Фотонный кристалл

Фотонные кристаллы: материал для ознакомления

Фотонный кристалл

Материал из Department of Theoretical and Applied Mechanics

Источник

Все большее число специалистов видят в фотонных кристаллах будущее оптической связи, а некоторые — и вычислительной техники вообще. Если использовать для передачи сигналов не электрический ток, а свет, то есть надежда достичь тактовых частот порядка 1000 ГГц.

В 1998 году западные информационные агентства сообщили, что в лаборатории Sandia National Laboratories, принадлежащей американскому Департаменту энергетики, разработана новая „светоизгибающая“ (light bending) технология, которая в недалёком будущем найдёт применение в телекоммуникационных сетях.

Микроскопическая трёхмерная структура (получившая название фотонной решётки) создана на основе кремния и позволяет передавать когерентный свет в оптическом диапазоне длин волн с минимальными потерями.

Эффективность передачи составляет 95 процентов, что значительно превосходит показатель стандартных светопередающих сред (около 30 процентов), используемых в настоящее время. При этом можно направлять лучи по сложной траектории, содержащей „изгибы“, практически под прямым углом в заданную точку.

Решётка представляет собой пачку тонких кремниевых двухмерных дифракционных решёток, каждый слой которой повёрнут на 90 градусов относительно соседнего. Для создания работающей „фотонной решётки“ достаточно десяти таких слоёв.

При взгляде через микроскоп фотонная решётка похожа на подготовленный костёр, сложенный „колодцем“. Она обладает уникальной способностью изгибать траекторию световых волн определённой частоты практически в любом направлении и практически без потерь. Это изобретение может привести к существенному прогрессу в области телекоммуникаций и оптических компьютеров.

Решётка из перекрёстных диэлектрических полосок является „идеально“ отражающей средой для световых волн определённого диапазона частот, который называется „запрещённой зоной“.

Световые волны этого диапазона не могут распространяться внутри решётки, а при наличии внутри неё полостей или нерегулярностей оказываются „захваченными“ такими „ловушками“. Создавая цепочки нерегулярностей, можно формировать световедущие каналы, при помощи которых открывается возможность изменять направление световых волн даже на острые углы.

Потери на изгиб в таких устройствах практически отсутствуют, а радиус изгиба в пять-десять раз меньше, чем в использующихся сейчас устройствах интегральной оптики.

Идея фотонной решётки была предложена ещё в 1987 году Эли Яблоновичем, работающим сейчас профессором в Калифорнийском университете. Первый фотонный кристалл размером с бейсбольный мяч был создан в 1990 году, он управлял микроволновым излучением.

Тогда же был создан кристалл размером уже с шарик для пинг-понга (в университете штата Айова), он тоже работал в микроволновом диапазоне. Первые кристаллы-решётки собирались вручную из обычных металлических иголок.

В том же направлении работала и группа Иоаннопулоса в Массачусетсском технологическом институте.

Главное достижение лаборатории Sandia — технологический прорыв в область нанометровых трёхмерных структур. Об открытии было объявлено 16 июля1998 года, оно запатентовано, есть уже предложения от крупных промышленников, готовых организовать коммерческое производство.

Современные решётки, созданные там Шоном Лин и Джимом Флеммингом, успешно работают в инфракрасном диапазоне (длины волн около десяти микрон). Мало того, исследователи не останавливаются на достигнутом и изготавливают решётку для полуторамикронных длин волн — именно в этом диапазоне сегодня передаётся информация по волоконно-оптическим кабелям.

„У меня нет сомнений в том, что группа Лина добьётся успеха ещё в этом году“, — говорит профессор Вильнев из Массачусетсского технологического института.

Такая уверенность основана на том, что в лаборатории Sandia очень развита технология изготовления микроструктур из кремния, похожая на ту, что обычно используют при производстве компьютерных чипов. Многослойная кремниевая „вафля“ покрывается двуокисью кремния, затем в нём процарапываются канавки, которые заполняются полисиликоном.

Слой полируется, и на него накладывается следующий с полосками в перпендикулярном первым направлении. После построения десятка или более слоёв двуокись кремния вытравляется при помощи кислоты, и остаётся объёмная решётка из полисиликоновых полосок толщиной 1,2 микрона и высотой 1,5 микрона с расстоянием между ними в 4,8 микрон.

На шестидюймовом чипе можно разместить десяток тысяч таких решёток.

Подобное достижение означает революционный прорыв в создании оптического компьютера, мечты о котором давно будоражат умы изобретателей.

Одним из главных препятствий на пути его создания была невозможность изгибать траектории лучей света на большие углы на малых расстояниях.

Ведь если заменить провода в современных чипах световодами, то в устройстве размером со спичечный коробок световоды придется изгибать миллионы раз.

Первое применение фотонного кристалла — создание световедущих каналов. Современные световедущие каналы на основе оптического волокна не могут иметь крутых изгибов из-за недопустимого увеличения потерь, вызванного нарушением полного внутреннего отражения в них.

Световедущие каналы в фотонном кристалле основаны на другом принципе: практически идеальное отражение света под любым углом от стенок световедущего канала обеспечивается наличием „запрещённой зоны“ для световой волны передаваемой частоты, препятствующей проникновению света в глубь фотонного кристалла.

Второе применение — это спектральное разделение каналов. Во многих случаях по оптическому волокну идёт не один, а несколько световых сигналов. Их бывает нужно рассортировать — направить каждый по отдельному пути.

Например — оптический телефонный кабель, по которому идёт одновременно несколько разговоров на разных длинах волн.

Фотонный кристалл — идеальное средство для „высечения“ из потока нужной длины волны и направления её туда, куда требуется.

Третье — кросс для световых потоков. Такое устройство, предохраняющее от взаимного воздействия световых каналов при их физическом пересечении, совершенно необходимо при создании светового компьютера и световых компьютерных чипов.

Специалисты по волоконной оптике сразу заинтересовались фотонными кристаллами, разглядев самые разные перспективы их использования для увеличения пропускной способности сетей. Чтобы увеличить объём передаваемых по волоконным световодам данных, надо создавать как можно более короткие оптические импульсы.

Это определяется временем срабатывания эмиссионых диодов. Вторая проблема — волоконные световоды прозрачны в малом диапазоне длин волн. Третья проблема — на выходе информационных каналов требуются узкочастотные оптические фильтры и высокоскоростные оптические переключатели — своеобразные интегральные оптические схемы.

Для них нужно создавать миниатюрные плоскостные волноводы.

Фотонные кристаллы могут помочь решить все эти проблемы. С их помощью можно сузить диапазон длин волн излучения в полупроводниковых лазерах и эмиссионных диодах или создать оптические фильтры с высокой селективностью.

Главный недостаток существующих эмиссионных диодов и полупроводниковых лазеров в том, что они испускают фотоны в большой телесный угол и в широком частотном диапазоне.

На основе фотонных кристаллов можно создать зеркало, которое будет отражать определённую волну света для любого выбранного угла и направления.

Такие трёхмерные зеркала были созданы в 1994 году в лаборатории Эймса (США) для СВЧ-волн. Для более коротких длин волн их разработали специалисты из Голландии и США. Эти структуры представляют собой специально уложенные кремниевые полоски — для СВЧ-волн — или специальным образом ориентированные крошечные (меньше микрона) кварцевые сферы в некотором коллоидном веществе.

Ещё одна перспективная технология в волоконной оптике — скоростные солитонные линии связи, которые отличаются от обычных высокой помехоустойчивостью и низким уровнем шумов. Солитоны — это устойчивые уединённые гребни волн, которые распространяются в среде как частицы.

При взаимодействии друг с другом или с другими возмущениями они не разрушаются, а расходятся, сохраняя свою структуру неизменной. Разработка таких терабитных линий связи финансируется министерством телекоммуникаций Японии в размере около 4 млрд. долларов в год.

Программа была начата в 1996 году и рассчитана на десять лет. В ней принимают участие все крупнейшие японские высокотехнологичные компании. К 2006 году планируется получить готовые к эксплуатации солитонные линии протяжённостью до 10 тыс. км.

К сожалению, о российских разработках в этой области нам ничего неизвестно.

См. также[править]

Фотонные кристаллы

Источник: http://tm.spbstu.ru/%D0%A4%D0%BE%D1%82%D0%BE%D0%BD%D0%BD%D1%8B%D0%B5_%D0%BA%D1%80%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%BB%D1%8B:_%D0%BC%D0%B0%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%B8%D0%B0%D0%BB_%D0%B4%D0%BB%D1%8F_%D0%BE%D0%B7%D0%BD%D0%B0%D0%BA%D0%BE%D0%BC%D0%BB%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F

Фотонный кристалл

Фотонный кристалл

Актуальным направлением уменьшения оптических устройств и их соединений в сложные структуры стало применение фотонных кристаллов.

Это искусственно созданные периодические структуры, формируемые так, что световые волны ряда частот (или групп частот) не могут в них распространяться в избранном или нескольких избранных направлениях.

Применение фотонных кристаллов

Так, взяв за основу фотонные кристаллы, есть возможность изготовить очень маленький, но эффективный резонатор. Этот резонатор локализует мощное электромагнитное поле в малом объеме на большой отрезок времени.

На основе фотонных кристаллов возможно создание резонаторов, которые позволят «концентрировать» световую волну в воздухе. Данные устройства имеют перспективу в качестве инструмента исследования процессов взаимодействия света и вещества.

Интересным с практической точки зрения, является использование фотонных кристаллов для конструирования современных биологических датчиков. Принцип действия этих датчиков состоит в том, что:

  • Органические вещества подвергают мощному электрическому и оптическому воздействию в микроскопических дозах.
  • Получают оптические сигнатуры.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Замечание 1

Оптические сигнатуры – зависимости выходных величин от длины резонатора.

Так как резонаторы на основе фотонных кристаллов имеют очень малые размеры, то данный подход даст возможность сделать новые интегральные спектроскопические системы.

Высокая добротность ($Q>105$) в совокупности с малыми размерами (порядка $5\bullet 10{-6}$) делают фотонные кристаллы перспективными для конструирования мультиплексных устройств в структурах уплотнения и обработки оптических сигналов.

Физика фотонных кристаллов

Рассматривать процессы, происходящие в фотонных кристаллах можно с двух позиций, в соответствии с корпускуляроно-волновым дуализмом света:

  • Свойства, которые происходят в этих кристаллах получают при исследовании явлений дифракции и многолучевой интерференции в них.
  • Можно представить свет как поток фотонов и использовать аналогии с физикой твердого тела.

Каждый из этих подходов имеет свои преимущества и дает возможность рассмотреть теорию о фотонных кристаллах с разных точек зрения. Фотонные кристаллы бывают:

  • одномерные;
  • двумерные;
  • трехмерные.

Отражения и преломления в слоистых структурах

Рассмотрим одномерный фотонный кристалл. Пусть волна света отражается от одой оптической ячейки, которая имеет два слоя с разными показателями преломления ($n_1$ и $n_2$) рис.1

Рисунок 1. Отражения и преломления в слоистых структурах. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Допустим, что показатель преломления первого вещества больше, чем показатель преломления второго вещества. Волна света попадая в систему, которая изображена на рис.

1 многократно отражается и преломляется. При этом появляется множество волн, способных интерферировать.

Интерференция определяет ту часть падающей энергии, которая отражается от кристалла, и часть энергии, прошедшую через кристалл.

В каждом отражении и преломлении световая волна утрачивает часть энергии, поэтому часто ограничиваются учитывая волны, пересекающие границы слоев или отраженных от них по пути к наблюдателю малое количество раз.

На рис.1 мы видим, что отраженная волна сформирована волнами $I,II,III$. Для получения наибольшей амплитуды суммарной отраженной волны необходимо, чтобы разность хода отраженных волн составляла целое количество длин волн (условие синфазности).

Разность хода волн $I,II,III$ определена разностью их оптических путей:

$l_{1}=\frac{\lambda }{2};l_{2}=2d_{1}n_{1}\, ;\, l_{3}=2{(d}_{1}n_{1}+d_{2}n_{2})\, \left( 1 \right)$.

где $d_1$ и $d_2$ — каждого слоя; λ – длина волны света в воздухе.

Замечание 2

При построении выражений (1) мы учли, что при отражении от оптически более плотной среды свет «теряет» половину волны.

Для выполнения условия синфазности можно, если первый слой сделать толщиной:

$d_{1}=\frac{\lambda }{4n_{1}}\left( 2 \right)$.

Второй слой будет иметь толщину:

$d_{2}=\frac{\lambda }{2n_{2}}\left( 3 \right)$.

Первый слой называют четверть волновым, второй слой носит название полуволнового.

Тогда:

$l_{2}-l_{1}=0;\, l_{3}-l_{1}=\lambda$.

Избрав такую толщину слоев, мы получили синфазность не всех прошедших лучей, а их наиболее значимой части. Так, волна, прошедшая по кристаллу путь IV выйдет из него в противофазе с первыми тремя волнами, так как ее оптический путь составит длину волны.

Пусть рассмотренная ячейка граничит не с воздухом с права, а с толстой подложкой, которая имеет показатель преломления $n_1$. Данный факт принципиально изменит условия взаимного усиления отражённых волн.

Волна $III$ теперь отразится от задней границы кристалла и утратит половину волны.

Для того чтобы данная волна снова была в фазе с двумя другими волнами нам придется изменить толщину второго слоя и сделать его четвертьволновым ($d_{2}=\frac{\lambda }{4n_{2}}$).

Данный случай наиболее отражает ситуацию в одномерном фотонном кристалле, который состоит из множества оптических ячеек, которые следуют друг за другом. Условие резонансного усиления отраженных волн в фотонном кристалле имеет вид:

$d_{1}=\frac{(2m+1)\lambda }{4n_{1}};\, d_{2}=\frac{(2k+1)\lambda}{4n_{2}}\left( 4 \right)$.

где $m$ и $k$ — натуральны числа.

Условия лучшего прохождения волны света через кристалл устанавливают, используя закон сохранения энергии. Из этого закона следует, что свет максимально проходит через кристалл тогда, когда отраженная от кристалла энергия наименьшая. (Сумма энергии, отраженной и прошедшей, даст энергию падающей волны, если отсутствует поглощение).

Для максимального ослабления отражения толщину слоев следует подбирать для получения отраженных волн, находящихся в противофазе.

В итоге энергия, которая пройдет свозь кристалл будет максимальна, если:

$d_{1}=\frac{m\lambda }{2n_{1}};\, d_{2}=\frac{k\lambda }{2n_{2}}\left( 5\right)$.

Запрещенные зоны фотонных кристаллов

Определение 1

Запрещенными зонами фотонных кристаллов называют диапазоны длин волн (частот), при которых волна не способна распространяться по фотонному кристаллу и претерпевает полное отражение от него. В этом случае электромагнитное поле проходит внутрь кристалла, но амплитуда его уменьшается экспоненциально при следовании внутрь вещества.

Скорость, с которой уменьшается амплитуда поля, связана с отношением показателей преломления чередующихся областей кристалла.

Определение 2

Отношение показателей преломления областей фотонного кристалла называется оптическим контрастом кристалла.

Для возникновения запрещенных зон необходимо:

  • чтобы оптический контраст был большим;
  • фотонный кристалл имел большое количество оптических ячеек.

Настоящую запрещенную зону можно получить только в фотонном кристалле бесконечного размера. При конечной толщине фотонного кристалла коэффициент пропускания не равен нулю даже на резонансной длине волны.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/fotonika/fotonnyy_kristall/

Электрохимия фотонных кристаллов • Библиотека

Фотонный кристалл

В последнее десятилетие развитие микроэлектроники затормозилось, поскольку уже практически достигнуты ограничения по быстродействию стандартных полупроводниковых устройств. Все большее число исследований посвящается разработке альтернативных полупроводниковой электронике областей — это спинтроника, микроэлектроника со сверхпроводящими элементами, фотоника и некоторые другие.

Новый принцип передачи и обработки информации с помощью светового, а не электрического сигнала может ускорить наступление нового этапа информационного века.

От простых кристаллов к фотонным

Основой электронных устройств будущего могут стать фотонные кристаллы — это синтетические упорядоченные материалы, в которых диэлектрическая проницаемость периодически меняется внутри структуры.

В кристаллической решетке традиционного полупроводника регулярность, периодичность расположения атомов приводит к образованию так называемой зонной энергетической структуры — с разрешенными и запрещенными зонами.

Электрон, энергия которого попадает в разрешенную зону, может передвигаться по кристаллу, а электрон с энергией в запрещенной зоне оказывается «запертым».

По аналогии с обычным кристаллом возникла идея кристалла фотонного.

В нем периодичность диэлектрической проницаемости обуславливает возникновение фотонных зон, в частности, запрещенной, в пределах которой распространение света с определенной длиной волны подавлено.

То есть, будучи прозрачными для широкого спектра электромагнитного излучения, фотонные кристаллы не пропускают свет с выделенной длиной волны (равной удвоенному периоду структуры по длине оптического пути).

Фотонные кристаллы могут иметь различную размерность. Одномерные (1D) кристаллы представляют собой многослойную структуру из чередующихся слоев с разными показателями преломления.

Двумерные фотонные кристаллы (2D) можно представить в виде периодической структуры из стержней с разной диэлектрической проницаемостью.

Первые синтетические прообразы фотонных кристаллов были трехмерными и созданы еще в начале 1990-х годов сотрудниками исследовательского центра Bell Labs (США).

Для получения периодической решетки в диэлектрическом материале американские ученые высверливали цилиндрические отверстия таким образом, чтобы получить трехмерную сеть пустот. Для того, чтобы материал стал фотонным кристаллом, его диэлектрическая проницаемость была модулирована с периодом в 1 сантиметр во всех трех измерениях.

Природными аналогами фотонных кристаллов являются перламутровые покрытия раковин (1D), усики морской мыши, многощетинкового червя (2D), крылья африканской бабочки парусника и полудрагоценные камни, например, опал (3D).

Но и сегодня, даже с помощью самых современных и дорогостоящих методов электронной литографии и анизотропного ионного травления, с трудом удается изготовить бездефектные трехмерные фотонные кристаллы с толщиной более 10 структурных ячеек.

Фотонные кристаллы должны найти широкое применение в фотонных интегральных технологиях, которые в перспективе заменят электрические интегральные схемы в компьютерах. При передаче информации с использованием фотонов вместо электронов резко сократится энергопотребление, увеличатся тактовые частоты и скорость передачи информации.

Фотонный кристалл из оксида титана

Оксид титана TiO2 обладает набором уникальных характеристик, таких как высокий показатель преломления, химическая стабильность и низкая токсичность, что делает его наиболее перспективным материалом для создания одномерных фотонных кристаллов.

Если рассматривать фотонные кристаллы для солнечных батарей, то здесь оксид титана выигрывает из-за своих полупроводниковых свойств.

Ранее было продемонстрировано увеличение КПД солнечных элементов при использовании слоя полупроводника с периодической структурой фотонного кристалла, в том числе фотонных кристаллов из оксида титана.

Но пока применение фотонных кристаллов на основе диоксида титана ограничивается отсутствием воспроизводимой и недорогой технологии их создания.

Сотрудники химического факультета и факультета наук о материалах МГУ — Нина Саполетова, Сергей Кушнир и Кирилл Напольский — усовершенствовали синтез одномерных фотонных кристаллов на основе пористых пленок оксида титана.

«Анодирование (электрохимическое окисление) вентильных металлов, в том числе алюминия и титана, является эффективным методом получения пористых оксидных пленок с каналами нанометрового размера», — пояснил руководитель группы электрохимического наноструктурирования, кандидат химических наук Кирилл Напольский.

Анодирование обычно проводят в двухэлектродной электрохимической ячейке. В раствор электролита опускают две металлические пластины — катод и анод, и подают электрическое напряжение.

На катоде выделяется водород, на аноде происходит электрохимическое окисление металла.

Если периодически менять прикладываемое к ячейке напряжение, то на аноде формируется пористая пленка с заданной по толщине пористостью.

Эффективный показатель преломления будет модулироваться, если диаметр пор будет периодически меняться внутри структуры. Разработанные ранее методики анодирования титана не позволяли получать материалы с высокой степенью периодичности структуры.

Химики из МГУ разработали новый способ анодирования металла с модуляцией напряжения в зависимости от заряда анодирования, который позволяет с высокой точностью создавать пористые анодные оксиды металлов.

Возможности новой методики химики продемонстрировали на примере одномерных фотонных кристаллов из анодного оксида титана.

В результате изменения напряжения анодирования по синусоидальному закону в диапазоне 40–60 Вольт ученые получили нанотрубки анодного оксида титана с постоянным внешним диаметром и периодически изменяющимся внутренним диаметром (см. рисунок).

«Применяемые ранее методики анодирования не позволяли получать материалы с высокой степенью периодичности структуры.

Мы разработали новую методику, ключевым составляющим которой является in situ (непосредственно во время синтеза) измерение заряда анодирования, что позволяет с высокой точность контролировать толщину слоев с различной пористостью в формируемой оксидной пленке», — пояснил один из авторов работы, кандидат химических наук Сергей Кушнир.

Разработанная методика упростит создание новых материалов с модулированной структурой на основе анодных оксидов металлов.

«Если в качестве практического использования методики рассматривать применение в солнечных батареях фотонных кристаллов из анодного оксида титана, то еще предстоит провести систематическое исследование влияния структурных параметров таких фотонных кристаллов на эффективность преобразования света в солнечных батареях», — уточнил Сергей Кушнир.

Источник: https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/434392/Elektrokhimiya_fotonnykh_kristallov

Свойства и применение фотонных кристаллов

Фотонный кристалл

Наличие разрешенных и запрещенных зон в фотонных кристаллов определяет их основные свойства и области применения.

Наличие полной запрещенной зоны в спектре электромагнитных возбуждений фотонного кристалла означает, что в заданном спектральном диапазоне свет любой поляризации не может войти в кристалл или выйти из него в каком-либо направлении.

В области полной запрещенной зоны невозможно спонтанное излучение, если частота квантового перехода лежит в области запрещенных фотонных энергий.

Другое важное свойство фотонных кристаллов – высокая степень локализации электромагнитных волн на дефектах решетки. В этом случае в запрещенных зонах фотонного кристалла возникают «дефектные» уровни энергии. Атом может излучить квант с энергией, соответствующей «дефектному» уровню и локализоваться в этой области кристалла.

Таким образом, открывается возможность управлять скоростью оптического излучения и локализацией электромагнитных волн, что и послужило стимулом для исследований в области фотонных кристаллов.

Эта уникальная комбинация локализации света и управления радиационной динамикой отличает фотонно-кристаллические материалы от любой из ранее изучаемых оптических систем.

С фотонными кристаллами связывают будущее современной электроники. В данный момент идет интенсивное изучение их свойств, разработка различных устройств на основе фотонных кристаллов, практическая реализация теоретически предсказанных эффектов. Предполагается, что фотонные кристаллы найдут свое применение в следующих областях.

• Лазеры с фотонными кристаллами позволят получить малосигнальную лазерную генерацию, т. н. низкопороговые и безпороговые лазеры.

• Волноводы, основанные на фотонных кристаллах, могут быть очень компактны и обладать малыми оптическими потерями, а также быть способными изгибаться с микронным радиусом изгиба.

• С помощью фотонных кристаллов можно будет создавать среды с отрицательным показателем преломления, что даст возможность фокусировать свет в точку размерами меньше длины волны (т. н. суперлинзы).

• Фотонные кристаллы обладают существенными дисперсионными свойствами (их свойства зависят от длины волны проходящего через них излучения), что даст возможность создать суперпризмы.

• Новый класс дисплеев, в которых манипуляция цветом пикселей осуществляется при помощи фотонных кристаллов, частично или полностью заменит существующие дисплеи.

• Благодаря упорядоченному характеру явления удержания фотонов в фотонном кристалле, возможно построение на основе таких сред логических и оптических запоминающих устройств.

• Фотонные сверхпроводники проявляют свои сверхпроводящие свойства при определенных температурах и могут быть использованы в качестве полностью оптических датчиков температуры; они способны работать в широком спектральном диапазоне и совмещаются с фотонными изоляторами и полупроводниками.

• На основе фотонных кристаллов можно реализовать эффективную обработку оптического сигнала, включая фильтрацию, преобразование частоты, отражение с коэффициентом близким к 1, мультиплексирование, управление поляризацией и т. д.

Наиболее заманчивое, но и наиболее трудное в реализации применение трехмерных фотонных кристаллов – создание сверхбольших объемно интегрированных комплексов фотонных и электронных устройств для обработки информации.

Рассмотрим конкретные примеры применения фотонных кристаллов. По мнению специалистов наиболее вероятен выход разработок фотонных кристаллов оптического диапазона на уровень коммерческого применения в сфере телекоммуникаций. Связано это с опережающими исследованиями 2D-фотонных кристаллов, на основе которых можно создать оптоволокно нового типа.

Кристалл состоит из спеченных стеклянных нитей, центральная из которых – пустотелая (рис. 3.101). Такое волокно в поперечном сечении является двумерным кристаллом с зонной структурой фотонного изолятора. При этом в продольном направлении волокно является идеальным проводником.

Эксперименты показали, что такие волокна способны передавать гораздо большую мощность, чем обычные волокна.

а) б)

Рис. 3.101. Схема фотонно-кристаллического оптоволокна (а) и микрофотография его торца (б)

Открытие суперпреломляющих явлений типа «эффекта суперпризмы» дает множество потенциальных приложений в оптических телекоммуникационных технологиях. Сильная зависимость направления светового луча от длины волны была установлена при использовании фотонного кристалла, изготовленного на основе кремния. На рис.

3.102 показана траектория светового луча, входящего внутрь фотонного кристалла и внутрь обычной пластинки из кремния для света с двумя различными длинами волн 0,99 и 1 мкм. Световые лучи падали на образцы под углом 15° к нормали.

При изменении длины волны падающего луча всего лишь на 1 % преломленный луч отклоняется от первоначального направления в фотонном кристалле на 50°, в то время как луч в обычном кристалле практически не изменяет траекторию.

Таким образом, величина угловой дисперсии в фотонном кристалле на два порядка больше величины угловой дисперсии, достигаемой в обычных призмах и дифракционных решетках.

Рис. 3.102. Траектория светового луча, входящего внутрь фотонного кристалла (а) и внутрь

обычной пластинки из кремния (б) для света с двумя различными длинами волн

Следует обратить внимание, что падающий и преломленный лучи на рис. 3.102 лежат по одну сторону от нормали к поверхности раздела сред. Такое поведение преломленного луча можно полностью описать, если принять показатель преломления в законе Снеллиуса отрицательным. Это свойство присуще т. н.

метаматериалам – искусственно созданным регулярным структурам, свойства которых отличаются от свойств составляющих их материалов, и являются уникальными, не характерными ни для каких объектов, встречающихся в природе.

Понятие метаматериалов связывают с идеей о свойствах среды с одновременно отрицательными значениями коэффициентов диэлектрической и магнитной проницаемости.

Метаматериалы синтезируются внедрением в исходный природный материал различных периодических структур с самыми разными геометрическими формами, которые модифицируют диэлектрическую проницаемость и магнитную восприимчивость исходного материала.

Если наноструктурированный материал содержит магнитные вещества, то можно ожидать, что в нем будут наблюдаться магнитооптические эффекты, аналогичные тем, что возникают в обычных однородных средах, но, возможно, несколько измененные.

Идея использовать для управления света в фотонном кристалле магнитные вещества впервые была предложена в конце 90-х годов прошлого века японскими учеными.

Они рассмотрели эффект Фарадея (вращение плоскости поляризации под действием магнитного поля) в одномерных фотонных кристаллах, представляющих собой многослойные пленки из хаотично чередующихся слоев висмут-замещенного иттриевого феррита-граната и кварца.

Для определенных частот излучения при оптимально подобранных параметрах структуры было обнаружено увеличение эффекта Фарадея более чем в 300 раз по сравнению с аналогичной однородной средой.

На примере одномерного случая можно выделить несколько разновидностей магнитных фотонных кристаллов.

Прежде всего, это стандартные системы, состоящие из чередующихся четвертьволновых (толщина равна одной четвертой длины волны света в веществе) магнитных (например, церий-замещенный иттриевый феррит-гранат) и немагнитных (например, гадолиний-галлиевый гранат) слоев.

Такие фотонные кристаллы обладают запрещенной зоной с центром на проектировочной длине волны, т. е. не пропускают свет с длиной волны в некоторой узкой спектральной области. В экспериментах исследовались одномерные фотонные кристаллы из 30 пар магнитных и немагнитных слоев, проектировочная длина волны которых составляла 1,55 мкм.

Усиление эффекта Фарадея возникает на границе запрещенной зоны, т. е. в районе длин волн 1,49 мкм и 1,61 мкм. Оказывается, именно на этих длинах волн резко уменьшается групповая скорость света.

Это приводит к тому, что возрастает эффективное время взаимодействия волны с намагниченным материалом, а значит, и увеличивается эффект Фарадея. Важной особенностью резонансов на граничных частотах является то, что максимумы прохождения и фарадеевского вращения практически совпадают.

Это позволяет использовать фотонные кристаллы в качестве миниатюрных элементов, вращающих плоскость поляризации на большие углы.

Оптимальный подбор магнитных материалов, их геометрических размеров и расположения позволит создать новое поколение оптических устройств, управляемых магнитными полями. Это возможно будет реализовать не только в инфракрасном, но и в видимом диапазонах света.

В одномерных магнитных фотонных кристаллах можно создать структурные дефекты, для этого в них нужно несколько раз инвертировать порядок следования слоев и тем самым получить один или несколько слоев с удвоенной толщиной.

Наличие таких дефектов приводит к появлению в фотонной запрещенной зоне узких резонансных уровней, на частотах которых прохождение света близко к стопроцентному. Вместе с тем, групповая скорость излучения на этих резонансах оказывается также очень малой, и эффект Фарадея при этом резко возрастает.

В результате удается получить пик пропускания нужной спектральной ширины и большой угол Фарадея.

Например, на длинах волн ближнего ИК-диапазона с помощью таких фотонных материалов удается получить угол поворота поляризации света на 45° на расстоянии всего 1,5 мкм, в то время как для той же однородной среды указанный угол поворота достигается на расстоянии, в 150 раз большем.

В последние годы начали исследовать и многомерные магнитные фотонные кристаллы. Работа с такими системами существенно расширяет круг наблюдаемых эффектов, а также приводит к новым интересным применениям.

Экспериментальные и теоретические исследования двумерных и трехмерных магнитных фотонных кристаллов активно ведутся в нашей стране (в МГУ им. М. В. Ломоносова, в Физико-техническом институте им. А. Ф. Иоффе), а также в Японии, Австралии, Швеции и ряде других стран.

В большинстве случаев экспериментальной реализации эти структуры представляют собой коллоидные растворы упорядоченных частиц сферической или цилиндрической формы. Например, созданы двумерные коллоидные фотонные кристаллы, состоящие из стеклянных волокон, покрытых никелем.

Резкое увеличение эффекта Фарадея было зафиксировано в трехмерных коллоидных кристаллах из кварцевых сфер, промежутки между которыми заполнены магнитной жидкостью насыщенного раствора нитрата диспрозия в глицерине.

Фотонные кристаллы с управляемой шириной запрещенной зоны представляют особый интерес для создания перестраиваемых оптических фильтров и ряда других задач. На начальном этапе получения и исследования фотонных кристаллов ширина их запрещенной зоны была фиксированной и неуправляемой. В 1999 году усилиями группы С.

Джона из университета Торонто (Канада) удалось создать структуру фотонного кристалла с управляемой шириной запрещенной зоны.

Фотонный кристалл был построен на основе искусственного кристалла опала, причем воздушные пустоты кристалла заполнялись кремнием, затем субстанцию опала вытравливали, формируя инверсную опалу кристаллическую структуру с периодически расположенными сферическими пустотами.

Запрещенная зона данной структуры препятствует распространению длин волн в диапазоне 1380 – 1620 нм (8 % относительно центральной длины волны 1500 нм). Для управления шириной запрещенной зоны внутренние поверхности сфер покрывались (методом инфильтрации) жидкокристаллическим нематиком с низким коэффициентом преломления.

В результате относительная ширина запрещенной зоны уменьшилась с 8 до 1,6 %. Кроме того, прикладывая внешнее магнитное поле, можно было управлять шириной запрещенной зоны в диапазоне примерно 1,6 %. Этот эффект сравним с управлением потоком электронов в полупроводнике с помощью электрического поля.

Управление шириной запрещенной зоны с помощью магнитного поля позволит создать более эффективные и простые, чем на основе фильтров, каналы вывода излучения, а также структуры коммутаторов (в том числе и распределенные), так как свет может коммутироваться в нужном направлении путем приложения поля к определенной области фотонного кристалла. Кроме того, возможно более точно управлять положением луча, проходящего через распределенную структуру фотонного кристалла, что облегчает его маршрутизацию в плоскости или пространстве.

Заманчивым выглядит использование фотонных кристаллов в качестве элементной базы для квантовых компьютеров. Одной из главных физических проблем создания квантовых компьютеров является декогеренция, когда распад когерентности состояний происходит за время меньшее, чем требуется для вычисления.

Таким образом, чтобы избежать распада когерентности, нужно найти квантовую систему, изолированную от окружения. Одним из способов изоляции является использование 3D-фотонных кристаллов, идеально запирающих фотоны определенной полосы частот внутри кристалла.

Изоляция фотонов внутри фотонного кристалла настолько велика, что при взаимодействии с ними отдельного атома должно наблюдаться явление замораживания спонтанного перехода и безынверсная генерация когерентного монохроматического излучения.

Источник: https://megaobuchalka.ru/11/32165.html

Фотонные кристаллы для чайников

Фотонный кристалл

Я не могу претендовать на то, чтобы беспристрастно судить о цветах. Я радуюсь сверкающим оттенкам и искренне сожалею о скудных коричневых цветах. (Сэр Уинстон Черчилль).

Происхождение фотонных кристаллов

Смотря на крылья бабочки или перламутровое покрытие раковин (Рисунок 1), удивляешься тому, как Природа – пусть даже за многие сотни тысяч или миллионы лет – смогла создать столь удивительные биоструктуры.

Однако не только в биомире существуют подобные структуры с переливчатой окраской, являющиеся примером практически безграничных созидательных возможностей Природы.

Например, полудрагоценный камень опал очаровывал людей с самых древних времён своим блеском (Рисунок 2).

Сегодня каждый девятиклассник знает, что не только процессы поглощения и отражения света приводят к тому, что мы называем цветовой окраской мира, но также процессы дифракции и интерференции.

Дифракционные решётки, которые мы можем встретить в природе, представляют собой структуры с периодически изменяющейся диэлектрической проницаемостью, при этом их период соизмерим с длинной волны света (Рисунок 3).

Это могут быть 1Dрешётки, как в перламутровом покрытии раковин моллюсков таких, как галиотисы, 2D решётки, подобные усикам морской мыши, многощетинкового червя, и 3D решётки, которые придают радужную голубую окраску бабочкам из Перу, равно как и опалу. [1]

В данном случае Природа, как, несомненно, самый опытный химик-материаловед, подталкивает нас к следующему выходу: трёхмерные оптические дифракционные решётки могут быть синтезированы путём создания диэлектрических решёток, которые геометрически комплементарны друг другу, т.е. одна является инверсионной по отношению к другой. А с тех пор как Жан-Мари Лен произнёс известную фразу: «Если что-то существует, то это может быть синтезировано», – мы просто обязаны реализовать данный вывод на практике. [1]

Фотонные полупроводники и фотонная запрещённая зона

Итак, в простой формулировке фотонным кристаллом называется материал, структура которого характеризуется периодическим изменением показателя преломления в пространственных направлениях [2], что приводит к образованию фотонной запрещённой зоны.

Обычно, чтобы понять смысл терминов «фотонный кристалл» и «фотонная запрещённая зона», такой материал рассматривают в качестве оптической аналогии полупроводникам.

Решение уравнений Максвелла для распространения света в диэлектрической решётке показывает, что из-за Брегговской дифракции распределение фотонов по частотам ω(k) в зависимости от волнового вектора k (2π/λ) будет иметь области разрыва.

Данное утверждение графически представлено на Рисунке 4, где приведена аналогия между распространением электрона в 1D кристаллической решётке и фотоном в 1D фотонной решётке. Непрерывная плотность состояний, как свободного электрона, так и фотона в вакууме, претерпевают разрыв внутри, соответственно, кристаллической и фотонной решёток в так называемых «стоп-зонах» при значении волнового вектора k (т.е. импульса), который соответствует стоячей волне. Это и является условием Брэгговской дифракции электрона и фотона. [1]

Фотонная запрещенная зона представляет собой диапазон частот ω(k) в обратном пространстве волновых векторов k, где распространение света определённой частоты (или длины волны) запрещено в фотонном кристалле во всех направлениях, при этом падающий на фотонный кристалл свет полностью отражается от него. Если же свет «возникнет» внутри фотонного кристалла, то он окажется «вмороженным» в него. Сама зона может быть неполной, так называемой стоп-зоной. На рисунке 5 представлены 1D, 2D и 3D фотонные кристаллы в реальном пространстве и плотность состояний фотонов в обратном пространстве.

Фотонная запрещённая зона трёхмерного фотонного кристалла является некоторой аналогией электронной запрещённой зоны в кристалле кремния.

Следовательно, фотонная запрещённая зона «управляет» потоком света в кремниевом фотонном кристалле аналогично тому, как происходит транспорт носителей заряда в кристалле кремния.

В этих двух случаях образование запрещённой зоны обуславливается стоячими волнами фотонов или электронов, соответственно.

Сделай фотонный кристалл сам

Как ни странно, но Максвелловские уравнения для фотонных кристаллов не чувствительны к масштабированию, в отличие от уравнения Шрёдингера в случае электронных кристаллов.

Это возникает вследствие того, что длина волны электрона в «нормальном» кристалле более-менее зафиксирована на уровне в несколько ангстрем, тогда как размерная шкала длины волны света в фотонных кристаллах может быть варьироваться от ультрафиолета до микроволнового излучения, исключительно за счёт изменения размерности компонент фотонной решётки. [1] Это приводит к поистине неисчерпаемым возможностям для тонкой настройки свойств фотонного кристалла.

В настоящее время существует множество методов изготовления фотонных кристаллов Некоторые из них больше подходят для формирования одномерных фотонных кристаллов, другие удобны в отношении двумерных, третьи применимы чаще к трёхмерным фотонным кристаллам, четвёртые используются при изготовлении фотонных кристаллов на других оптических устройствах и т. д.

[2] Однако не всё ограничивается только варьированием размерности структурных элементов. Фотонные кристаллы можно также создавать за счёт оптической нелинейности, перехода метал-неметалл, жидкокристаллического состояния, ферроэлектрического двойного лучепреломления, набухания и сжатия полимерных гелей и так далее, главное, чтобы изменился показатель преломления.

[1]

Куда же без дефектов?!

В мире практически не существует материалов, в которых не было бы дефектов, и это хорошо. Именно дефекты в твердофазных материалах в большей степени, чем сама кристаллическая структура, влияют на различные свойства материалов и, в конечном счёте, их функциональные характеристики, а также возможные области применения.

Аналогичное утверждение верно и в случае фотонных кристаллов.

[1] Из теоретического рассмотрения следует, что введение дефектов (точечных, протяженных – дислокаций – или изгиба) на микроуровне в идеальную фотонную решётку, позволяет создать внутри фотонной запрещённой зоны определённые состояния, на которых может быть локализован свет, а распространение света может быть ограничено или наоборот усилено вдоль и вокруг очень маленького волновода (Рисунок 6). Если проводить аналогию с полупроводниками, то эти состояния напоминают примесные уровни в полупроводниках. Фотонные кристаллы с такой «управляемой дефектностью» могут применяться при создании полностью оптических устройств и схем нового поколения оптических телекоммуникационных технологий.

Светоинформатика

На рисунке 7 представлено одно из футуристических изображений полностью светового чипа будущего, что, несомненно, уже целое десятилетие будоражит воображение химиков, физиков и материаловедов.

Полностью оптический чип состоит из интегрированных микроразмерных фотонных кристаллов с 1D, 2D и 3D периодичностью, которые могут играть роль переключателей, фильтров, низкопороговых лазеров и т.д., тогда как свет передаётся между ними по волноводам исключительно за счёт дефектности структуры.

[1] И хотя тема фотонных кристаллов существует в «дорожных картах» развития фотонных технологий, исследования и практическое применение этих материалов всё ещё остаются на самых ранних стадиях своего развития.

Это тема будущих открытий, которые могут привести к созданию полностью световых сверхбыстрых компьютеров, а также квантовых компьютеров.

[5] Однако для того, чтобы мечты фантастов и многих учёных, посвятивших свою жизнь изучению столь интересных и практически значимых материалов, как фотонные кристаллы, стали явью требуется ответить на ряд вопросов.

Например, таких как: что необходимо изменить в самих материалах, чтобы решить проблему, связанную с уменьшением таких интегрированных чипов из микроразмерных фотонных кристаллов для широкого применения на практике? Возможно ли с помощью микроконструирования («сверху-вниз»), или самосброки («снизу-вверх»), или же какого-либо сплава этих двух методов (например, направленной самосборки) реализовать в промышленных масштабах производство чипов из микроразмерных фотонных кристаллов? Является ли наука о компьютерах на основе световых чипов из микрофотонных кристаллов реальностью или всё же это вымысел футуристов? [1]

Литература

  1. Nanochemistry: A Chemical Approach to Nanomaterials, Geoffrey A. Ozin et al., The Royal Society of Chemistry, 2009 (основной источник, местами специфическая эмоциональная окраска этого источника передалась переводу)
  2. Википедия
  3. Моделирование
  4. Жр-л Натура
  5. Нанотехнологии. Азбука для всех / Под ред. Ю.Д. Третьякова, Москва, ФИЗМАТЛИТ, 2009(статьи А.С.Синицкого по фотонике и фотонным кристаллам)

Автор фотографии на главной странице — А.С.Синицкий

Средний балл: 7.9 ( 10)

Источник: http://www.nanometer.ru/2009/10/17/fotonnie_kristalli_157626.html

Booksm
Добавить комментарий