On the coupling of size–quantized excitons with light in one–dimensional dielectric–semiconductor photonic crystals

B. Flores–Desirenaª, R. Márquez–Islasª, N. Atenco–Analco^b and F. Pérez–Rodríguez^c

ª Facultad de Ciencias Físico Matemáticas, Benemérita Universidad Autónoma de Puebla, Apartado Postal 1152, Puebla, Pue. 72000, México.

^b Escuela de Ciencias, Universidad Autónoma Benito Juárez de Oaxaca, Av. Universidad S/N, Ex–Hacienda de Cinco Señores, Ciudad Universitaria, Oaxaca de Juárez, Oax., 68120, México.

^c Instituto de Física, Benemerita Universidad Autónoma de Puebla, Apartado Postal J–48, Puebla, Pue. 72570, México, e–mail: fperez@sirio.ifuap.buap.mx

Recibido el 15 de julio de 2008
Aceptado el 30 de agosto de 2008

Abstract

The optical properties of exciton polaritons in one–dimensional photonic crystals are theoretically investigated. The periodic photonic structure is formed by two alternating layers, namely a local dielectric layer and a thin semiconductor one which is characterized by a nonlocal excitonic dielectric function. We calculate reflectivity spectra for one–dimensional MgO–CuCl photonic crystals, which exhibit a rich resonance structure because of the optical manifestation of size–quantized excitons. We study the changes in the resonance structure as the thickness of the thin semiconductor layer is varied. It is found that odd quantized–exciton modes are well manifest in the optical spectra in comparison with even states. We have also investigated the effect of both homogeneous bulk damping and interface–induced broadening upon the reflectivity resonances. The broadening due to interface disorder is calculated with the self–consistent Green's function method.

Keywords: Exciton; semiconductor nanostructures; photonic crystals.

Resumen

Se estudian teóricamente las propiedades ópticas de polaritones excitónicos en cristales fotónicos con periodicidad unidimensional. La estructura periódica está formada por dos capas alternantes, a saber, una capa dieléctrica local y una capa semiconductora delgada que se caracteriza por una función dieléctrica no local. Calculamos espectros de reflectividad para un cristal unidimensional de MgO–CuCl el cual exhibe una estructura de resonancias debido a la manifestación óptica de excitones cuantizados en tamaño. Estudiamos los cambios en la estructura de resonancias conforme el espesor de la capa semiconductora delgada se varía. Se encontro que los modos impares de excitones cuantizados se manifiestan bien en los espectros ópticos en comparación con los estados pares. Hemos investigado también el efecto que tiene tanto el amortiguamiento de bulto homogéneo como el inhomogéneo inducido por las interfaces, sobre las resonancias de reflectividad. El ensanchamiento debido al desorden interfacial se calcula con el método autoconsistente de la función de Green.

Descriptores: Excitón; nanoestructuras semiconductoras; cristales fotónicos.

PACS: 71.35.–y; 78.20.–e; 78.66.–w; 78.67.–n; 78.67.De

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Acknowledgments

This work was partially supported by CONACYT (grant SEP–2004–C01–46425) and VIEP–BUAP (Grants 35/EXC–08/I and 96/EXC–09/G).

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