I N A O E Nolinealidades en Semiconductores

I. N. A. O. E. Nolinealidades en Semiconductores Zulema Navarrete Meza Óptica No Lineal Profesor: Dr. Carlos G. Treviño Palacios Viernes; Julio 09, 2004

ü Introducción ORGANIZACIÓN ü Breve repaso de semiconductores ü Efectos de Alta Excitación y Óptica No Lineal ü Aplicaciones ü Conclusiones ü Bibliografía y Consulta

Introducción Las nolinealidades ópticas de los semiconductores son consecuencia de multi-partículas o de efectos de renormalización que ocurren bajo alta excitación. Existen dos contribuciones principales debido a la absorción no lineal (Im (3)): absorción de dos fotones (TPA) y efecto Stark óptico. Las aplicaciones principales surgen de la biestabilidad óptica de los dispositivos semiconductores, principalmente: ”Computación óptica” y dinámica no lineal (sistemas sinergéticos)

Breve repaso de semiconductores

Efectos de Alta Excitación y Óptica No Lineal ¨ En los procesos de segundo y tercer orden ( (2), (3)) deben conservarse el momento y la energía entre los estados inicial y final. ¨ Los fenómenos ópticos nolineales involucran modificaciones de propiedades ópticas por especies excitadas en forma incoherente o real, e. g. , pares electrón-hueco, excitones, o fonones. ¨ Esas especies tienen tiempos de vida finitos T 1 que pueden ser del orden de ns a ms, por esto sus densidades N no siguen de manera instantánea el campo de luz incidente aunque dependen del rango de generación medida por una función decayente de manera exponencial; entonces se tiene: con y

… Efectos de Alta Excitación y Óptica No Lineal ¨ Las nolinealidades ópticas son aún llamadas efectos de alta excitación, de alta densidad o de multi-partículas, debido a que las nolinealidades ópticas pueden observarse bajo alta excitación (especialmente con luz láser), estas son debidas a la interacción entre esas partículas. ¨ Los cambios de las propiedades ópticas bajo fuerte iluminación son también conocidos como efectos de renormalización.

… Efectos de Alta Excitación y Óptica No Lineal Índice de Refracción - las contribuciones principales -transiciones banda-banda - transiciones de excitones y =: momento dipolar eléctrico, o=: frecuencia de transición central Y para compuestos semiconductores: J(2 hw)=: función de resonancia adimensional ó n I N .

… Efectos de Alta Excitación y Optica No Lineal Escenario general (multi-partículas en el sist pares e-h): - propiedades ópticas determinadas por pares e-h - formación de BEC - esparcimiento ineslástico - ensanchamiento colisional de resonancias - nuevas bandas luminiscentes - aumento de absorción inducida, o a amplificación óptica - transisición excitón a biexcitón - efecto Stark óptico o de ac - nolinealidades fototérmicas - densidad crítica npc - radio de Bohr a. B - Plasma Electrón-Hueco EHP

… Efectos de Alta Excitación y Óptica No Lineal • Ge ([T 1]=ms ) lámpara incandescente • Cu. Cl potencias de bombeo de GW/cm 2 aplicadas por unos cuantos ps • Haluros de cobre modelados para fenómenos biexcitónicos • Compuestos II-VI posición intermedia EHP bien observado en materiales de brecha indirecta debido a los largos tiempos de vida de los portadores de carga, e. g. , Ge EHP mejor observado en materiales de brecha directa con grandes radios de Bohr excitónicos, e. g. , Ga. As

… Efectos de Alta Excitación y Óptica No Lineal TPA (Two-Photon Absorption) ü Im{k} 0 lejos de resonancia del excitón ü+ transición biexcitón pico en Im{k} a con una fuerza de oscilador que aumenta con hwexc, efecto óptico no lineal

… Efectos de Alta Excitación y Óptica No Lineal Efecto Stark Óptico o de AC ESO: - proceso coherente - corrimiento de la resonancia de excitón causado por el E de la luz incidente - debido a la repulsión de niveles cercanamente energéticos

… Efectos de Alta Excitación y Óptica No Lineal EHP en Semiconductores de Brecha Directa Corrimiento en la absorción de borde en Cd. S, Cd. Se, y Cd. S 1 -x. Sex bajo alta excitación como función de la temperatura

Aplicaciones: Biestabilidad Óptica Ö Interés en semiconductores - belleza física - aplicaciones en tecnología Ö Aplicaciones presentes diodos, transistores, tiristores Ö Importancia en manejo de datos y procesamiento: - transmisión de señales ópticas - “computación óptica” Ö Ingredientes esenciales - memorias ópticamente biestables - switches - moduladores Ö Aplicaciones - “computación óptica” - dinámica no lineal o sistemas sinergéticos

. . . Aplicaciones: Biestabilidad Óptica Computación Óptica Biestabilidad óptica de algunos elementos

. . . Aplicaciones: Biestabilidad Óptica Computación Óptica Ventajas Desventajas - más eficiencia que computadoras electrónicas - masivo manejo de datos en paralelo - amplificación de señales ópticas a altas difícil - velocidad y consumo de potencia de switches

Conclusiones >Las opciones más viables son los sistemas híbridos mezcla de componentes ópticos y electrónicos. >Lo queda es seguir estudiando las propiedades ópticas de los semiconductores y buscar nuevas alternativas para el desarrollo de componentes todo ópticos. >Todas las cuasipartículas manejadas aquí no son exclusivas de los semiconductores, también están presentes en el resto de los materiales.

Bibliografía y Consulta ü Semiconductor Optics; C. F. KLINGSHIRN. Ed. Springer; Alemania, 1997. ü Optical Nonlinearities and Instabilities in Semiconductors; Hartmut HAUG. Ed. Academic Press; E. U. A. , 1988. ü www. elec. gla. ac. uk/ groups/opto/ ü Solid State Electronic devices; Ben G. STREETMAN. Ed. Prentice Hall; E. U. A. , 1980. ü The nonlinear optics of semiconductor lasers, N. G. BASOV. Nova Science Publishing; vol. 166; E. U. A. , 1987