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

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

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

3 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)

4 Breve repaso de semiconductores

5 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: Efectos de Alta Excitación y Óptica No Lineal con y

6 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

7 Índice de Refracción - las contribuciones principales y -transiciones banda-banda - transiciones de excitones =: momento dipolar eléctrico, o =: frecuencia de transición central Y para compuestos semiconductores: J(2 hw)=: función de resonancia adimensional ó n I N.

8 … Efectos de Alta Excitación y Optica No Lineal Escenario general (multi-partículas en el sist pares e-h): - 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 n p c - radio de Bohr a B - Plasma Electrón-Hueco EHP - propiedades ópticas determinadas por pares e-h - formación de BEC

9 … Efectos de Alta Excitación y Óptica No Lineal Ge ([T 1 ]=ms ) lámpara incandescente CuCl 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., GaAs

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

11 … 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

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

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

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

15 ... 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

16 Conclusiones >Las opciones más viables son los sistemas híbridos mezcla de componentes ópticos y electrónicos. >Lo que queda es seguir estudiando las propiedades ópticas de los semiconductores y buscar nuevas alternativas para 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.

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

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