En este trabajo se investigaron las propiedades ópticas lineales y no lineales de diversos materiales nanoestructurados, enfocados en sistemas diseñados para mejorar las no linealidades de tercer orden con aplicaciones en fotónica integrada y ultrarrápida. Se estudiaron dos plataformas materiales: (i) Materiales Hiperbólicos (HMM) metal–dieléctrico diseñados con un punto de permitividad casi cero (ENZ), y (ii) películas delgadas de nitruro de silicio (Si_xN_y) con distintas estequiometrías. Para los HMM, se diseñaron estructuras multicapa basadas en Ru/TiO₂ y Au/TiO₂ utilizando la Aproximación de Medio Efectivo (EMA), con el fin de ajustar su punto ENZ alrededor de 800 nm, donde se espera una mejora significativa de la respuesta no lineal. Se tomaron dos caminos distintos: para las muestras Ru/TiO₂ se usó una fuente de luz sintonizable para estudiar la dependencia de la frecuencia de la respuesta no lineal; se diseñaron multicapas Au/TiO₂ con diferentes puntos ENZ, cambiando las condiciones de resonancia. Las muestras fueron fabricadas en colaboración con el CNyN-UNAM y la Université de Technologie de Troyes. Sus propiedades lineales se caracterizaron mediante espectrofotometría, elipsometría espectroscópica y microscopía electrónica, revelando desviaciones en espesores y morfología metálica que influyen de manera crítica en la posición del punto ENZ. Las mediciones no lineales mediante la técnica de z-scan mostraron una clara mejora en el índice de refracción no lineal cerca de la longitud de onda ENZ, así como la presencia de contribuciones térmicas, las cuales fueron aisladas empleando un chopper de alta frecuencia. La segunda plataforma está constituida por películas delgadas de nitruro de silicio fabricadas mediante técnicas de sputtering en colaboración con CICESE, CNyN, y por depósito químico asistido por plasma en la University of Southampton. Se caracterizó un conjunto de muestras con diferentes valores de índices de refracción para evaluar cómo los parámetros de síntesis afectan su respuesta no lineal por medio de la estequiometría, estados de agregación, entre otros. Las mediciones z-scan revelaron un índice de refracción no lineal positivo, con variaciones espaciales y composicionales directamente relacionadas con las condiciones de fabricación. Estos resultados confirman el potencial del Si_xN_y para dispositivos fotónicos no lineales, incluyendo guías de onda para generación de fotones correlacionados y procesamiento ultrarrápido de información. En conjunto, los resultados obtenidos demuestran que los nanolaminados metal–dieléctrico diseñados para presentar comportamiento ENZ y las películas delgadas optimizadas de nitruro de silicio constituyen plataformas prometedoras para el refuerzo de efectos ópticos no lineales, con aplicaciones relevantes en fotónica integrada, espectroscopía ultrarrápida y fotónica cuántica.

In this work, the linear and nonlinear optical properties of several nanostructured materials were investigated, focusing on systems engineered to enhance third-order nonlinearities for applications in ultrafast and integrated photonics. Two material platforms were studied: (i) metal–dielectric Hyperbolic Metamaterials (HMM) with Epsilon-Near-Zero (ENZ) behavior, and (ii) silicon nitride (Si_xN_y) thin films with different refractive index. For the HMM, metal-dielectric multilayered structures based on Ru/TiO₂ and Au/TiO₂ were designed using the Effective Medium Approximation (EMA) to tailor the position of the ENZ wavelength near 800 nm, where enhanced nonlinear responses were expected. Two approaches were taken: for Ru/TiO₂ we used a tunable light source to explore the frequency dependence of the nonlinear response; for Au/TiO₂ we designed different samples with different ENZ points, hence changing the resonance conditions. The samples were fabricated through collaborations with CNyN-UNAM and the Université de Technologie de Troyes. Their linear optical properties were characterized via spectrophotometry, spectroscopic ellipsometry, and electron microscopy, revealing deviations in layer thicknesses and metal morphology that significantly influence the ENZ position. Nonlinear optical measurements performed with the z-scan technique demonstrated clear enhancement of the nonlinear refractive index near the ENZ wavelength, as well as the presence of thermal contributions, which were isolated using a high-frequency chopper. Spectral z-scan studies confirmed a strong wavelength dependence consistent with ENZ-induced field enhancement. The second material platform consists of silicon nitride thin films fabricated through magnetron sputtering in collaboration with CICESE, CNyN, and Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition at the University of Southampton. Samples with different refractive index values were characterized to determine how synthesis parameters influence their nonlinear response through stoichiometry, aggregation states, etc. Z-scan measurements revealed a positive nonlinear refractive index, with spatial and compositional variations directly correlated to deposition conditions. These results confirm the suitability of Si_xN_y for nonlinear photonic devices such as waveguides for correlated photon pair generation and ultrafast signal processing. Overall, the results validate that ENZ-engineered metal–dielectric multilayers and properly optimized silicon nitride thin films both constitute promising platforms for enhancing nonlinear optical effects, with potential applications in integrated nonlinear optics, ultrafast spectroscopy, and quantum photonics.