω) se acopla como onda extraordinaria(modo TE). La polarización del segundoarmónico 2ω es la misma que la luz del hazfundamental, mostrando una dependenciacuadrática en potencia, siendo la máximaeficiencia de conversión observada de 0.04%W-1cm-1. Por otro lado, las bandas roja yverde se asocian a procesos de transferenciade energía y up-conversion entre los ionesEr3+ e Yb3+. El bombeo excita los iones Yb3+

al multiplete 2F5/2, desde donde relajan porprocesos radiativos y no-radiativos o porprocesos de transferencia con iones Er3+. Laexcitación puede ser transferida al nivel 4I11/2

del Er3+, via mecanismos de relajación

cruzada : .Además, una segunda relajación cruzadadesde el Yb3+ a un ion Er3+ previamenteexcitado conduce a la excitación de iones Er3+

hacia niveles superiores via procesos de

transferencia energética: :

. El nivel 4F7/2 del Er3+ relaja

no-radiativamente al multiplete 2H11/2:4S3/2, ysu decaimiento radiativo al fundamental ge-nera la emisión verde, y la conexión no-

F25 2⁄ F2

7 2⁄→ I415 2⁄ I4

11 2⁄→

F25 2⁄ F2

7 2⁄→

I411 2⁄ F4

7 2⁄→

Figura 5.- Esquema de una guía PPLN.

Figura 6.- Espectro de emisión visible.


-24-Ginés Lifante

radiativa puebla el nivel de emisión de la ban-da roja 4F9/2. Por tanto, con estos cristales esposible generar simultáneamente tres coloresfundamentales a temperatura ambiente enconfiguración guiada, sin deterioro por efectode daño fotorrefractivo.

5.- Guías electro-ópticas: moduladores Mach-ZehnderLa modulación óptica puede realizarse a

través del efecto electro-óptico (EO), uti-lizando una configuración de interferómetroMach-Zehnder (MZ). Un interferómetro MZintegrado consiste en dos uniones Y enfren-tadas y unidas a través de dos ramas paralelas,donde se colocan electrodos metálicos aambos lados de las ramas para producir uncambio de fase relativo Δφ a través del efectoEO (figura 7).

La intensidad de salida tiene tiene unadependencia de la forma:

donde L es la longitud del electrodo, ne el índi-ce de refracción extraordinario, λ la longitudde onda, r33 el correspondiente coeficienteelectroóptico, y Ez el campo aplicado. Ennuestro caso el ángulo de las uniones es de 2º,y la longitud de las ramas paralelas de 11 mm,

estando separadas 50 μm. Los electrodos me-tálicos, de aluminio evaporado de 3000 Å deespesor, están separados una distancia g de 22μm y tienen una longitud L de 10 mm. Por otrolado, las guías se diseñan para que sean mono-modo a λ=1550 nm. Los electrodos se conec-tan a un cable coaxial con microsoldaduras.

La figura de mérito más relevante de unmodulador es el producto del voltaje aplicadonecesario para conseguir un desfase de πradianes por la longitud del electrodo. En elcaso de moduladores integrados este produc-to viene expresado por:

donde Γ expresa el solapamiento entre elcampo óptico y el eléctrico. Con este diseño,se ha conseguido modulación electroópticacon un valor de VπL de 8 V, valor que está deacuerdo con los parámetros de diseño ópticosy eléctricos del modulador [9].

Para caracterizar el modulador, se inyec-ta luz en la guía de entrada por medio deobjetivos de microscopio, y se detecta a lasalida con un detector rápido. Al aplicartensión a los electrodos procedente de ungenerador de señal se observa en el oscilos-copio una señal como la presentada en lafigura 8, donde se ha superpuesto la señal demodulación (triangular) con la señal proce-dente del detector.

,/ 333 Γ= rngLV eλπ

2/ 33 zee Ernn =Δ

λπφ /2 enLΔ=Δ

)2/(cos2 φΔ= inout IIFigura 8.- Respuesta eléctrica del modulador

EO integrado.

Figura 7.- Esquema de un modulador MZ integrado.


-25- Ginés Lifante

6.- ConclusionesSe han fabricado diversos dispositivos

fotónicos integrados activos, funcionales yno-lineales usando cristales de LiNbO3 pormedio de la tecnología de difusión de Zn des-de la fase vapor. Utilizando cristales impuri-ficados con iones Nd3+ se ha demostrandooperación láser en el IR sin deterioro de dañofotorrefractivo, operando a temperatura am-biente. Por otro lado, utilizando substratosperiódicamente polarizados e impurificadoscon iones Er3+ e Yb3+ se ha conseguido undispositivo integrado que emite en tres colo-res simultáneamente. Por último, se ha dise-ñado y construido un modulador electroópti-co basado en interferómetros Mach-Zehnderintegrados que operan con bajos voltajes demodulación y alta respuesta en frecuencia.

La difusión de Zn pues ha mostrado seruna técnica versátil en la fabricación dedispositivos fotónicos integrados en cristalesde LiNbO3, tanto en substratos puros comoimpurificados. Nuevos dispositivos, que in-cluyen moduladores acustoópticos y biosen-sores, están en fase de desarrollo utilizandoesta tecnología.

AgradecimientosEste trabajo ha sido subvencionado por

los proyectos MOISES (MAT2005-05950),del Ministerio de Educación y Ciencia(España), y MICROSERES (S-0505/TIC/0191) de la Comunidad Autónoma deMadrid.

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-26-Ginés Lifante

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1.- IntroductionOptical biosensors are providing an

increasingly impact analytical technology forthe detection of biological and chemicalspecies [1,2]. Most of the integrated opticalsensors make use of the evanescent fielddetection principle for sensing [2]. In anoptical waveguide the light travels inside thewaveguide, confined within the structure byTotal Internal Reflection (TIR). The light istransmitted through a model of the elec-tromagnetic field called "guided modes".Although light is confined inside those

modes, there is a part of it (evanescent field,EW) that travels through a region that ex-tends outward, around a hundred of nano-meters, into the medium surrounding thewaveguide (see figure 1). This EW field canbe used for sensing purposes. When areceptor layer is immobilized onto the wave-guide, as it is shown in figure 1, exposure ofsuch a surface to the partner analyte mole-cules produces a (bio)chemical interactionthat takes place into the surface of thewaveguide and induces a change in its opticalproperties that is detected by the evanescent

Sensores Optoelectrónicos aplicados a la biologíaOptoelectronics Sensors applied to biology

L.M. Lechuga(1)*, E. Mauriz(1), B. Sepúlveda(1), J. Sánchez del Río(1), A. Llobera(2), A. Calle(1) and C. Domínguez(2)

Grupo de Biosensores(1)Instituto de Microelectrónica de Madrid (IMM). Centro Nacional de Microelectrónica, CSIC.

Isaac Newton, 8. PTM. 28760 Tres Cantos, Madrid, Spain. (2)Instituto de Microelectrónica de Barcelona (IMB). Centro Nacional de Microelectrónica, CSIC.

Campus UAB. Bellaterra, Barcelona, Spain.


Resumen.- Este trabajo es una revision de dos mecanismos diferentes de biosensado óptico(detección mediante ondas evanescentes) que pueden implementarse en una plataformatecnológica de multisensado: resonancia de plasmones superficiales, y biosensadooptoelectrónico usando interferómetros Mach-Zehnder integrados. En este segundo caso, eluso de la tecnología estándar de microelectrónica de silicio abre la posibilidad de laintegración de las funciones ópticas, fluídicas y electrónicas en un único circuito sensor,dando lugar a una solución de diseño completo de laboratorio en un chip (lab-on-a-chip)

Abstract.- The present article reviews two different optical biosensing mechanisms(evanescent wave detection) that can be implemented in a multibiosensor technologyplatform: surface plasmon resonance, and optoelectronic biosensing using integratedMach-Zehnder interferometer devices. In the last case, the use of standard siliconmicroelectronics technology opens the possibility for integration of optical, fluidics basedand electrical functions within a single optical sensing circuit leading to a complete lab-on-a-chip design solution.


-28-L.M. Lechuga

wave. The extent of the optical change willdepend on the concentration of the analyteand on the affinity constant of the interaction,obtaining, in this way, a quantitative sensorof such interaction. The evanescent wavedecays exponentially as it penetrates the outermedium and, therefore, only detects changesthat take place on the surface of thewaveguide, because the intensity of theevanescent field is much higher in this region.For that reason it is not necessary to carry outa prior separation of non-specific compo-nents (which is necessary in conventionalanalysis) because any change in the bulksolution will hardly affect the sensorresponse. In this way, evanescent wavesensors are selective and sensitive devices forthe detection of very low levels of chemicalsand biological substances and for themeasurement of molecular interactions in-situ and in real time [1, 2]. The advantages ofthe optical sensing are significantly improvedwhen this approach is used in an integrationschema [2]. The technology of integratedoptics allows the integration of many passiveand active optical components (includingfibres, emitters, detectors, waveguides andrelated devices, etc...) onto the same sub-strate, allowing the flexible development ofminiaturised compact sensing devices, withthe additional possibility of fabrication ofmultiple sensors on one chip.

2.- Surface Plasmon Resonance BiosensorOne of the best known and more

developed EW biosensor is the SurfacePlasmon Resonance (SPR) sensor [3],because of its sensibility and simplicity ascan be seen in figure 2. Surface plasmons areelementary excitations, which result from acollective oscillation of the free-electronplasma at a metaldielectric film interface. In

a SPR sensor a thin metal film (usually Au) isevaporated on the dielectric material surface.The sensing mechanism is based on varia-tions of the refractive index of the mediumadjacent to the metal sensor surface duringthe interaction of an analyte to its corre-sponding receptor, previously immobilized atthe sensor surface in the region of theevanescent field. The recognition of the com-plementary molecule by the receptor causes achange in the refractive index and the SPRsensor monitors that change. After the mole-cular interaction, the surface can be rege-nerated using a suitable reagent to remove thebound analyte without denaturing the immo-bilized receptor.

We have developed a portable SPRsensor prototype (see figure 3) as a highlysensitive field analytical method for environ-mental monitoring. As a proof of its utilitytowards detection of pathogens, we havedetermined several pesticides, as the chlori-nated compound DDT, and the neurotoxinsof carbamate type (carbaryl) and organo-phosphorus type (chlorpyrifos). For thedetermination of these compounds a bindinginhibition immunoassay, consisting of thecompetitive immunoreaction of the unboundantibody present in an analyte-antibodymixture with the hapten derivative immobi-lized at the sensor surface, has been applied.With the aim of assuring the regeneration and

Figure 1.- Biomolecular interaction sensing by the evanescent wave detection principle in an

optical waveguide sensor.


-29- L.M. Lechuga

reusability of the surface without denatura-tion of the immobilized molecule, the forma-tion of an alkanethiol monolayer was carriedout to provide covalent attachment of theligand to the functionalized carbodiimidesurface in a highly controlled way.

For DDT, the assay sensitivity wasevaluated in the 0.004-3545 μg/l range ofpesticide concentration by the determinationof the limit of detection (0.3 μg/l) and the I50

value (4.2 μg/l). For carbaryl, the dynamicrange of the sensor is 0.12-2 μg/l, with an I50

value for standards in buffer of 0.38 μg/l anda detection limit of 0.06 μg/l. Likewise theimmunoassay for chlorpyrifos determination,afforded a high sensitivity (I50= 0.11 μg/l)working in the 0.02-1.3 μg/l range. As anexample, figure 4 shows the calibration curveobtained from the pesticide chlorpyrifos [2].

The performance of the inhibitionimmunoassay enables the SPR biosensor to

monitor the immunoreaction between thehapten immobilized on the sensor surface andthe monoclonal antibody, from the incubationof a mixed antibody-analyte solution. Inaddition, the reusability of the sensor wasdemonstrated after 250 assay cycles, without

Figure 3.- Portable SPR sensor prototype system including sensor, optics, electronics

and flow delivery system. Commercialized by Sensia, S. L.

Figure 2.- Scheme of the working principle of a Surface Plasmon Resonance Biosensor


-30-L.M. Lechuga

significant variations of the average maxi-mum signal. The reusability of the sensorcombined with the small time of response(approximately 15 min), makes the SPRimmunosensing a valuable method for real-time and label-free analysis of environ-mental samples. This immunnosensing tech-nique together with the portable surfaceplasmon resonance sensor developed can beapplied as a fast and cost-effective field-analytical method for the monitoring of anychemical and biological compound if thecorresponding receptor is available.

3.- Integrated Mach-Zehnder InterferometersIn an interferometer (see Figure 5) two

light beams of equal intensity are made totravel across two areas of a waveguide (one isthe sensor and the other is the reference) andfinally they are combined, creating an interfe-rence pattern. When a biochemical reactiontakes place in the sensor area, only the lightthat travels through this arm will experience achange in its effective refractive index. At thesensor output, the intensity of the light showsa sinusoidal variation that depends on thedifference of the effective refractive indexes

of the sensor and reference arms (ΔN) and onthe interaction length (L) and can directlyrelated to the concentration of the analyte tobe measured [4].

The interferometric sensor platform ishighly sensitive and is the only one thatprovides with an internal reference for com-pensation of refractive-index fluctuations andunspecific adsorption. Interferometric sen-sors have a broader dynamic range than mostother types of sensors and show highersensitivity as compared to other integratedoptical biosensors. Due to the high sensitivityof the interferometer sensor the directdetection of small molecules (as for exampleenvironmental pollutants where concentra-tions down to 0.1 ng/ml must be detected)would be possible with this device. Detectionlimit is generally limited by electronic andmechanical noise, thermal drift, light sourceinstabilities and chemical noise. But theintrinsic reference channel of the interfero-metric devices offers the possibility ofreducing common mode effects like tempera-ture drifts and non-specific adsorptions.Detection limit of 10-7 in refractive index (or

Figure 4.- Calibration curve for the immunoassays determination of Chlorpyrifos

by SPR

Figure 5.- Mach-Zehnder interferometer configuration and working principle


-31- L.M. Lechuga

better) can be achieved with these deviceswhich opens the possibility of developmentof highly sensitive devices, for example, forextreme protein concentration determination(fem-tomolar) in a direct way [4].

We have fabricated two integrated Mach-Zehnder interferometric devices using twotechnologies: (a) a MZI Microdevice basedon ARROW waveguide [5]; (b) a MZINanodevice based on TIR waveguides [6].

3.a.- MZI Microdevice based on ARROW waveguide

For the development of a highly sensitiveintegrated optical sensor based on the Mach-Zehnder interferometer configuration it isnecessary to design optical waveguides thatverify two conditions: monomode behaviourand high surface sensitivity. ARROW (AntiResonant Reflecting Optical Waveguides)structures based on Silicon technology meetthese requirements. This optimised wave-guide consist on a rib-ARROW structure witha silicon oxide core layer (ncore=1.485) andthickness higher than 2 μm; a silicon oxidesecond cladding layer with a refractive indexof 1.46 and a fixed thickness of 2 μm and asilicon nitride first cladding layer, 0.12 mthick, with a refractive index of 2.00. Thewaveguide is overcoated with a thin siliconnitride layer (nov =2.00) and with a siliconoxide layer (n=1.46) with a thickness of 2μm. The rib depth is 60% of the core thick-ness and the rib width should be lower than 8μm to obtain single-mode behaviour [5].

3.b.- MZI Nanodevice based on TIR waveguide

The basis of the TIR structure is: (i) a Siwafer, (ii) a 2 μm thick thermal Silicon-Oxidelayer (n=1.46), (iii) a LPCVD Silicon Nitridelayer of 100 nm thickness (n=2.00), which isused as a guiding layer. To achieve mono-

mode behaviour is needed to define a ribstructure, with a depth of only 4 nm by alithographic RIE step. Finally, a Silicon-Oxide protective layer is deposited byLPCVD over the structure with a 2 μm thick-ness (n=1.46), which is patterning andetching by RIE to define the sensing arm ofthe interferometer.

For evaluating the sensor sensitivity acalibrating curve was recorded using solu-tions with different refractive indexes, as isdepicted in figure 6 for a TIR-MZI device.For the TIR device [6], the lower detectionlimit measured was Δno,min = 2.5.10-6 thatmeans an effective refractive index of ΔN =1.4·10-7. For the ARROW-MZI devices5, aminimum detectable refractive index varia-tion of Δno,min = 2·10-5 was obtained. We haveapplied the MZI biosensors (ARROW andTIR) for the detection of the insecticidecarbaryl [2] and detection of DNAhybridisation. Some of the results can beobserved in figure 7.

Figure 6.- Sensitivity evaluation of a TIR-MZI nanodevice by using glucose solutions of

varying refractive indices.


-32-L.M. Lechuga

Figure 7.- Calibration curve for the pesticide carbaryl determination by MZI biosensing.

Lower limit of detection is 0.2mg/L.

4.- ConclusionsWe have presented the development of

different optical biosensor platforms: aportable Surface Plasmon Resonance Sensor(actually in commercialization) and anintegrated Mach-Zehnder interferometerdevice made on Si technology. The feasibilityof the different biosensors platforms havebeen proved by the immunological recog-nition of several pesticides, as the chlorinatedcompound DDT, and the neurotoxins ofcarbamate type (carbaryl) and organophos-phorus type (chlorpyrifos). These resultsopen the way for further development ofportable and multianalyte platform for thedetection of several biological molecules ofinterest in-situ and in real-time.

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1.- IntroductionThe photonics field must be understood

as the set of techniques and scientificknowledge which are applied to the genera-tion, propagation, control, amplification, de-tection, storage and processing of signals ofthe optical spectrum, along with their tech-nologies and derived uses.

It can also be deduced that the Photonicsfield can be divided into several areas andthat, in many cases, Electronics and Pho-tonics overlap. There are cases where elec-trons control photons as there are others inwhich photons control electrons. Therefore,‘complementary harmony’ can exist betweenElectronics and Photonics.

Within the Photonics field there is anarea in which the above-mentioned comple-mentary harmony between both fields is veryclear and contributes to enhance the behavior

that could now be achieved together: thePhotonic Sensing Technology area, in whichOptical Fiber Sensing Technology is include.

In order to increase the level and qualityof people`s lives, and to help them in theircurrent occupations, the measurement, moni-toring, and control of measurands are obviousrequirements. To achieve this, it is necessaryto develop the capacity to capture, quantifyand translate physical and chemical magnitu-des to another domain, normally electrical.Sensors, in general, are the devices developedfor carrying out these tasks. In this paper, thesituation of the market, key basic concepts ofthe technology, successful techniques (bothcontact and non contact) and a prospective offuture hot topics will be addressed.

2.- Optical fibre sensors?It can be said that a sensor system or

sensor is usually made up of a transducer

Tecnologías de sensores fotónicos: técnicas y tendenciasPhotonic Sensing Technologies: Successful Techniques and Trends

J.M. López-Higuera*, A. Cobo, O.M. Conde, M. Lomer, F.J. Madruga, M.A. Quintela, A. Quintela, D.A. González

Photonic Engineering Group of the University of Cantabria, Avda, Los Castros s/n, E-39005, Santander, Spain.


Resumen.- La tecnología de sensores fotónicos se está empleando ya actualmente, y lo haráen el futuro, en un amplio rango de aplicaciones, ya que presentan ventajas técnicas frente alas técnicas tradicionales o, en ocasiones, representan la única solución práctica. En estetrabajo se presenta la situación actual del mercado, los conceptos clave de la tecnología, lastécnicas de más éxito (tanto de contacto como sin contacto), así como las perspectivas defuturo.

Abstract.- Photonic Sensing Technology is currently being used and will be used in the futurein a wide number of applications because its properties present technical advantages overtraditional techniques or, sometimes, is practically the only feasible solution. In this paper,the situation of the market, key basic concepts of the technology, successful techniques (bothcontact and non contact) and a prospective of future hot topics will be addressed


-34-J.M. López-Higuera

device, a communication channel and anoptoelectronic unit, all of these being eitherintegrated or not. If luminous radiation isused in any of the subsystems, the photonicsystem is understood to be a Photonic Sensor(PS) or, as is also commonly referred, OpticalSensor (OS), in which the transducer is thesubsystem that usually determines andcharacterizes the sensor (figure 1).

In general terms, a Photonic/OpticalSensor can be considered as a photonicsystem of which the measured objectmagnitude (measurand) or input signal (Vi),introduces modifications or modulations insome of the characteristics of the light in anoptical system. After being detected,processed and conditioned, the system willdeliver an output signal (Vo), usually in theelectric domain, which will be a validreproduction of the object variable. Thetransmitted or reflected light can be modu-lated by the measurand or modulating signalin its amplitude, phase, frequency or pola-rization characteristics. In accordance withthis concept, if any of the processes or partsuse fibre-optic technology, a sub-division ofOS known as Fiber/Fibre Optic Sensors(FOS), or Optical Fiber/Fibre Sensors (OFS),is created [1].

2.1 Sensor TypesFibre sensors can be classified accor-

ding to the magnitude to be measured, theirspatial distribution, the nature of thetransduction, the modulation principle andthe technology used:

Domain and type of the Magnitude.According to the domain and type of themagnitude to be measured, sensors can beclassified in: a) Mechanical; b) Thermal; c)Electromagnetic; e) Chemical composition;f) Flow and Turbulence of Fluids; g) TypicalMagnitudes in the Biomedical field.

Spatial distribution of the measurand.As it is illustrated in figure 2, fibre opticsensors can belong to one of the followingfour types: i) Point, when the measurement iscarried out at discrete points accessed bydifferent channels. In other words, eachsensor detects at only one point; ii) Integra-ted, when the measurement is integrated fromall the values of the object variable con-tributing to only one resultant value; iii)Distributed, when they can measure the valueof the state of the measurand along a line witha given spatial resolution. The optical fibreacts, simultaneously, as transducer and com-munication channel; iv) Quasi-distributed,

Figure 1.- Conceptual illustration of the three main blocks of an Optical Sensor: i.- optoelectronic unit; ii.- optical channel; and iii.- optical transducer.


-35- J.M. López-Higuera

have the capacity to measure the value of thestate of the variable at discrete points of spacesituated in a single optical channel. It ispossible to noticeably increase the number ofmeasurement points using optical multi-plexing techniques.

According to the nature of the trans-duction. Optical fibre sensors can be typifiedinto two groups: a) Intrinsic: optical sensors/transductors in which the optical waveguideis used to carry out the transduction bymodifying, in some way, its intrinsic trans-mission or reflection characteristics depen-ding on the magnitude to be measured. b)Extrinsic: sensors/transductors in which theinteraction between light and the measurandis produced in an external optical device.

Measurand modulation. The opticalsensors/transductors can be classified in fourtypes: i) Amplitude Sensors or Intensity-modulated sensors, in which the magnitude tobe measured modifies the optical intensitytransmitted by the fibre; ii) Phase orinterferometric sensors in which the variableto be measured causes a modulation in phase

of the luminous radiation in the transducer;iii) Polarimetric sensors in which the variableto be measured modulates the polarization ofthe light. An example is electric-currentmeasurements based on the Faraday effect;iv) Spectroscopic sensors in which the objectvariable modulates the spectrum of theoptical radiation.

Manufacturing technology of thetransducer. According to the manufacturingtechnology of the transducer, the opticsensors can be of: a) Optical Fibre Techno-logy. Those in which the optical devices (eg.Waveguides such as those in the previoussection) are optical fibres. Sensors made withoptical fibre technology; b) Integrated OpticTechnology. Those where the optical devicesmade using integrated optic technology; c)Integrated Opto-electronic. Those which‘harmoniously’ combine photonic devices(optical, opto-electronic), and even electronicdevices; d) Hybrid Optic Technology. Thosewhich harmoniously combine photonic and/or electronic parts or devices in differenttechnologies (fibre and/or integrated) on thesame substrate.

UNIT

OPTOELECTRONIC

UNIT

OPTOELECTRONICO PTOELECTRONIC

OPTOELECTRONIC UNIT

UNIT

l Vi(l)

Vo Vi

optical channel (O.CH )

transduction point

Vo (I)

Vo (n)Vi(n=0)Vi(n=1)

Vi(n=k) optical channel&transducer (O .CH&T)

Vo(l)

(O.CH)

I

electrical current

a) b)

c) d)

optical channel&transducer (O.CH&T)

fibrecoil

Figure 2.- Optical fibre sensor types according to the spatial distribution of the measurand. a) Point; b) Integral; c) Distributed; d) Quasi-distributed. (After [1 ).



3. Market situation According to very recent data from

Optoelectronic Industry and DevelopmentAssociation (OIDA) in general terms themarket of Photonics was of $139B, $187Band in 1997 and 2000 respectively. In 2004the photonics market was 61% related withcomputer products, 30% related withconsumer and the 9% related with commu-nications. Removing the Bubble (1999-2002)from the photonics Market History, theoverall photonics market show a Sustainableaverage annual growth rate (AAGR) wasabout the 12%. According to OIDA thePhotonics market will be of about $0.5T for2010 and about $1T for 2015 what is, really, avery important expected market for the nearfuture. Inside this impressive general Marketgrowth there are areas in which the annualgrowth is very important being photonicssensing area include among the mentioned.The expected growth per annum of fibresensing area is higher that 100%.

According to the mentioned OIDAstudy the areas dotted of major growths andhence areas in which to invest R&Dresources are Security, Aerospace, Ship-board, Wells, and power and Pipe lines, tomention the more significatives.

4. Succesful sensing Techniques In near 3 decades a very wide number or

techniques and approaches have beenpresented to measures a very wide set ofmeasurands in not a less wide number ofsectors of application. However, in thefollowing lines a very brief review of some ofthe most successful techniques used will beaddressed. They will be structured regardingthe fiber structure employed in the transducerand they will be illustrated with a carefullyselected example.

4.1.- Long transducers for elongation measurements

Several approaches have been tested formeasuring the integral elongation of a

1000

50. 167.13.

84.134.

45.

176.

275.

94.

106.

139.

68.

39.

72.

14.

18.

65.

2.

44.

73.

18.

21.

40.

6.

0

200

400

600

800

02 10 15

264

544

968

AAGR=10.9%

AAGR=12.1%

Medical Care / Welfare Environment / Sensing Optical (Solar) Energy Processing Input & Output Display / Lighting Optical Memory Info-Communications

Figure 3.- Prospects of OE World Market (billion USD). AAGR: average annual growth rate. Source: http://www.oitda.or.jp/main/syourai04-j.html



structure using long fiber gauges. Typical-ly,these kind of transducers are useful tomeasure the structural integrity of structuresin a wide set of application sectors includingarchitectural heritage and civil engineeringapplications [6,7]. When long gaugetransducers are required, in the recent years,the most successful technology had been theSOFO system which functional principle isschematized in Figure 3. The transducerconsists of a pair of single-mode fibresinstalled in the structure to be monitored.One of the fibres, called measurement fibre,is in mechanical contact with the hoststructure itself. It is attached to it at its twoextremities and pre-stressed in-between. Onthe other hand, the other fibre, the referencefibre, is placed loose in the same pipe.

To make an absolute measurement ofthis path unbalance, a low-coherence doubleMichelson interferometer is used. The firstinterferometer is made of the measurement

and reference fibres, while the second iscontained in the portable reading unit. Thissecond interferometer can introduce, bymeans of a scanning mirror, a well-definedpath unbalance between its two arms. Theprecision and stability obtained by this set-uphave been quantified in laboratory and fieldtests to be 2 micron, independently from thesensor length over more than one year. Evena change in the fibre transmission propertiesdoes not affect the precision, since thedisplacement information is encoded in thecoherence of the light and not in its intensity.Since the measurement of the lengthdifference between the fibres is absolute,there is no need to maintain a permanentconnection between the reading unit and thesensors.

The SOFO system was developed at theIMAC laboratory of the Swiss Federal Ins-titute of Technology in Lausanne (EPFL) andis commercialized by SMARTEC SA [7].

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008Year

SecuritySmart Structures SeismiAerospacShipboarProcesWellPipeliPower

Areas to watch Security Aerospace

Shipboard Wells Power & Pipe lines

$ Millions

Figure 4.- Expected evolution of the optical fibre sensor market.source: d. krohn light wave venture,OIDA.



4.2.-In-fibre gratings Gratings written in the core of optical

fibres are one of the more intensively studiedstructures because of their great possibilitiesto create devices for both sensing andtelecommunication applications [7,9,10].Their optical, mechanical and environmental(in wide sense) behaviors, among others,were studied both as a base for transducersand/or as a base for optical devices foroptoelectronic units or optical com-munications systems or subsystems [11-17].

In sensing, both short period (Bragg)and long period (period much longer than thewavelength of the light) are used. The firstone because of their capability to measureboth the strain and temperature of thestructure (and an ample variety of indirectmeasurands). Besides, they are also widelyused because of their ability to create tunablefilters, and for their multiplexing capabilities.Long period gratings are used because of itshigh sensitivity to the cladding modes(among others). In table I a list of the mainapplications of gratings is summarized. Ascan be deducted from table I and, with farmore detail in [18], this technology can be

G r a t in g s – T y p e

A p p lic a t io n s

F ib e r B ra g g G ra tin g s (F B G s)

S tra in an d te m p e ra tu re s e n s o rs P re s su re se n so rs A c c e le ra tio n sen so rs U ltra so u n d s e n s o rs M e c h a n ic a l lo a d s e n s o rs G a s d e te c tio n se n so rs (e .g . h y d ro g e n ) E x te n so m e te rs E le c tro m a g n e tic f ie ld s e n s o rs R e f le c tio n e le m e n ts in in te r fe ro m e tric se n so rs a r ra y s

F ib e r B ra g g G ra tin g L a se r S e n s o rs (F B G L S )

N o v e l, c o m p a c t h y d ro p h o n e s A c o u s tic e m iss io n s e n s o rs fo r N D E

L o n g P e r io d G ra tin g s (L P G s)

B e n d se n so rs C h e m ic a l se n so rs B ro a d b a n d s o u rce f il te r s

P i – P h a se S h ifte d G ra tin g s

T ra n sv e rse lo a d se n sin g

C h irp ed G ra tin g s

S tra in S e n s in g F B G d e m o d u la t io n

Table I.- Summary of potential sensing

applications of various types of fiber gratings.

Figure 5.- Setup of the SOFO system. Courtesy of SMARTECH



used in aerospace, medical, biomedical,environmental applications, electric powerenergy, and in military and civil engineeringapplications sectors.

A complete civil structure monitoringsystem fully designed, developed, in-laboratory and in-field tested system can befound in [19]. A detail of the embeddingprocess of a fiber Bragg grating transducerinstalled in las Navas Bridge of the A8highway in Cantabria, Spain, is shown infigure 4.

Despite of its relative novelty, fibregrating technology is enough mature andseveral sensing companies have their corebusiness centred in it, [20]. New studieslooking for new effects and structurescontinue [21,22].

4.3 .-Fabry-Perot cavitiesFabry-Perot cavities (both passive and

active) have been very successfully used insensing applications exploiting measurand-induced changes in one of their cavityparameters. They can be used both as thebasis for the transducer mechanism or asfixed or tunable devices in the optoelectronicunit. The cavity can be active, for instanceintegrating a fibre laser sensor, or passive.One very well tested approach is the Extrinsic

Fabry-Perot Interferometers (EFPI's) that isconstituted by a capillary silica tubecontaining two cleaved optical fibres facingeach other, but leaving an air gap of a fewmicrons or tens of microns between them.When light is launched into one of the fibres,a back-reflected interference signal isobtained. This is due to the reflection of theincoming light on the glass-to-air and on theair-to-glass interfaces. This interference canbe demodulated using coherent or low-coherence techniques to reconstruct the chan-ges in the fibre spacing [23]. This structurewere used in a wide set of applications tomeasure an ample set of measurands. Forinstance in [24,25] a sensor head for long-term high-precision strain measurements ofvery small deformations of a mechanicaldiaphragm and in [26], a fiber-optic strainsensor an in-vitro and in-situ immunoassaybiosensor based on fibre optic Fabry-Perotinterfe-rometer are described, respectively.Because of its nano-size and high sensitivityto many parameters (strain, pressure, vibra-tion, chemical-humidity, breathing, etc,) theFP cavities obtained by molecular self-assembly chemistry have obtained a specialattention in the last decade [27, 28, 29].Commercial FP transducers and devices canbe found from several companies [30].

Figure 6.- Temperature and Strain grating Transducer being embedded in Concrete. Courtesy of the Photonic Engineering Group of the University of Cantabria.



4.4.-Sagnac interferometer The well known Sagnac effect can be

produced in a fibre loop that providesreciprocal optical paths for two counter-propagating beams inside it. After theirinterference, the relative phase difference canbe measure being (the phase) function of themeasurand [31]. Despite the fact that theSagnac interferometer can be used to senseseveral measurands [32, 33] their majorsuccess has been obtained measuring rotation[34]. Fibre-optic gyroscopes (FOGs) haveevolved steadily from laboratory demons-tration to practical use. Since their opera-tional principle for sensing inertial rotation isoptical, not mechanical, they are inherentlyquick to start, resistant to shock andvibration, light, compact and long-lasting.These are very attractive features for manyusers of commercial gyroscopes.

Thanks to mass production techno-logies, cost effective FOG devices haveprovided being the interferometric gyro-scopes with optical phase modulation (I-FOGs) the most well-established. In thisparticular case, the I-FOG can be classified intwo types: open-loop and closed-loop. Theopen-loop I-FOGs are made solely of fibre-optic in-line devices; are simpler than otherFOGs; and have already been used in anumber of industrial systems. The closed-loop type essentially solves the limitations inlinearity of the open-loop type and it has theadvantage of wide dynamic range. Althoughtheir major applications in the aerospace, asummary of industrial applications addressedusing FOG´s is presented in table II [34].

Applications Navigation Attitude measurement Ground Automobiles &

Trucks •Passenger car navigation •Commercial vehicle operation (Car location & report system)•Autonomous dump trucks

•Vehicle dynamics study •Linear motion analysis •Antenna tracking

Robots & machines

•Automatic sweepers •Forklift navigation

•Leg-walk robots

Railroads •Train navigation •Inclination measurement (Rail maintenance)

Underground Pipes •Pipe-mapping (gas, power & communication cables)

Tunneling machines

•North-finding

Marine Ships •Marine navigation

Ship equipment •Antenna tracking •Search-light stabilization

Airborne Agriculture •Unmanned airplane control •Helicopter attitude control

Overhead power Cable

•Galloping measurement

Cranes •Cargo stabilization

Table II.- Industrial I-FOG applications



Despite this technology can also beconsidered mature, more efforts are stillinvested to improve its behaviours both in thesignal processing and the fibre optic part ofthe system [35].

4.5.-Distributed sensing Thanks to optical fibre properties in

addition with advanced interrogation tech-niques, distributed sensing in which the fibreacts, simultaneously, as optical channel anddistributed transducer is, today, a reality. Itcan be said that the fibre play the role of a“nerve” for materials and structures in whichthe fibre is embedded. Distributed optical-fibre sensor systems have and, undoubtedly,will have a large role to play in themonitoring and diagnostics of what can becalled "smart materials and structures" [36].

Linear backscattering and, overall, non-linear back-scattering and non-linearforward-scattering (having their own specialadvantages and disadvantages) can be used tomatch the specific requirements of length andresolution of the measurand. Raman scatter-ing (for temperature) and Brillouin scattering(for strain and/or temperature) or theircombination [37] using time, frequency,polarization, or correlation domain tech-niques (continuous or pulsed) including seve-ral variants [38], are used to interrogate thedistributed transducer [31, 39]. Distributedsystems over larger distances (up to 100 km)[36] and special resolutions of 1 cm havealready [40] been demonstrated. Due to theirrelevance in sensing, works are in course toimprove their main technical characteristics[41, 42, 43]. Despite the importance of thistechnology to solve real problems and in spiteof the important flux of ideas coming fromthe research centers, their commercializationhas not reach the expected level yet.However, some companies are already offe-

ring some temperature and/or strain distri-buted systems [44].

4.6.-Others techniques and sensor networks Other successful techniques and some

words about fibre sensor nets will be includedin this sub-section.

Other techniques: To measure electriccurrents and voltages Faraday, Pockels andEO Kerr effects have been commonly used[45]. Presently, research works are still aimedto improve the sensing systems performances[46, 47]. To detect and to measure gasconcentrations the direct [48, 49, 50] orindirect interaction between incident lightand gas, using gas sensitive materials, aresuccessfully employed [51]. In conjunctionwith neural nets, pattern recognition andother techniques, optical spectrometric tech-niques have been used to detect chemical andbiochemical compounds or materials, tocharacterise materials and to carry out qualitycontrol of products [52]. Fluorescence techni-ques are extensively used to measure chemi-cal species for medical, biomedical andpollutants in environmental analysis [53, 54].

Sensor networks: To increase thenumber of sensing points (that contributes todecrease the per sensor cost figure and toreduce the number of deployed fibres) and toexploit the passive nature of the fibre, sensornetworks, both passive and active, aredesigned and constructed [55]. Multiplexingallows the cost of the more expensivecomponents to be shared by an array ofsensors, reducing the per sensor cost of thesystem. A large number of multiplexingschemes have been developed includingSpatial Multiplexing, Wave-length DivisionMultiplexing, Frequency Division Multi-plexing, Time Division Multiplexing, Coher-ence Multiplexing and Hybrid approaches.



Optical amplification, both concentrated anddistributed, decrease the optical losses and,hence, increase the number of multiplexedsensors [56, 57]. In particular, it must bementioned that a great effort has beeninvested over the last two decades in acousticsensor arrays for a number of applicationsincluding oil exploitation, smart wells,geophysics, harbour and airport monitoringand anti submarine warfare [58].

5. Hot topics for reserachWithin the above paragraphs above a

very brief summary of the more successfuland well established fiber sensing tech-niques has been presented. Now three hottopics will be pointed out.

5.1.-New techniques for Distributed Sensing As mentioned before distributed sensing

is, probably, the "star" technique in fiber opticsensing. However, up to now a fewcommercial companies are exploiting thistechnology because the current technologydoes not properly match the requirements ofreal applications yet.

Up to now, driven by optical tele-communications requirements, tremendousdevelopment of fibers and com-ponents hasbeen done. However, for distributed sensingsystems these fibres do not match therequirements to optimize the interactionbetween the fibre system and the measurandand, therefore, new fibres and coatings areneeded. Additionally and “harmoniously”with the development of new fibers, newinterrogation and processing techniques arerequired to obtain better spatial resolution,better precision and stability in conjunctionwith lower prices than those offered by thecurrent technology.

5.2.-New Photonic Crystal Fibre DevicesMicrostructured fibres known as

photonic crystal fibres or holey fibres haveattracted a great deal of attention for sensingtechnology in the last few years as was shownin the recent EWOFS and OFS conferences[59, 60, 61]. Because of their recentappearance in sensing, this technology wasnot included in the last subsection. Micro-structured fibre techno-logy with its lattice ofair holes running along the length of the fibrehas matured, and provides a large variety ofnovel optical properties and improvementscompared to standard optical fibres. Due tothe wavelength-scale periodically-arrangedmaterial, these structures provide a com-pletely new means of fabricating tailoredoptical properties either using modified totalinternal reflection or the photonic bandgapeffect [62]. In addition and as consequence ofthe numerous micro or even nano-scalestructures and holes along the fiber, it ispossible to obtain superior mode control,polarisation properties, and the potential ofclose interaction between optical fields andthe material under test [63].

Two main features of microestructuredfibres make these fibres attractive for sensingapplications. The first feature is the possibi-lity of obtaining long interaction lengths be-tween light propagating in the fibre and verysmall volumes of gases or liquids positionedin the air holes. The second one is the free-dom in the design of the fibre optical proper-ties including the number of guiding cores.

Microstructured fibres can be used,among others, for:

i) Evanescent-wave sensing in whichthe strength of the evanescent field and thelong interaction length makes index-guidingfibres interesting for evanescent wavesensing devices.



ii) Gas sensing, for which either indexguided or the photonic band fibres can beused. The gas inside the holes interacts withthe field confined inside the hole/s.

iii) Enhanced fluorescense biosensing inwhich the light guided by the core is used toexcite the chromophore and the fluorescenceemitted from the biomolecules is collected inthe fibre.

iv) Bend sensing in which a deformationof the fibre introduces a phase shift betweenthe beams propagating in the different cores,which can be deducted from the resultinginterference pattern.

v) Grating based sensors using both longand short period grating structures in index-guiding micro-structured fibres. These fibresoffer a significant interaction between theguided light and the gas, liquid or solid placedinside the holes irradiated by the evanescentfield from the core, enabling changes in thebehaviours of the gratings to be detected.

vi) Atom guides in which the atoms areguided through the central fibre-hole drivenby a magnetic field produced by a currentthrough wires placed in adjacent air holes.

vii) Non-linear properties using thestrong confinement of the optical field withinthe core of index-guiding hollow fibers. Thisallows for strong nonlinear effects.

At this moment, very important researcheffort is being devoted to this technologybecause of their design flexibility offers agreat number of potential applications bothfor future optical communications systemsand for sensing sectors, among others.Research efforts to enable the development offibres specifically designed to match givenapplications and with lower propagationlosses are required.

5.3.-Optical Coherence Tomography Optical coherence tomography (OCT)

combines low-coherence interferometry withlateral point beam scanning to produce two-or three-dimensional images. The low(temporal) coherence is provided by abroadband light source and endows thetechnique with an axial optical sectioningcapability- a 'coherence gate'. OCT's pene-tration of highly scattering tissues is limitedto a few millimetres, which is lower thanultrasound, magnetic resonance imaging, andx-ray computed tomography, but itsresolution for in vivo imaging is higher thanthese modalities, routinely at around 10 µm,sufficient to display clinically relevantmorphology, and potentially around 1 µm

Figure7.- Index-guided and photonic band gap guided holey fibers respectively.

Courtesy of the ORC, UK.



[64]. Because OCT enables ultrahigh resolu-tion, polarization-sensitive, among others,biomedical imaging [64] very important re-cent works involving OCT have been carriedout and others are in course [66, 67, 68].

After more than a decade of research,OCT is in the early phases of establishing aniche as a medical imaging technology forclinical use. It offers comparative ad-vantages in imaging of the eye, primarily theretina, and endoscopic imaging of the gastro-intestinal and cardiovascular systems.However, a wide number of difficulties haveyet to be overcome and intense research bothinto the technology and into more advancedapplications, many of which are in theirinfancy, will be invested in the near future.

5. ConclusionsAfter framed the fiber sensing

technology as an area inside the photonicfield some key fiber sensors concepts arestated. The photonics worldwide market wasanalyzed discovering very impressive expec-ted markets of about $ 0.5T and $1T for 2010and 2015 respectively. Among the photonicsmarket the Optical Fibre sensors are verypromised being expected annual growthshigher of 100%. Then the most successfuland mature techniques, based on thearchitecture of the transducer, are brieflypresented. Finally, several hot fiber sensingtopics in which intense R&D works will beinvested in the near future are pointed out.

AcknowledgmentsThe author thanks to the Spanish

Education and Science Ministry for fundingtheir R&D activities through the projectsTEC2004-05936-C02-02 The authors, also,thank to all members of the PhotonicEngineering Group for their professionalpersonal work and compromise to follow the

mission of the group. It is a pleassure to workwith all of you.

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1.- IntroducciónLas fuentes de luz blanca son

indispensables en muchos sistemas de sen-sado en fibra, por ejemplo en interferometríade baja coherencia [1], en los sistemas deinterrogación de sensores de redes de Braggen fibra [2] o en giróscopos de fibra óptica[3]. Diodos superluminiscentes de alta po-tencia (SLED) [4] y fuentes superfluorescen-tes [5] son las fuentes principales de bandaancha usadas en sensado óptico. Estas fuentestienen típicamente anchos de banda del ordende 20-80 nm con una densidad espectral depotencia entre -20 y 0 dBm/nm.

En este trabajo se presenta una nuevaclase de fuente de luz blanca con mejorescaracterísticas espectrales que las fuentes

superluminiscentes o superfluorescentes, tan-to en términos de densidad espectral como deancho de banda. La semilla de esta nuevafuente es la propagación de un haz de luzprocedente de un láser Raman en fibra (RFL),en onda continua (CW) y parcialmentecoherente, por una fibra de dispersión despla-zada no nula (NZDSF). El proceso total,conocido como la generación de supercon-tinuo en la literatura, aún no ha sido estudiadoextensamente para fuentes en CW. En estetrabajo se propone el empleo de esta fuente desupercontinuo en la medida de la dispersióndel modo de polarización (PMD) así comopara el sensado en fibra óptica. La bondad dela fuente propuesta para estos fines, estriba ensu amplio espectro, la gran densidad espectraly una estabilidad suficientemente buena a

Fuente supercontinua en fibra óptica (basada en bombeo continuo)Supercontinuum generation using continuous-wave pump

Sonia Martín-López*, Miguel González-Herraez, Pedro Corredera Guillén, Ana Carrasco Sanz, María Luisa Hernanz Sanjuan y Laura Abrardi.

Departamento de Metrología, Instituto de Física Aplicada, CSIC, C/ Serrano 144, 28006 Madrid.


Resumen.- Una fuente de luz supercontinua es una fuente de gran potencia y ancho espectro,generada a partir de pulsos láser o emisión láser continua en un medio no lineal. Lageneración de supercontinuos en fibras y guías ópticas es un fenómeno de interés crecienteque ha encontrado aplicaciones en campos como la espectroscopía con resolución temporal,la compresión de pulsos ultracortos, el desarrollo de fuentes de luz para sistemas de WDM,la metrología de frecuencias ópticas y la tomografía óptica de coherencia. Este trabajoaborda la generación de un supercontinuo en fibras ópticas a partir de bombeo continuousando una fibra convencional de telecomunicación como medio no-lineal.

Abstract.- A supercontinuum light source is a high power and broad spectrum sourcegenerated by the propagation of pulsed or continuous-wave laser emission in a nonlinearmedium. The generation of supercontinuum in fibers and optical waveguides is aphenomenon of increasing interest that has found applications in various fields such as time-resolved spectroscopy, compression of ultrashort pulses, light sources for WDM systems, themetrology of optical frequencies and the optical coherence tomography. In this work wepresent the generation of a supercontinuum in optical fibers using a continuous-wave pumpand a conventional fiber of telecommunication as non-linear medium.


-50-Sonia Martín-López

largo plazo. Esta fuente de supercontinuoabre nuevas y grandes posibilidades entomografía óptica de coherencia, para la cualla alta densidad de potencia y el amplio anchode banda de la fuente usada son aspectosesenciales para mejorar la relación señal-ruido así como la resolución. Además, semuestra una aplicación para las comunica-ciones ópticas, usándola en el diseño de unamplificador Raman aplanado.

2.-Generación de la fuente supercontinuaEl proceso de generación de nuestra

fuente supercontinua consiste básicamente enel ensanchamiento extremo del ancho delínea de nuestro láser de bombeo continuo.Este ensanchamiento es la consecuencia de lacombinación de distintos efectos lineales y nolineales que tienen lugar al propagarse la luzpor el interior de la fibra óptica monomodobajo régimen de dispersión anómala (D>0).La causa principal de este ensanchamientoespectral es la ruptura espontánea del haz debombeo parcialmente coherente CW, en unasecuencia de solitones Raman desplazados enfrecuencia. La emisión de nuestro láser debombeo continuo presenta una serie deperturbaciones temporales en intensidad alea-torias (la existencia de estas perturbaciones lacomprobamos al obtener la traza de auto-correlación en intensidad del láser). Estasperturbaciones, dado que el régimen de pro-pagación de la luz por la fibra es anómalo,debido a los efectos de dispersión cromática(lineal) e inestabilidad de modulación (nolineal) se amplifican, hasta transformar nues-tro haz continuo en un tren de pulsos ultracor-tos. Estos pulsos, según se propagan por lafibra se van transformando en solitones fun-damentales [6].Estos solitones por efecto de scatteringRaman estimulado sufren desplazamientos de

sus frecuencias centrales hacia frecuenciasmenores [7]. El solapamiento de todos estosefectos tiene lugar para cada instantánea deemisión de nuestro láser. El espectro resul-tante de superponer cada uno de los espectrosfinales provenientes de cada instantánea deemisión del bombeo es el espectro de nuestrosupercontinuo.

2.a.-Resultados experimentalesEl montaje experimental con el se genera

la fuente supercontinua aparece representadoen la figura 1. Consiste en un láser de bombeocontinuo Raman (CW-RFL) con el que sebombea una fibra LucentTrueWave-RS® dedispersión desplazada no nula (NZDSF)[8,9]. Mediante la medida de la traza deautocorrelación en intensidad del láser com-probamos que presenta inestabilidades en in-tensidad que lo convierten en parcialmentecoherente. La adquisición de espectros serealiza con un analizador de espectros óptico(OSA) monitorizando la potencia con unradiómetro de esfera integradora con unaincertidumbre de ±1% [10]. La salida del lá-ser está despolarizada, alcanzando una poten-cia máxima de 2.1 W a 1455.3 nm. Lasprincipales características de esta fibra son:atenuación de 0.27 dB/km a 1455 nm, longi-tud de onda de dispersión nula a 1452 nm y sucoeficiente no lineal estimado es de 2 W-1km-1.Para la longitud de onda de emisión del RFL,la dispersión cromática de la fibra es pequeñay positiva (~ 0.081 ps·nm-1·km-1), con unapendiente de dispersión de 0.045 ps·nm-2·km-1

(los parámetros de dispersión se han medidomediante el método de desplazamiento defase), por lo que las bandas laterales debidasa inestabilidad de modulación (MI) deberánser visibles con un bombeo suficientementepotente [11]. Es de esperar que las bandas deMI aparezcan con niveles de potencia delorden de unos cientos de miliwatios,

N( γP0T0 β2⁄( )1 2⁄ 1 )= =


-51- Sonia Martín-López

produciéndose un ensanchamiento signifi-cativo del láser de bombeo [12]. Para que laMI sea eficiente, hay que asegurar launiformidad longitudinal del coeficiente dedispersión cromática. Esta característica fuemedida para esta fibra usando un métododesarrollado por González-Herráez et al. [13]siendo mejor que 0.1 ps·nm-1·km-1 en lalongitud de onda de 1555 nm (la resoluciónespacial de esta medida es de ~500 m). Lafigura 2 muestra el espectro medido a lasalida de la fibra.

Se ve cómo las bandas de ganancia deinestabilidad de modulación son bien visiblesa 300 mW, pero se van haciendo másasimétricas a medida que aumenta la potenciadel bombeo. Para una potencia extrema de2.1 W, se ve un espectro prácticamentecontinuo que cubre todo el rango desde elcomienzo de la banda S (1425 nm) hastaprácticamente el final de la banda L (1625nm). De esta manera conseguimos una fuentede ~200 nm de ancho de banda y grandensidad espectral de potencia.

1400 1450 1500 1550 1600 1650-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

0.3 W 0.9 W 1.5 W 2.1 W

Pote

ncia

nor

mal

izad

a (d

B)

Longitud de onda (nm)

1445 1450 1455 1460 1465-30

-20

-10

0

Figura.1.- Montaje experimental para generar SC con CW. RFL: láser en fibra Raman; NZDSF: fibra de dispersión desplazada no nula; Isolator: aislador; Tunable attenuator: atenuador de

potencia sintonizable; OSA: analizador de espectros ópticos.

Figura.2.- Espectro del supercontínuo generado para diferentes potencias de entrada. La figura insertada muestra la MI en el entorno del láser de bombeo.



2.b.-Simulación numéricaEl método numérico que tradicional-

mente se usa en el estudio de los efectos nolineales derivados de la propagación de unpulso de luz intenso por una fibra ópticamonomodo, el método de Split-Step Fourier-Transform Method (SSFTM).

En nuestro caso también recurrimos a élpara tratar de simular la generación denuestro supercontinuo. En la figura 3 se vecómo la aleatoriedad de las fluctuacionespresentes en el bombeo continuo conduce acada uno de los distintos ensanchamientos delos solitones Raman. Si unimos todos estoscasos particulares para formar un todo,tenemos cubierta toda la banda espectral delSC experimental. También debemos señalarque los parámetros del solitón varían en unaescala temporal del orden del tiempo decoherencia del láser de bombeo (~ps), muchomás corto que el tiempo de integración denuestro analizador de espectros óptico. Por

tanto, debemos concluir que las caracterís-ticas espectrales de los solitones Ramanaleatoriamente generados, están significati-vamente promediadas en las medidas.

Así, los espectros experimentales son,simplemente, las envolventes de distintasdistribuciones de solitones Raman. Estoexplicaría la suavidad de los espectros denuestro supercontinuo CW. Luego debemosconcluir que la situación experimental no secorresponde con una sola simulación, sinocon el promediado de muchas simulacionesidénticas. El resultado de este cálculo para100 situaciones diferentes se muestra en lafigura 4.

Tiempo (ps)

Pot

enci

a (1

1 W

/div)



Figura 4.- Comparación entre espectros de SC simulados y los obtenidos con un bombeo de Pp=2.1W. Los resultados simulados son el resultado de promediar sobre 100 simulaciones

diferentes, entre las que lo único que varía es la fase espectral inicial.

Den

sida

d es

pect

ral (

20 d

B/di

v)



SimulacionExperimento

Den

sida

d es

pect

ral (

d Bm

)

Figura 3.- Resultados de cinco simulaciones idénticas que difieren entre sí, sólo en la fase espectral aleatoria que elegimos como condición inicial. Pp=1.7W; (a) representa el campo de

intensidades inicial y (b) y su correspondiente espectro a la salida.



3.- AplicacionesDos aspectos importantes a la hora de

valorar la aplicabilidad de cualquier fuente deluz como un dispositivo de sensado en fibra yde utilidad metrológica son su característicade ruido y su estabilidad temporal. Las apli-caciones en sensores de fibra óptica exigendisponer de una estabilidad a largo plazo muybuena, sin derivas y ruido muy bajo. Nuestrafuente supercontinua presenta una desviaciónestándar de la potencia media inferior al 2%sobre un rango de ~200 nm (1410-1610 nm).En cuanto a su estabilidad a corto plazo,posee un RIN <-113.7 dBc/Hz con un RINdel láser de bombeo inicial <-115.5 dBc/Hz[14], lo que supone una mejora de unos 20 dBrespecto a los supercontinuos obtenidos apartir de bombeos pulsados.

Una de las medidas más convencionalesde PMD se basa en analizar la tasa de crucespor un determinado nivel del espectro detransmisión de la fibra situada entre dos pola-rizadores con orientaciones arbitrarias [15].La incertidumbre de la medida es menorcuanto mayor es el espectro considerado.Dadas las características de nuestra fuente seobserva la posibilidad de atenuar el super-contínuo hasta más de 40 dB (excluyendopérdidas de inserción, que están en torno a 11dB) obteniendo resultados de PMD de incer-tidumbre excelente, rebajando en casi un50% la incertidumbre típica obtenida con unSLED sobre rangos de atenuación 100 vecesmenores.

Otra aplicación muy interesante de estanueva fuente de luz supercontinua es fabricaramplificadores Raman aplanados [16][17].Con estos amplificadores se pueden llegar acubrir las bandas de comunicación estable-cidas por la ITU C, L y E. Nosotros usamosnuestra fuente como fuente de bombeo ycomo medio de amplificación una fibra

óptica de dispersión desplazada de 11km. Asíconseguimos mediante el ensanchamiento delespectro del pico del bombeo y su desplaza-miento en frecuencia, un amplificador todo-óptico que cubre el rango de (1525-1625),muy plano. La principal limitación de estetipo de amplificadores es su figura de ruido.

Dadas las propiedades de densidad depotencia, anchura espectral y estabilidad denuestra fuente la convierten en potencial-mente interesante para los sistemas de diag-nóstico de tomografía óptica de coherencia.

4.- ConclusionesSe ha presentado una nueva fuente ancha

de luz continua, que se extiende a lo largo demás de 200 nm. La densidad de potencia depico de esta fuente es de unos 8 dBm/nm. Seha estudiado la estabilidad espectral de estafuente durante una hora, con un resultadomejor que el 2% a lo largo de algo más de 200nm. El ruido de la fuente es mejor que -113.5dBc/Hz. Se ha expuesto una posible aplica-ción a la medida de PMD en enlaces de fibrade larga distancia. Se ha mostrado unaaplicación del supercontinuo CW para dise-ñar un amplificador Raman aplanado para lasbandas L y E de comunicaciones. Se haseñalado la viabilidad del uso de esta fuenteen tomografía óptica de coherencia.

AgradecimientosAgradecemos las productivas discu-

siones mantenidas con Fréderique Van-holsbeeck y Stéphane Coen de la Univer-sidad de Auckland y a Javier Solís y HéctorFernández por su ayuda en las medidas deautocorrelación. Agradecemos la financia-ción del Ministerio de Educación y Ciencia através del proyecto TIC2003-01869 y el con-trato FPI asociado, la financiación de laComunidad Autónoma de Madrid a través delproyecto FACTOTEM_CM ref n.S-0505/



ESP/0417, y la financiación del Fondo SocialEuropeo a través del programa de becas I3Pdel CSIC.

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Recubrimientos ópticos en el rango espectral entre 50 y 200 nmOptical coatings for the spectral range 50 - 200 nm

Mónica Fernández Perea*, José Antonio Méndez, Juan Ignacio Larruquert, José Antonio Aznárez

Grupo de investigación en Óptica de Láminas Delgadas, Instituto de Física Aplicada, Consejo Superior de Investigaciones Científicas


Resumen.- El desarrollo de recubrimientos ópticos eficientes en la región espectralcomprendida entre 50 y 200 nm (UVE-UVL) supone un reto debido a la gran absorción ybaja reflectancia que presentan la mayoría de los materiales en este intervalo. Por otro ladoestos recubrimientos son una pieza importante para el progreso de multitud de campos comolas observaciones astronómicas, el diagnóstico de plasmas y la litografía. En este trabajo sedescriben algunos de los recubrimientos ópticos desarrollados hasta el momento por elGrupo de investigación en Óptica de Láminas Delgadas (GOLD), que operan en la regiónUVE-UVL del espectro. En GOLD disponemos de un equipo experimental de ultra-altovacío que permite la deposición y medida in situ de la transmitancia y la reflectancia demulticapas en función del ángulo de incidencia y en el rango espectral UVE-UVL. Lasmulticapas están formadas por hasta seis materiales distintos, que pueden ser depositadosmediante tres técnicas de preparación diferentes. Las medidas de transmitancia y reflectanciaen función del ángulo de incidencia realizadas in situ permiten la determinación de lasconstantes ópticas (n, k) de los materiales sin que hayan sido expuestos a la atmósfera. Dadala gran dependencia existente entre las propiedades ópticas de las láminas delgadas y laexposición atmosférica en este rango espectral, nuestro equipo experimental constituye unaherramienta muy adecuada para su determinación, y por lo tanto para el diseño y preparaciónde multicapas innovadoras.

Abstract.- The development of efficient optical coatings in the spectral region between 50and 200 nm (EUV- FUV) is an important challenge due to the great absorption and lowreflectance that most of the materials present in this region. In addition, these coatings arean important element in the advance of many fields like astronomical observations, plasmadiagnosis and lithography. In this work we describe some of the optical coatings developedby the Research Group in Optical Thin Films (GOLD), which operate in the EUV-FUVregion of the spectrum. In GOLD we have an ultra high vacuum experimental system thatpermits the deposition and in situ measurement of the transmittance and reflectance ofmultilayers, as a function of the angle of incidence, and in the EUV-FUV spectral range. Weprepare multilayers with up to six different materials, which can be deposited using threedifferent techniques. In situ transmittance and reflectance measurements versus the angle ofincidence permit the determination of the optical constants (n,k) of the materials, withoutbeing exposed to the atmosphere. Due to the great dependence between the opticalproperties of thin film layers in this spectral range, and the exposition to the atmosphere, ourexperimental system is a very adequate tool for the determination of those properties, andtherefore for the design and fabrication of novel multilayers.


-58-M. Fernández Perea

1.- IntroducciónEl funcionamiento de un recubrimiento

óptico se basa en la interferencia de los hacesmúltiples originados por la reflexión de laradiación electromagnética en las intercarasde separación de las capas que lo forman.

Mientras que la obtención en el visible dereflectancias o transmitancias con una formaespectral determinada y cercanas al 100 % esposible mediante la utilización de recubri-mientos ópticos formados por un grannúmero de láminas, la gran absorción de losmateriales en el rango espectral comprendidoentre 50 y 200 nm (UVE - UVL) limita elnúmero de láminas utilizadas a unas pocas, ylas reflectancias o transmitancias resultantesa valores mucho más modestos, muy lejos engeneral del 100 %.

El aire absorbe fuertemente la radiaciónde longitud de onda menor que 200 nm, por loque la reflectometría por debajo de dicha lon-gitud de onda ha de realizarse en vacío. Lainexistencia de ventanas transparentes quepermitan el aislamiento de la fuente de radia-ción respecto de la zona de medida dificultaconsiderablemente el diseño de los equiposde reflectometría, y por lo tanto la dedicaciónde los grupos de investigación al estudio delas propiedades de los materiales en el rangoespectral UVE - UVL ha sido siempre menorque en regiones espectrales como el visible oel ultravioleta cercano. Esta es la razón por laque el conocimiento de las propiedades ópticasde los materiales en este intervalo espectral esaún escaso. Por otro lado, la determinación dedichas propiedades ópticas, en particular delíndice de refracción n y el coeficiente deextinción k, es fundamental para el desarrollode recubrimientos ópticos eficientes.

Los recubrimientos ópticos que funcio-nan en el rango espectral UVE - UVL tienenaplicación en campos en gran desarrollo en la

actualidad, como la instrumentación espacialy la litografía [1,2].

2.- Equipo experimental En GOLD disponemos de un equipo

experimental de ultra-alto vacío (UHV), conpresiones en la escala de 10-10 mbar, que per-mite la deposición de recubrimientos ópticosy la posterior medida in situ de su transmi-tancia y su reflectancia en función del ángulode incidencia. Es decir, las medidas se reali-zan sin que las muestras hayan sido expuestasa la atmósfera desde su preparación, ya quelas distintas cámaras de deposición y la cáma-ra de reflectometría están conectadas entre síen UHV. Esto es importante porque tanto latransmitancia como la reflectancia en el UVE- UVL se modifican tras la exposición atmos-férica debido a la adsorción de especiesgaseosas. Las medidas de transmitancia yreflectancia en función del ángulo de inciden-cia permiten la determinación de las cons-tantes ópticas de los materiales. En la figura 1puede verse un esquema en planta del equipoexperimental.

En GOLD podemos preparar recubri-mientos formados por hasta seis materialesdistintos, que se pueden depositar mediantetres técnicas de deposición: evaporación tér-mica por efecto Joule, evaporación térmicacon cañón de electrones, y deposición porbombardeo con haz de iones (Ion BeamSputtering, IBS). La elección de una técnicau otra dependerá de las propiedades delmaterial a depositar.

La radiación en el rango espectral UVE-UVL se produce en una lámpara de descarga,que emite en las longitudes de onda de emi-sión del gas que fluye a su través. La ausenciade materiales transparentes en el UVE - UVLque puedan servir como ventana para lafuente de radiación obliga al uso de un siste-


-59- M. Fernández Perea

ma de vacíos diferenciales. Éste consiste en lacomunicación de las distintas cámaras queforman el monocromador mediante tubos debaja conductancia, que permiten el paso de laluz pero limitan de forma severa el flujo degas. De este modo la presión en la cámara dereflectometría durante las medidas se incre-menta solamente hasta 10-9 mbar, y se debeprincipalmente a los gases no reactivos intro-ducidos en la lámpara.

En la figura 2 se puede ver una fotografíadel equipo, con la cámara de reflectometríaen la parte central, y las cámaras de deposi-ciones y del monocromador a derecha eizquierda, respectivamente.

Figura 1.- Esquema del equipo experimental. C: capilar, L: lámpara, M: monocromador, G: red de difracción, ENS, EXS: rendijas de entrada y salida, MC: cámara de modulación,

CB: hoja moduladora, S: diafragma, RC: cámara de reflectometría, CE: multiplicador de electrones de canal, MP1, MP2, MP3 y MP4: manipuladores de muestras, SH: portamuestras,

P1, P2 y P3: tubos de baja conductancia, TDC: cámara de deposiciones, SC: cámara de sputtering, TH: portablancos, IG: cañón de iones, LLC: cámara de introdución de muestras,

GV: válvula de compuerta.



3.- Resultados La labor del Grupo de investigación en

Óptica de Láminas Delgadas se centra en ladeterminación de las constantes ópticas (n, k)de materiales de interés en la región espectralUVE - UVL, el diseño y caracterización derecubrimientos eficientes y el estudio de suestabilidad frente a distintos tratamientos, co-mo exposiciones controladas a distintos gaseso calentamientos. A continuación se mues-tran algunos de los resultados y propuestasrealizados en GOLD.

3.a.- Determinación de constantesópticasLa determinación de las constantes ópti-

cas de los materiales en la región espectralUVE - UVL presenta dificultades técnicas, ya

que conlleva la medida de la reflectancia y latransmitancia, que además varían cuando losmateriales entran en contacto con la atmós-fera. Por todo esto las constantes ópticas demuchos materiales son desconocidas en esaregión, y las de muchos otros son pocofiables.

En GOLD realizamos la determinación deconstantes ópticas utilizando dos métodos:La medida de la reflectancia en función delángulo de incidencia y la medida de latransmitancia en función del espesor combi-nada con el análisis de Kramers - Kronig.Utilizando el primer método se han determi-nado en GOLD las constantes ópticas demateriales como el aluminio, el escandio y elyterbio (véase figura 3), entre otros.

Figura 2.- Fotografía del equipo experimental de UHV en GOLD. A la derecha pueden verse las dos cámaras de deposición por evaporación y por sputtering. En el centro está la cámara

de reflectometría, y a la izquierda, el conjunto lámpara-monocromador.



El segundo método se está utilizando enla actualidad en una investigación generaldedicada al estudio de las constantes ópticasde los lantánidos entre 1.24 y 62.0 nmrealizada en la línea BEAR del sincrotrónELETTRA (Trieste, Italia) en colaboracióncon investigadores italianos. Este segundométodo presenta la ventaja de ser más rápi-do, ya que las medidas se realizan solamenteen incidencia normal, pero sólo puedeaplicarse cuando la reflectancia normal de losmateriales es despreciable, tal y como ocurreen el rango espectral mencionado. Hasta elmomento se han llevado a cabo estudiossobre Sc, Yb y Ce. En la figura 4 puedenverse las constantes ópticas del Sc obtenidasutilizando este método.

3.b.- RecubrimientosEn GOLD diseñamos, preparamos y ca-

racterizamos recubrimientos ópticos para lasregiones espectrales UVE (50 - 115 nm) yUVL (115 - 200 nm). Las propiedades de losmateriales son distintas en ambos intervalos,lo que implica a su vez diferencias en eldiseño.

La finalidad de los recubrimientos es obien obtener una alta reflectancia, en cuyocaso hablaremos de espejos, o una selecciónespectral ya sea de la radiación transmitida ode la reflejada, en cuyo caso hablaremos defiltros.

3.b.1.- Recubrimientos en el UVLEn esta región espectral disponemos de

un material que es transparente en todo elintervalo y tiene propiedades ópticas bastan-te estables en contacto con la atmósfera: elMgF2. Su utilización combinado con Alpermite la realización tanto de espejos de altareflectancia como de filtros.

Los espejos de alta reflectancia enincidencia normal son recubrimientos que seutilizan desde hace décadas [4], y que estáncompuestos por una lámina de Al recubiertacon una de MgF2 de espesor tal que semaximice la reflectancia en la longitud deonda de interés.

1 10longitud de onda (nm)

10-4

10-3

10-2

10-1

100

n, k

nk

Figura 4.- Constantes ópticas del Sc determinadas en BEAR (Sincrotrón

ELETTRA).

Figura 3.- Constantes ópticas del Yb determinadas en GOLD [3].



Aunque son recubrimientos bien conoci-dos, en GOLD hemos observado variacionesde reflectancia frente a exposiciones atmos-féricas que no habían sido investigadas conanterioridad [5]. También hemos buscadoposibles alternativas en la técnica de depo-sición que disminuyan este efecto (véasefigura 5).

En GOLD hemos preparado también fil-tros de transmitancia en el UVL que alternancapas de Al y MgF2. Este trabajo está motiva-do por la colaboración del grupo en el proyec-to World Space Observatory (WSO), que pre-tende poner en órbita un telescopio espacialque por vez primera estará dedicado en exclu-siva a la toma de imágenes y espectros en elultravioleta. El resultado ha sido la obtenciónde filtros con mejores prestaciones en cuantoa transmitancia de pico y ancho de banda quelos filtros comerciales disponibles (figura 6).

3.b.2.- Recubrimientos en el UVELa peculiaridad del intervalo espectral

UVE es que en él no existe ningún materialtransparente. Esto implica la imposibilidad deutilizar substratos, entendiendo como talesaquellos con espesores al menos del orden delos mm, en dispositivos que operen por trans-mitancia. La alternativa por tanto es o bientrabajar en reflectancia o bien utilizar en lugarde substratos láminas delgadas, típicamentede C, sustentadas sobre rejillas metálicas quedejan pasar una fracción alta de la luz inci-dente. Ambas posibilidades tienen inconve-nientes. Por un lado trabajar forzosamente enreflectancia puede causar problemas en el di-seño de algunos dispositivos. Por otro ladolos substratos de lámina delgada de C tienenuna transmitancia muy pequeña.

Un ejemplo de recubrimiento óptico en elUVE que trabaja por reflectancia se puede veren la figura 7, donde se ha representado lareflectancia teórica de un filtro compuestopor varias capas alternas de Al, Yb y SiO.

100 120 140 160 180 200longitud de onda (nm)

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Ref

lect

anci

a no

rmal

MgF2 evaporado, in situMgF2 evaporado, expuestoMgF2 IBS, in situMgF2 IBS, expuesto

Figura 5.- Reflectancia normal de bicapas de Al y MgF2, este último depositado mediante

dos técnicas distintas.


0

0.1

0.2

0.3

Tran

smita

ncia

GOLDFiltro comercial

Figura 6: Transmitancia de un filtro desarrollado en GOLD y de uno comercial.



ConclusiónEn este trabajo hemos mostrado un

resumen de los resultados más recientes delGrupo de investigación en Óptica de LáminasDelgadas, cuyo objetivo principal es desarro-llar recubrimientos ópticos eficientes en elrango espectral EUV - FUV que sean de inte-rés para la comunidad científica.

AgradecimientosAgradecemos a José M. Sánchez Orejuela

su asistencia técnica. Mónica FernándezPerea agradece al Consejo Superior de Inves-tigaciones Científicas la financiación a travésdel programa de becas predoctorales I3P.

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0

0.05

0.1

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Ref

lect

anci

a no

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Figura 7: Reflectancia teórica en incidencia normal de un filtro diseñado en GOLD.

1.- IntroductionSupercontinuum (SC) generation in opti-

cal fibres and waveguides has attracted consi-derable research interest in the last few years[1-6]. Applications of SC generation inoptical fibres can now be found in fields suchas optical frequency metrology, and opticalcoherence tomography [7, 8]. SC is typicallyobtained by pumping highly nonlinear fibreswith high peak-power input pulses withdurations ranging from several nanosecondsto several tens of femtoseconds [1, 2]. Itresults from the combined effects of self- andcross-phase modulation (SPM and XPM),four-wave mixing (FWM), and stimulatedRaman scattering (SRS), that together lead tomultisoliton dynamics and dispersive wavegeneration [9-11].

It is important to realise however thatpulsed laser sources are in principle not

necessary to generate a broadband SC.Actually, SC can also be obtained in the cwregime as has been recently demonstratedexperimentally [3-6]. Here, SRS and FWMare the main causes of spectral broadening,while SPM a priori plays a limited role [2,12]. Even if cw operation typically requireslonger interaction lengths, the high power ofmodern pump lasers makes cw SC sourcespotentially very promising because theirpower density can be as large as 8 dBm/nm,i.e, more than two orders of magnitude largerthan typical pulsed SC sources [5].

Despite this interest, very little effort hasbeen put so far in the understanding of thedetailed spectral broadening mechanisms atplay in the cw regime. Recent experimentalobservations have revealed a signature ofRaman soliton dynamics and it has beenproposed that SC generation occurs in the cw

Tomografía óptica coherente y generación de supercontinuoOptical coherence tomography and supercontinuum generation

Frédérique Vanholsbeeck (1)*, Sonia Martín-López(2), Miguel González-Herráez(2), and Stéphane Coen(1)

(1)Physics Department, The University of Auckland, Private Bag 92019, Auckland, New Zealand (2)Departamento de Metrología, Instituto de Física Aplicada, CSIC,

C/Serrano 144, 28006 Madrid, Spain


Abstract.- Numerical study of continuous-wave (cw) supercontinuum generation using ageneralized nonlinear Schrödinger equation model and an ensemble averaging procedurethat takes into account the partially-coherent nature of the pump laser, we fully explain forthe first time the spectral broadening mechanisms underlying this process. Our simulationsand experiments confirm that cw supercontinuum generation involve Raman solitondynamics and dispersive waves in a way akin to pulsed supercontinua. The Raman solitonsare however generated with a wide distribution of parameters because they originate fromthe random phase and intensity fluctuations associated with the pump incoherence. Thissoliton distribution is averaged out by experimental measurements, which explains theremarkable smoothness of experimental cw supercontinuum spectra. The high incoherence,the remarkable smoothness and the powerfulness of those supercontinuum sources makethem the ideal candidate as a source for an optical coherence tomography setup.


-66-F. Vanholsbeeck

regime in a way akin to the pulsed regimeafter short pulses have been generatedthrough, e.g., modulational instability (MI)-induced break-up of the cw pump beam [6].No satisfying numerical simulations of thisprocess have however been performed. Inthis paper, we address this issue by presentingthe first complete numerical model of cw SCgeneration. Our results are compared withprevious experimental results of Refs.[5,13]where all the experimental parameters we useare presented. Our work reveals the criticalrole played by the partial coherent nature ofthe cw pump wave and paves the way for thedevelopment of these new light sources totheir full potential.

2.- Numerical modelOur numerical simulations are based on

the split-step Fourier integration of a gene-ralized nonlinear Schrödinger equation(GNLSE) similar to the one used in Ref. [14].Particular attention has been paid to the initial

condition, which is supposed to represent thelight emitted by a cw cascaded Raman FibreLaser (RFL). It turns out that modelling thiscw input is significantly more challengingthan a pulsed input [4]. Real cw lasers areindeed only partially coherent and present anon vanishing spectral width, i.e, they exhibitrandom phase and/or intensity fluctuations ona time scale of the order of their coherencetime. In this case, SPM can lead by itself to asignificant spectral broadening, a contribu-tion which must be taken into account [15].To this aim, we adopt a phenomenologicalapproach in which the cw input is representedby its measured spectral density combinedwith an underlying random spectral phase.

This particular approach leads to an initialtemporal intensity profile that is essentiallymade up of a random succession of pulses ofa few ps durations (about the inverse of the150 GHz spectral width of the pump laser), asillustrated in figure 1a for one particularrealisation of the random spectral phase.


-67- F. Vanholsbeeck

Such strong intensity fluctuations could atfirst appear unrealistic for a stable cw RFLexhibiting a RIN<-110 dBc/Hz at 1 GHz. Wehave however confirmed their existencethrough an intensity autocorrelation measure-ment of the RFL output (figure 1b). As can beseen, a peak about twice as strong as the cwbackground is detected, a feature compatiblewith intensity fluctuations of nearly 100%contrast. We note that such behaviour hasbeen observed with two RFLs from differentmanufacturers. Although this descriptionmight not necessarily represent the real natu-re of a partially coherent cw beam [15],strong intensity fluctuations do appear to bepresent in the input beam and we will show inthe following that it leads to a very goodagreement with experimental results.

Performing simulations for one particu-lar realization of the random initial spectral

phase, we obtain a relatively good agreementfor low pump power levels (Figure 2a). Inparticular, the MI sideband growth and theinitial pump broadening are correctlyreproduced. Higher power simulations departhowever significantly from the experiments.The SC smoothness is not reproduced at alland we can clearly see the generation ofsoliton-like features red-shifted from thepump beam. The solitonic nature of thesespectral features can be readily confirmed byobserving the corresponding temporal inten-sity output (figure 2b). In this case, two ultra-short pulses of 220 fs and 250 fs (FWHM)can be clearly seen. Numerical Fourierfiltering of the spectrum enables us toassociate these two pulses with he two broadspectral features observed at 1570 nm and1660 nm, respectively. At 1570 nm,chromatic dispersion amounts -6.7 ps2/km

Figure 1: (a) Temporal intensity profile of the cw input beam used in the simulations for one particular realisation of the random initial spectral phase (shown here with an average power of 1.7 W). (b)

Intensity autocorrelation of the RFL output at 2.1 W


-68-F. Vanholsbeeck

while it reaches -12.6 ps2/km at 1660 nm. Astraightforward calculation then shows thatthese two pulses are close to single funda-mental solitons. While the presence of thesefs solitons might seem surprising whenconsidering that we are in principle dealingwith a cw laser output, these are not merenumerical artifacts as can be shown byobserving the experimental intensity autocor-relation trace of the SC output at 1.7 W pumppower [figure 2c]. This trace exhibits asubpicosecond feature much narrower thanthe autocorrelation trace of the pump laser[figure 1b] and confirms that ultrashortfeatures have developed during propagation.

These features are actually the signatureof Raman solitons whose generation isseeded from the MI-induced break-up of thetemporal fluctuations present in the initialcondition. As these solitons propagate downthe fiber, they undergo Raman self-frequencyshift and shed away some blue-shiftedradiation in the form of dispersive waves,which explains the generation of the blue-side of the continuum [6, 10, 15, 16]. Thiscombined effect of MI and SRS is actuallyone of the key process underlying SCgeneration under pulsed pumping condition[9, 10, 16-18]. Quite interestingly, oursimulations therefore reveal that nonlinearphenomena associated with the propagationof short pulses also play an important role inthe cw regime, confirming earlier experimen-tal observations [6, 13].

3.- Ensemble averagingSo far, we have only discussed the simu-

lation results obtained for one particular real-ization of the random initial spectral phase.Given the discrete nature of our numericalscheme, it means that we have only simulatedthe propagation of one particular temporally-limited snapshot of a partially coherent cw

beam. The randomness of the fluctuationspresent in the cw pump leads however to abroad distribution of Raman-soliton parame-ters. This is illustrated in figure 2b in Ref.[13]where each line corresponds to output spectragenerated from two different realizations ofthe random process but with the same pumppower Pp=1.7 W. It clearly reveals how dif-ferent initial fluctuations evolve into Ramansolitons exhibiting widely different parame-ters. Basically, when fluctuations of higheramplitude are present in the initial condition,MI generates and fissions solitons earlier, andthese solitons can then undergo a larger self-frequency shift while propagating in the re-maining part of the fiber. As can be seen, thiseffect is rather drastic. The wavelengths ofthe solitons at the fiber end differ by morethan 100 nm between different simulations,and even the number of generated solitonscan vary.

As a matter of fact, the randomness of thefluctuations present in the partially coherentcw pump beam leads to such a broaddistribution of Raman solitons that they coverthe entire spectral band of the experimentallyobserved SC. Of course, measuring instru-ments are not able to resolve these fastfluctuations, which occur on a time scale ofthe order of the coherence time. We musttherefore conclude that the observed experi-mental spectra are simply the envelope of theRaman soliton distributions. This explainsthe smoothness of cw SC spectra and whythey exhibit no visible signature of individualsolitons. As regards the decreasing slope ofthe spectrum on the long wavelength side ofthe pump, we can simply interpret it from thelow probability to generate solitons thatundergo a large frequency shift. Theexperimental situation does therefore notcorrespond to one particular simulation.Instead, we need an ensemble average over



many identical simulations performed withdifferent random initial spectral phases. Theresult of such a calculation is plotted inFigure 3 (plain curve) in Ref. [13] for Pp=1.7W. As can be seen, the agreement is excellent.The SC smoothness is now reproduced

correctly, as are some fine spectral featuressuch as the location of the maximum as wellas the shape of the blue shoulder. Note thatwe have not performed any adjustments ofthe simulation parameters to try to fit betterthe experimental and numerical results. Many

Figure 2: (a) Numerical output spectra for various pump power levels and (b) temporal intensity output at Pp=1.7 W for the initial condition shown in figure 1a. (c) Measured intensity autocorrelation

of the SC at Pp=1.7 W


-70-F. Vanholsbeeck

factors can explain the observed discrepancyin the generated bandwidth and we arecurrently improving our simulations to get aneven better agreement.

We must stress that our cw simulationsare made very complex by the long fibrelength and by the associated huge temporalwalk-off between the generated components(~4 ns). In practice, our numerical window isnot wide enough to prevent a cyclic wrappingof the temporal envelope during propagation,which arises due to the periodic boundaryconditions of the integration scheme. Wehave however tested that the calculatedensemble-averaged spectrum is pretty muchinsensitive to the temporal width of thenumerical window in a wide range ofparameters. This indicates that the random-ness of the pump fluctuations, even on alimited duration, is sufficient to account forthe underlying physics.

4.- ConclusionIn this work, we have presented the first

detailed numerical study of the process of SCgeneration in the cw regime. Our work con-firms that cw SC spectra originates from amechanism identical to pulsed SC, namelythe break-up of initial fluctuations into multi-solitons undergoing self-frequency shift anddispersive wave generation. This scenariodoes however not account for the spectralsmoothness of the experimental spectra. Ournumerical simulations have demonstratedthat the partially-coherent character of the cwpump beam is actually the key ingredient tointerpret this important feature. The pump in-coherence manifests itself by random phaseand intensity fluctuations in the pump wave.This leads to the generation of a broad distri-bution of Raman solitons with widely differ-ent parameters. The SC spectral smoothnesssimply results from the fact that this distribu-

tion of solitons covers the entire SC band-width and is naturally averaged by measuringinstruments. Clearly, the pump incoherencealso plays a fundamental role in seeding theMI-induced break-up of the pump beam. Wetherefore expect that low coherence pump la-sers should induce a cw SC more efficientlythan highly coherent cw sources. More de-tails about this work could be found inRef.[19].

Acknowledgments We would like to thank Héctor Fernández

and Javier Solís for helping us with theautocorrelation measurements.

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Fabricación y caracterización de cristales fotónicos bidimensionales para nuevos dispositivos optoelectrónicos

Fabrication and characterization of 2D photonic crystals for new optoelectronic devices

P. A. Postigo*(1), A. R. Alija (1), L. J. Martínez (1) and J. Sánchez-Dehesa(2)

(1)Departamento de Dispositivos, Sensores y Biosensores, Instituto de Microelectrónica de Madrid (IMM-CNM-CSIC), Isaac Newton 8 -PTM-

Tres Cantos 28760 Madrid, Spain(2)Centro de Tecnología Nanofotónica & Dpto. Ingeniería Electrónica,

ETSI Telecomunicación, Universidad Politécnica de Valencia, Camino de Vera s/n E-46022 Valencia, Spain


Resumen.- Los cristales fotónicos fueron planteados a finales de los años ochenta como unaposible solución al control de la emisión espontánea y a la localización de la luz. Sinembargo, sólo en los últimos años, con el advenimiento de las tecnologías denanofabricación, se han conseguido las primeras aplicaciones prácticas de elevado impactotecnológico, como los láseres de cristal fotónico o las guías de onda nano-estructuradas congap fotónico. En la actualidad se están planteando nuevos dispositivos que permitan laemisión eficiente de un solo fotón o la captura de un átomo en el interior de una nanocavidadde cristal fotónico. En este seminario se mostrará la fabricación y caracterización de nuevosdispositivos con gap fotónico, como emisores láser de fase Suzuki o resonadores láser deanillo, y se mostrarán sus propiedades de emisión en el campo lejano y de sintonizaciónmediante el control preciso del proceso de fabricación. Estos nuevos dispositivos pueden serusados como nuevos sensores ópticos y como eficientes nanoemisores de luz láser.

Abstract.- Photonic crystals were discovered in the 80s as a possible solution to the controlof the spontaneous emission an localization of light. Nevertheless only in recent years, withthe spreading of nanotechnologies, the first applications with high technological impacthave been achieved, like planar photonic crystal lasers or the nanostructured photoniccrystal waveguides. Nowadays new types of optoelectronic devices like single photonemitters based on photonic crystal nanocavities are being pursued. In this talk we will showthe fabrication and characterization of new photonic bandgap devices, like Suzuki-phaselaser emitters or ring-like emitters, and we will show their emission properties in the far fieldand their tuning by the fabrication process. These new devices may be used as new opticalsensors and as efficient nanosources of laser light.


-74-P.A. Postigo

1.- IntroducciónLa búsqueda de fuentes compactas con

emisión láser ha sido una parte central en elcampo de investigación de la fotónica y op-toelectrónica. Los cristales fotónicos [1] y loscristales fotónicos planares (o bidimensiona-les -2D-) son candidatos prometedores para larealización de fuentes compactas de luz láseren nanocavidades ópticas y su integracióncon guías de onda, moduladores y detectores.Hasta el momento se han realizado diferentestipos de emisores láser a temperatura ambien-te basados en nano y microcavidades bidi-mensionales y más recientemente, nuevosdiseños basados en modificaciones de redesbidimensionales de cristales fotónicos hansido propuestos [2,3].

2.- ExperimentalLa figura 1 muestra el caso más simple de

un cristal fotónico: el caso unidimensional(1D). Este cristal fotónico está formado por ladisposición secuencial de láminas de dos ma-teriales con dos índices de refracción diferen-tes. El caso más conocido de estas estructuraslo constituyen los reflectores de Bragg. Sinembargo, el análisis de estos dispositivosdesde la perspectiva de sus bandas fotónicasha permitido descubrir nuevas propiedades yaplicaciones. Por ejemplo, hemos fabricadoun cristal fotónico 1D como reflector de altaeficiencia para un fotodetector de ultraalta-velocidad en 1.5 µm basado en GaAs (figura2). El proceso de detección a partir de dosfotones y por tanto poco probable, es incen-tivado en la longitud de onda deseadamediante la introducción del reflector 1D [4].

La figura 2 muestra el caso bidimensional(2D) de un cristal fotónico. En este caso, unared de agujeros circulares perforada en unmaterial proporciona una estructura de ban-das fotónicas. El confinamiento en el planoviene dado por la banda prohibida para

fotones mientras que el confinamiento en ladirección perpendicular se realiza mediantereflexión total interna. Como material hemosusado epitaxias de semiconductores III-V yaque poseen la ventaja de ser materialesactivos, generando fotones a partir de unaexcitación mediante fotones o electrones.Hemos usado principalmente semiconduc-tores basados en InP e InGaAs y susaleaciones (InGaAsP) en los que se cuentaademás con una gran experiencia en susíntesis mediante epitaxia de haces molecu-lares (molecular beam epitaxy, MBE).

Las heteroestructuras consisten típica-mente en 4 pozos cuánticos de la aleaciónternaria InAsP con un espesor de 5nm dise-ñados para obtener emisión en longitudes deonda ~1.5µm. Estos pozos cuánticos estánseparados por barreras de 20nm de espesor.El espesor total de la heterostructura es de237 nm. Esta lámina de material epitaxial espegada a un substrato de vidrio o de Si conuna capa intermedia de adhesión de SiO2.Para el procesado de las epitaxias con el finde fabricar emisores de cristal fotónico, se

K KK K

Figura 1.- Izda: relación de dispersión de la luz para un sistema isótropo. Dcha: cuando el material está compuesto por capas periódicas con diferentes índices de refracción aparece una zona de energías prohibida para fotones en el interior de ese material (gap fotónico).


-75- P.A. Postigo

han depositado primeramente 2700Å de SiOx

mediante el método de plasma-enhancedchemical vapor deposition (PECVD). Estacapa es usada como mascara durante el proce-so de ataque por haces de iones reactivosposterior. Sobre el SiOx se deposita porcentrifugado una capa de resina (PMMA)sensible a la exposición mediante nanolito-grafía por haz de electrones. De esta forma sedibujan los diferentes diseños que estáncomúnmente basados en matrices de círculoscon simetría triangular, ya que maximiza elgap fotónico para el modo TE. Áreas de untamaño de unas 100×100 µm son cubiertascon diferentes diseños.

GaAs n.d. 300nm

15 paresAlAs/GaAs134.6 nm/113.6nm

GaAs n+ 300nm

GaAs n- 300nm

GaAs baja T 500nm

GaAs p+ 330nm

1300 1350 1400 1450 1500 1550 1600 1650 17000

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Wavelength (nm)R

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GaAs n.d. 300nm


GaAs n+ 300nm

GaAs n- 300nm

GaAs baja T 500nm

GaAs p+ 330nm

GaAs n.d. 300nm


GaAs n+ 300nm

GaAs n- 300nm

GaAs baja T 500nm

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Wavelength (nm)R

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ce1300 1350 1400 1450 1500 1550 1600 1650 17000

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Wavelength (nm)R

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ctan

ce

Figura 2.- Sup. izq: Estructura fabricada para un fotodetector de ultra-alta-velocidad sobre GaAs en 1.5 µm. Sup. Dcha: espectro de reflectividad del cristal fotónico 1D. Abajo izda: imagen

del detector fabricado. Abajo dcha: eficiencia cuántica del dispositivo con un máximo en la región incentivada por el cristal fotónico.

Figura 3.- Izda: Red 2D de simetría triangular de cilindros de aire en dieléctrico y zona

de Brilloin. Dcha: diagrama de bandas para fotones

en este material, con un ancho gap para el modo TE.


-76-P.A. Postigo

El parámetro de red a varía entre los 400y los 500 nm y los radios r de los círculosvarían entre los 90 nm y 150 nm con el fin deobtener factores de llenado de alrededor de40% y un factor r/a~ 0.34 que maximicen elgap [5]. Después del revelado la muestra pasaa un ataque anisotrópico mediante haces deiones reactivos para transferir el diseño rea-lizado en el PMMA al material semiconduc-tor. La nanolitografía mediante haz de elec-trones presenta la ventaja de ser un procesoaltamente controlable, permitiendo la fabri-cación, por ejemplo, de defectos intenciona-dos (ausencia de uno o varios nanoagujeros).Estos defectos actúan a semejanza de los

niveles de dopante en las bandas electrónicasde los semiconductores, proporcionando unnivel de energía accesible para los fotones enel interior del gap fotónico. Mediante estosdefectos se pueden fabricar nano y microca-vidades que permiten aislar o localizar laemisión de luz en regiones específicas y paravalores específicos de su frecuencia. Hemosfabricado estas cavidades de cristal fotónico(Figura 4) y hemos estudiado por primera vezla variación de la emisión espontánea en estascavidades en función del espesor de lamembrana de semiconductor en la que hansido fabricadas [6].

Figura 4.- Efecto de la tercera dimensión en cristakles fotónicos 2D. Izda: Espectros de emisión espontánea en una microcavidad fotónica en función del espesor de la membrana en la que está

fabricada. Dcha: Variacón de los modos de emisión en diferentes nano y microcavidades fotónicas con el espesor de la membrana.


-77- P.A. Postigo

El alto nivel de confinamiento propor-ciona excelentes cavidades resonantes quepermiten la fabricación de emisores láser contamaños muy pequeños. Se han realizadodiversos tipos de emisores laser bidimen-sionales: emisores basados en nanocavida-des (figura 5), o microcavidades en redestriangulares con simetría de fase Suzuki(figura 6) y anillos resonadores con nano-cavidades en las esquinas (figura 7). Lasredes de fase Suzuki poseen una estructura debandas fotónicas muy particular [8] quepresenta bandas muy planas en el espaciorecíproco que favorecen la interacción luz-materia debido a la baja velocidad de grupoen diferentes puntos de la red recíproca. Porotro lado, los resonadores en anillo poseen laparticularidad de la emisión estimuladamediante modos de galería. Finalmente, elemisor láser de la figura 5 emite luz en 1.5µm desde una región espacial de tamaño muy

reducido (unos 450 nm de diámetro) formadapor la ausencia de un nanoagujero, formandoasí un auténtico nanoemisor o nanofuenteláser.

La figura 6 muestra una cavidad creadapor la introducción de defectos intencio-nados en la red de fase Suzuki de cilindros deaire en dieléctrico. Esta cavidad presenta unfactor de calidad Qf=3300 para el modo TE,emitiendo luz láser fuertemente monomodal.Como fuente de excitación óptica se hautilizado un diodo láser con emisión en 780nm pulsado a 1 MHz y con ciclos de trabajoentrono al 20%.

La figura 7 muestra dos tipos de anillos,uno con nanocavidades en las esquinas y otrosin ellas. La introducción de nanocavidadesen las esquinas genera una emisión mono-modal con una razón de supresión de modosmayor de 20 dBm.

0.00

0.05

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KM ΓΓ

Cavidad H1

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/2πc

)

Dos estados

1490 1500 1510 1520 1530-0.10.00.10.20.30.40.50.60.7

Lase

r int

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0.30

0.35

0.40

0.45

0.50

KM ΓΓ

Cavidad H1

Freq

uenc

y( ωa

/2πc

)

Dos estados

1490 1500 1510 1520 1530-0.10.00.10.20.30.40.50.60.7

Lase

r int

ensi

ty(n

W)

Wavelength (nm)1490 1500 1510 1520 1530

-0.10.00.10.20.30.40.50.60.7

Lase

r int

ensi

ty(n

W)

Wavelength (nm)

a b

c d

Figura 5.- a) Nanocavidad fotónica formada por la eliminación de un cilindro de aire. b) Diagrama de bandas con el nivel de defecto. c) Imagen SEM de la cavidad fabricada. d) espectro de emisión láser.


-78-P.A. Postigo

0,296 0,300 0,304

-55

-50

-45

-40

-35

-30

Inte

nsity

(dB

m)

a/λ0,296 0,300 0,304

-55

-50

-45

-40

-35

-30

-25

Inte

nsity

(dBm

)

a/λ0,296 0,300 0,304

-55

-50

-45

-40

-35

-30

Inte

nsity

(dB

m)

a/λ0,296 0,300 0,304

-55

-50

-45

-40

-35

-30

-25

Inte

nsity

(dBm

)

a/λ

Figura 7.- Espectros de emisión láser de dos estructuras resonantes con forma de anillo. La introducción de nanocavidades en las esquinas de los seis segmentos que formanla guía hexagonal

proporciona una emisión láser fuertemente monomodal (>20 dBm).

1500 1510 1520 1530 1540

0.0

5.0x10-5

1.0x10-4

1.5x10-4

2.0x10-4

2.5x10-4

λ(nm)

Pote

ncia

(mW

)

1528 1529 1530 1531

0,0

1,0x10-5

2,0x10-5

3,0x10-5

4,0x10-5

5,0x10-5

6,0x10-5

7,0x10-5

λ(nm)

Poten

cia (m

W)

QF=3300

1500 1510 1520 1530 1540

0.0

5.0x10-5

1.0x10-4

1.5x10-4

2.0x10-4

2.5x10-4

λ(nm)

Pote

ncia

(mW

)

1528 1529 1530 1531

0,0

1,0x10-5

2,0x10-5

3,0x10-5

4,0x10-5

5,0x10-5

6,0x10-5

7,0x10-5

λ(nm)

Poten

cia (m

W)

QF=3300

Figura 6.- Emisión láser en una cavidad fotónica en la red con simetría de fase Suzuki. El factor de calidad Qf es de 3300. En la parte superior se muestra la cavidad, el modo de emisión

calculado y una imagen SEM de la cavidad fabricada.


-79- P.A. Postigo

3.- Conclusión Se han diseñado, fabricado y caracte-

rizado nuevos dispositivos optoelectrónicosbasados en cristales fotónicos 1D y 2D, comofotodetectores de alta velocidad y diversostipos de emisores láser en cristales fotónicosbidimensionales. Estos dispositivos puedenser usados como futuras nanofuentes deemisión láser para telecomunicaciones ópti-cas o sensores ópticos.

AgradecimientosA.R. Alija agradece una beca predoctoral

FPU AP2002-0474 del MEC. L.J. Martínezagradece una beca predoctoral I3P-CSIC.P.A. Postigo agradece un contrato “Ramón yCajal” a los proyectos CAM GR\MAT\0729\2004, CICYT TIC2002-04096-C03-03,la red europea de excelencia PHOREMOST ya C. Seassal y P. Viktorovitch (LEOM) elsuministro de parte del material epitaxial.

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Electroluminiscencia y amplificación óptica en nanoestructuras de silicio: hacia la integración de la electrónica y la fotónica

Electroluminiscence and optical amplification in silicon nanostructures: Towards the integration of electronics and photonics

Blas Garrido

EME, Departamento de Electrónica, Universidad de Barcelona

Email: [email protected]

Resumen.- La línea de investigación de mi equipo pretende establecer una plataformatecnológica de silicio en el campo de la fotónica, con objeto de desarrollar un amplioconjunto de aplicaciones. En particular, la fotónica de silicio carece todavía de una fuente deluz eficiente e integrable, como por ejemplo un LED o un láser. Recientemente, la utilizaciónde nanocristales en óxidos de silicio o matrices de nitruros se han demostrado comomateriales competitivos tanto para componentes activos (emisores de luz controladoselectrónicamente y ópticamente), como pasivos (gías de onda y moduladores) El objetivofinal es obtener una integración completa de las funciones electrónicas y ópticas en el mismochip CMOS. La primera parte de este trabajo introducirá las propiedades ópticas yestructurales de LEDs fabricados con nanoestructuras de silicio. La segunda parte tratará lainteracción de estos nanocristales con elementos de tierras raras (Er), que permiten unsistema híbrido eficiente de emisión en la tercera ventana de las fibras ópticas. Presentaré lafabricación de amplificadores para guías de onda ópticas en 1,54 µm, para los cuales hemosdemostrado recientemente una ganancia óptica en guías ópticas hechas con materialessubóxidos de silicio.

Abstract.- This line of research of my group intends to establish a Silicon technologicalplatform in the field of photonics allowing the development of a wide set of applications.Particularly, what is still lacking in Silicon Photonics is an efficient and integrable lightsource such an LED or laser. Nanocrystals in silicon oxide or nitride matrices have beenrecently demonstrated as competitive materials for both active components (electrically andoptically driven light emitters and optical amplifiers) and passive ones (waveguides andmodulators). The final goal is the achievement of a complete integration of electronic andoptical functions in the same CMOS chip. The first part of this paper will introduce thestructural and optical properties of LEDs fabricated from silicon nanostructures. The secondwill treat the interaction of such nanocrystals with rare-earth elements (Er), which lead toan efficient hybrid system emitting in the third window of optical fibers. I will present thefabrication and assessment of optical waveguide amplifiers at 1.54 µm for which we havebeen able to demonstrate recently optical gain in waveguides made from sputtered siliconsuboxide materials.


-82-Blas Garrido

1.- Electroluminescence from Si-based LEDsSi nanocrystals (Si-nc) in transparent

dielectric matrices, such as SiO2 and SiNx,have been revealed as efficient and robustlight emitters and represent the mostpromising active materials for optoelectronicdevices in Si technology [1-5]. Among thedifferent approaches to synthesize the Si-nc[1-7], ion implantation is the most widelyused but PECVD has been demonstrated asan interesting alternative as thick layers ofsilicon rich silicon oxide (SRSO) withuniform Si-excess can be grown routinely[3]. Figure 1 shows TEM micrographs of Si-nc obtained by us by using ion implantationof Si in SiO2.

Figure 1.- Si nanocrystals formed by ion implantation

Several authors have reported electrolu-minescence (EL) from MOS light emittingdiodes (LEDs) based on Si-nc/SiO2 materials[7-10], most of them working under direct

current (DC) polarization. The carrier injec-tion in devices with thick SRSO layersproceeds through Fowler-Nordheim (F-N)tunneling and requires the application of highvoltages. Under this regime, the chargetransport in the oxide takes place via hot-electrons and the electron-hole pairs aregenerated by impact ionization of the Si-nc[9]. Hot electron transport leads to a fastdegradation of the oxide matrix and a lowdevice endurance. In our previous studies [8],we observed that a reduction of the oxidethickness avoids the impact ionization andfavours the creation of excitons by simul-taneous injection of electrons and holes fromopposite contacts. Nevertheless those devices(with SRSO of ~12 nm) showed very lowexternal quantum efficiencies as most of thecurrent was tunnelling assisted by the Si-ncand failed to create excitons. Figure 2 showssome facts of these first devices.

R.J. Walters et al. [11] reported a verypromising innovation introducing the conceptof alternate injection in which electron andholes were sequentially injected into the Si-nc from the substrate by alternatepolarization. Those field emission (FE-LED)devices were obtained by implantation of Siions into thermally grown SiO2. However, itis desirable to move to continuous layers,such as PECVD ones, which provide a flatprofile of Si excess and a lower amount ofdefects specially at the interface (tails of theimplantation profile).

We have recently obtained FLEDs withhigh emission efficiency. The device struc-ture is a MOS capacitor with Si-nc embeddedin the SiO2. The SRSO layers were depositedon a p-type Si-substrate by a PECVD reactorusing pure silane and nitrous oxide asreaction precursors. The phase separationwas achieved by submitting the SRSO layers


-83- Blas Garrido

to high temperature (1250ºC) annealing in N2

atmosphere during 1 h. Detailed studiesshowed that photoluminescence (PL) wasmaximized for a 17% Si atomic excess. Wefound that this gives rise to very uniform Si-nc distribution with a mean nc-size of about3.6 nm and an estimated density of ~5·10^17Si-nc/cm3. N-doped semitransparent poly-crystalline silicon (poly-Si) 250 nm thick wasdeposited as a contact layer. Transmittancespectra show that the poly-Si contacts have atransmission of ~48% in the region of interest(1.4 eV - 1.8 eV). At the onset of the negativevoltage pulse (figure 3) an accumulationlayer of holes is created at the interfacebetween the SRSO and the substrate. If thedriving voltage is large enough, then part ofthese holes are injected into the Si-nc. At thefall edge of the polarisation pulse (voltagedrops back to zero, figure 3), two contri-butions to the current transient are observedwith different fall-times. The faster one canbe assigned to the depletion of holes from theaccumulation layer (discharge of the capa-citor). The slow contribution has a character-istic time of several µs (figure 3b) and is theone correlated with the EL emission; so, weassign this current to the creation of aninversion layer of electrons at the interfacebetween the SRSO and the substrate.Consequently, the Coulomb field created bythe positively-charged Si-nc stimulates theinjection of electrons from the substrate to theSi-nc, creating excitons inside. It is worthnoting that the alternate injection mechanismonly involves the Si-nc located relativelyclose to substrate so hot electron transportand impact ionization are avoided. Therefore,under these operation conditions thereliability of the device is considerablyimproved. Figure 3 shows the time-resolvedmeasurements of the excitation pulse (a), thecurrent transient at the load resistor (b) and,

finally, the EL (c). The curves are representedat the excitation pulse fall-edge, i.e. when thesecond carrier injection takes place. Com-paring the EL emission and the currenttransient it becomes clear that the ELemission starts once the depletion of holeshas been produced (after the fast current com-ponent, ~80 ns) and is triggered by theformation of the electron inversion layercaused by the slow component of the current.The calculated fall-time is ~5µs, with adispersion parameter ß of about ~0.6. Wehave also estimated the external (plug-in)efficiency of our LEDs by carefully calibra-ting our set-up and the photomulti-plier witha commercial LED. We obtain typical valuesof 0.03 %. Measurements in reference

Figure 2-. Spectral emission and I-V of the first continuous LEDs


-84-Blas Garrido

capacitors of the same batch without Si-ncshow that using a suitable control oxide theleakage current can be reduced in such a waythat the external efficiency would increase bya factor of more than 300, i.e., up to 9%.Furthermore, this is not an intrinsic limi-tation, as reducing the series resistance(geometrical plus contact) which is of about80 Ω, will reduce power losses and furtherincrease emission efficiency.

2. Optical amplification in waveguides with Si-nc plus ErThere is a great potential of the material

Er-doped SiOx as a material well adapted foroptical amplification, due to the fact that theeffective cross-section for absorption increa-ses more than 3 orders of magnitude and thespectra is broad so that cheap LEDs can beused to pump the waveguides instead of ex-pensive lasers as is done in the EDFAs. Thematerial in itself has been the subject of manystudies, so far only a few groups have actuallyfabricated optical waveguides with Er-dopedSiOx as the active layer and studied its am-plification properties, in fact Shin and co-workers and us. Shin and co-workers claimedto have observed high optical gain in severalSiOx:Er waveguides [1-3] even, in one case,while optically pumping with a LED. Theyreported a Signal Enhancement (IpumpON/IpumpOFF) between 1.9 dB/cm and 3.5 dB/cmwas reported in the range comprised between1.51 and 1.56 microns, for a pump flux of 1.5W/cm2, when pumping from the top with the477 nm line of an Argon laser.

Regarding our own investigations, in theframework of the European Project Sinergiadifferent waveguides containing Er-dopedSiOx were fabricated and characterized, bothby PECVD and Sputtering, with different Siexcess and Er content. All samples were stu-died for optical losses, and it was found that

the losses increased with the refractive index,due to the stronger scattering effects inducedby a greater index contrast with the SiO2. The

Figure 3.- Schematic representation of injection and EL intensity versus voltage of the

FLEDs.


-85- Blas Garrido

Si content was thus reduced and the depo-sition parameters and annealing processeswere finely tuned in order to improve thewaveguide losses, which in the end attainedvalues as low as 0.7 dB/cm. Only the samplesshowing relatively low losses were finallysubjected to pump & probe experiments todetermine their potential as optical amplifi-ers. This section reports some of the most in-teresting results obtained in these studies. Thesamples from which we have waveguides are:

A series of strip-loaded waveguides werefabricated with those materials. Opticallithography and reactive ion etching wereused to define the ribs on a SiO2 cladding

deposited on top of the active layers. Twophotolithography masks were used forwaveguide definition. Next table with thedata for the best waveguides. Figure 4 showssome micrographs and 5 the guided modes.

S a m p le C o r e la y e r ( n m )

S iO 2 t o p c la d d in g

( n m )

E t c h in g d e p t h ( n m )

R e f r a c t iv e in d e x Γ

L e n g t h ( c m )

A 1 0 8 ( A 1 0 9 )

7 5 0 1 8 0 0 1 6 0 0 1 .5 3 1 0 .5 5 3

A 1 2 7 8 4 0 1 0 0 0 3 4 0 1 .5 0 1 0 .4 8 2

A 1 2 9 ( A 1 6 5 )

8 5 5 1 0 0 0 3 1 0 1 .4 8 2 0 .3 0 1 .8

S a m p le la be l A n n ea ling tim e th ick ness R efra ctiv e in dex

A 1 0 9 6 0 ’ 7 5 0 n m 1 .5 3 1

A 1 2 7 3 0 ’ 8 4 0 n m 1 .5 0 1

A 1 6 5 1 0 ’ 8 5 5 n m 1 .4 8 2

A 1 6 6 5 ’ 8 9 0 n m 1 .4 6 8

A 1 6 7 1 ’ 8 8 0 n m 1 .4 6 3

Table I.- Thickness and refractive index of the samples studied .

Table II. Physical parameters of the waveguides grown on the different samples.


-86-Blas Garrido

Figure 4.- SEM and AFM profile of a rib-loaded waveguide.

Figure 5.- Simulated fundamental modes in the fabricated 6 μ-wide waveguides in sample A108 and 10 μ-wide waveguides in samples A127 and A129.


-87- Blas Garrido

For measuring losses we used as signalsource the telecomm laser, which emitted upto 6 mW in the range 1500 nm-1600 nm.Light was coupled into the waveguidesthrough a tapered fibre. We could apply thecut back method as we lack of samples forthem. We therefore resorted to measuringtotal losses. The result of the measurement atdifferent wavelengths in a typical 6 µm widewaveguide is reported in figure 6. Bysubtracting the baseline to the data, amaximum Er-related absorption of 15 dB canbe determined, at a wavelength of 1.533 µm.Dividing by the length of the waveguide (3cm), the Er-related absorption coefficient canbe estimated for all wavelengths.

This value, which is also that of thestimulated emission cross-section, corre-sponds to that of Er in SiO2, and contradictsprevious reports by Polman et al. and Shin etal., which stated that these cross-sections in

SiOx were increased by one order ofmagnitude with respect to their value in SiO2.The maximum gain, being equal to the Er-related absorption, is of 5 dB/cm. The factthat losses of only 2dB/cm must be overcomemeans that, in the event that total inversioncould be attained, these waveguides couldstill supply a net optical gain of 3 dB/cm, ahigher value than in most available EDWAs[12-17].

So, we determined the dependence ofoptical amplification with the signalwavelength. The pump was set at high power(8x1021 phot/cm2·s), while the probe wave-length was varied between 1.525 μm and1.550 μm, at a fixed pump power of 0.2 mWat laser exit. The corresponding SE values areplotted in figure 4 together with thenormalized emission spectrum for the Er-bium. Amplification takes place exclusivelyfor wavelengths that fall within the peak ofemission of the Erbium, between 1.53 μmand 1.54 μm, where the stimulated emissionis strong enough to overcome the carrier ab-sorption. The fact that no signal enhancementis observed outside this range confirms thevalidity of our results, completely excludingthe possibility that the increase in signalcould be due to anything other than stim-ulated emission by Erbium ions.

( )221105

34.4

34.4

cmLN

LNdB

Er

Er

−×=×Γ××

=

→××Γ××=ασ

σα

Figure 6.- Losses related to Erbium absorption (dotted line), plotted alongside the PL emission

of the sample (continuous line).

Figure 7.- Schematic representation of a pump & probe experiment with pumping

from the top.


-88-Blas Garrido

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1.52 1.53 1.54 1.55 1.560.96

0.98

1.00

1.02

1.04

1.06

1.08

1.10

I p&p/I pr

obe

Wavelength (μm)

2

4

6

8

10

12

14

PL

inte

nsity

(a.u

.)Figure 8.- Dependence of the Signal

Enhancement with the wavelength of the probe signal, superimposed to a Photoluminescence spectra of the sample. Clearly, the signal is

enhanced exclusively for wavelengths that lay within the peak of emission.


-89- Blas Garrido

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1.- IntroductionThe active control of the speed of a light

signal in an optical fibre is attracting muchattention for the development of fast-accessmemories and optically controlled delay linescompatible with optical computing and fibre-optic communication systems. Recently alarge effort has been carried out for realizingsuch an optically-controlled delay line inoptical fibres, since they are believed neces-sary for the development of the future all-optical packet routers. Successful experi-ments to widely control the light group velo-city have been reported these past few year[1], showing the possibility to slow the speedof light up to nearly stopping it or to achievegroup velocity exceeding the vacuum lightvelocity c [2 and 3]. Strong negative group

velocities have also been demonstrated [4].But all these experiments use special medialike cold atomic gases [5, 6 and 7] orelectronic transitions in crystalline solids [8]working at well defined wavelengths. Previ-ous works have demonstrated the possibilityof achieving superluminal group velocities inoptical fibres [9], but with no optical control.Here we summarize our work this past yeardemonstrating for the first time a wide opticalcontrol of the signal velocity in an optical fi-bre, realized with the recently suggestedapproach of using the narrow band gain orloss generated by a nonlinear optical interac-tion, the stimulated Brillouin scattering [10].The high flexibility of this interaction makesthis active control possible in any type offibre and at any wavelength, in particular inthe low loss window of optical fibres.

Luz lenta y luz rápida en fibras ópticasSlow and fast light in optical fibres

Luc Thévenaz*, Kwang-Yong Song, Miguel González-Herraez

Laboratoire de Nanophotonique et Metrologie, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), Station 11, 1015 Lausanne (Suiza).

Email*: [email protected]

Resumen.- Demostramos un método para obtener un control extremadamente amplio yflexible de la velocidad de grupo en señales que se propagan en una fibra óptica. Este controlse obtiene mediante mecanismos de ganancia y pérdida por scattering Brillouin estimuladaen la propia fibra. Nuestros experimentos demuestran por un lado valores de la velocidad degrupo por debajo de 71.000 km/s y, por otro lado, valores superiores a la velocidad de la luzen el vacío. Demostramos incluso valores negativos de la velocidad de grupo, empleando undispositivo experimental simple. Los resultados experimentales muestran una capacidad desintonización del retraso óptico de hasta 152 ns sobre un pulso de 40 ns.

Abstract.- We demonstrate a method to achieve an extremely wide and flexible externalcontrol of the group velocity of signals as they propagate along an optical fibre. This controlis achieved by means of the gain and loss mechanisms of stimulated Brillouin scattering inthe fibre itself. Our experiments show that group velocities below 71,000 km/s on one hand,well exceeding the speed of light in vacuum on the other hand and even negative groupvelocities can readily be obtained with a simple benchtop experimental setup. Theexperimental result shows tuneable optical delay as much as 152 ns with a 40 ns pulse.


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2.- Theoretical backgroundStimulated Brillouin Scattering (SBS) is

usually described as the interaction of twocounter propagating waves, a strong pumpwave and a weak probe wave [11]. If par-ticular phase matching conditions are met(namely fPump=fprobe+νB, νB being theBrillouin shift), an acoustic wave is gen-erated. This acoustic wave scatters photonsfrom the pump to the probe wave, stimulatingthe process. From a practical point of view,the process of SBS can be viewed as anarrowband amplification process, in which acontinuous-wave pump produces a narrow-band (30-50 MHz) gain in a spectral regionaround fPump-νB.

Assuming fPump=fprobe+νB and no pumpdepletion, the spatial evolution of the electricfield amplitudes of pump (Ap) and probe(As) waves under SBS is described by thefollowing coupled equations:

where gB is the Brillouin gain coefficient, Aeff

the mode effective area, Δν the frequencydeviation from νB, ΔνB the gain bandwidthand á the linear attenuation coefficient. Theusual treatment of these equations in theliterature has basically concentrated on theintensity increase of the probe wavelength,which can be described with the exponentiallaw Is(L)=Is(0)exp(gBIPL). However, whilethe real parts of the equations are related withgain in the probe wave or loss in the pumpwave, the imaginary parts are responsible foradditional phase shifts undergone by the two

waves [11]. More specifically, thro ugh theSBS process the pump wave induces a propa-gation constant change in the probe wavegiven by:

where IP is the pump power intensity in thefibre. This change in the propagation constanthas strong frequency dependence, as shownin figure 1. If we consider a pulse propagatingat the probe wavelength its velocity will berelated to the group velocity vg=(dβ/dϖ)-1.Thus, a sudden change in the propagationconstant with frequency produces a strongchange in the group velocity, which in turnintroduces an additional delay of the pulse atthe fibre output, Δt=L/vg. If the frequencydifference between pump and probe exactlymatches the Brillouin shift (Δν=0), the resul-tant optical time delay is given by Δt=gBIPL/(2πΔνB). We can thus say that the delay varieslogarithmically with the net gain (loss)experienced by the probe. A fast evaluationof these quantities in conventional singlemo-de fibres leads to a surpri-singly simple rule-of-thumb: 1ns delay is in-troduced per dB gain introduced in the probe.

ΔνB 35MHz≈( )

Figure 1.- Principle of signal delaying and advancement using stimulated Brillouin

scattering


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So far we have treated the case of gain inthe probe, this is fPump=fprobe+νB. In this case,an extra delay is introduced in the probesignal with respect to the normal propagationtime along the fibre. By tuning the probewavelength so that fPump=fprobe-νB we observeloss at the probe wavelength. The treatmentof the loss case is exactly the same to the gaincase but changing the roles of pump andprobe in the coupled equations, so the delayin this case is not positive but negative. Thisis viewed as an advancement of the pulsewith respect to the conventional propagationalong the fibre.

3.- Experiments and resultsFigure 2 shows the experimental setup, in

which the pump and probe signals aregenerated through the modulation of the lightfrom one laser [12]. This result in an idealstability as far as the frequency differencebetween pump and signal is concerned, that isessential regarding the narrow spectral widthof the Brillouin gain. To properly observe thedelay, a pulse probe signal is generated whilethe pump is a continuous wave (CW). A DFBlaser diode operating at 1552 nm was used asa light source and its output was launchedinto an electro-optic modulator (EOM) tocreate two first-order sidebands. The carrier

wave was suppressed by controlling the DCbias voltage delivered into the EOM and thefrequency difference between the twosidebands was set exactly to the Brillouinfrequency νB of the test fibre, that is around10,8 GHz at this wavelength for standardfibres.

In order to measure the effect of Brillouingain, the lower-frequency sideband wasreflected by a narrow band fibre Bragggrating and optically gated to be used as aprobe pulse. For this purpose another EOMwas used as a fast optical gate, resulting inclean pulses with sharp rising and trailingedges. The higher-frequency sideband wasused as the CW Brillouin pump after beingamplitude-controlled by a broadband erbium-doped fibre amplifier and a variableattenuator. The time delay of the probe pulsewas measured for different Brillouin gains byvarying the pump amplitude from zero toseveral tens of mW. In the case of theBrillouin loss experiment, we swapped theroles of the two sidebands, so that the higher-frequency sideband was used to build theprobe pulse and the lower frequency sidebandwas used to build the CW pump wave. Then,the measurement was performed in the sameway by varying the power of the CW pump

Figure 2.- Experimental configuration.


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wave and monitoring the amplitude and thetime delay of the probe pulse.

We first observed the delaying effectalong a 11.8 km standard single mode fibrewith the gain swept continuously from 0 dBto 30 dB. The probe pulse width (FWHM)was 100 ns and the maximum pump powerwas about 40 mW, limited basically by thethreshold for amplified spontaneous Brillouinemission. We could see clear retardation ofthe pulse as the Brillouin gain increased andthe maximum delay time was close to 30 nswhen the gain was 30 dB. This corresponds toa 7,6 x 10-4 group index change and the delayvaries logarithmically with the net gain witha slope of 1,07 ns/dB, in good agreement withthe theoretical prediction. Pulse advancementwas also clearly observed in the losscon-figuration with a maximum value of -8.4 nsfor acorresponding loss of 12 dB. A largerloss was practically difficult to obtain, non-attenuated residual signals at differentwavelengths superposing with the probepulse with comparable amplitudes. The timewaveforms and the optical delay as a functionof dB-gain are shown in figure 3. Thedistortion of the pulse shape came from thefiltering effect due to the narrow bandwidth.

Since the delay (advancement) onlydepends on the overall gain (loss) expe-rienced along the full fibre length for a giventype of fibre, the group index change can bedrastically increased by realizing the samegain (loss) over a shorter fibre using a higherpump power. In other words, the indexchange will scale in the inverse proportion ofthe fibre length for a fixed gain (loss) tomaintain the same delay. Actually the groupindex change will vary from the 10-3 range forkilometre-long fibres to the unity range formeter-long fibres. In this latter case it is thuspossible to conceive a system with a group

index smaller than 1, hence faster than thevacuum light velocity, or even negative, withthe pulse maximum emerging out of the fibrebefore it actually enters the fibre.

We could experimentally verify that thisextreme situation can be actually realized[13]. The same experiment was carried out ina sample of 2 m of standard single modefibre. The main issue was to raise the pumppower to 10 Watt range to obtain a 30 dB gainusing stimulated Brillouin scattering over theshort fibre. This could be achieved by for-ming a pulse train with the pump wave, sothat the full gain is available in the erbium-doped fibre amplifier while the averageoutput power is kept below the saturationpower. Thus an additional electro-opticmodulator was used to gate the pump pulse.This gating was synchronized with the probepulse and the pump pulse was made longerthan twice the propagation time in the fibresample, so that the signal pulse sees a cons-tant pump power while propagating through-out the entire fibre sample.

Figure 4-(a) shows time waveforms ofpulses experiencing different gains and losses

Figure 3.- Pulse waveforms and delay according to Brillouin gain and loss in 11,8 km

Standard fibre using 100 ns pulse.


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through stimulated Brillouin scattering in theshort fibre. The observed delays in this 2 msample are fully comparable to those ob-tained along several kilometres of fibre. fi-gure 4-(b) shows the pulse peak position as afunction of the gain (loss) experienced by thesignal and the equivalent group index change.As it can be seen, the group index could beincreased continuously from 1,46 in normalconditions to 4,26 under high Brillouin gain,and lowered to -0,7 under high Brillouin loss,a negative group index mean-ing that thepulse peak exits the fibre before it enters. Inother words, the group velocity could bechanged continuously from 70.500 km/s toinfinite and then to -428.000 km/s (~205.000km/s in normal conditions), lead-ing toimpressive delays from -14,4 ns to +18,6 nsin only 2 meter of fibre. In terms of length,this means that the fibre effective length canbe continuously changed from -3 m to 3,8 m.

It must be pointed out that a groupvelocity faster than the vacuum light velocityc or even negative does not break the famousprinciples resulting from causality and relati-vity. The fact that the spectral transition is

narrowband prevents all frequency compo-nents from experiencing the same group velo-city and amplitude response, so that the infor-mation cannot finally propagate at a speedfaster than c [5]. This leads to a severedistortion of the pulse in the case of fast light(starting and ending points at normal lightvelocity in the medium and non-attenuated,peak point at modified group velocity andattenuated), resulting in a steeper leadingedge and a longer trailing edge. This can beclearly observed in figure 4-(a) in the case ofstrong pulse advancement. In the case ofpulse delaying, the peak of the pulse issubstantially amplified with respect to theleading and trailing edges, and the symmetryof the pulse appears better preserved

In order to extend the time delay, weintroduced a new configuration composed ofcascaded fibre segments including unidirec-tional optical attenuators in the fibre junc-tions as shown in figure 5 [14]. Four uniformfibre spools with the same Brillouin frequen-cy and length of 1.1 km were used as gainmedia, and they were cascaded usingunidirectional variable attenuators as shownin the inset.

Figure 4.- (a) Pulse waveform at the fibre output; (b) Pulse delay and group index modification achieved using 2-m standard fibre with 40 ns pulse. The absolute group index is shown for extreme

velocities (slowest, superluminal & negative)


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In this configuration, the amplification ofthe probe pulse was periodically compen-sated by the variable optical attenuator(VOA), while the counter-propagating pumpwave did not experience the attenuation. Thisfeature helped avoiding the gain saturationcoming from large amplification of the pulse,maintaining the induced optical delay. Inaddition, the depletion of the strong pumpwave due to ASBE was also avoided by theperiodic step absorption of the CW back-scattered wave.

The time waveforms of the probe pulsesare shown in figura 6 according to the gainswept from 0 dB to 120 dB. A Gaussian-shaped pulse was used as the probe with aninitial pulse width (FWHM) of 42 ns. Cleartime delay was observed as the gain increasedand the maximum delay of 152 ns wasachieved when the gain was 120 dB, which

Figure 5.- Experimental setup using cascaded fibre stricture and unidirectional attenuators.

Figure 6.- Time waveforms of the probe pulses for different Brillouin gains, showing a time delay much exceeding the inicial pulse width

(42 ns).


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corresponds to 3,6 times the initial pulsewidth. In the mean time, a considerablebroadening of the pulse from 42 ns to 102 nswas also observed which is attributed to thenarrow gain. To summarize, we havedemonstrated a wide control of the groupvelocity of light signals in optical fibres usingstimulated Brillouin scattering. With thiseffect we have achieved nearly all resultsobtained using atomic transitions, fromdelays widely exceeding the optical pulseduration to superluminal propagation andeven negative group velocity. Thisexperiment can be realized on a tabletop innormal environmental conditions, so that itcould be the platform for the development ofa wide range of applications.

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Propiedades ópticas no lineales de nanocompuestos metal dieléctricoOptical properties of metal dielectric nanocomposites

Javier Solís

Instituto de Óptica. Consejo Superior de Investigaciones Científicas,Serrano 121, 28006-Madrid (Spain).


Resumen.- Los nanocompuestos formados por nanocristales metálicos embebidos enmatrices aislantes son materiales artificiales cuyas propiedades difieren notablemente de lasque caracterizan a los correspondientes materiales masivos. Dependiendo de sus carac-terísticas morfológicas, estos materiales pueden presentar elevadísimas susceptibilidadesópticas no lineales de tercer orden, lo que los hace muy atractivos para el desarrollo, entreotras, de aplicaciones en conmutación óptica. Durante el seminario se revisarán brevementelos mecanismos físicos responsables de la respuesta no-lineal de estos materiales así comoalgunas de las técnicas experimentales que permiten determinar la susceptibilidad óptica no-lineal de tercer orden. En la segunda parte del seminario se presentarán diferentes ejemplosilustrativos de la dependencia de este parámetro respecto a las condiciones de preparacióndel material en un sistema real, nanocompuestos de Cu:Al2O3 en lámina delgada producidospor depósito con láser pulsado. Como conclusión general, se mostrará que en sistemas realesla comprensión de la relación entre la morfología nano- y mesoscópica del material y sususceptibilidad no lineal efectiva es una necesidad esencial para el diseño de materiales nolineales de altas prestaciones.

Abstract.- Metal-dielectric nanocomposites are a artificial materials formed by metalnanoclusters embedded in a dielectric matrix which show effective optical propertiesradically different from those of their bulk constituents. Particularly, depending on theirmorphological characteristics, they can show third-order susceptibilities with extremelylarge values which makes them very attractive for optical switching, among otherapplications. During the talk we will briefly review the fundamental mechanisms responsiblefor the third order non-linear response of these artificially structured materials as well asthe experimental techniques allowing to measure their third order susceptibility. In thesecond part of the talk we will provide illustrative examples of the dependence of the non-linear susceptibility and its temporal and spectral evolution as a function of differentparameters that can be controlled during the synthesis process. The results will be takenfrom a real system: Cu:Al2O3 thin film nanocomposites synthesized by pulsed laserdeposition. As a general conclusion it will be shown that in real systems, the comprehensionof the relation between the meso- and nano-scopic morphology of the composites and theireffective non-linear susceptibility is a key issue for the design of high performance materials.


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1.- IntroducciónLos compuestos formados por nano-

cristales metálicos en matrices aislantes hansido objeto de especial interés en los últimosaños debido a sus especiales propiedadesópticas no-lineales de tercer orden. Estas últi-mas se han considerado especialmente pro-metedoras para el desarrollo de diferentesaplicaciones o dispositivos en el ámbito de latecnología de las comunicaciones, entre losque se incluyen sistemas de conmutaciónóptica, de regeneración de señal y de multi-plexado de alta velocidad [1]. En particular,se han publicado valores extremadamenteelevados de la susceptibilidad óptica no-lineal de tercer orden y un tiempo de respues-ta ultrarrápido en el caso de los nano-compuestos de Cu [2]. Estudios teóricos re-cientes apuntan además a la posibilidad demejorar notablemente la respuesta no-linealde los nanocompuestos metal-dieléctrico através de efectos de interacción múltiple entrepartículas y de resonancias locales gigantesen campo cercano. A pesar de ello no existen,en general, estudios relativos a la evoluciónde la respuesta no lineal de nano-compuestosmetal-dieléctrico en un intervalo amplio deconcentraciones y tamaños de los nanocris-tales metálicos en el seno de la matrizdieléctrica.

En este contexto la presentación sedesglosa en tres bloques dedicados a lossiguientes puntos:

• Un breve resumen sobre las propiedadesópticas no-lineales de los medios mate-riales, así como de las magnitudes físicasasociadas, tales como la susceptibilidadno lineal (χ(3)) y el índice de refracciónno-lineas (n2). En este bloque se descri-ben también distintas aplicaciones deaquellos materiales que presentan valo-res elevados de χ(3) o n2, tales como el

desarrollo de sistemas para conmutaciónde señales totalmente ópticos, y se anali-zan los valores típicos deseables para losparámetros del material en estas aplica-ciones. El bloque concluye con una breverevisión de las técnicas experimentalescomúnmente empleadas para la determi-nación de la susceptibilidad de tercerorden, tales como la técnica de barrido enZ (z-scan) y el mezclado de cuatro ondas.

• Una descripción del origen microscópicode las no-linealidades de tercer órden ennanocompuestos formados por nanocris-tales metálicos embebidos en matricesaislantes. En el bloque se introducen con-ceptos importantes para comprender elefecto de mejora asociado a insertar losnanocristales en un medio dieléctrico,como los efectos de aumento de campolocal, la aparición de la resonancia delplasmon de superficie, o la descripción dela respuesta lineal y no-lineal del materialen el marco de teorías de medio efectivo(lineales y no-lineales). Junto a ello sedescriben los mecanismos intrínsecosresponsables de la respuesta no-lineal delos nanocristales en términos de lasdiferentes contribuciones asociadas atransiciones intra- e inter-banda banda ytransiciones asociadas a "electrones ca-lientes" a la susceptibilidad no-lineal detercer orden.

• En el tercer bloque, que se describe actoseguido con algo más de detalle, se com-paran las predicciones de las teorías al usorespecto al comportamiento experimentalde un sistema formado por nano-cristalesde Cu en el seno de una matriz de Al2O3

para contenidos de metal que corres-ponden a una familia de muestras en lasque la morfología varía entre la asociadaa un conjunto de esferas metálicas


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aisladas no-interactuantes, hasta un siste-ma casi percolado. En otras palabras, eneste último bloque de la presentación seinvestiga el papel de los efectos de inter-acción múltiple entre partículas en larespuesta no-lineal de nano-compuestosde Cu.

2.- Detalles experimentalesLas muestras, láminas delgadas formadas

por nano-cristales de Cu en una matriz deAl2O3, han sido sintetizadas mediante latécnica de depósito alternado por láserpulsado [3]. En las mismas, los nanocristaleshan sido distribuidos en capas separadas porun espesor de 6 nm de Al2O3 en una estructuraalternada con un total de diez capas denanocristales y un espesor total de 110 nm,que incluye una capa extra de 6 nm de Al2O3

en la intercara con el sustrato y otra sobre laúltima capa de nanocrsitales de Cu. Lacaracterización estructural de las muestras serealizó mediante microscopía electrónica dealta resolución [4]. La modificación de losparámetros de depósito permite generarmulticapas en las que el tamaño y distribu-ción de los nanocristales varía en el espectrocomprendido entre una distribución de agre-gados metálicos esféricos con un diámetro entorno a 2 nm y una distribución cuasi-continua de metal en el límite de percolación.Estos límites corresponden a fraccionesvolúmicas de Cu en el intervalo del 10 % al50 %.

Las propiedades ópticas no-lineales de lasmuestras han sido analizadas mediante dostécnicas experimentales. Por un lado, la técni-ca de Z-scan [5] que permite determinar laparte real e imaginaria de χ(3) mediante lamedición de la lente efectiva que crea un hazen un medio no-lineal Kerr (n=n0+n2I). Elmezclado de cuatro ondas degenerado(FWM) se ha utilizado para estudiar las

diferentes componentes tensoriales de χ(3) yacceder de forma directa a la dinámica de lano-linealidad. Se han utilizado pulsos láseren un intervalo de longitudes de onda com-prendido entre aproximadamente 450 y 750nm y con duraciones de pulso que se hanvariado en el intervalo de 100 fs a 20 ps.

3.- Resumen de los resultados experimentales más relevantesLa figura 1 muestra la evolución del mó-

dulo de la susceptibilidad de tercer orden delos nanocompuestos en función de la fracciónvolúmica de metal presente en las muestras.

En el caso de muestras con nano-cristalescuasi-esféricos de tamaño inferior a 4 nm yfracciones volúmicas menores al 20%, larespuesta no lineal del medio puededescribirse adecuadamente en el marco de laaproximación de medio efectivo de Maxwell-Garnett. Para fracciones volúmicas mayores,la susceptibilidad de tercer orden efectiva delos nanocompuestos aumenta de formaabrupta con la fracción volúmica de Cualcanzando valores hasta de 2x10-7 esu en elentorno de la resonancia del plasmón delnano-compuesto. Este valor es aproxima-damente un orden de magnitud superior alpredicho en la aproximación de Maxwell-Garnett lo que indica que la interacciónelectromagnética entre partículas juega unpapel dominante en la respuesta de material.La importancia de los efectos de "scatttering"múltiple y de resonancias locales gigantesaumenta a medida que los nanocristales sonmayores y están más próximos entre sí.

Los tiempos de respuesta de la no-linealidad observados en muestras con frac-ciones volúmicas en torno al 30% soninferiores a 450 fs. Junto a estos parámetrosse ha analizado también la dependenciaespectral de la respuesta no-lineal en lasmuestras.


-102-Javier Solis

4.- ConclusiónDel análisis de la respuesta no-lineal en

muestras con contenidos crecientes de metalse deduce que, de forma general, la respuestano lineal de los nanocompuestos puedeinterpretarse como el producto de dos facto-res, uno asociado a la susceptibilidad intrín-seca de las nanopartículas y otro asociado alos efectos de incremento de lo no-linealidadcausados por efectos de campo local. Elprimero de dichos factores es independientede la morfología de las muestras muestra ydetermina tanto el comportamiento temporalde la respuesta no-lineal como su perfilespectral. El segundo, fuertemente depen-diente de la morfología y asociado a losefectos de campo local, aumenta de formaconsiderable cuando se producen interac-ciones electromagnéticas múltiples entre lasnanopartículas metálicas.

En conclusión general, puede indicarseque en sistemas reales, la comprensión de larelación entre la morfología nano- ymesoscópica del material y su susceptibilidadno lineal efectiva es una necesidad esencialpara el diseño de materiales no lineales dealtas prestaciones [7,8].

0 10 20 30 400,0

0,5

1,0

1,5

2,05 10 15 20

|χ(3

) eff|

(10-7

esu

)

p (%)

[Cu] 1015 at/cm2/capa

Figura 1.- Dependencia del módulo de la susceptibilidad no-lineal de tercer orden a 585 nm con la fracción volúmica (p). La línea discontinua ajusta linealmente los datos con p<20% (la linea

continua es una guía visual).


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AgradecimientosLos resultados experimentales descritos

durante la presentación no hubiesen sido po-sibles sin la colaboración de un buen númerode personas, en su mayoría miembros delGrupo del Procesado por Láser del Institutode Óptica del CSIC. De entre ellos, quisieraagradecer especialmente la participación deC. N Afonso, J. Gonzalo, R. del Coso y J. M.Requejo. El apoyo financiero de diversasinstituciones, (CICYT (España), DGXII(UE)) en el marco de diferentes proyectos deinvestigación ha sido asimismo inestimable.

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1.- IntroducciónLa historia de la Tecnología ha sido

estructurada, en la mayor parte de los casos,como una especie de edificio construido abase de piezas que van encajando unas conotras. Estas piezas son las que constituyen losgrandes inventores y los grandes ingenieros.Pero en nuestros días, las tecnologías ya noson consideradas como productos que surgenfortuitamente de las mentes de los genios,sino que se toman como una parte intrínsecade la cultura y la economía de cada sociedad.Por ello, la tarea actual es la de estudiar elcontexto global en el que han surgido lasinnovaciones y, al mismo tiempo, analizar elimpacto que tienen sobre las sociedades enlas que aparecen. Por otra parte es necesariotener en cuenta que si cada tecnología aparecey existe en un contexto social, también cadasuceso y cada situación social ocurre en un

contexto tecnológico. Así, dada una deter-minada situación o un determinado suceso,entre las preguntas que cabe hacerse están lasde ¿cuál es el contexto tecnológico en el queha surgido?, ¿qué papel han jugado los cam-bios tecnológicos sobre dicha situación osobre tal suceso?

El desarrollo de las comunicacionesconstituye uno de los casos más paradigmá-ticos de expansión global de una tecnologíasurgidos en los dos últimos siglos. Si lanecesidad de comunicación entre los miem-bros de cualquier sociedad es algo evidente,no lo es menos la del intercambio deinformación entre los distintos grupos que laconfiguran, entre regiones más o menos pró-ximas o entre estados más o menos lejanos.Pero esta necesidad fue satisfecha por unosmétodos que permanecieron casi inmutablesdesde el inicio de la historia hasta finales del

El alba de las Comunicaciones Ópticas: De la Revolución Francesa al ImperioThe Dawn of Optical Communications: From the French Revolution to the Empire

José A. Martín Pereda

Departamento de Tecnología Fotónica. E.T.S. Ingenieros de TelecomunicaciónUniversidad Politécnica de Madrid. Ciudad Universitaria. 28040 Madrid


Resumen.- El inicio de los sistemas de comunicaciones, con el sentido que tienen hoy, puedefijarse en los años de la Revolución Francesa. Bajo la tutela del partido jacobino, cuando éstealcanzó el poder, Claude Chappe inició el desarrollo de una red de comunicaciones quecubrió toda Francia, llegándose a extender, posteriormente, al resto de Europa. Para ello seelaboró, aparte de un sistema óptico, todo un conjunto de normas de funcionamiento que, engran medida, son el antecedente de las que se emplean hoy.

Abstract.- The beginning of Communications, with the philosophy nowadays adopted, maybe rooted in the years of the French Revolution. With the strong support of the JacobinParty, Claude Chappe developed a communications network covering the whole surface ofFrance. This network was further extended to the rest of Europe. In order to satisfy politicaland military needs, Chappe devised a complex hardware optical system, with a similarsoftware to the employed in present day communications.


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siglo XVIII. Si las armas evolucionaron a lolargo de los años, si las obras civiles fueroncambiando sus conceptos con el paso de lossiglos, si los medios de transporte evolucio-naron según aparecían nuevos avances, latransmisión de información se mantuvo inva-riablemente ligada a sistemas basados enenvíos personales del mensaje, bien con laayuda de caballerías, de carruajes, de barcos,o de cualquier tipo de medio de desplaza-miento humano que pudiera usarse. Única-mente el uso de señales, de fuego, de humo,de sonido, incrementaba la posibilidad detransferir una noticia en una distancia norecorrida previamente por el mensajero.

Si cualquier tecnología es el fruto de unnúmero indefinido, y por lo general muyelevado, de ensayos previos, ¿cuáles son lasrazones para que surja en un determinadolugar y en un determinado momento? Lahistoria contada habitualmente hace respon-sable de ese hecho a una determinada perso-na, que es la que recoge los frutos de todos losque precedieron y, al mismo tiempo, oscurecesus nombres. Una tecnología es, según esteconcepto, una sucesión de grandes nombresque, de una manera ideal, podrían haberestado situados en cualquier otro tiempo y encualquier otro lugar, y habrían llegado a unosresultados análogos. Y si esto es posi-blemente cierto en el caso de grandes artistaso grandes literatos, con toda seguridad no loes cuando nos introducimos en el terreno dela Ciencia y, sobre todo, de la Tecnología. Enun determinado momento existe, en el bagajecultural de la sociedad, todo un conjunto deconceptos y de ideas que son patrimoniocomún de todos los que coexisten en esemomento y en ese entorno. De todos ellos,solo uno, que se encuentra en un determinadolugar y en un instante de tiempo preciso, lograhacer avanzar, con un salto cualitativo ycuantitativo notorio, una cierta tecnología.

¿Por qué ha sido ese individuo y no otro antesque él, u otro en otro lugar, el que lo hahecho? Las razones estriban en lo dichoanteriormente, de que cada tecnología esfruto de unas determinadas condiciones so-ciales, de un tiempo determinado y, eviden-temente, de las características personales dequien la llevó a cabo.

En las páginas que siguen se aplicarán losanteriores conceptos al inicio de las Comuni-caciones en el intervalo temporal que cubre laRevolución Francesa y los años iniciales delsiglo XIX.

2.- Factores políticos que determinaron el nacimiento de las Comunicaciones: La Revolución FrancesaEs un hecho comúnmente aceptado que el

inicio de las comunicaciones, con el sentidoque tienen hoy, tuvo lugar durante laRevolución Francesa. En 1793 se efectuó laprimera prueba del telégrafo óptico de ClaudeChappe y en 1794 se encontraba ya operativala primera línea entre Paris y Lille. A partir deese momento, y con diversos altibajos deriva-dos de la situación política y económica de laRepública Francesa, las líneas de telegrafíaóptica se propagan por toda Francia llegandoa alcanzar, en su momento de máximo de-sarrollo, alrededor de tres mil kilómetros. Lasrazones esgrimidas para tal desarrollo, en lamayor parte de los escritos sobre el tema, sonlas de la situación de guerra en la que seencontraba la República, con prácticamentetodas las naciones que tenían frontera conella, y la necesidad de la Convención de estaren contacto constante con todas las fuerzasdisponibles, para encaminarlas al lugar enque fueran necesarias. Esta interpretacióntiene su raíz en dos supuestos básicos. Elprimero es el de la realidad de la situación deguerra en 1793. El segundo se deriva de lainterpretación, usual durante todo el siglo


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XX, de que una gran parte de los avancestecnológicos han sido derivados de situa-ciones bélicas. Pero un análisis un poco máspormenorizado de algunas fechas y algunoshechos, pueden dar lugar a una interpretacióndiferente.

Las primeras pruebas del sistema inicialde Chappe se realizaron en marzo de 1791 yun año después remite a la Asamblea France-sa su primera propuesta. En abril de ese año,1792, se declara la guerra a Austria y Prusia.En septiembre se constituye la Convención;en enero de 1793 es guillotinado Luis XVI;en febrero se entra en guerra con Inglaterra yHolanda, y en marzo con España. Durante esetiempo, Chappe envía constantes propuestas,bien a la Asamblea, bien a la Convención,para que le financien el sistema que propone.La respuesta, en el mejor de los casos, es la decrear una comisión que estudie el tema.

La situación cambia a partir de junio de1793, con la entrada de los Jacobinos en elgobierno de la Convención y a la cabeza deellos, Robespierre. En Julio, Lakanal, miem-bro de la misma, remite un análisis delsistema de Chappe, es apoyado por Romme yese mismo mes se decide la construcción deun sistema telegráfico en Francia, concedien-do una cantidad significativa (cerca de60.000 francos) para la construcción de laprimera línea y carta blanca para poner lastorres donde sea preciso. Mientras tanto,entre mayo y octubre, se producen revueltasfederalistas en varias ciudades de Francia.

Las razones de este cambio de interés, conrespecto a la adopción del telégrafo óptico co-mo sistema de comunicaciones, pueden serachacadas a la presencia de los jacobinos enel poder y a la idea que Robespierre y sus másdirectos colaboradores tenían con respecto ala forma de hacer política y desarrollar laRevolución.

Robespierre, desde los inicios de suactividad política, tenía dos ideas básicas,como eje central para el desarrollo de losplanteamientos revolucionarios. Uno era unconcepto, en cierta forma jansenista, de que elbien común está representado por unaminoría perseguida [1]. De este principio sederivaban tres conclusiones: desconfianza delos nuevos patriotas, desconfianza de lostraidores y necesidad de purgas. Para desarro-llar sus planteamientos, se apoyó en unasegunda idea fundamental: la creación declubes jacobinos en las principales ciudadesfrancesas, análogos al club inicial creado enun café de Versalles por los diputadosradicales bretones que se habían incorporadoa los Estados Generales. Estos clubes debe-rían estar perfectamente coordinados entre síy mantener todos las mismas ideas y losmismos principios. Para ello estableció unsistema de comunicaciones por medio deemisarios que, una vez planteada una reso-lución en París, fuera adoptada, defendida ypropagada, por todos los clubes jacobinos deFrancia. Este concepto fue desarrollado apartir de 1790 y se mantuvo hasta la elimina-ción de los jacobinos en 1794. Esta coordina-ción debería tener como fin, al mismo tiempoque se procuraba la expansión de las ideas deRobespierre, conseguir una unidad de pensa-miento en toda Francia y, con ello, la creaciónde un concepto diferente de Estado.

La entrada de los jacobinos en el podersupuso el planteamiento, a nivel estatal, delos anteriores conceptos. Y así puede leerseen el informe que presentó Lakanal [2], alComité de Instrucción Pública, el 2 de juliode 1793, sobre el sistema de Chappe: “Québrillante destino reservan las Ciencias y lasArtes a una República que, gracias a su granpoblación y al ingenio de sus habitantes, estállamada a ser la nación que educará a Euro-pa”. La idea de que el sistema de Chappe


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podría llegar a ser un emblema de Franciacomo estado, es el primer concepto queaparece en su documento. Posteriormente, el26 de ese mismo mes, reincidía en esa idea deuna forma mucho más abierta [3]: “Es posiblever las grandes ventajas que pueden venir demáquinas de este tipo para establecer comu-nicaciones más fáciles entre los puntos másalejados de la República. Todas las comuni-caciones podrán hacerse con la velocidad dela vista y se concibe cómo los trabajos delGobierno podrán beneficiarse de esta nuevafacilidad: es un medio que podrá consolidarla unidad de la República mediante la unióníntima e instantánea que puede alcanzarseentre todos sus miembros”. El telégrafo es asíconcebido más un instrumento de políticainterna, para consolidar la unidad del Estado,que como herramienta que pueda servir en laguerra existente en las fronteras. Esta ideaqueda ya, finalmente, reflejada y asentada en

uno de los discursos de Bertrand Barère,portavoz del Comité Salud Pública, órganopolítico de la Convención Nacional, cuandoafirma [4]: “El telégrafo acorta las distancias,une a una inmensa población en torno a unpunto ... y tiende a consolidar la Unidad de laRepública”. Estas palabras reflejan las ideasprevias de Robespierre en su intento de hacerhablar a todos los clubes jacobinos con unaúnica voz, independientemente de donde seencontrasen en Francia.

Robespierre fue guillotinado en julio deese mismo año. Muchos de sus seguidorescorrieron igual suerte y otros, para no seguirun camino análogo, huyeron de Francia.Lakanal se exiló, poco después, en EstadosUnidos y solo pudo volver a Francia en 1834.Pero las ventajas de disponer de uninstrumento que podía transmitir informacióna distancia fueron reconocidas por todos.

Chappe se mantuvo, reforzado, en suposición de "ingenieur-telegraphe"encargado de expandirle a las regio-nes que los nuevos organizadores dela República estimaran oportuno. Lallegada de Napoleón reforzó laimportancia dada al telégrafo y conél llegó a alcanzar, en 1813, más de2200 Km. de enlaces operativos.Poco antes, en 1805, Claude Chappese había suicidado arrojándose a unpozo próximo a la sede central delTelégrafo. Una serie de trastornosbipolares, originados por causasmuy dispares, había hecho inútilsobre su ánimo el éxito del telégrafo.

Otros países europeos, principal-mente Gran Bretaña y Suecia, si-guieron caminos análogos a los deFrancia. Pero en ellos la intenciónfue únicamente la de facilitar las co-municaciones entre los organismosFigura 1.- Detalle de la red de telegrafía óptica

desarrollada en Francia durante el Imperio de Napoleón.


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de decisión y los posibles frentes de batalla.Inglaterra, una vez firmada la paz con elgobierno francés, en 1814, cerró todas lasestaciones que tenía en la costa. Algo similarocurrió en Suecia, al finalizar los problemasfronterizos que tenía con Rusia. Solo Franciamantuvo interrumpido el servicio hasta 1852.El Reino Unido lo reanudó en 1824 y en unafecha similar a Francia, lo suspendió. Suecialo reabrió en 1836 manteniéndole, enestaciones costeras, hasta 1880. En otrospaíses, como Prusia, Rusia o España, elestablecimiento del telégrafo óptico tuvo uncamino análogo al de la segunda etapa de losanteriores; empezó a mediados de los añostreinta del siglo XIX y estuvo operativo hastamediados de los cincuenta. El telégrafoeléctrico había hecho su aparición y ya notenía sentido mantener el óptico [5].

3.- ConclusionesSi el nacimiento de las comunicaciones

fue debido a una situación política muy ca-racterística, su evolución posterior ha seguidomanteniendo esta misma tónica. La aparicióndel telégrafo en Gran Bretaña y en EstadosUnidos a mediados del siglo XIX, el fuerteapoyo a la telegrafía sin hilos, también enGran Bretaña, a finales del mismo siglo, sonsolo dos ejemplos de cómo la política ha idocondicionando el desarrollo de las comuni-caciones a lo largo de su historia. Si la mayorparte de las tecnologías han tenido siempre ensu desarrollo una fuerte carga social ypolítica, el de las comunicaciones ha sidosiempre un reflejo de la estructura política enel que se encontraban.

AgradecimientosEl autor agradece al Ministerio de Educa-

ción y Ciencia, la ayuda proporcionada parasu estancia durante el curso 2004-05 en elImperial College de Londres, como ProfesorVisitante, y al “Center for the History of

Science, Technology and Medicine” de dichaUniversidad, las facilidades proporcionadaspara la realización del trabajo del cual esteescrito es parte. Asimismo agradece a laUniversidad Politécnica de Madrid todo elsoporte dado.

Bibliografía.[1]. Hardman John, “Robespierre”, Pearson,

London, 1999.

[2]. “Quelle brillante destinée les sciences etles arts ne réservent ils pas à uneRépublique qui, par ses immensepopulation et le génie de ses habitants,est appelée à devenir la nationenseignante de l'Europe!”, Lakanal,Rapport sur le Télégraphe fait Au nomdu comité d'instruction publique réuni àla commission nommée par le décret du27 avril dernier (vieux style).Convention National. Paris. 1793.

[3]. Lakanal, “Détail exact du Télégraphe”,Informe a la Convención Nacional.Paris. 1793.

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[5]. Winston B., “Media, Technology andSociety. A History: From the Telegraphto the Internet”, Routledge, London.1998.

En el ámbito de la exploración científica,algunas de las cuestiones básicas a determi-nar respecto a Marte son:

• Las características físicas y químicas de lasuperficie marciana.

• La estructura de la atmósfera marciana yconocer los acontecimientos que han da-do lugar a su composición actual.

• La naturaleza e historia del clima deMarte y de los procesos que controlan loscambios diarios y estacionales.

• La estructura interna de Marte y suhistoria.

• Determinar si en algún momento se pudo

desarrollar alguna forma de vida enMarte.

La cuestión relativa a verificar si existió oexiste vida en Marte resulta ser la máscompleja de todas las investigaciones. Lagran actividad científica en este contexto seencuadra en el nuevo entorno multidiscipli-nar de investigación que es la Astrobiología.La búsqueda de la vida en Marte es parte deuna cuestión mucho más profunda como es elproblema de la naturaleza y el origen de lavida. Se trata de buscar evidencias de vidapasada o presente en otros planetas paraentender nuestros orígenes. Marte es actual-mente un planeta helado y seco, pero pudoalbergar mares en tiempos pasados. Marte

La Exploración de MarteThe exploration of Mars

Luis Vázquez

Académico Correspondiente de la Real Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales

Departamento de Matemática Aplicada, Facultad de InformáticaUniversidad Complutense de Madrid, 28040-Madrid

Laboratorio de Computación Avanzada y SimulaciónCentro de Astrobiología (CSIC-INTA)

28850-Torrejón de Ardoz , Madrid


Resumen.- La exploración de Marte es parte de un objetivo científico de largo alcance paraentender la formación e historia del sistema solar. Su exploración está siendo el punto focalde las misiones planetarias y ofrece un escenario de esfuerzos conjuntos de varios países ygrupos de investigación. En particular, esto supone una colaboración activa entre científicose ingenieros en el marco de la comunidad internacional. De todo ello se deriva un granarrastre científico y tecnológico.

Abstract.- The exploration of Mars is part of a scientific objective in order to understand theformation and history of the solar system. Their exploration is being the focal point of theplanetary missions and offers a stage of combined efforts of several countries and researchgroups. In particular, this supposes an active colaboration between scientists and engineersin the frame of the international community. From everything it is derived a great scientificand technological progress.


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ofrece un entorno único para estudiar laevolución desde un clima húmedo a un medioambiente extremo y seco, con grandes fluc-tuaciones de temperatura, presión atmosféri-ca muy pequeña y radiación cósmica intensaen la superficie. Entender la transformaciónde Marte a su estado actual será de gran ayudapara estudiar nuestro propio entornoTerrestre.

Después de Venus, Marte es el planetamás cercano a la Tierra. Galileo Galilei fue elprimero que observó Marte con su primitivotelescopio en 1609, y podemos decir quevarios parámetros esenciales de Marte ya sonconocidos desde hace más de 100 años.Mediante el telescopio es posible distinguirlos casquetes polares presentes durante elinvierno y prácticamente ausentes en elverano marciano, así como la presencia deuna atmósfera cuya transparencia depende delas condiciones meteorológicas, incluyendogigantescas tormentas de polvo.

Cada 26 meses hay oportunidad de enviarmisiones a Marte, al haber un alineamientoentre la Tierra, Marte y el Sol. En estascircunstancias la distancia entre los dosplanetas es mínima. Dichas configuracionesse conocen como Oposiciones. La oposiciónque tuvo lugar en 2003 correspondió a lamenor distancia entre los dos planetas en60.000 años. Desde 1960 ha habido 38misiones a Marte. La Unión Soviética/Rusiaha enviado 20, Estados Unidos 16, Europa 1y Japón 1.

En este momento las misiones operativasen Marte son: Mars Global Surveyor, MarsOdyssey, Mars Exploration Rovers: Spirit yOpportunity y Mars Reconnaissance Orbiterde la NASA así como el Mars Expresslanzado por la Agencia Espacial Europea(ESA).


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Figura 1.- Imagen de Marte donde se aprecial los Valles Marineris ceca del ecuador a 8º latitud sur.

Figura 2.- Imagen del casquete polar sur obtenido por el instrumento OMEGA (Mars Express, 18/1/2004) en tres formas diferentes, visible (derecha) e infrarrojo: medio (dioxido de carbono)

e izquierda (hielo de agua).


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Figura 3.- Imagen de Reull Vallis obtenida por el HRSC (Mars Express, 15/1/2004)

Figura 4.- El Rover Sojorner del Mars Pathfinder, primer vehículo robot en la superficie de Marte


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Figura 5.- La Mars Express lanzada por la ESA el 2 de Junio de 2003.

Figura 6.- Uno de los dos robots gemelos (Spirit6 y Opportunity) de la misión Mars Exploration Rover.

1.- IntroducciónLas técnicas espectroscópicas intensifica-

das por superficies metálicas nanoestructu-radas han suscitado gran interés en losúltimos años. El efecto SERS (Surface-enhanced Raman Scattering) se descubrió enlos años setenta y consiste en un aumento dela difusión inelástica (señal Raman), proce-dente de determinadas moléculas en presen-cia de una nanoestructura metálica rugosa

especialmente preparada [1,2]. Actualmentese acepta que el aumento gigantesco de laintensidad Raman se debe a dos mecanismosfundamentales: a) el modelo electromagné-tico (EM), y b) el modelo químico o detransferencia de carga (TC). Ambos contribu-yen al efecto SERS aunque la contribución decada uno depende del sistema a estudiar. Latécnica SERS implica un aumento tanto de lasensibilidad como de la selectividad, lo que

Espectroscopía Vibracional sobre Nanoestructuras Metálicas (SERS y SEIR): Nuevos Sustratos y Aplicaciones

Vibrational Spectroscopy on Metal Nanostructures (SERS and SEIR): New Substrates and Applications

José Vicente García-Ramos* y Santiago Sánchez-CortésInstituto de Estructura de la Materia. CSIC. Serrano, 121. 28006-Madrid.


Resumen.- El trabajo presentado constituye un resumen de la labor investigadora llevada acabo en nuestro grupo, en el Instituto de Estructura de la Materia sobre las líneas deinvestigación siguientes: a) Preparación de superficies metálicas nanoestructuradas conaplicaciones en espectroscopias vibracionales intensificadas por nanoestructuras, fundamen-talmente SERS y SEIR; b) Caracterización de dichas superficies por métodos espectros-cópicos y microscópicos; c) Funcionalización de las nanoestructuras obtenidas mediantemoléculas altamente específicas capaces de autoensamblaje; y, finalmente, d) aplicación dedichas superficies (metal-receptor) al estudio y detección de ligandos de interés medioam-biental y/o biológico. Se presentan algunos ejemplos de estas aplicaciones, en concreto, ladetección de PAHs (hidrocarburos policíclicos aromáticos) mediante calixarenos y el estu-dio de la interacción del fármaco emodina con albúmina de suero humana.

Abstract.- This work summarises the researching activity carried out in our group, placedin the Institute of the Matter Structure, on the following researching lines: a) Preparation ofnanostructured metallic surfaces with potential applications in nanostructure-enhancedvibrational spectroscopy, mainly SERS and SEIR; b) Characterisation of the above surfacesby spectroscopic and microscopic methods; c) Functionalisation of such nanostructuredsurfaces by highly specific molecules able to be self-assembled on the surface; and, finally,d) application of these surfaces (metal-host) to the study and detection of ligands withenvironmental and/or biological interest. In this work, examples of these applications areshown for the case of the detection of PAHs (Polycyclic Aromatic Hydrocarbons) by meansof calixarene host molecules, and the interaction study of emodin drug with human serumalbumin.


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hace del Raman una técnica con promete-doras aplicaciones analíticas [3].

Posteriormente al SERS, se ha desarro-llado su equivalente en IR, la técnica SEIR(Surface-enhanced IR), cuyos requerimien-tos morfológicos son ligeramente distintosrespecto a las superficies nanoestructuradasempleadas [4]. En nuestro laboratorio hemosaplicado con éxito ambas técnicas en elestudio de la adsorción y orientación de unalarga lista de moléculas sobre superficiesmetálicas de distinta naturaleza. La aplica-ción de la técnica SERS está estrechamenteligada a las propiedades morfológicas y su-perficiales de las superficies metálicas em-pleadas. Los sistemas metálicos nanoaestruc-turados han de cumplir unas condicionesmorfológicas concretas para inducir un ma-yor acoplamiento con la radiación incidente,dando lugar a una mayor señal espec-troscópica. Estas morfologías pueden sercontroladas mediante el proceso de obtenciónde las mismas, es decir, mediante el protocoloespecífico seguido en su obtención.

En nuestro laboratorio hemos dedicadoun gran esfuerzo a la modificación y carac-terización de nanopartículas metálicas [5-7],así como el desarrollo de métodos novedososde fabricación de nanoestructuras metálicascomo son la fotorreducción de nanopartículaspara análisis in-situ de superficies, lairradiación electrónica o la ablación láser [8].Las suspensiones coloidales de estas partícu-las pueden ser inmovilizadas sobre soportespara evitar su agregación y consiguientefloculación [7]. En la figura 1 se muestra unamicrografía obtenida por SEM (ScanningElectrón Microscopy) de un coloide de Aginmovilizado sobre una superficie de vidrio.

La intensificación resultante del efectoSERS requiere como condición un acerca-miento de la molécula a estudiar o adsorbato

sobre el soporte metálico. En muchos casos lamolécula se adsorbe de manera espontáneasobre dicha superficie, bien por mecanismosfísicos (fisisorción) o bien mediante la forma-ción de un enlace covalente (quimisorción).Sin embargo, en otros casos la molécula nomanifiesta ninguna tendencia a la adsorción,como es el caso de los hidrocarburospolicíclicos aromáticos (PAHs), sustanciascon un alto poder carcinógeno. Es entoncescuando se hace necesaria una modificaciónen la superficie para aumentar su afinidadrespecto a las moléculas de difícil adsorción.Las superficies metálicas pueden ser modi-ficadas mediante funcionalización de las mis-mas con sistemas moleculares, normalmentemacromoléculas altamente específicas comoson los calixarenos, lo que aumenta de ma-nera considerable la sensibilidad y la especi-ficidad de la técnica SERS.

Uno de los aspectos más interesantes de laNanotecnología en los últimos años es lapreparación de materiales simbióticosmanopartícula-molécula orgánica [9]. Enestos sistemas las propiedades optoelectró-nicas especiales de las partículas metálicas,debidas a los plasmones del metal, se com-binan con las propiedades de alta sensibilidady reconocimiento molecular de la parte orgá-nica, resultando de ello materiales con una

Figura 1.- Nanopartículas de Ag depositadas sobre un soporte de vidrio


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funcionalidad avanzada y con aplicacionesinteresantes dentro de campos diversos: bio-medicina, sensores químicos y bioquímicos,etc. Dentro de este contexto, los calixarenoshan supuesto una gran innovación, ya que sonmateriales llamados de inclusión con una do-ble funcionalidad: en la parte inferior, con laque pueden unirse a una superficie metálica;y en la parte superior, con la que son capacesde interaccionar con los ligandos [10].

2.- Espectroscopía vibracional intensificada por superficies de PAHs mediante nanoestructuras metálicas recubiertas con calixarenosLa aplicación de SERS y SEIR ha

permitido el estudio de la interacción decalixarenos con distinta estructura a super-ficies de Ag y Au. Los derivados di ytetracarboetoxicalix[4] arene (figura 2) de-muestran tener una alta afinidad en ladetección de contaminantes medioambien-tales, tales como los hidrocarburos policí-clicos aromáticos [11].

De entre todos los calixarenos probados,el derivado dicarboetoxi, DCEC (figura 2)

demostró ser el que mejor se asocia al metaly el que más afinidad tenía en la interaccióncon PAHs. La señal SERS de diferentesPAHs (figura 3) sobre superficies de Agfuncionalizadas con DCEC demostró laexistencia de una selectividad clara de DCECfrente a PAHs de 4 anillos bencénicos, y entreellos fue el pireno el más intenso. La técnicamicro-SERS permitió rebajar el límite dedetección a unas 500 moléculas de pireno[12].

La aplicación conjunta de las técnicasSERS y SEIRA demuestra que la sensibilidadde ambas técnicas en el estudio de materialesdel tipo metal/calixareno/ligando es diferente[13], lo que sugiere que los mecanismosquímicos manifestados a través de unadistinta respuesta resonante, son de granimportancia en espectroscopía vibracional desuperficies. Mientras la espectroscopía SERSes más sensible para el ligando, la SEIR lo esmás para el calixareno. Este último hecho nosha permitido determinar la orientación másprobable para calixarenos con gruposcarboetoxi en la parte inferior.

Figura 2.- Esquema de la inmovilización del cáliz[4]arene DCEC sobre nanopartículas de Ag y de su posterior interacción con el ligando pireno.



3.- SERS de complejos emodina/albúmina de suero humana Otro tipo de experimentos que se han

llevado a cabo con la espectrocopía SERS hasido el estudio de complejos entre losfármacos anticancerígenos hipericina yemodina y la albúmina de suero sanguiniohumana (HA). Este tipo de sistemas puedenser también considerados dentro del tipometal/receptor/ligando, actuando la albúminacomo molécula hospedadora o receptora. Elefecto Raman resonante hace que el espectroSERS de sistemas de esta naturaleza estádominado por el ligando, cuando se empleauna longitud de onda de excitación visible.

Los espectros SERS de Ag/HA/emodinahan permitido deducir una interacción delfármaco en el sitio de interacción II, cuandose emplea una albúmina libre de ácidosgrasos, mientras que en presencia de ácidos

grasos la unión de emodina se produce através del sitio de unión I (figura 4).

Figura 3.- Áreas normalizadas (respecto a la banda 1045 cm-1 de pireno en el complejo con DCEC) de la banda más intensa del espectro SERS de cada PAHs (concentración:

10-4 M) en el complejo con DCEC (10-4 M). Todas las intensidades se registraron usando como fuente de excitación la línea a 1064 nm de un láser de Nd:YAG.

Figura 4.- Esquema de la interacción del fármaco emodina con albúmina humana

con los sitios I y II, en función de la presencia o no de ácidos grasos


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Agradecimientos Este trabajo ha sido financiado por el

proyecto FIS2004-00108 de la DirecciónGeneral de Investigación, Ministerio deEducación y Ciencia, el proyecto GR/MAT/0439/2004 de la Comunidad Autonoma deMadrid, así como los proyectos Fondecyt1040640 y AT 4040084 del Conicyt (Chile),el proyecto C-13879 de la Fundación Andes(Chile), y, por último, por el ConvenioConicyt/CSIC 2003/2004.

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1.- IntroducciónLos nanotubos de carbono (NTCs) son

sistemas unidimensionales (1D) únicos conpropiedades físicas (mecánicas, térmicas,eléctricas y electrónicas) excepcionales y, porconsiguiente, con un elevado número depotenciales aplicaciones en los diversoscampos de la nanociencia y nanotecnología[1]. Su carácter 1D origina un confinamiento(cuantización) de los estados de energía elec-trónica (y vibracional) que da lugar a laaparición de singularidades de van Hove(vHSs) en la “densidad de estados electró-nicos” (DOS), distinta para cada nanotubo.Las transiciones ópticas en NTCs ocurrenentre vHSs de las respectivas bandas elec-trónicas de conducción y valencia, siendopués transiciones discretas (frente a las

mucho más anchas habituales en sólidos no1D) que, para NTCs de diámetro entre 0,5 y 3nm tienen energías entre 1 y 3 eV.

La espectroscopía Raman, que normal-mente “explora” la muestra con láseres en elrango de 1 a 2,6 eV, es una de las técnicasmás utilizadas en el estudio y caracterizaciónde NTCs, especialmente de los de pared única(Single Wall). La razón es que variando laenergía del láser de excitación del efectoRaman, se pueden “sintonizar” SWNTCs condistintas estructuras geométricas (y por lotanto electrónicas), ya que se obtienen espec-tros Raman diferentes. Cuando la energía delfotón incidente (y/o la del fotón dispersado)coincide con una de las transiciones electró-nicas entre vHSs del NTC, se produce un

Espectroscopía Raman de Nanotubos de CarbonoRaman Spectroscopy of Carbon Nanotubes

C. Domingo

Instituto de Estructura de la Materia, CSIC, Serrano 123, 28006 Madrid


Resumen.- Después de un somero repaso a las características de los nanotubos de carbono(NTCs), se describen las principales bandas que se observan en sus espectros Raman y queproporcionan relevante información estructural sobre los mismos. En particular, los RBM(Radial Breathing Modes) de los NTCs de pared única (Single Wall), de los que se extraeinformación sobre el diámetro (y quiralidad) de los mismos; la banda tangencial G cuyoperfil indica el carácter metálico o semiconductor de los NTCs, y las bandas D (“Disorder-induced”) y G' (sobretono de D), que presentan relaciones de dispersión en función de laenergía del láser de excitación de los espectros Raman, Eláser, de las que pueden deducirsedetalles interesantes de la estructura electrónica de los NTCs.

Abstract.- After a brief survey of the Carbon Nanotubes (CNTs) characteristics, the mainfeatures observed in their Raman spectra which provide relevant structural informationabout them, are described. In particular, the RBM (Radial Breathing Modes) of the SingleWall CNTs, from which diameter (and quirality) can de extracted; the tangential G band,with shape indicating the metallic or semiconductor character of the CNTs, and the D(“Disorder-induced”) and G' (D overtone) bands, which show dispersion relations asfunction of the laser energy exciting the Raman spectra, Elaser, containing very interestingdetails about the CNTs electronic structure.


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efecto Raman resonante y la intensidad de loscorrespondientes espectros esta muy intensi-ficada por lo que es posible estudiar inclusonanotubos aislados [2].

Desde la primera observación de NTCs depared múltiple (Multi Wall) en 1991 porIijima [3], la espectroscopía Raman se hautilizado para caracterizar los procesos desíntesis y purificación de NTCs y estudiar suspropiedades. Pero fue en 1997 cuando real-mente se comenzó a vislumbrar la enormepotencialidad de la técnica al demostrarse porvez primera la dependencia del espectro deSWNT con la energía del láser de excitación,consecuencia de que tiene lugar un procesoRaman resonante que depende del diámetrodel NTC [4]. A las ventajas de proporcionarinformación detallada sobre la estructurageométrica, electrónica y vibracional de losdiferentes NTCs presentes en la muestra [5],la espectroscopía Raman añade las de ser unatécnica no invasiva, que no requiere prepa-ración de la muestra y que puede utilizarse en

distintos entornos, por lo que también sepuede usar en la caracterización de NTCsempleados en dispositivos varios.

Descripciones detalladas de la estructurageométrica y notación de los NTCs, de suestructura electrónica y vibracional (fono-nes), así como de los diferentes procesos dedispersión Raman que dan lugar a las bandascaracterísticas de los espectros Raman deNTCs (ya sean de pared única, SW, doble,DW o múltiple, MW), pueden encontrarse enla bibliografía que se incluye. Aquí solopodemos dar un breve repaso a estos temas,ilustrando las bandas que resultan de mayorutilidad para la caracterización de los NTCs.

2.- Estructura de los nanotubos de carbonoUn nanotubo de carbono de pared única

es un cilindro que resulta al enrollarse unacapa monoatómica de grafito. El enrolla-miento puede producirse de varias formas, enfunción de la orientación del llamado vector

Figura 1.- Celda unidad del nanotubo (4,2)


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quiral Ch = na1 + ma2, donde a1 y a2 son losvectores unitarios de la red hexagonal delgrafito y el par (n,m) caracteriza elcorrespondiente NTC. Los tres tipos básicosde estructuras de NTCs son: zig-zag (n,0),“armchair” (n,n) y quirales (n,m). La figura 1ilustra la celda unidad del nanotubo (4,2), dediámetro y ángulo quiral , limitadapor el vector quiral y el vector traslación T.

La estructura electrónica de los NTCs esúnica en la física de estado sólido en elsentido de que los nanotubos son metálicos osemiconductores dependiendo de su diámetroy quiralidad (figura2). Así, son metálicostodos los nanotubos en que n-m=3q, con qentero, (1/3 del total) y semiconductorestodos los demás (2/3 del total).

La estructura de bandas electrónicas 1Dde NTCs, que se puede obtener a partir de lasbandas de la lámina de grafito 2D, vienetambién unívocamente determinada por(n,m) [3]. Esto se debe al confinamiento de la

función de onda electrónica en la direcciónradial que da lugar a la aparición de lassingularidades de van Hove (vHSs) en la“densidad de estados electrónicos” (DOS).La representación de Kataura de la figura 3(energías calculadas, para NTCs de todas lasposibles quiralidades, de las transicionesópticas Eii entre la vHS “i” de la bandaelectrónica de conducción y la vHS “i” de labanda de valencia -regla de selección

-, en función del diámetro del NT)resulta muy útil para saber cuáles son lasenergías de resonancia de los nanotubos deun diámetro dado que originan el efectoRaman resonante.

Ch π⁄ θ

Δi 0=

Figura 2.- Vectores quirales posibles para NTCs, indicando su carácter. Nótese que todos los "armchair" son metálicos


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3.- Espectros Raman de NTCsLa figura 4 muestra los espectros Raman

de NTCs (SW y MW), excitados con un láserde energía 1,58 eV, junto con los espectrosRaman de grafitos (carbono sp2) de distintacristalinidad. El espectro de grafito HOPGsolo presenta una banda Raman fundamentalintensa correspondiente a la elongacióntangencial, G, y una de segundo orden(sobretono), G'. En el grafito policristalino seobserva además una intensa banda D(“disorder induced”) que se activa en Ramandebido a que la red no es infinita (pérdida desimetría traslacional). El espectro Raman deMWNT muestra bandas D y G, con anchurasdiferentes de las del grafito policristalino. Eneste caso la banda D es indicadora de lapresencia de defectos en las paredes, y de larelación de intensidades entre las bandas D yG puede extraerse información sobre elnúmero de “defectos” en las paredes de losNTs (también es válido para SWNTs). Yfinalmente, tenemos el espectro Raman deNTCs de pared única (los verdaderos

“sistemas 1D”), con un mayor número decaracterísticas espectrales que pasamos adescribir.

De acuerdo con las reglas de selecciónasociadas a las diferentes simetrías de losNTCs (que son Dnh, Dnd, CN dependiendoúnicamente de la quiralidad y no deldiámetro), solamente 15 ó 16 modos devibración fundamentales (de primer orden)resultan ser activos en Raman, si bien elnúmero total de vibraciones fundamentales(fonones) es mucho mayor. Y de ellos,solamente 2 son totalmente simétricos y muyintensos (en SW): uno de “baja frecuencia”

correspondiente al mo-do respiratorio A1g en la dirección radial(RBM, Radial Breathing Mode) carac-terístico de los SWNTs y que dependelinealmente del diámetro del NT, y otrocorrespondiente al modo tangencial G delgrafito alrededor de 1580 cm-1, independien-te del diámetro y que origina bandas Ramancon distinto perfil espectral según que el NT

140 ν 350cm 1–≤ ≤( )

Figura 3.- Representación de Kataura [7]


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sea semiconductor (Lorentziano a 1590 cm-1)o metálico (Breit-Wigner-Fano, BWF, alre-dedor de 1540 cm-1). En esta misma regiónaparecen también un modo E1g y otro E2g

también activos en Raman.

RBM: Para un nanotubo SW aislado dequiralidad cualquiera, la dependencia de

con el diámetro es simple, en-contrándose teóricamente la relación

, que en muestrasconteniendo “manojos” de NTs debe sercorregida debido a efectos de interacciónentre ellos. Esta interacción es débil y produ-ce un desplazamiento en la frecuencia delmodo entre 6 y 21 cm-1. En general se puede

aplicar la relación ,cuando se desea obtener la distribución dediámetros de una muestra de NTCs a partir delas frecuencias Raman observadas para losRBM. Ahora bien, para poder dar unacompleta información sobre la “distribuciónde diámetros”, es necesario registrar espec-tros con láseres de distinta energía en el rango

1-3 eV, debido al efecto Raman resonanteexplicado anteriormente y que origina que acada energía de excitación solo se observenlos NTCs que tienen alguna transiciónelectrónica Eii resonante con la misma. En elcaso de NTs de pared doble, DW, se observantanto los RBM correspondientes a losdiámetros de los tubos externos como de losinternos [8], si bien estos últimos presentananchuras de bandas mucho menores.

Banda G: Ya hemos dicho queproporciona información sobre el caráctersemiconductor o metálico de los NTs (losSWNTs de la figura 4 son semiconductores).Además cabe destacar que aparecen dife-rencias notables en la forma de la banda tantopara las correspondientes Stokes y antiStokesa distintas Eláser, como entre ellas a una mismaenergía de excitación. Si tenemos en cuentaque la frecuencia de los modos G

(desplazamiento ) secorresponde con una energía de 0,2 eV, losfotones dispersados tendrán energíasEláser±0,2 (- Stokes, + AntiStokes). Y, como

νRBM

ν cm 1– ) 224 dt nm(⁄≈( )

ν cm 1– ) 248 dt nm(⁄≈( )

Raman 1600cm 1–≈

Figura 4.- Espectro Raman de grafito (policristalino), NTCs de pared múltiple (MWNT), de pared única (SWNT) y grafito "Highly Oriented Pyrolitic"


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también estos fotones dispersados (al igualque el incidente a Eláser) pueden serresonantes con las transiciones electrónicasentre vHSs del NTC, puede ocurrir queambos fotones, Stokes y AntiStokes, esten“probando” NTs con distinto carácter y denlugar a bandas con distinto perfil [9].

Bandas D y G': Son las otras doscaracterísticas más importantes de losespectros Raman de NTCs. El mecanismoresponsable de estas bandas es una dobleresonancia que acopla electrones y fonones[6]. Como en el caso de las correspondientesbandas Raman de materiales de carbono conhibridación sp2, presentan un fuertecomportamiento dispersivo en función de laenergía del láser de excitación, si bien larelación de dispersión se aleja de la linealidadobservada en los carbonos sp2. En losestudios Raman realizados en NTCs aisladosse ha podido comprobar que esta “anomalía”pone una vez más en evidencia la importanciade la estructura 1D en estos sistemas y que el

acoplamiento entre electrones y fonones encondiciones de resonancia depende tanto deldiámetro como de la quiralidad de los NTCsresonantes [2].

La frecuencia, intensidad y anchura de lasbandas D y G' no solamente aportaninformación sobre la estructura electrónica delos NTCs, sino que, además, tales propie-dades espectrales varían dependiendo de lascondiciones mecánicas de tensión por estira-miento o compresión a que se encuentrensometidos los NTCs. Esta información esespecialmente relevante en el caso de“composites” que incluyen NTCs al objeto demodificar las propiedades del compuestobase: las bandas D y G' de dichos NTCs en elespectro Raman del composite, se conviertenen un test de alta sensibilidad, a nivelmicroscópico, de las condiciones de tensiónpor estiramiento o compresión a que seencuentran sometidos los mismos una vezdispersados en el composite [5].

Tabla I.- Propiedades de las bandas Raman en grafito y SWNTs.[6; ai= “in plane”; o= “out of plane”; T=transversal; L=longitudinal; A=acústico; O=óptico; RBM=Radial Breathing Modes;

IFM="intermediate frequency modes"; D="disorder induced"; G=tangencial; bSR=1er orden; DR1= doble resonancia, 1 fonón; DR2=doble resonancia, 2 fonones; c *: modo dispersivo; -: modo

no dispersivo; d perfil Breit-Wigner-Fano

Nombrea Grafito ν (cm-1)

Proceso Ramanb

c Notas

iTA 288 DR1 * LA 453 DR1 * RBM - SR - NTCs (ν=248/dt) IFM- 750 DR2 * oTO-LA oTO 860 DR1 - grafito: activo IR IFM+ 960 DR2 * oTO+LA D 1350 DR1 * LO ó iTO LO 1450 DR1 - LO ó iTO BWFd 1550 SR - solo metálicos G 1582 SR - grafito: activRaman M- 1732 DR2 * sobretono oTO M+ 1755 DR2 - sobretono oTO iTOLA 1950 DR2 * iTO + LA G’ 2700 DR2 * sobretono de D 2LO 2900 DR2 - sobretono de LO 2G 3180 DR2 - sobretono de G


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En la figura 4 pueden verse otras bandasen el espectro Raman de SWNTs, de menorintensidad que las descritas hasta aquí, y deuso más restringido para la caracterización deNTCs dado que su interpretación es máscomplicada. Su asignación y característicasaparecen recogidas en la Tabla 1.

4.- ConclusionesLos NTCs son un caso único para el

estudio de los espectros Raman de sistemasunidimensionales (1D) y, a su vez, laespectroscopía Raman proporciona informa-ción muy relevante sobre las inusualespropiedades vibracionales y electrónicas quepresentan los NTCs debido al confinamiento1D de los correspondientes estados deenergía. La alta sensibilidad que permite laespectroscopía Raman resonante de NTCshace posible obtener espectros Raman deSWNT aislados. Los estudios detallados aeste nivel permiten profundizar en elconocimiento de los mecanismos respon-sables de las distintas bandas Raman y en laestructura electrónica y vibracional de losNTCs. La aplicación de la tecnología ópticade campo cercano (“near-field”) asociada conla espectroscopía Raman y las técnicas decartografía e imagen (“mapping andimaging”), al estudio de NTCs esta permi-tiendo caracterizar variaciones espaciales a lolargo de SWNTs aislados [10]. Es este uncampo de continuo desarrollo que permitiráalcanzar una mejor comprensión de lasuperficie de los NTCs.

AgradecimientosC. Domingo agradece a los Dres. T. de los

Arcos, J.V. García-Ramos, S. Sánchez-Cortés T. Ezquerra y M.C. García suconfianza y su continuo apoyo en los estudiosde espectroscopía Raman de NTCs.

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1.- Introducción El carbono es uno de los elementos

químicos más versátiles y constituye el fun-damento de la mayoría de moléculas que sonimportantes para la vida, como el ADN y lasproteínas.

Hasta hace unas décadas se pensaba quesólo existían dos formas puras de carbono enla naturaleza: grafito y diamante. Posterior-mente, se descubrió una molécula de extra-ordinaria estabilidad compuesta por 60 áto-mos de carbono a la que se bautizó comofullereno, por su similitud con las construc-ciones del arquitecto Buckminster Fuller [1].

En 1991, el investigador japonés SumioIijima descubrió una estructura tubular, a laque denominó nanotubo, en referencia a sudiminuto diámetro [2]. Sin entrar en detallesmorfológicos y estructurales, existen dos ti-pos de nanotubos de carbono: de una capa(SWNTs, del inglés singlewalled nanotubes)o de varias capas (MWNTs, del inglés Multi-walled nanotubes) estando estos últimoscompuestos formados por SWNTs concén-tricos cohesionados por fuerzas de Van derWaals.

La importancia y el interés tecnológicoactual hacia los nanotubos se deben a lassiguientes propiedades [3-4]:

Aplicación de los nanotubos de carbono como nuevos materiales sensores para la detección de gases

Carbon nanotubes a new material for gas sensor application

I. Sayago Olmo

Laboratorio de SensoresDepartamento Tecnología de Gases y Superficies. IFA-CSIC

Serrano 144, Madrid 28006,


Resumen.- Los nanotubos de carbono son compuestos químicos descubiertos en 1991, deestructura relacionada con los fullerenos, con propiedades excepcionales frente a losmateriales tradicionales que les confiere un potencial tecnológico sin precedentes. Losnanotubos de carbono son considerados los candidatos ideales para el diseño de sensores degases de altas prestaciones debido a su buena conductividad, excelente propiedadesmecánicas, estabilidad química y gran superficie específica. Una de las mayores dificultadespara la expansión de esta nueva generación de sensores es su integración y manipulación,áreas todavía por desarrollar.

Abstract.- Carbon nanotubes are chemical compounds that were discovered in 1991. Theyhave fullerene-related structures and have attracted the scientific interest due to their uniquestructure and properties. Carbon nanotubes are considered the appropriate candidates todesign high feature gas sensors due to their good conductivity, excellent mechanicalproperties, chemical stability and big specific surface. The most remarkable difficulty toexpand this new sensor generation consists of their integration and manipulation, both areaspending on development.


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• Elevada relación radio/longitud que per-mite un mejor control de las propiedadesunidireccionales de los materiales resul-tantes.

• Electrónicamente pueden comportarsecomo metales, semiconductor o aislante,dependiendo de su diámetro y helicidad.

• Elevada resistencia mecánica.

• Sus propiedades pueden modificarse en-capsulando metales o gases en su interior,llegando a obtener nanocables eléctricoso magnéticos.

• Pueden utilizarse para el almacenamientode hidrógeno o como sistema de separa-ción de gases.

• Pueden ser utilizados en pantallas planaspor su buena capacidad como emisores deelectrones.

2.- Sensores de gasesLa concienciación actual para la

protección tanto del ser humano como de suentorno ambiental ha incrementado los es-fuerzos para simplificar y disminuir el costede los dispositivos y técnicas de medidas. Sehan desarrollado nuevos sensores químicospara la detección de gases. Si bien, losdispositivos actuales presentan tres barrerasfundamentales para su comercialización ydesarrollo:

• El escaso conocimiento de los meca-nismos de detección.

• La falta de selectividad (son sensibles anumerosos gases).

• La baja reproducibilidad de los resul-tados.

Las I+D actuales de los sensores de gasesse centran en dos estrategias:

• Búsqueda de nuevos materiales con altaestabilidad, sensibilidad y selectividad.

• Desarrollo de arrays de sensores.

Un array esta formado por varios sensorescon selectividad parcialmente diferenciada.Si los sensores fuesen muy selectivos sepodría realizar una identificación y cuan-tificación directa sin más que comparar lasrespuestas con los valores estándar decalibración. Sin embargo, dada la falta deselectividad, es necesario el uso de algorit-mos matemáticos para el tratamiento de lasseñales de salida, estos algoritmos reciben elnombre genérico de técnicas de recono-cimiento de patrones (PCA, redes neuronalesy lógica difusa).

Un cierto grado de selectividad se puedeobtener en función de la temperatura deoperación, analizando respuestas transitorias,por la adición de dopantes específicos al gasa detectar, o por el uso de filtros y mem-branas superficiales [5-6]. Sin embargo, labúsqueda de nuevos materiales con elevadasensibilidad, selectividad y estabilidad es elpunto de partida para el desarrollo de unanueva generación de sensores, los nanosen-sores, basados en materiales nanoestruc-turados (óxidos metálicos y nanotubos decarbono).

2.a.- Principios de funcionamiento Los dispositivos actuales para la detec-

ción de gases presentan ciertas limitaciones(tabla 1). La figura 1 muestra los diferentestipos de sensores de gases más utilizados queestán siendo objeto de numerosas investiga-ciones. De este conjunto, los sensoresresistivos son los más interesantes para eldesarrollo de sensores de bajo coste y altasprestaciones, debido a la sencillez de lamagnitud física implicada en la transduccióny su integración en substratos de silicio. Enconcreto, los sensores basados en capas deóxidos metálicos (MOx) constituyen lasopciones dominantes en este momento. Estos


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sensores utilizan capas policristalinas conpequeño tamaño de grano y se basan en lainteracción de las moléculas de gas delambiente con el material. Ello tiene lugar endeterminadas posiciones de la superficie delos granos cristalinos en donde las moléculasgaseosas se enclavan al intercambiar cargaeléctrica con el material.

Otros tipos de sensores más innovadoresy complejos son los gravimétricos ó másicos(sensores de ondas acústicas superficiales ylos resonadores) que están siendo incorpora-dos como sensores de gases por su elevadasensibilidad (tres ordenes de magnitud supe-rior a la de los sensores de tipo resistivo),reducido tamaño y por no precisar decalefacción. Su principio de funcionamientomás común viene dado por una señal defrecuencia, asociada a la frecuencia deresonancia del dispositivo, que a su vez estávinculada de forma casi lineal con la cantidadde masa existente sobre la película sensora.

En los sensores de ondas acústicas su-perficiales (SAW), las ondas acústicas super-ficiales son generadas mediante un par deelectrodos metálicos interdigitados (IDTs)depositados sobre el substrato piezoeléctrico(cuarzo, ZnO). La excitación eléctrica de loselectrodos a una determinada frecuencia pro-duce la propagación de las ondas en la

TIPO DE SENSOR DE GASES LIMITACIONES Instrumentos analíticos Grandes. Consumo elevado

Electroquímicos Condiciones de trabajo limitadas, para detectar determinados gases

Catalíticos Para la detección de hidrocarburos Sensibilidad baja Consumo elevado

Oxido de metal (MOx) Sensibilidad media Consumo elevado en capa gruesa y moderado en capa fina

Polímeros conductores Baja estabilidad y especificidad

Tabla I.- Limitaciones de los dispositivos sensores

Figura 1.- Diferentes tipos de sensores de gases: resistivos, SAW y resonadores


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superficie del substrato desde un IDT a otro.Si en la trayectoria de la onda, entre los dosIDTs, se coloca un material sensible (polí-mero, [7-8]) a la presencia de determinadosgases, la velocidad de propagación se veráalterada y esto producirá cambios en lafrecuencia de operación que puede serfácilmente detectado.

Los sensores resonadores o cantilevers,son estructuras mecánicas que se hacen vibraren alguno de sus modos naturales de vibra-ción. Generalmente consisten en vigas sujetaspor un extremo o por los dos. Son sensibles aseñales físicas o químicas que alteran la ener-gía cinética o potencial de la vibración, modi-ficando la frecuencia de resonancia o surespuesta a la frecuencia de oscilación. Si serecubren con capas activas absorbentes(polímeros) a determinados gases, la modifi-cación de la frecuencia de oscilación permitedeterminar la concentración del mismo.

2.b.- Nanotubos de carbono como sensores de gasesSe ha comprobado que existe una relación

entre las propiedades eléctricas del nanotuboy el tipo de gas o gases presentes en suentorno, lo que confirma su aplicación comosensores químicos para la detección de gases.

La posibilidad de crear minúsculosdispositivos de bajo precio, capaces de con-trolar multitud de parámetros de forma quelos procesos industriales o de la vida coti-diana se hagan más precisos y seguros(conducción vial, detección de contami-nantes, electrodomésticos inteligentes etc.)constituye el inicio de una nueva generaciónde sensores que están todavía en su faseinicial de investigación.

Las grandes ventajas de los nanotuboscomo sensores frente a los dispositivos con-vencionales son [9-10]:

• Elevada sensibilidad, son capaces de de-tectar cantidades de muestra muy redu-cidas (rangos de ppm o ppb) debido a suelevada porosidad que favorece laadsorción del gas.

• Baja temperaturas de detección, en lamayoría de los casos detectan la presenciadel gas a temperatura ambiente o a tem-peraturas no superiores a los 200 °C.

• Elevada selectividad, que les hace espe-cialmente novedosos y afines a la posi-bilidad de manipular la superficie sensoraintroduciendo dopantes o grupos funcio-nales específicos al gas a detectar.

• Reducido tamaño que en un futuro se tra-ducirá en la realización de nanosensores.

• Rápida respuesta y recuperación.

El impulso de este tipo de sensoresayudará a cimentar las bases de una de lasaplicaciones de los nanotubos; y al tiempofavorecerá el avance de los sensores químicostodavía por consolidar debido a la falta deselectividad de los materiales (orgánicos einorgánicos) utilizados hasta el momento.

3.- Limitaciones para el desarrollo de los nanosensoresLa reducción del tamaño de los sensores

ha ido asociada a los avances tecnológicos dela microelectrónica lo que ha permitido com-patibilizar e integrar el dispositivo con elsistema electrónico. La disminución del ta-maño ha supuesto una reducción de costes defabricación y una mejora en las prestacionesy propiedades de los sensores.

Actualmente, la posibilidad de desarrollarsensores más pequeños (nanosensores) estálimitada a los avances tecnológicos.

La manipulación y control de la fabrica-ción a escala atómica y molecular precisa denuevas tecnologías que garanticen fiabilidad,


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precisión y reproducibilidad de los dis-positivos. Muchas de estas tecnologías seestán perfilando a nivel de laboratorio perotodavía no están definidas [11]. Por un ladohay una visión conservadora y continuista, lallamada aproximación “top-down” (de arribahacia abajo), donde se intenta mejorar lasactuales técnicas litográficas utilizadas en lamicroelectrónica, logrando cada vez mayorprecisión al fabricar los constituyentes últi-mos de los dispositivos. La otra alternativamás cercana a la percepción de la nanotec-nología y por tanto más futurista se conocecomo “bottom-up” (de abajo hacia arriba), enla que es factible la utilización de estructurasdefinidas a escala nanométrica de forma ex-presa, ordenada y controlada para obtener de-terminadas propiedades. Dimensiones, cris-talinidad, composición, características de lassuperficies etc. son parámetros que puedenser controlados, dando lugar a nuevos tiposde estructuras con nuevas propiedades. Sinembargo, esta aproximación representa ungran desafío a los conocimientos tecno-lógicos actuales.

4.- ConclusionesLos nanotubos de carbono ofrecen inmen-

sas posibilidades de aplicación. Pero todavíase necesita refinar su producción, controlar sucalidad y poder producirlos a gran escala conlas características deseadas para cada aplica-ción. Su principal inconveniente además depoder controlar la síntesis es encontrar la for-ma de incorporarlos a un sistema nanoelec-trónico que funcione. Estos son los retos parael futuro y se está trabajando intensamente enestos aspectos.

Agradecimientos Al Ministerio de Educación y Ciencia que

financia el proyecto “Aplicación de los Nano-tubos en la I+D de nuevos sensores de Gases”TEC2004-05098-C02-01/MIC

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1.- IntroducciónTradicionalmente, los sistemas de cifrado

han sido feudo inexpugnable de la teoría denúmeros, álgebra numérica, geometría alge-braica, etc. La práctica totalidad de trabajospublicados en este campo aparecen en forosinternacionalmente reconocidos como“Crypto”, “EuroCrypt” o “AsiaCrypt”, asícomo en revistas especializadas en teoría dela información en general y en la criptologíaen particular, tales como “Cryptologia”,“Journal of Cryptology”, “ACM Transac-tions on Information and System Security” o“IEEE Transactions on Information Theory”.

Sin embargo, la inmensa mayoría detrabajos sobre sistemas de cifrado basados encaos se publican en revistas de física espe-cializadas en fenómenos no lineales o revistasde ingeniería eléctrica, como “Physics LettersA”, “Chaos”, “Chaos, Solitons & Fractals”,“Int. J. Bifurcation and Chaos”, “PhysicalReview Series”, “IEEE Trans. on Circuitsand Systems” o “IEEE Int. Symposium onCircuits and Systems”, es decir, en revistasraramente leídas por la comunidad cripto-gráfica tradicional.

Por otro lado, la mayor parte deinvestigadores que proponen nuevos sistemasde cifrado basado en caos ignoran algunas delas premisas más básicas de la criptografía.En consecuencia, los diseños propuestoscarecen de definiciones claras sobre qué es laclave, cuál es el espacio de claves o cómo segeneran claves válidas. Otro aspecto amenudo dejado de lado se refiere a losestudios de seguridad del sistema propuesto,normalmente inexistentes o demasiado inge-nuos. Al margen de la seguridad, la mayoríade criptosistemas basados en caos poseencoste computacional varios órdenes demagnitud mayores que los de la criptografíatradicional.

Como resultado, los criptosistemasbasados en caos se proponen fuera de losforos tradicionales de criptografía donde seacumula el mayor conocimiento sobre estecampo. En su lugar, aparecen publicados enrevistas que, aunque muy respetadas en susrespectivas áreas, nada tienen que ver con lacriptografía, siendo evaluados por árbitrosque nada saben de esta disciplina. Enconsecuencia, aunque no se niega la origina-lidad de los planteamientos de muchos de

Criptografía CaóticaChaotic Cryptography

Gonzalo Álvarez Marañón

Dept. Tratamiento de la Información y Codificación, Instituto de Física Aplicada, CSIC


Resumen.- En este trabajo se repasan algunas de las propuestas más destacadas deaplicación de los sistemas dinámicos no lineales a la criptografía y a las comunicacionesseguras que han ido surgiendo durante la última década.

Abstract.- This works surveys some of the most important proposals of the application ofnon linear dynamical systems to cryptography and secure communications.


-138-Gonzalo Álvarez Marañón

estos criptosistemas, lo cierto es que dejanmucho que desear desde el punto de vista dela seguridad y eficiencia, lo que hace queparezcan infantiles para los criptólogosexpertos. En otras palabras, los criptólogosno manifiestan mayor interés en los cripto-sistemas basados en caos, mientras que losdiseñadores de estos últimos carecen por logeneral del bagaje criptográfico necesariopara proponer diseños con niveles deseguridad aceptables y atraer por tanto elinterés de la comunidad criptográfica.

Alcanzar un cauce de comunicaciónfluido entre la criptografía tradicional y lacriptografía basada en caos aportaría grandesbeneficios a ambos campos. En esta comu-nicación se repasa la evolución de loscriptosistemas analógicos y digitales, rese-ñándose los hitos más destacables y resaltan-do la importancia de las nuevas tendencias.

2.- Breve repaso del cifrado basado en caosDurante la última década han surgido

numerosas propuestas de aplicación de lossistemas dinámicos no lineales a la cripto-grafía y a las comunicaciones seguras. Comoes bien sabido, las señales caóticas presentanalgunas propiedades como sensibilidad a lascondiciones iniciales y a los parámetros,ergodicidad, mezcla, y puntos periódicosdensos. Estas propiedades asemejan las ór-bitas caóticas a secuencias aleatorias, lo quehace suponer que podrían llegar a permitirenmascarar los mensajes. Existen dos enfo-ques generales para el diseño de cifradoresbasados en caos: analógico y digital.

2.1.- Criptosistemas analógicosLa inmensa mayoría de criptosistemas

analógicos basan su funcionamiento en elconcepto de sincronización caótica, mostradapor primera vez por Pecora y Carroll [1]. En

estos sistemas se utiliza una señal portadoracaótica para transmitir el mensaje en una granvariedad de formas. Sin ánimo de exhaus-tividad, las más importantes se explican acontinuación.

2.1.1.- Enmascaramiento caóticoLas primera generación de criptosistemas

caóticos se basaba en sumar la señalanalógica del mensaje aditivamente o me-diante algún otro mecanismo más sofisticadocon la portadora caótica [2]. Se supone que elespectro de la señal portadora caóticaenmascara completamente el de la señal demensaje, de ahí la dificultad de extraer elmensaje original sin el receptor autorizado.Éste debe regenerar la misma señal caóticautilizando una elección de los parámetros deoperación idéntica a la del emisor, de maneraque sea posible deshacer la operación demezcla realizada en emisión y obtener laseñal de mensaje original.

Este tipo de cifrado puede romperseutilizando una gran variedad de métodos,como análisis espectral y filtrado debido aque la señal caótica puede no enmascarar a laseñal de mensaje, mediante aplicaciones deretorno, etc., por lo que se considera total-mente inseguro hoy en día. Otro problema sepresenta como consecuencia de su bajaprotección frente al ruido en el canal.

2.1.2.- Conmutación caótica (Chaos Shift Keying, CSK)En la segunda generación de cripto-

sistemas caóticos, el mensaje se utiliza paraelegir entre dos atractores estadísticamentesimilares [3]. Permite transmitir señales bina-rias mediante la modulación de una portadoracaótica. Cuando se desea transmitir un “0”, setransmite la señal caótica utilizando undeterminado conjunto de parámetros, mien-tras que para transmitir un “1” se utiliza otro


-139- Gonzalo Álvarez Marañón

conjunto de parámetros. El receptor seconfigura con uno de los conjuntos deparámetros, de manera que sincronice conuna de las señales caóticas pero no con laotra, lo que permite discriminar cuándo seestá enviando un “0” o un “1”.

Para romper este cifrado se puedenutilizar igualmente las aplicaciones de retor-no, el análisis de error de sincronización,sincronización generalizada, etc., por lo quetambién se considera totalmente inseguro.

2.1.3.- Modulación caóticaEn el siguiente paso de la evolución, se

diversificó grandemente el modo como semodulaba la señal caótica. El mensaje,normalmente en forma binaria, modula unparámetro del generador caótico en amplitud,frecuencia o fase. Nuevamente, los diferentesejemplos de modulación caótica se han rotode una variedad de formas diferentes, lo quedesaconseja totalmente su uso.

2.1.4.- Enfoque del sistema inverso (Inverse System Approach, ISA)El sistema receptor funciona de forma

exactamente inversa al emisor, el cual estácontrolado por la señal de mensaje, demanera que se pueda recuperar el mensaje[4]. Para que la señal de mensaje originalpueda recuperarse, debe cumplirse que elsistema original y el sistema inverso realicenlas siguientes transformaciones sobre la señalde mensaje en una señal de salida y viceversa.

Para que tenga lugar la sincronizaciónentre ambos sistemas y pueda así recuperarsela señal de mensaje sin errores, el sistemainverso debe poseer un comportamiento asin-tótico único a partir de las condicionesiniciales. Pronto se encontraron debilidadestambién en este enfoque. Los mismos autorespropusieron un nuevo sistema basado enaplicaciones caóticas lineales a trozos (Piece

Wise Linear Chaotic Maps, PWLCM), cuyainseguridad fue asimismo puesta demanifiesto.

2.2.- Criptosistemas digitalesLos criptosistemas digitales basados en

caos, también llamados cifradores caóticosdigitales, se diseñan para operar en softwareen ordenadores digitales. Se utilizan una omás aplicaciones caóticas discretas implan-tadas con precisión finita para cifrar de unaforma u otra. Normalmente, la clave estácompuesta por el punto inicial y el parámetrodel mapa. Estos sistemas no dependen de lasincronización de osciladores caóticos. Den-tro de este grupo existe una inmensa variedadde propuestas dispares, lo que hace muy difí-cil su clasificación. Aun no siendo exhausti-vo, se pueden distinguir los siguientes tipos.

2.2.1.- Cifradores en flujo basados en PRNGs caóticosUtilizan mapas caóticos discretos para

generar una secuencia pseudoaleatoria con laque se mezcla el mensaje en claro, por ejem-plo, bit a bit mediante la operación XOR [5].Hoy en día no se consideran suficientementeseguros.

2.2.2.- Cifradores en bloque basados en la iteración hacia atrásSe parte de una aplicación caótica discreta

y de su inversa (aleatoria), como por ejemplola aplicación tienda. Para cifrar se itera haciaatrás el mapa tienda utilizando un generadorverdaderamente aleatorio para decidir encada caso cuál de los dos posibles valorestomar. A la hora de descifrar, se itera haciaadelante utilizando el mismo valor delparámetro.

Este algoritmo fue criptoanalizado,demostrándose su debilidad en [6]. Poste-riormente se han propuesto otros esquemassimilares.



2.2.3.- Cifradores en bloque basados en la iteración hacia adelanteEstos cifradores se suelen caracterizar por

utilizar mapas bidimensionales para el cifra-do de imágenes [7]. En general, estos diseñosgozan de buenas características de seguridad.Recientemente se han propuesto otros cifra-dores basados en la iteración de mapasunidimensionales, pero sin poseer la mismaseguridad.

2.2.4.- Cifradores caóticos basados en la ergodicidadEsta es una de las categorías más intere-

santes de los nuevos modelos de criptografíabasada en caos que están surgiendo. Todasellas explotan la propiedad de ergodicidad delas órbitas caóticas, esto es, una órbitasiempre terminará visitando cualquier regióndel espacio de fases por pequeña que ésta sea.El primer algoritmo propuesto dentro de estacategoría fue debido a Baptista [8] y utilizabala aplicación logística:

, (1)

El funcionamiento del criptosistema escomo sigue. Se considera que el mensaje atransmitir está escrito en un alfabeto de ssímbolos. Se divide el intervalo [0,1] en otrostantos s sub-intervalos de longitud , aso-ciados unívocamente con los s símbolos.Cada ranura está comprendida en el rango[xmin+(s-1) , xmin+s ], donde s puede tomarcualquier valor, por ejemplo en s = 256. Evi-dentemente, = (xmax-xmin)/s, y el intervalopuede ser una porción del atractor o todo él.Como texto cifrado lo que se utiliza es elnúmero de iteraciones necesarias para que apartir de un valor inicial x0, la órbita seguidapor el sistema (1) caiga en el subintervalocorrespondiente al símbolo a cifrar del textoen claro. Para descifrar un texto, simplementese itera a partir de x0 el número de veces

indicado por el texto cifrado usando el mismovalor del parámetro b. Después de esenúmero de iteraciones, el sistema habrá caídoen una ranura que se corresponderá con elsímbolo inicial que se cifró, lo que permiterecuperar el símbolo original. La clave delsistema está formada por el valor de x0 y elvalor del parámetro b. Para cada nuevosímbolo que se cifra, se elige un nuevo x0

igual al valor de la última iterada del símboloanterior.

Posteriormente, han ido surgiendo nume-rosos diseños que mejoraban la seguridad o elrendimiento del trabajo original de Baptista[9-10]. Todos estos cifrados han sido rotos ose han señalado debilidades en los mismos en[11-12].

Sin embargo, una de las últimas creacio-nes ha sido [13], igualmente basada en eltrabajo original de Baptista, pero con laimportante novedad de asignar exclusiva-mente valores binarios, “0” o “1”, a los dis-tintos subintervalos. De esta manera seaumenta la seguridad, ya que los ataquesanteriores ya no son posibles, y también seaumenta drásticamente la eficiencia, puestoque la velocidad de operación es muchomayor. Esta última aportación se considerauna de las más prometedoras.

Otro tipo de cifradores, que tambiénexplotan la propiedad de ergodicidad aunqueen una forma diferente, son [14-15]. Sinembargo, su seguridad deja mucho quedesear, habiendo sido ambos completamenterotos de diferentes maneras.

2.2.5.- Cifradores en bloque con cajas-S dinámicas caóticasEn esta categoría se enmarcan los

criptosistemas propuestos al estilo de loscifradores de bloque tradicionales, utilizandosistemas caóticos para construir cajas-S que

xn 1+ bxn 1 xn–( )=

ε

ε ε

ε


-141- Gonzalo Álvarez Marañón

posteriormente pueden integrarse dentro deldiseño del cifrador de bloque [16]. Suseguridad fue estudiada por los mismosautores en y aparentemente las cajas-S asígeneradas resultan muy robustas contra elcriptoanálisis lineal y diferencial.

3.- ConclusionesA lo largo de la última década se han

propuesto numerosos criptosistemas basadosen caos. De entre ellos, los analógicos handemostrado ser muy inseguros y pocorobustos al ruido y perturbaciones del canal.La práctica totalidad de diseños publicadoshan sido rotos, lo que hace que no se losconsidere en absoluto seguros.

En cambio, dentro de los sistemasdigitales, se han propuesto una serie dealgoritmos, como algunos ergódicos y losbasados en cajas-S, que sí presentan nivelesde seguridad razonables, si bien su eficienciaresulta todavía muy baja en comparación conlos algoritmos criptográficos tradicionales.

Por consiguiente, todo hace pensar que seseguirá investigando dentro del campo de loscifradores digitales, en detrimento de los ana-lógicos, aparentemente totalmente insegurosy sin perspectivas de mejora.

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1.- IntroducciónEl generador que se analiza tiene un

registro de desplazamiento realimentadolinealmente (LFSR) y su secuencia de golpesde reloj está controlada por un subgeneradorde tipo general (figure 1). La decimación dela secuencia de salida del LFSR se lleva acabo mediante el “binary rate multiplier”.

Si tenemos dos LFSRs de los cuales unoproduce la secuencia de golpes de reloj y elotro está controlado por el primero (figura 2),la secuencia de golpes de reloj es una se-cuencia de enteros pequeños que se produceutilizando k etapas del primer registro. Cadauno de estos enteros determina un salto en lasecuencia de salida del registro controlado.

Criptoanálisis de registros de desplazamiento irregularmente controladosCryptanalysis of Irregularly Clocked Shift Registers

Slobodan Petrovic

NISlab, Department of Computer Science and Media Technology, Gjøvik University College, P.O. box 191, 2802 Gjøvik, Norway

Resumen.- Para determinar el estado inicial de un generador de secuencias pseudoaleatoriasque utiliza el desplazamiento irregular se han definido varios métodos hasta ahora. Ellosutilizan las distancias edit, test de consistencia lineal, descodificación convolucional MAPetc. En esta conferencia se describen y analizan los métodos más importantes de este tipo.Especialmente se analiza la influencia de ruido sobre el procedimiento de la reconstrucciónde la secuencia de golpes de reloj. El foco está en el análisis de eficacia de dichos algoritmosy el nivel máximo de ruido con el que los algoritmos todavía se pueden llevar a cabo en lapráctica.

Abstract.- In order to determine the initial state of a pseudorandom sequence generator thatemploys irregular clocking several methods have been defined so far. They use editdistances, linear consistency testing, convolutional MAP decoding etc. In this lecture themost important methods of this type are described and analysed. Special attention is givento the use of edit distances and the influence of noise on the clock control reconstructionprocedure. The focus is on the study of efficiency of these algorithms and the maximum levelof noise at which their utilisation is still feasible.

Figura 1.- El esquema general del generador analizado

Figura 2.- Un ejemplo del generador analizado.


-144-Slobodan Petrović

Se supone que tenemos dos LFSRs, R1 yR2, con polinomios primitivos de realimen-tación, cuyos grados son m y n, respectiva-mente, lo que significa que el período delprimero es M=2m-1 y del segundo es N=2n-1. R1 es el LFSR que genera la secuencia degolpes de reloj y R2 es el LFSR controladopor esta secuencia. Las k posiciones del R1

determinan la secuencia de enteros de con-trol. Si Ai es el valor del entero determinadopor estas k etapas, entonces la posición de laque se toma el símbolo de salida del autómataestá determinada por la suma

(1)

siendo S la suma de los enteros que se hangenerado antes que el símbolo actual de lasecuencia de salida.

El teorema de Chambers y Jennings [1]determina las propiedades de la secuencia desalida de tal autómata. Si se cumplen lassiguientes condiciones:

Cada uno de los factores primos delperíodo de la secuencia de salida del registroR1 divide el período de la secuencia de salidadel registro R2.

(S,N)=1,

entonces la complejidad lineal y elperíodo de la secuencia de salida son

LC = nM (2)

Per = MN (3)

Las condiciones del teorema se cumplenen el siguiente caso:

M=Ni, i=1,2,… (4)

Los casos especiales importantes delesquema general son los siguientes:

El generador “Stop and go” se consigue silos enteros son 0 ó 1. Entonces, el registrocontrolado sólo hace un desplazamientocuando la secuencia de control es 1 y no des-plaza si es 0. La secuencia de salida del gene-rador “Stop and go” tiene las propiedadesestadísticas malas.

Si los enteros en la secuencia de controlson también 0 y 1 pero con cualquier pulsodel reloj, el registro controlado hace por lomenos un desplazamiento. Este generador sellama “Step 1 step 2”, y tiene propiedadesmejores que el generador “stop and go”.

Otros generadores similares a estos son“Shrinking generator”, “Alternating stepgenerator” y “Self shrinking generator”.

2.- Ataques contra el esquemaSe han utilizado varios ataques contra el

esquema descrito previamente: la descodifi-cación MAP convolucional [2], la desco-dificación list [3] y “linear consistencytesting” [4], así como las distancias edit [5].

La descodificación MAP (MaximumAposteriori Probability) tiene como objetivomaximizar la probabilidad de que se hayatransmitido el símbolo a si se ha recibido elsímbolo z. Johansson et al. [2] han desarro-llado un procedimiento de criptoanálisis degeneradores con desplazamiento irregularutilizando el método de descodificación conMaximum Aposteriori Probability de lossímbolos recibidos en el canal con borrados.Esto es un ataque probabilístico y no siempretiene éxito. Los autores han calculado quecon la probabilidad de error de 0.34, lacomplejidad del ataque es 2102LA, donde LAes la longitud del registro controlado. Siqueremos aumentar la precisión y laprobabilidad de éxito de tal ataque, entoncestenemos que aumentar la complejidad totalrepitiendo algunas veces el mismo ataque

S Ai

i 0=

M 1–

∑=


-145- Slobodan Petrović

pero sobre las partes diferentes de lasecuencia interceptada. Sin embargo, en estecaso aumentamos la complejidad total y ne-cesitamos más secuencia interceptada.

Otra aproximación es la descodificaciónlist [3]. En este ataque se calcula laprobabilidad a posteriori de los bits decontrol, a partir de un segmento conocido dela secuencia de salida. Se asume que el estadoinicial del registro controlado ya se harecuperado de alguna manera, por ejemploutilizando las distancias edit. Las proba-bilidades a posteriori de algunos símbolospueden ser muy próximas a 0 o a 1. Esosignifica que los bits en cuestión sonconocidos. Entonces, el estado inicial delautómata de control se puede recuperarresolviendo el sistema correspondiente deecuaciones lineales. Sin embargo, muchasveces ocurre que las probabilidades encuestión no son ni 0 ni 1. En este caso, lo quese hace en este método es reordenar lasposiciones de los bits interceptados de lasecuencia de salida, según la probabilidaddecreciente y luego se puede encontrar elnúmero suficiente de ecuaciones lineales paraformar el sistema y determinar el estadoinicial del autómata de control. Eso esobviamente la otra aproximación proba-bilística, que tampoco tiene éxito cada vezque se utiliza.

En la aproximación que utiliza el test deconsistencia lineal, si ls es la longitud delLFSR que genera la secuencia de control, seadivinan tantos bits de estado inicial de esteLFSR. Luego se genera la correspondientesecuencia de control y a partir de estasecuencia, teniendo en cuenta los bitsinterceptados de la secuencia de salida, sepuede construir un sistema de ecuacioneslineales cuyas variables son los bits de estadoinicial del LFSR de control. Este sistema

puede ser consistente o no. Hay quecomprobar su consistencia utilizando, porejemplo, el algoritmo de Gauss. Si el sistemaes consistente, se resuelve y lo que seconsigue son los bits de inicialización delautómata que genera los golpes de reloj apartir del cual se puede producir la secuenciainterceptada. Si el sistema no es consistente,simplemente se rechaza y se prueba con otrainicialización del LFSR. En [4], utilizando lasecuencia interceptada del generador, sedemuestra que se puede encontrar unaecuación lineal cíclica a partir del cual todaslas secuencias de salida del registro encuestión son iguales. Si se utiliza estaecuación cíclica, la secuencia de golpes dereloj se puede adivinar cíclicamente, lo quereduce significativamente la complejidadcomputacional del ataque. Es un ataquedeterminístico y su complejidad es propor-cional a la longitud del LFSR que generagolpes de reloj. Sin embargo, hay quedeterminar cómo se comporta este algoritmosi la secuencia interceptada está distorsionadapor el ruido.

3.- La aproximación con las distancias editLo que se necesita para utilizar esta

aproximación es un prefijo de la secuencia desalida suficientemente largo del autómatadescrito previamente. A partir de ella y cono-ciendo los parámetros del generador (el poli-nomio de realimentación del registro contro-lado) es posible determinar un conjunto decandidatos a estado inicial del registro con-trolado. Se utiliza un modelo estadísticoespecial, con la distancia edit restringida. Elmodelo estadístico aparece representado en lafigura 3.



En el modelo estadístico xn es lasecuencia binaria generada por el registro Rsin decimación y dn es la secuencia dedecimación de enteros. La restricción es: losenteros dn son menores o iguales a E. Porejemplo, en los generadores “step 1 step 2”, Ees igual a uno. El bit de salida se consiguemediante la fórmula

(5)

donde bn es la secuencia binaria de ruidoy la probabilidad de uno en la secuencia deruido es menor que 0.5. El criptoanalista tienea su disposición M bits consecutivos de lasuma Y={yn} de la secuencia de salida y elruido. Su tarea es determinar el estado inicialdel generador que produjo estos M bitsinterceptados de la secuencia Y.

La distancia edit se puede calculariterativamente mediante la matriz de distan-cias edit. Los elementos de esta matrizrepresentan la distancia edit restringida entrelos prefijos de las secuencias en cuestión. Enla primera fase del ataque hay que determinarla longitud N de la secuencia de control sindecimación, que se va a utilizar en el ataque.Ella depende de la restricción que se hadefinido. Se puede utilizar la esperanzamatemática de N. Luego se necesita unumbral, para seleccionar los candidatos aestado inicial del registro controlado. Esteumbral se define a partir de las proba-bilidades de la alarma falsa y la de no detectarel suceso, que se dan por adelantado.

Para cada uno de los posibles estadosiniciales del registro controlado, se calcula ladistancia edit entre la secuencia de salida delongitud N y la secuencia interceptada. Losestados iniciales, cuya distancia correspon-diente es menor que el umbral definido soncandidatos a estado inicial del registrocontrolado.

Una vez determinados los candidatos, elataque continúa reconstruyendo la secuenciade golpes de reloj que podría producir lasecuencia interceptada. Esto se lleva a cabomediante una búsqueda de caminos óptimos ysubóptimos de la longitud adecuada en lamatriz de distancias edit. El número de bits dela secuencia de golpes de reloj que se necesitadepende del autómata que genera estasecuencia. Si es un LFSR, necesitamos tantosbits como es la longitud del LFSR. Sea pl lalongitud necesaria de la secuencia de golpesde reloj. Los caminos óptimos en la matriz dedistancias edit son los que empiezan en elrincón inferior derecho y terminan en elrincón superior izquierdo de la matriz y quetienen un peso mínimo - la distancia edit entreellos y la secuencia interceptada. Si no hayruido (ataque de texto claro conocido), essuficiente reconstruir los caminos óptimos.Pero en la presencia del ruido, lo que senecesita además de los caminos óptimos sonlos caminos subóptimos, cuya discrepanciade los óptimos no sobrepasa un umbral dadopor adelantado. Este umbral se ha relacio-nado con el nivel de ruido en el modeloestadístico.

La primera tarea es determinar loselementos en la columna pl a través de loscuales pasan los caminos que empiezan en elrincón inferior derecho. Por eso se handefinido punteros almacenados en las celdasde la matriz. Los punteros determinan lospuntos de los cuales se puede llegar a una

Figura 3.- El modelo estadístico del generador analizado

( ) ( ) K,2,1,0,,0

=+== ∑=

ndnnfxzn

iinfn


-147- Slobodan Petrović

celda de la matriz. A partir de estos puntos sevan reconstruyendo los caminos óptimos ysubóptimos y los subóptimos tienen unadiferencia menor o igual a D, el umbral dadopor adelantado.

Cada uno de los puntos de ramificaciónse procesa enumerando sistemáticamentetodos los caminos que empiezan en él. Uncamino reconstruido se rechaza si en algúnpunto de ramificación su correspondientedistancia edit con la secuencia de salidainterceptada sobrepasa el umbral D.

Con el método que utiliza las distanciasedit, el número en promedio de los caminosreconstruidos es menor que en el caso de laenumeración total de todos los posiblesestados iniciales del autómata que producelos golpes de reloj.

Dado cierto nivel de ruido, el valormáximo de D, Dmax, se ha analizado expe-rimentalmente. La dependencia de Dmax delnivel de ruido y de pl aparece representada enla figura 4.

Con los niveles de ruido relativamentebajos, el umbral Dmax es pequeño, lo quesignifica menos caminos a reconstruir. Ladependencia del valor del umbral de pl esaproximadamente lineal. La dependencia delvalor del umbral de la probabilidad de ruidoes también aproximadamente lineal.

4.- Conclusiones En un ataque con sólo texto cifrado

conocido contra el generador de secuenciaspseudoaleatorias con desplazamiento irregu-lar, se reconstruye el estado inicial del subge-nerador que genera la secuencia de golpes dereloj utilizando un modelo estadístico con lasdistancias edit. Se reconstruyen todos loscaminos óptimos y subóptimos en la matrizde distancias edit y el número de los caminossubóptimos reconstruidos depende da ladiscrepancia máxima de los óptimos dada poradelantado. Esta discrepancia depende delnivel de ruido en el modelo estadístico. Paralos niveles moderados de ruido, hasta 0.35, esfiable llevar a cabo esta reconstrucción.

AgradecimientosEl autor agradece a Dr. Fausto Montoya

Vitini y Dra. Amparo Fúster Sabater delInstituto de Física Aplicada (CSIC) por sucolaboración durante la preparación de estaconferencia.

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Figura 4.- Dependencia de Dmax del nivel de ruido y pl



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1.- IntroducciónEn general, la Biometría es la ciencia

dedicada al estudio estadístico de las carac-terísticas y aspectos cuantitativos de los seresvivos, aunque actualmente se utiliza tambiénpara referirse a los métodos de identificacióny/o autenticación de una persona mediantedeterminados rasgos biofísicos o de compor-tamiento de la misma [1].

Hoy día existen numerosas técnicas bio-métricas ampliamente desarrolladas, o aún en

investigación, entre las que podemos encon-trar las basadas en características biofísicasestáticas como son: huella, iris, cara, mano,voz, retina, oreja, etc, o bien en característicasdinámicas, relacionadas con el comporta-miento, como son: firma, forma de caminar,dinámica de teclado, etc. [1-3]. Cada técnicatiene sus ventajas y sus inconvenientes, y esprácticamente imposible determinar cual esla mejor; la técnica de escáner de retina, porejemplo, es la más fiable pero también es la

Identificación biométrica de personas: un paso más en seguridadBiometric identification: a further step in security

Carmen Sánchez Ávila

Centro de Domótica Integral, Universidad Politécnica de Madrid Departamento de Matemática Aplicada a las Tecnologías de la Información,

ETSI de Telecomunicación, Ciudad Universitaria, s/n, 28040 Madrid


Resumen.- Como es conocido, la importancia de la identificación biométrica de personasestá incrementándose cada día. El objetivo de la biometría es la identificación de una personamediante sus características biofísicas y/o de comportamiento, tales como el iris, la huella,la firma, la voz, etc. Los sistemas basados en tecnología biométrica permiten identificar a lapersona con el fin, por ejemplo, de controlar su acceso a determinadas áreas o servicios deseguridad. Actualmente, es posible encontrar desarrolladas gran cantidad de técnicasbiométricas utilizando diferentes algoritmos. Cada una de ellas tiene ventajas einconvenientes, siendo prácticamente imposible determinar cual de ellas es la mejor sinconsiderar el entorno de aplicación. En este trabajo se presenta el estado del arte y algunosde los sistemas biométricos más desarrollados (basados en iris y huella). El trabajo seconcluye indicando las tendencias y líneas de investigación más importantes en biometría.

Abstract.- As it is well-known, importance of biometric user identification is increasingeveryday. Biometrics deals with identification of individuals based on their biological and/or behavioral features, such as iris, fingerprint, signature, voice, etc. Technologies thatexploit biometrics have the potential application of identifying individuals in order to controlaccess to secured areas or services. Nowadays a lot of biometric techniques are beingdeveloped based on different features and algorithms. Each technique has its strengths andlimitations, not being possible to determine which is the best without considering theapplication environment. In this work, a brief state of the art is presented and some biometricsystems (based on iris and fingerprint) are described. Finally, the more important trends andresearches in biometric will close this work.


-150-Carmen Sánchez Ávila

más intrusiva y provoca el rechazo de losusuarios. La utilización de la geometría dediversas partes del cuerpo humano paradeterminar la identidad de una persona seinició en la época de los antiguos egipcios,aunque se conoce que ya desde hace más de5000 años en China se utilizaba la huelladactilar como forma de firmar las creacionesindividuales [4]. Más cercano a nuestra épocaencontramos el sistema antropométrico deBertillon, de finales del siglo XIX, adoptadoextensamente por los servicios policiales deOccidente. Los detallados estudios de SirFrancis Galton más adelante, sobre la esta-bilidad, unicidad y morfología de la huelladactilar, propiciaron la aparición de losprimeros sistemas biométricos basados enhuella aplicados a la identificación de perso-nas. Esta técnica, parcialmente aceptada porlos usuarios debido a sus implicaciones lega-les, es la técnica más desarrollada hoy en día,derivando actualmente en sistemas automá-ticos de identificación personal mediantehuella, conocidos como AFIS [5-6].

Otra de las técnicas con un importanteauge en los últimos años es el reconocimientopor iris. Los excelentes resultados obtenidoshasta ahora hacen de esta técnica una de lasmás adecuadas para entornos de alta

seguridad [1], [7-8]. Se trata de una técnicano invasiva, ya que únicamente requiere laimagen del ojo (adquirida usualmente me-diante video) y es altamente distintiva decada individuo [7].

Otros sistemas biométricos, actualmentemás desarrollados son los basados en las ca-racterísticas faciales [9], la geometría de lamano [10], la firma [11] y la voz [12-13],entre otros.

En la figura 1 se muestra la cuota demercado de las diferentes tecnologías biomé-tricas durante el año 2004.

2.- Sistemas biométricosDetallamos en este apartado algunos de

los aspectos fundamentales de los sistemas deidentificación biométrica.

2.a.- Esquema de un sistema biométricoEn general, el diseño de un sistema

biométrico es el de un sistema automático dereconocimiento de patrones, por lo que cons-ta de cuatro etapas:

• captura de los datos biológicos (o decomportamiento);

• preprocesado de los datos capturados;

Figura 1.- Cuota de mercado en tecnología biométrica


-151- Carmen Sánchez Ávila

• extracción de características propias delusuario; y

• comparación de las características ex-traídas con el patrón previamente alma-cenado.

No obstante, en el caso particular de unsistema biométrico, es preciso tener en cuentatambién dos importantes elementos: el alma-cenamiento del patrón y la transmisión de losdatos [14].

2.b.- ArquitecturaEn particular, en un sistema biométrico la

última etapa puede configurarse bien comoun:

• Clasificador (reconocimiento biométri-co), en el que las características extraídasse comparan con los patrones de todos losusuarios con el fin de determinar laidentidad del usuario; o bien, como un:

• Verificador (verificación biométrica), enel que la muestra sólo se compara con elpatrón del usuario que dice ser, con el finde autenticar la identidad del usuario.

El reconocimiento se refiere al problemade establecer la identidad de un individuo,identificándole dentro de todos los usuariosdel sistema. Se han de comparar, por tanto,

las características del individuo que setrata de identificar con los patrones de todoslos usuarios reclutados por el sistema. Esteproblema requiere una base de datos depatrones, con los requisitos de capacidad dealmacenamiento y seguridad de los datosoportunos, y la existencia de una red decomunicaciones, siempre en línea, que comu-nique los puestos de identificación con labase de datos.

El problema de la verificación trata deresponder, afirmativa o negativamente, si la

identidad del individuo es la quien dice ser.En este caso, las características del usuariosólo se comparan con las del patrón delindividuo que dice ser, previamente almace-nado. En este caso, el almacenamiento delpatrón puede hacerse en un sistema portátilde información, por lo que no serían nece-sarias ni la base de datos ni la red decomunicaciones.

2.c.- EvaluaciónPara todo sistema biométrico existen tres

tipos de evaluación: tecnológica, del escena-rio y operativa. Respecto a la última, existendiferentes parámetros que miden la eficienciade un sistema, aquí revisaremos dos de ellos:

• Tasa de falsos positivos (FMR, FalseMatch Rate): porcentaje de aceptaciónerrónea de un impostor como usuario delsistema.

• Tasa de falsos negativos (FNMR, FalseNon-Match Rate): porcentaje de veces enlas que se rechaza erróneamente a unusuario del sistema, considerándolo unimpostor.

La gráfica de los dos tipos de errores(FNR vs. FNMR) nos proporciona la cono-cida curva DET (Detection Error Trade-off)de eficiencia del sistema [14] (figura 2).

Otra forma de medir el rendimiento delsistema se realiza atendiendo a las siguientestasas de error:

• Tasa de falsa aceptación (FAR): porcen-taje de veces que se acepta a un intrusocomo usuario del sistema.

• Tasa de falso rechazo (FRR): porcentajede veces que se rechaza a un usuariolegítimo del sistema.

Siendo la tasa de igual error (EER) elpunto para el que FAR=FRR.



3.- Algunos sistemas biométricos A continuación se describen sucintamen-

te dos de los sistemas biométricos queobtienen mejores resultados en la actualidad.

3.a.- Iris ocularLas características anatómicas del iris

humano le confieren propiedades de unicidady estabilidad más altas que la huella dactilar,por lo que puede considerarse esta técnicacomo una importante alternativa a la basadaen huella [7].

El primer sistema biométrico basado en elpatrón de iris ocular fue propuesto porDaugman en 1993 [7], seguido de cerca por eldesarrollado por Wildes et al. [15]. Másrecientemente aparecen otros sistemas basa-dos en la transformada wavelet [8], [16], en elanálisis de texturas [17] y en la transformadade Hilbert [18].

Aunque existen diferentes tipos decaptura de la imagen del iris (figura 3), el cri-terio ampliamente aceptado es que la capturase realice con una cámara de video coniluminación infrarroja.

En todos los sistemas basados en iris elprimer paso es la localización del mismo en laimagen. En [7] por ejemplo, esta operación serealiza utilizando el operador integro-dife-rencial:

(1)

donde Gσ es una función gaussiana e I(x,y) laimagen de entrada. En el sistema [8] sinembargo, se utiliza un algoritmo iterativo debúsqueda del máximo gradiente de inten-sidad, detectando los bordes interno y externodel iris.

La extracción de características se realizaen [7] aplicando un banco de filtros de Gabora la imagen, expresada en coordenadaspolares:

Figura 2.- Ejemplo de curva DET [14].

∫∂∂

∗00

00

,,),,( 2

),()(maxyxr

yxr dsryxI

rrG

πσ



(2)

(3)

donde g{Re, Im} es un bit complejocorrespondiente al signo de las partes real eimaginaria de la respuesta al filtro, obte-niendo un patrón de iris de 2048 bitsdenominado Iris Code (figura 4).

En [8], sin embargo, se utiliza la represen-tación multiescala de cruces por cero de loque se denomina la firma del iris (IS):

(4)

donde IE es la imagen del iris aislado y Ls esla longitud de la secuencia (256 puntos).Aplicando la transformada wavelet diádicadiscreta a IS,

(5)

∫ ∫=ρ φ

φρρθρφρ ddGIg ),(),(sgn Im}{Re,Im}{Re,

2

20

2

20

0

)()()(),( β

θθ

αθθωθ−

−−−

−=jrr

j eeerG

Figura 4.- Iris Code (Daugman [7]).

}0{,)1(22

),cos(1

1

∪∈+

≤≤

+++−

= ∑=

NnL

nLn

rsenyrxIrr

IS

SS

r

rrccE

ie

g

i

πθπ

θθ

Jjdd ISWISS JJ ≤≤122 )((),(

Figura 3.- Diferentes tipos de captura del iris

Jjdd ISWISS JJ ≤≤122 )((),(



Sistema Identificación VerificaciónFAR / FRR

Daugman [7] 99,90 % 0,01 / 0,09 Ma [17] 98 % 0,02 / 1,98 Sánchez [8] 97,89 % 0,03 / 2,08 Tisse [18] 89,37 % 1,84 / 8,79

y su correspondiente representaciónmultiescala de cruces por cero, se obtiene unpatrón de 1024 bits, que resulta de asignar un1 a los valores mayores que 0 y 0 en el resto,considerando .

En ambos sistemas, [7] y [8], se emplea ladistancia de Hamming en la etapa decomparación.

En la tabla 1 se muestran los resultados enidentificación y verificación obtenidos poralgunos de los sistemas biométricos basadosen iris más relevantes, utilizando la base dedatos CASIA.

3.b.- Huella dactilar

Los sistemas biométricos basados en lahuella dactilar constituyen los métodos másantiguos de identificación personal, acep-tados popularmente (aunque con reparos porsu implicación legal) y de fácil imple-mentación [5].

Existe una gran variedad de sensores parala adquisión digital de la imagen de huella,desde sensores ópticos, de tipo capacitivo,termales, hasta los sensores ultrasónicos,quedando prácticamente obsoleta la utiliza-ción de la tinta tradicional.

De entre los métodos más importantesdestacan los basados en las características

locales de la huella (estudio de las minucias)y los basados en texturas y correlación,siendo las técnicas basadas en minucias (finaly bifurcación de crestas) las más desarro-lladas hoy día y de mayor eficiencia, pues sonmenos sensibles a distorsiones en la imagen[5]. En ellas, después de un proceso de realcede la imagen de la huella, el preprocesadocomprende

• Estimación del campo de orientación

• Binarización

• Extracción de la región de interés

• Adelgazamiento y depuración de laimagen

A continuación se extrae el patrón dehuellas (formado por las minuciasdetectadas). La etapa de comparación sueleestar precedida de un algoritmo de alinea-miento de las minucias, que exige ladetección previa de la minucia de referencia[5]. En la figura 5 puede apreciarse esteproceso.

3 j 6≤ ≤

Tabla 1. Resultados algunos sistemas biométricos

Figura 5.- Alineamiento y comparación de minucias



En cuanto a los resultados obtenidos,existen muchos y diversos sistemas comer-ciales que alcanzan tasas de igual error (EER)cercanas al 2% en verificación y al 99% enreconocimiento, con tamaño de patrón queoscilan entre los 31,5Kb y los 300 bytes,según el sistema y la arquitectura empleada[19]. Como vemos, resultados bastanteinferiores a los obtenidos con el patrón de irisocular. Una buena referencia sobre resultadosen verificación mediante huella es la Finger-print Verification Competition [19], quecumplió en 2004 su tercera edición.

4.- Tendencias y líneas de investigación

Aunque en este seminario nos hemos cen-trado en las técnicas unimodales de huella eiris, existen otros muchos sistemas amplia-mente desarrollados basados en cara, mano,voz, etc. Además de la investigación en lamejora de los sistemas biométricos, como esla introducción de diferentes mecanismos dedetección de sujeto vivo, la evaluación delsistema en sí, etc., existen dos tendenciasclaras que describen muy bien las líneasabiertas en investigación de técnicasbiométricas:

• Sistemas biometricos multimodales, quecombinen diferentes técnicas unimodales.

• Sistemas match on card, que permitan elalmacenamiento seguro del patrón bio-métrico, la transmisión segura de losdatos y la verificación de ambos dentro dela propia tarjeta o token biométrico.

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Necesidades de investigación en Nanotecnologia Biomédica para el desarrollo de las regulaciones de control

Biomedical Nanotechnology and Research Needs in Support of Regulation

D.G. Rickerby

Institute for Environment and Sustainability, European Commission,

Joint Research Centre, 21020 Ispra VA, Italy


Resumen.- Se espera que la aplicación de nanotenología biomédica contribuirá al progresode la Medicina, particularmente en el diagnóstico de la enfermedad, en el desarrollo de mate-riales bio-compatibles y en sistemas para la administración de medicamentos. Ya existentécnicas de diagnóstico in vitro empleando biosensores y biochips de ADN. Los adelantosen ingeniería biomédica incluyen nanoestructuras biomiméticas para implantes y técnicas dela ingeniería de tejidos que, potencialmente, permitirán el crecimiento de órganos artificialesy la regeneración del tejido nervioso maltrecho. Sistemas terapéuticos usan nanotubos ynanoparticulas para la administración de medicamentos y como activadores de dianas en lascélulas tumorosas en bajo estado de desarrollo. Es esperable una transformación de la Medi-cina y las Ciencias de la Salud con la convergencia de las ciencias físicas y biológicas via lananotecnología. De cualquier modo, hay una preocupación con respecto a los riesgos queestas tecnologías pueden provocar como impacto ecológico y efectos en la salud debido aluso incontrolado de nanoparticulas en el medio ambiente y en el cuerpo humano. La acepta-ción por la opinión pública de la nanotecnología probablemente depende en gran medida dela percepción de los riesgos asociados a estas tecnologías. Para acelerar la aceptación deestas tecnologías es necesario la modificación de las regulaciones actuales para garantizar laimplementación segura de la nanotecnología en las aplicaciones de las ciencias de la salud.Se recomienda la adopción de precauciones, junto con el uso de datos fiables científicos,para determinar la magnitud verdadera de los riesgos y se identifican algunas necesidades dela críticas de investigación.

Abstract.- It is expected that the application of biomedical nanotechnology will lead toprogress in medical science, particularly in the areas of disease diagnosis, bio-compatiblematerials and drug delivery systems. In vitro diagnostic techniques employing biosensorsand DNA biochips are now available. Advances in biomedical engineering include biomi-metic nanostructures for implants and tissue engineering techniques that will allow, poten-tially, the growth of artificial organs and the regeneration of damaged nerve tissue.Therapeutic systems using nanopowders and nanotubes for drug delivery and anticancerdrugs targeted at tumour cells are under development. The convergence of the physical andbiological sciences via nanotechnology can be expected to transform medicine and health-care. There is concern however regarding the risks of adverse ecological and health effectsdue to nanoparticles dispersed in the environment and in the human body. Public acceptanceof nanotechnology is likely to be strongly influenced by the perception of the associatedrisks. Modifications to the regulatory framework may therefore be required to guarantee thesafe implementation of nanotechnology in healthcare applications. The adoption of aprecautionary approach is recommended, together with the use of reliable scientific data todetermine the true extent of the risks, and some critical research needs are identified.


-158-D.G. Rickerby

1. - Introduction Nanotechnology deals with the applica-

tion of technology at or around the nanometrescale. The main advantage of a nanotech-nological approach is that it allows thefabrication of complex structures at theatomic and molecular level, within the 1 to100 nm length range. The ability tomanipulate the structure of matter on themolecular scale should allow advances in awide variety of applications, including bio-medical technologies and healthcare systems[1-3]. The present paper summarises some ofthe possible benefits that might be expectedto derive from the application of nanotech-nology in the medical device and pharma-ceutical fields. It attempts to address some ofthe most important safety concerns and toindicate how the application of a precau-tionary approach, supplemented by the use ofobjective scientific data, might assist in themonitoring of technical progress and theregulation of medical devices and pharma-ceuticals.

2. - Nanotechnology in Healthcare

Biomedical applications of nanotechnol-ogy can be classified as shown schematicallyin figure 1. Current fields of research includenanoparticles for drug delivery, biomimeticnanostructures based on natural biologicalstructures, electronic-biological interfaces,methods for early detection of disease, mole-cular biotechnology, and scaffolds for tissueengineering [4]. The potential applications ofthis research in the healthcare sector includebiosensors for diagnosis and patient monito-ring, novel types of pharmaceuticals, bio-compatible materials for medical implants,organ and tissue regeneration or replacement,and genetically based diagnostic and thera-peutic methods.

The field of nanobiotechnology isconcerned with biological and chemicalsystems from the molecular to the cellularlevel, biological-material interfaces, bio-electronic systems and techniques fornanofabrication of devices [5]. The molecularcomponents of living organisms, such as pro-teins, lipids and nucleic acids, possessproperties that are determined at thenanometre level, so that cellular processesthemselves are fundamentally nanoscalephenomena.

Natural body tissues are made up ofcomplex architectures of differentiated cellsembedded in an extracellular matrix.Nanotextured surfaces can be used topromote the controlled growth of cells toreproduce as closely as possible thesenaturally occurring structures. Applicationsof nanotextured surfaces include their use asscaffolds for growing nerve cells for neuralimplants, orthopaedic and vascular implants,and as substrates for tissue and organ growth.

The biomaterials in use today aregenerally based on metallic alloys, ceramics,polymers and composites, but increasinglymay also incorporate biological moleculessuch as peptides and proteins to improve theirbiocompatibility or to provide a therapeuticfunction. They are employed in a vast range

MEDICAL DEVICES

Diagnostics Implants

In-vitro In-vivo

ImagingSensors

Intelligent implants

Drugs Drug D li

NANOBIOTECHNOLOGY

MEDICINAL PRODUCTS

Figure 1.- Aplications of nanotechnology in the medical and pharmaceutical areas


-159- D.G. Rickerby

of applications including orthopaedic anddental implants, cardiovascular surgery,tissue engineering and organ replacement,lab-on-a-chip diagnostic devices, andadvanced systems for drug delivery.

Targeted drug delivery techniques arebeing developed using nanopowders todeliver drugs to specific sites within the body[6-8]. Nanoparticles and nanotubes haveextremely high surface-to-volume ratios,which increases the drug uptake. Because thedrug is delivered to the specific site of actionlower doses can be employed, with the resultthat adverse side effects are greatly reducedand the treatment is more efficacious. Thetypes of materials employed includeliposomes, polymers, fullerenes, and ferro-magnetic nanopowders. These may be coatedwith a biocompatible compound to allowpenetration of the cancerous cells withouttriggering a response from the patient'simmune system. Functionalised nanoparti-cles may be used as contrast agents inmedical diagnostic imaging, for examplepositron emission tomography (PET) andmagnetic resonance imaging (MRI).

Biosensors are already employed indiagnostic devices to determine theconcentration of analytes in body fluids.Their principle of operation is either based onoptical phenomena (such as emission orabsorption of light or photochemical pro-cesses), electrochemical reactions, or on thepiezoelectric effect. The most commonapplication at present is minimally invasiveblood glucose measurements, although othertypes of sensor are available for blood gasanalysis, blood pressure and heart ratemonitoring, and metabolic function. Re-search is in progress to develop biosensors tocarry out rapid screening tests for cancer andantigen-antibody reactions to detect viruses.

High throughput systems utilisingbiochips, combined with microarray ormicrofluidic devices, are emerging as animportant new tool in clinical diagnosis andin drug discovery. Their principal advantageis the very small sampling volume incomparison with conventional systems,resulting in a consequent increase in thespeed of analysis and reduction of patientdistress because the sampling procedure isless invasive. Implantable biosensors couldalso be incorporated into therapeutic systemsto control of the administration of the drugwhile simultaneously monitoring the patient'sresponse in real time. The integration of DNAbiochips as the active components inbiosensor systems would revolutionize clini-cal diagnostics by allowing the introductionof personalised treatments designed for theindividual patient.

Developments in the field of humangenomics will lead to an increase in ourunderstanding of the underlying geneticfactors that are responsible for or thatcontribute to the susceptibility to disease.Applications of molecular medicine andmolecular diagnostic techniques can beexpected to increase in the future as theresults of this research come to fruition. Theuse of genetic screening techniques wouldenable identification of persons who have apredisposition to a particular disease andallow the improvement of drug targeting. Theultimate aim is to shift the emphasis from thetreating of disease only when it is clinicallymanifested to its earlier detection andprevention before the patient's health hasdeteriorated to any significant extent. Theseadvances can be expected to lead to asignificant reduction in the costs and anincrease in the quality of healthcare.


-160-D.G. Rickerby

Nanobiotechnology offers the possibilityof improved diagnostic and therapeuticmethods but there are inherent risks in itsapplication, including the accidental ordeliberate release of potentially non-biodegradable nanoparticles, with unknownadverse consequences for human health andthe environment. Relatively little researchhas been undertaken to ascertain the effects ofnanomaterials on living organisms. Investi-gation is required of the toxicity, persistenceand bioaccumulation of manufacturednanoparticles, and their exposure pathways.There is a need for the development ofstandards, metrology and detection methodsfor nanoparticles.

3. - Regulation and Risk Assessment

Regulation is necessary for the approvaland certification of products in order toguarantee their safety. This is especiallyimportant where a high degree of publicconcern exists regarding the possible healthand environmental impacts. The existingregulatory framework for the medical deviceindustry in Europe is structured on threeEuropean Commission Directives: theMedical Devices Directive [9], the ActiveImplantable Medical Devices Directive [10],and the In Vitro Diagnostic Directive [11].Because the Directives are limited to theessential requirements to protect the safetyand health of patients and users and containno specific technical rules, they allowtechnological flexibility for innovation.Among aspects that might contribute to theimprovement of the regulatory frameworkare an increase in support for innovation andcontinual analysis of the impact of regulationon technological progress. Within the scopeof the present regulations no distinction ismade between medical devices anddiagnostic systems based on nanotechnology

and those based on conventionaltechnologies.

An analogous Directive relates toMedicinal Products for Human Use [12]. Amedicinal product is defined as any substanceused for treating or preventing disease oradministered to assist in making a medicaldiagnosis or alter physiological functions, adefinition which would clearly includenanopharmaceuticals even though these arenot specifically mentioned. The definitionsand scope of the Medicinal ProductsDirective were recently clarified by anamendment [13] to take account of theemergence of new therapies and “borderline”drug-device products. Nanotechnology willtend by its very nature to lead to thedevelopment of such hybrid products.

The main purpose of regulation ofmedicinal products is to safeguard publichealth and ensure the safety of products.However it is important that this objective beachieved by means that do not hinder thedevelopment of the pharmaceutical industryor the trade in medicinal products. Risk-benefit assessment of all medicinal productsis carried out when they are first placed on themarket and at any other times the competentauthority deems appropriate. Vigilanceprocedures are in place for reporting adverseincidents due to both pharrmaceuticals andmedical devices.

The precautionary principle [14] shouldbe incorporated within a structured approachto the analysis of risk. The assessment of riskshould be based on the use of reliablescientific data allowing evaluation of theprobability of the occurrence of an event andits likely effects. A decision to apply theprecautionary principle may be appropriate ifthere appear to be reasonable grounds for


-161- D.G. Rickerby

concern, even where the available scientificevidence is not sufficient to ascertain howsevere the risk is or to quantify the potentiallydetrimental effects to the environment and onhuman health. A higher degree of risk mightbe considered acceptable in certain casesprovided the benefits of a new technology aregreat enough to outweigh the known hazards,while a greater level of risk might be toleratedin the case of patients suffering from severe,chronic or incurable conditions that are notresponsive to conventional treatments.

New scientific developments must beclosely monitored in order that the regulatoryframework can be updated when necessary.Regulatory bodies should reassess theexisting regulations to see if these areappropriate to protect humans and theenvironment against the risks ofnanotechnology and how to address anyomissions. The regulation applicable to bothmedical devices and medicinal productsshould be reviewed to ensure that particlesize and chemistry are properly taken intoaccount when investigating possible adverseside effects. Additional revision of theregulations may prove necessary in the lightof new scientific evidence regarding theenvironmental and health effects ofnanoparticles.

4. - Conclusion

The application of nanotechnology in thebiomedical field can be anticipated to resultin improved healthcare and increasedefficacy and cost effectiveness of medicaltreatments. Potential fields of applicationinclude biocompatible and biomimetic mate-rials, implantable biosensors, drug deliverysystems, tissue engineering, and geneticdiagnostic and therapeutic methods. Thetechnical advances raise important questions

about health and environmental impacts. Amajor concern is the toxicity of nanoparticlesintroduced into the human body or releasedinto the environment.

The existing regulatory frameworkappears sufficiently flexible to cope withnanotechnology at the present stage ofdevelopment but continuous review of theregulations will be necessary to determinewhether they are adequate to protect humanhealth and the environment. Modification ofthe regulations may be required as scientificevidence emerges on the effects ofnanoparticles in the environment and onliving organisms. The following key researchpriorities in support of regulation can beidentified:

• technology impact assessment, includingevaluation of the health and environ-mental effects;

• development of standards and metrologyin the nanotechnology field;

• methods for the detection of nano-particles, determination of their persis-tence in the environment and identi-fication of exposure pathways;

• investigation of toxicological propertiesof nanoparticles in relation to chemistry,size and surface area, and bioac-cumulation.

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Radiometría de precisión para el sensado remoto en el rango spectral del visible y del infrarrojo próximo

Accuracy in Radiometry for Space-Based Remote Sensing in the Visible to Short Wave IR

Edward Zalewski

College of Optical Sciences

University of Arizona, Tucson, Arizona

Abstract.- Remote sensing has evolved from simply acquiring images of objects on theground using an imaging sensor on orbit, to using more sophisticated techniques to obtaindetailed interpretations of the objects in the images. The accuracy of these interpretationsis important with regard to our understanding of the Earth; its oceans, atmosphere, landand, in particular, the biosphere in which we live. In order to achieve accuracy in theinterpretation of these images, an accurate absolute spectral radiometric calibration of thesensor needs to be carried out before the instrument is launched into orbit. It is furthermorevery important that the radiometric calibration be stable through the violent changes thatoccur during the launch and that the calibration remain stable in a harsh space environmentthroughout the time on orbit, which is often more than five years. I will discuss some of therecent improvements in radiometric calibration, the methods devised to overcome thechanges that occur during launch and the methods to assure that the absolute radiometriccalibration is stable during the entire mission.

Óptica adaptativa: de los telescopios al ojo humanoPablo Artal Soriano

Laboratorio de Óptica

Departamento de Física, Universidad de Murcia

Resumen.- Las técnicas de óptica adaptativa permiten la corrección del frente de onda paraproducir mejores imágenes. Estas tecnologías se aplicaron inicialmente en los grandestelescopios para eliminar el efecto de la turbulencia atmosférica. En la última década, varioslaboratorios en el mundo, incluyendo el nuestro, han desarrollado estas técnicas para suaplicación en el ojo. Mediante la medida y corrección de las aberraciones del ojo es posibleobtener imágenes de alta resolución de la retina y realizar nuevos experimentos en Visión.En este seminario se mostrará el estado actual del campo con ejemplos de experimentos enmarcha en nuestro laboratorio.

Focalización y Colimación de Luz por Láminas Delgadas Metálicas Nicolás García García

Laboratorio de Física de Sistemas Pequeños y Nanotecnología, CSIC

Resumen.- Hoy en día está de moda la idea de focalización y colimación de luz pormateriales nanoestructurados, o lo que es lo mismo por materiales fotónicos, y los másrecientemente, para radiación electromagnética, en el rango de las microondas, materiales“left-handed”. En este seminario vamos a mostrar que la focalización y la colimación de laluz pueden conseguirse por láminas delgadas metálicas, sin estructura alguna. Cuando laradiación incidente coincide con la frecuencia del plasma se tiene el mayor efecto.

Además veremos que a esta frecuencia la luz se mueve a la velocidad del sonido. Este casoes especialmente intenso cuando la lámina es de aluminio y la radiación de 82 nm de longitudde onda.

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