I.N.A.O.E. Nolinealidades en Semiconductores Zulema Navarrete Meza Óptica No Lineal Profesor: Dr. Carlos G. Treviño Pala

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. con y 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:

6. … 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. 

7.  ó n  I  N . • … 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

8. 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 aB • Plasma Electrón-Hueco EHP … Efectos de Alta Excitación y Optica No Lineal Escenario general (multi-partículas en el sist pares e-h):

9. … 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

10.  • 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 TPA (Two-Photon Absorption)

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 CdS1-xSexbajo alta excitación como función de la temperatura

13. 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

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

15. 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 ... Aplicaciones: Biestabilidad Óptica Computación Óptica

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, 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