One–dimensional photonic crystals with semiconducting constituents: the effects of the absorption mechanisms

J. Manzanares–Martinez and F. Ramos–Mendieta

Departamento de Investigación en Física de la Universidad de Sonora, Apartado Postal 5–088, Hermosillo, Sonora 83190, México, e–mail: jmanza@cajeme.cifus.uson.mx; framos@cajeme.cifus.uson.mx

Recibido el 12 de octubre de 2007
Aceptado el 9 de agosto de 2008

Abstract

We have calculated the photonic band structure and the optical properties of two periodic layered systems, air/LiTaO₃ and air/InSb, with the dielectric constant of the semiconducting medium taking into account the phononic contributions. Intrinsic electron and hole densities are also considered for the InSb. In addition to the photonic gaps originated by the structural configuration and the dielectric contrast (gaps by diffraction), there exist photonic gaps of metallic (polaritonic) behavior that appear at two frequency regions, just above the transverse phononic frequency and below the effective plasma frequency. We have found that the absorption mechanisms give rise to inflexion points in some bands – the curve of dispersion returns without reaching the Billouin zone limit. An infinite concentration of non–dispersive bands is found below the polaritonic gap when the absorption is neglected. However, with realistic absorption such infinite series of flat bands disappears, giving place to a finite number of dispersive bands.

Keywords: Photonic band gap; polaritonic; photonic structure; semiconductor.

Resumen

En este trabajo presentamos un estudio sobre la Estructura de Bandas Fotónicas y las propiedades ópticas de dos sistemas multicapas distintos, aire/LiTaO3 y aire/InSb, para los cuales la constante dieléctrica del medio semiconductor toma en cuenta las contribuciones fonónicas. Las densidades intrínsecas de electrones y huecos son consideradas para el InSb. Además de las bandas fotónicas prohibidas originadas por la estructura geométrica y contrastes dieléctricos (brechas por difracción) existen bandas fotónicas prohibidas debido a la naturaleza metálica (polaritónica) de los componentes semiconductores. Estas brechas existen en dos regiones de frecuencias, a valores mayores de la frecuencia de resonancia fonónica y para valores menores de frecuencia de plasma efectiva. Hemos encontrado que los mecanismos de absorción dan lugar a puntos de inflexión en algunas bandas los cuales no llegan al límite de la primera zona de Brillouin. Por otra parte, para el caso en que no existe absorción, hemos encontrado una concentración infinita de bandas no dispersivas. Estas bandas están por debajo de la banda prohibida polaritónica. Sin embargo, cuando se considera un sistema realista en donde se incluyen los efectos de absorción del material semiconductor, la dispersión en las bandas da lugar a un número finito de bandas.

Descriptores: Brecha de banda fotónica; semiconductores; estructura fotónica; polaritones.

PACS: 42.70.Qs; 41.20Jb; 42.25.Bs; 71.36,+c

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Acknowledgments

This work has been supported by CONACyT México, Grants 24051 and 90211.

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