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

ORGANIZACIÓN Introducción Breve repaso de semiconductores Efectos de Alta Excitación y Óptica No Lineal Aplicaciones Conclusiones 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 T1 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  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 .

… 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 npc radio de Bohr aB Plasma Electrón-Hueco EHP propiedades ópticas determinadas por pares e-h formación de BEC

… Efectos de Alta Excitación y Óptica No Lineal Ge ([T1]=ms )  lámpara incandescente CuCl  potencias de bombeo de GW/cm2 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

… 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 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 CdS, CdSe, y CdS1-xSex bajo alta excitación como función de la temperatura

Aplicaciones: Biestabilidad Óptica - belleza física - aplicaciones en tecnología Interés en semiconductores Aplicaciones presentes diodos, transistores, tiristores Importancia en manejo de datos y procesamiento: Ingredientes esenciales Aplicaciones - transmisión de señales ópticas - “computación óptica” - memorias ópticamente biestables - switches - moduladores - “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 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.

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