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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
 Introducción
ORGANIZACIÓN
 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 electrónhueco, 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:

1 
P  χ(ω,N)E
εo
t
con N (t )   G(t ' )e(t t ') / T dt ' y G(t ' )  I (t ' )  I 2 (t ' )
1
… 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

n  2 / no   / o  
2
y
-transiciones banda-banda
- transiciones de excitones
  dn / dN  (2 / n0 )  / o  
2
=: momento dipolar eléctrico, o=: frecuencia de transición central
Y para compuestos semiconductores:   3x10 17 T 1 2 J
J(2hw)=: función de resonancia adimensional
n  n(N)

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 aB
- Plasma Electrón-Hueco EHP
3 c
B p
a n 1
… 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
 + exc  transición
biexcitón  pico en Im{k} a
abs
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
 Interés en semiconductores
- belleza física
- aplicaciones en tecnología
 Aplicaciones presentes diodos, transistores, tiristores
 Importancia en manejo de datos y procesamiento:
- transmisión de señales ópticas
- “computación óptica”
 Ingredientes esenciales
- memorias ópticamente biestables
- switches
- moduladores
 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 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