Historie šíření vln v historii fotonických krystalů. Fotonické krystaly

V posledním desetiletí se rozvoj mikroelektroniky zpomalil, protože omezení rychlosti standardních polovodičových součástek již bylo prakticky dosaženo. Stále větší počet studií se věnuje rozvoji alternativních oborů k polovodičové elektronice, jako je spintronika, mikroelektronika se supravodivými prvky, fotonika a některé další.

Nový princip přenosu a zpracování informací pomocí světelného spíše než elektrického signálu může urychlit nástup nové etapy informačního věku.

Od jednoduchých krystalů po fotonické

Základem pro elektronická zařízení budoucnosti mohou být fotonické krystaly – jedná se o syntetické uspořádané materiály, ve kterých se v rámci struktury periodicky mění dielektrická konstanta. PROTI krystalová mřížka U tradičního polovodiče vede pravidelnost, periodicita uspořádání atomů k vytvoření tzv. pásmové energetické struktury - s povolenými a zakázanými pásy. Elektron, jehož energie spadá do povolené zóny, se může pohybovat krystalem, zatímco elektron s energií v zakázané zóně je „uzamčen“.

Analogicky s obyčejným krystalem vznikla myšlenka fotonického krystalu. V něm periodicita dielektrické konstanty určuje výskyt fotonických zón, zejména zakázaných, ve kterých je potlačeno šíření světla o určité vlnové délce. To znamená, že fotonické krystaly jsou transparentní pro široké spektrum elektromagnetického záření a nepropouštějí světlo o zvolené vlnové délce (rovné dvojnásobku periody struktury podél optické dráhy).

Fotonické krystaly mohou mít různé rozměry. Jednorozměrné (1D) krystaly jsou vícevrstvou strukturou střídajících se vrstev s různými indexy lomu. Dvourozměrné fotonické krystaly (2D) lze reprezentovat jako periodickou strukturu tyčinek s různými dielektrickými konstantami. První syntetické prototypy fotonické krystaly byly trojrozměrné a vytvořili je na počátku 90. let zaměstnanci výzkumného centra Bellové laboratoře(USA). Aby získali periodickou mřížku v dielektrickém materiálu, vyvrtali američtí vědci válcové otvory takovým způsobem, aby získali trojrozměrnou síť dutin. Aby se materiál stal fotonickým krystalem, jeho dielektrická konstanta byla modulována s periodou 1 centimetru ve všech třech rozměrech.

Přírodní analogy fotonických krystalů jsou perleťové povlaky lastur (1D), tykadla mořské myši, červa mnohoštětinatého (2D), křídla motýla afrického plachetnice a polodrahokamy jako opál (3D).

Ale i dnes, i za pomoci nejmodernějších a nejdražších metod elektronové litografie a anizotropního iontového leptání, je obtížné vyrobit bezvadové trojrozměrné fotonické krystaly s tloušťkou více než 10 strukturních buněk.

Fotonické krystaly by měly najít široké uplatnění ve fotonických integrovaných technologiích, které v budoucnu nahradí elektrické integrované obvody v počítačích. Při přenosu informací pomocí fotonů místo elektronů se prudce sníží spotřeba energie, zvýší se taktovací frekvence a rychlost přenosu informací.

Fotonický krystal oxidu titaničitého

Oxid titaničitý TiO2 má řadu jedinečných vlastností, jako je vysoký index lomu, chemická stabilita a nízká toxicita, což z něj činí nejslibnější materiál pro vytváření jednorozměrných fotonických krystalů. Pokud vezmeme v úvahu fotonické krystaly pro solární články, pak oxid titanu těží ze svých polovodičových vlastností. Již dříve bylo prokázáno zvýšení účinnosti solárních článků při použití polovodičové vrstvy s periodickou strukturou fotonického krystalu včetně fotonických krystalů oxidu titaničitého.

Ale zatím je použití fotonických krystalů na bázi oxidu titaničitého omezeno nedostatkem reprodukovatelné a levné technologie pro jejich vytvoření.

Zaměstnanci Fakulty chemie a materiálů Moskevské státní univerzity - Nina Sapoletova, Sergey Kushnir a Kirill Napolsky - zlepšili syntézu jednorozměrných fotonických krystalů založených na porézních filmech oxidu titanu.

„Eloxování (elektrochemická oxidace) ventilových kovů, včetně hliníku a titanu, je efektivní metodou pro výrobu porézních oxidových filmů s kanály o velikosti nanometrů,“ vysvětlil Kirill Napolsky, vedoucí skupiny elektrochemických nanostruktur, Ph.D.

Eloxování se obvykle provádí ve dvouelektrodovém elektrochemickém článku. Dvě kovové desky - katoda a anoda - jsou spuštěny do roztoku elektrolytu a je přivedeno elektrické napětí. Na katodě se uvolňuje vodík a na anodě dochází k elektrochemické oxidaci kovu. Pokud se napětí aplikované na článek periodicky mění, pak se na anodě vytvoří porézní film s danou tloušťkou poréznosti.

Efektivní index lomu bude modulován, pokud se průměr pórů ve struktuře periodicky mění. Dříve vyvinuté techniky eloxování titanu neumožňovaly získat materiály s vysokým stupněm strukturní periodicity. Chemici z Moskevské státní univerzity vyvinuli novou metodu eloxování kovů s modulací napětí v závislosti na anodizační náplni, která umožňuje vytvářet porézní anodické oxidy kovů s vysokou přesností. Chemici prokázali potenciál nové techniky na příkladu jednorozměrných fotonických krystalů z anodického oxidu titaničitého.

V důsledku změny anodizačního napětí podle sinusového zákona v rozsahu 40-60 Voltů získali vědci nanotrubice z anodického oxidu titaničitého s konstantním vnějším průměrem a periodicky se měnícím vnitřním průměrem (viz obrázek).

„Dříve používané anodizační techniky neumožňovaly získat materiály s vysokým stupněm strukturní periodicity. Vyvinuli jsme novou techniku, jejíž klíčovou součástí je in situ(přímo během syntézy) měření anodizační náplně, které umožňuje vysoce přesné řízení tloušťky vrstev s různou porézností ve vytvořeném oxidovém filmu, “- vysvětlil jeden z autorů práce, kandidát chemických věd Sergey Kushnir.

Vyvinutá technika zjednoduší tvorbu nových materiálů s modulovanou strukturou na bázi anodických oxidů kovů. „Považujeme-li použití fotonických krystalů z anodického oxidu titaničitého v solárních článcích za praktické využití techniky, pak systematické studium vlivu strukturních parametrů takových fotonických krystalů na účinnost přeměny světla v solárních článcích stále zbývá. k provedení,“ řekl Sergej Kušnír.

Fotonické krystaly lze rozdělit do tří hlavních tříd podle povahy změny indexu lomu:

1. Jednorozměrný, ve kterém se index lomu periodicky mění v jednom prostorovém směru, jak je znázorněno na obrázku 2. Na tomto obrázku symbol L označuje periodu změny indexu lomu, a - indexy lomu dvou materiálů (ale obecně může být přítomen libovolný počet materiálů). Takové fotonické krystaly se skládají z vrstev různých materiálů, které jsou vzájemně rovnoběžné s různými indexy lomu a mohou projevovat své vlastnosti v jednom prostorovém směru kolmém k vrstvám.

Obrázek 1 - Schematické znázornění jednorozměrného fotonického krystalu

2. Dvourozměrný, ve kterém se index lomu periodicky mění ve dvou prostorových směrech, jak je znázorněno na obrázku 2. Na tomto obrázku je fotonický krystal tvořen pravoúhlými oblastmi s indexem lomu, které jsou v prostředí s indexem lomu . Navíc jsou oblasti s indexem lomu uspořádány do dvourozměrné kubické mřížky. Takové fotonické krystaly mohou projevovat své vlastnosti ve dvou prostorových směrech a tvar oblastí s indexem lomu není omezen na obdélníky jako na obrázku, ale může být libovolný (kruhy, elipsy, libovolný atd.). Krystalová mřížka, ve které jsou tyto oblasti uspořádány, může být také odlišná, a nejen krychlová, jako na obrázku výše.

Obrázek - 2 Schematické znázornění dvourozměrného fotonického krystalu

3. Trojrozměrný, ve kterém se index lomu periodicky mění ve třech prostorových směrech. Takové fotonické krystaly mohou projevovat své vlastnosti ve třech prostorových směrech a mohou být reprezentovány jako pole objemových oblastí (koule, krychle atd.), uspořádaných v trojrozměrné krystalové mřížce.

Rozlišujte také mezi rezonančními a nerezonančními fotonickými krystaly. Rezonanční fotonické krystaly se liší od nerezonančních krystalů v tom, že používají materiály, ve kterých má dielektrická konstanta (nebo index lomu) jako funkce frekvence pól na určité rezonanční frekvenci.

Podobně jako elektrická média lze fotonické krystaly v závislosti na šířce zakázaných a povolených zón dělit na vodiče – schopné vést světlo na velké vzdálenosti s nízkými ztrátami, dielektrika – téměř ideální zrcadla, polovodiče – látky schopné např. selektivně odrážející fotony určité vlnové délky a supravodiče, ve kterých se vlivem kolektivních jevů mohou fotony šířit prakticky na neomezené vzdálenosti. Rozlišujte také mezi rezonančními a nerezonančními fotonickými krystaly. Rezonanční fotonické krystaly se liší od nerezonančních krystalů v tom, že používají materiály, ve kterých má dielektrická konstanta (nebo index lomu) jako funkce frekvence pól na určité rezonanční frekvenci.

Jakákoli diskontinuita ve fotonickém krystalu se nazývá defekt fotonického krystalu. V takových oblastech se často koncentruje elektromagnetické pole, čehož se využívá v mikrodutinách a vlnovodech vybudovaných na bázi fotonických krystalů. Při popisu šíření elektromagnetických vln ve fotonických krystalech a elektronických vlastností krystalů existuje řada analogií. Tady jsou některé z nich.

1. Stav elektronu uvnitř krystalu (pohybový zákon) je dán řešením Schrldingerovy rovnice, šíření světla ve fotonickém krystalu se řídí vlnovou rovnicí, což je důsledek Maxwellových rovnic:

2. Stav elektronu je popsán skalární vlnovou funkcí w (r, t), stav elektromagnetické vlny je popsán vektorovými poli - síla magnetických nebo elektrických složek, H (r, t) nebo E (r, t).
3. Elektronovou vlnovou funkci w (r, t) lze rozšířit v řadě vlastních stavů wE (r), z nichž každý odpovídá své vlastní energii E. Síla elektromagnetického pole H (r, t) může být reprezentována a superpozice monochromatických složek (módů) elektromagnetického pole Hw (r), z nichž každá odpovídá své vlastní hodnotě - frekvenci u:

4. Atomový potenciál U (r) a dielektrická konstanta e (r), objevující se v Schrldingerových a Maxwellových rovnicích, jsou periodické funkce s periodami rovnými libovolným vektorům R krystalové a fotonické krystalové mřížky, v tomto pořadí:

U (r) = U (r + R), (3)

5. Pro vlnovou funkci elektronu a sílu elektromagnetického pole platí Blochova věta s periodickými funkcemi u k a u k.

6. Možné hodnoty vlnových vektorů k vyplňují Brillouinovu zónu krystalové mřížky nebo jednotkové buňky fotonického krystalu, specifikovanou v prostoru reciprokých vektorů.
7. Energie elektronu E, která je vlastní hodnotou Schrldingerovy rovnice, a vlastní hodnota vlnové rovnice (důsledky Maxwellových rovnic) - vidová frekvence ui - souvisí s hodnotami vlnových vektorů k Blochových funkcí. (4) disperzním zákonem E (k) a ui (k).
8. Atom nečistoty, který narušuje translační symetrii atomového potenciálu, je krystalový defekt a může vytvořit elektronový stav nečistoty lokalizovaný v blízkosti defektu. Změny permitivity v určité oblasti fotonického krystalu narušují translační symetrii e (r) a vedou ke vzniku povoleného módu uvnitř fotonického zakázaného pásu lokalizovaného v jeho prostorové blízkosti.

Obrovské množství prací je věnováno neobvyklým vlastnostem fotonických krystalů a v V poslední době a monografie. Připomeňme, že umělá média se nazývají fotonické krystaly, u kterých se vlivem periodických změn dielektrických parametrů (mám na mysli index lomu) vlastnosti šířícího se elektromagnetického vlnění (světla) stávají analogickými vlastnostem elektronů šířících se ve skutečných krystalech. V souladu s tím termín "fotonický krystal" zdůrazňuje podobnost fotonů a elektronů. Kvantování vlastností fotonů vede k tomu, že ve spektru elektromagnetické vlny šířící se ve fotonickém krystalu mohou vznikat bandgaps, ve kterých je hustota stavů fotonů rovna nule.

Trojrozměrný fotonický krystal s absolutně zakázanou mezerou byl poprvé realizován pro elektromagnetické vlny v mikrovlnném rozsahu. Existence absolutně zakázané zóny znamená, že elektromagnetické vlny se v určitém frekvenčním pásmu nemohou šířit v daném krystalu v žádném směru, protože hustota stavu fotonů, jejichž energie odpovídá tomuto frekvenčnímu pásmu, je rovna nule v libovolném bod v krystalu. Stejně jako skutečné krystaly, fotonické, z hlediska přítomnosti a vlastností zakázané mezery mohou být vodiči, polovodiče, izolanty a supravodiče. Pokud v zakázaném pásmu fotonického krystalu existují „defekty“, pak je možné „zachycení“ fotonu „defektem“, podobně jako je elektron nebo díra zachycena odpovídající nečistotou umístěnou v zakázaném pásmu polovodič.

Takové šířící se vlny s energií umístěnou uvnitř zakázaného pásma se nazývají defektní módy.

lom metamateriálu fotonického krystalu

Jak již bylo uvedeno, neobvyklé vlastnosti fotonického krystalu jsou pozorovány, když rozměry krystalové základní buňky odpovídají vlnové délce, která se v ní šíří. Je jasné, že ideální fotonické krystaly ve viditelné oblasti světla lze vyrobit pouze pomocí submikronových technologií. Úroveň moderní věda a technika umožňuje vytvářet takové trojrozměrné krystaly.

Aplikace fotonických krystalů jsou poměrně četné - optické izolátory, optické izolátory, přepínače, multiplexory atd. Optická vlákna fotonického krystalu jsou z praktického hlediska jednou z nejdůležitějších struktur. Nejprve byly vyrobeny ze sady skleněných kapilár sestavených v těsném obalu, který byl poté podroben konvenčnímu tažení. Výsledkem je optické vlákno obsahující pravidelně rozmístěné otvory s charakteristickou velikostí asi 1 mikron. Následně byla získána optická fotonicko-krystalová vlákna různých konfigurací a s různými vlastnostmi (obr. 9).

V Ústavu radiotechniky a elektroniky a ve Vědeckém centru pro vláknovou optiku Ruské akademie věd byla vyvinuta nová metoda vrtání k vytvoření vláken fotonického krystalu. Nejprve byly do tlustého křemenného sochoru vyvrtány mechanické otvory s libovolnou matricí a poté byl sochor podroben tažení. Výsledkem bylo vysoce kvalitní vlákno fotonického krystalu. V takových vláknech je snadné vytvořit defekty různých tvarů a velikostí, takže mohou současně vybudit několik světelných módů, jejichž frekvence leží v zakázaném pásmu fotonického krystalu. Defekty mohou mít zejména podobu dutého kanálu, takže světlo se nebude šířit v křemeni, ale ve vzduchu, což může výrazně snížit ztráty v dlouhých úsecích vláken fotonického krystalu. Šíření viditelného a infračerveného záření ve vláknech fotonických krystalů je doprovázeno řadou fyzikálních jevů: Ramanův rozptyl, směšování harmonických, generování harmonických, což nakonec vede ke vzniku superkontinua.

Neméně zajímavé z hlediska studia fyzikálních efektů a možných aplikací jsou jedno- a dvourozměrné fotonické krystaly. Přísně vzato, tyto struktury nejsou fotonické krystaly, ale lze je za takové považovat, když se elektromagnetické vlny šíří v určitých směrech. Typický jednorozměrný fotonický krystal je vícevrstvá periodická struktura sestávající z vrstev alespoň dvou látek s velmi rozdílnými indexy lomu. Pokud se podél normály šíří elektromagnetická vlna, objeví se v takové struktuře pro určité frekvence zakázaná zóna. Pokud se jedna z vrstev struktury nahradí látkou s jiným indexem lomu nebo se změní tloušťka jedné vrstvy, pak taková vrstva bude vadou schopnou zachytit vlnu, jejíž frekvence je v zakázané zóně.

Přítomnost magnetické defektní vrstvy v dielektrické nemagnetické struktuře vede k mnohonásobnému zvýšení Faradayovy rotace vlny během šíření v takové struktuře a ke zvýšení optické průhlednosti média.

Obecně řečeno, přítomnost magnetických vrstev ve fotonických krystalech může výrazně změnit jejich vlastnosti, především v mikrovlnné oblasti. Faktem je, že v mikrovlnném rozsahu je magnetická permeabilita feromagnetik v určitém frekvenčním pásmu negativní, což usnadňuje jejich použití při vytváření metamateriálů. Konjugací takových látek s kovovými nemagnetickými vrstvami nebo strukturami sestávajícími z jednotlivých vodičů nebo periodických vodičových struktur lze vyrobit struktury se zápornými hodnotami magnetické a dielektrické konstanty. Příkladem jsou struktury vytvořené v Institutu radiotechniky a elektroniky Ruské akademie věd, určené k detekci „negativního“ odrazu a lomu magnetostatických spinových vln. Takovou strukturou je film yttriového železného granátu s kovovými vodiči na svém povrchu. Vlastnosti magnetostatických spinových vln šířících se v tenkých feromagnetických vrstvách silně závisí na vnějším magnetickém poli. V obecném případě je jedním z typů takových vln zpětná vlna, takže skalární součin vlnového vektoru a Poyntingova vektoru pro tento typ vln je záporný.

Existence zpětných vln ve fotonických krystalech je dána také periodicitou vlastností samotného krystalu. Zejména pro vlny, jejichž vlnové vektory leží v první Brillouinově zóně, může být splněna podmínka šíření jako pro dopředné vlny a pro stejné vlny ve druhé Brillouinově zóně - jako pro zpětné vlny. Stejně jako metamateriály mohou i fotonické krystaly vykazovat neobvyklé vlastnosti při šíření vln, jako je „negativní“ lom.

Fotonické krystaly však mohou být metamateriálem, u kterého je jev „negativního“ lomu možný nejen v mikrovlnné oblasti, ale také v oblasti optických frekvencí. Experimenty potvrzují existenci "negativního" lomu ve fotonických krystalech pro vlny s frekvencemi vyššími, než je frekvence první zakázané zóny poblíž středu Brillouinovy zóny. To je způsobeno účinkem negativní skupinové rychlosti a v důsledku toho negativního indexu lomu pro vlnu. Ve skutečnosti jsou v tomto frekvenčním rozsahu vlny obrácené.

Ilya Polishchuk, doktor fyziky a matematiky, profesor Moskevského institutu fyziky a technologie, vedoucí výzkumný pracovník Národního výzkumného centra „Kurčatovův institut“

Využití mikroelektroniky v systémech zpracování informací a komunikace radikálně změnilo svět. Není pochyb o tom, že důsledky rozmachu vědeckého výzkumu v oblasti fyziky fotonických krystalů a zařízení na nich založených budou svou důležitostí srovnatelné s vytvořením integrované mikroelektroniky před více než půlstoletím. Materiály nového typu umožní vytvářet optické mikroobvody v „obrazu a podobě“ prvků polovodičové elektroniky a zásadně nové způsoby přenosu, ukládání a zpracování informací, dnes vyvinuté na fotonických krystalech, zase najdou aplikace v polovodičové elektronice budoucnosti. Není divu, že tato oblast výzkumu je jednou z nejžhavějších v největších světových vědeckých centrech, high-tech společnostech a ve vojensko-průmyslovém komplexu. Rusko samozřejmě není výjimkou. Fotonické krystaly jsou navíc předmětem efektivní mezinárodní spolupráce. Jako příklad uveďme více než desetiletou spolupráci ruské Kintech Lab LLC a známé americké společnosti General Electric.

Historie fotonických krystalů

Historicky se teorie rozptylu fotonů trojrozměrnými mřížkami začala intenzivně vyvíjet z oblasti vlnových délek λ ~ 0,01-1 nm, ležící v oblasti rentgenového záření, kde samotné atomy jsou uzly fotonického krystalu. V roce 1986 přišel Eli Yablonovich z Kalifornské univerzity v Los Angeles s myšlenkou vytvořit trojrozměrnou dielektrickou strukturu podobnou běžným krystalům, ve které by se nemohly šířit elektromagnetické vlny určitého spektrálního pásma. Takové struktury se nazývají fotonické bandgap struktury nebo fotonické krystaly. Po 5 letech byl takový fotonický krystal vyroben vyvrtáním milimetrových otvorů do materiálu s vysokým indexem lomu. Takový umělý krystal, později pojmenovaný Yablonovite, nepropouštěl záření o milimetrových vlnách a ve skutečnosti realizoval fotonickou strukturu se zakázanou mezerou (mimochodem, fázovaná anténní pole lze přiřadit stejné třídě fyzických objektů).

Fotonické struktury, ve kterých je zakázáno šíření elektromagnetických (zejména optických) vln v určitém frekvenčním pásmu v jednom, dvou nebo třech směrech, lze využít k vytvoření optických integrálních zařízení pro řízení těchto vln. V současnosti je ideologie fotonických struktur základem vytváření bezprahových polovodičových laserů, laserů na bázi iontů vzácných zemin, high-Q rezonátorů, optických vlnovodů, spektrálních filtrů a polarizátorů. Výzkum fotonických krystalů nyní probíhá ve více než dvou desítkách zemí včetně Ruska a počet publikací v této oblasti i počet sympozií a vědeckých konferencí a škol geometrickou řadou roste.

Pro pochopení procesů probíhajících ve fotonickém krystalu jej lze přirovnat k polovodičovému krystalu a šíření fotonů s pohybem nosičů náboje - elektronů a děr. Například v ideálním křemíku jsou atomy umístěny v krystalové struktuře podobné diamantu a podle teorie pevných pásů nabité nosiče, šířící se krystalem, interagují s periodickým potenciálem pole atomových jader. To je důvodem vzniku povolených a zakázaných zón – kvantová mechanika zakazuje existenci elektronů s energiemi odpovídajícími energetickému rozsahu, nazývané zakázaná zóna. Stejně jako běžné krystaly obsahují fotonické krystaly vysoce symetrickou strukturu jednotkových buněk. Navíc, pokud je struktura obyčejného krystalu určena polohami atomů v krystalové mřížce, pak je struktura fotonického krystalu určena periodickou prostorovou modulací dielektrické konstanty prostředí (modulační stupnice je srovnatelná s vlnovou délkou interagujícího záření).

Fotonické vodiče, izolanty, polovodiče a supravodiče

Pokračujeme-li v analogii, fotonické krystaly lze rozdělit na vodiče, izolanty, polovodiče a supravodiče.

Fotonické vodiče mají široká povolená pásma. Jedná se o průhledná tělesa, ve kterých se světlo šíří na velkou vzdálenost a prakticky se neabsorbuje. Další třída fotonických krystalů – fotonické izolátory – má široké zakázané mezery. Tuto podmínku splňují například širokorozsahová vícevrstvá dielektrická zrcadla. Na rozdíl od běžných neprůhledných médií, ve kterých se světlo rychle rozkládá a mění se v teplo, fotonické izolátory světlo neabsorbují. Pokud jde o fotonické polovodiče, mají užší bandgaps než izolátory.

Fotonické krystalové vlnovody se používají k výrobě fotonických textilií (na obrázku). Takové textilie se právě objevily a ani rozsah jejich použití nebyl dosud plně realizován. Lze z něj vyrobit například interaktivní oblečení nebo měkký displej

Foto: emt-photoniccrystal.blogspot.com

Navzdory skutečnosti, že myšlenka fotonických pásem a fotonických krystalů se v optice pevně usadila až v posledních letech, jsou vlastnosti struktur s vrstvenou změnou indexu lomu fyzikům již dlouho známy. Jednou z prvních prakticky důležitých aplikací takových struktur byla výroba povlaků s unikátními optickými vlastnostmi používaných k vytvoření vysoce výkonných spektrálních filtrů a snížení nežádoucího odrazu od optických prvků (takové optiky se nazývají antireflexní) a dielektrických zrcadel s koeficientem odrazu. téměř 100 %. Jako další známý příklad 1D fotonických struktur lze uvést polovodičové lasery s distribuovanou zpětnou vazbou a také optické vlnovody s periodickou podélnou modulací fyzikálních parametrů (profil nebo index lomu).

Pokud jde o obyčejné krystaly, příroda nám je naděluje velmi štědře. Fotonické krystaly jsou v přírodě velmi vzácné. Pokud tedy chceme využít unikátní vlastnosti fotonických krystalů, jsme nuceni vyvinout různé metody jejich pěstování.

Jak vypěstovat fotonický krystal

Vytvoření trojrozměrného fotonického krystalu v oblasti viditelného vlnového rozsahu zůstalo v posledních deseti letech jedním z primárních úkolů materiálové vědy, k jehož řešení se většina výzkumníků soustředila na dva zásadně odlišné přístupy. Jedna z nich využívá šablonovou metodu – šablonovou metodu. Tato metoda vytváří předpoklady pro samoorganizaci syntetizovaných nanosystémů. Druhou metodou je nanolitografie.

Mezi první skupinou metod jsou nejrozšířenější ty, které se používají jako šablony pro tvorbu pevné látky s periodickým systémem pórů se používají monodisperzní koloidní kuličky. Tyto metody umožňují získat fotonické krystaly na bázi kovů, nekovů, oxidů, polovodičů, polymerů atd. V první fázi jsou koloidní koule podobné velikosti jednotně „sbaleny“ ve formě trojrozměrných (někdy dvourozměrných) struktur, které později fungují jako šablony analogické přírodnímu opálu. Ve druhé fázi jsou dutiny ve struktuře šablony impregnovány kapalinou, která se následně pod různými fyzikálními a chemickými vlivy promění v pevnou kostru. Jiné metody vyplnění dutin šablony látkou jsou buď elektrochemické metody nebo CVD (Chemical Vapour Deposition).

V poslední fázi je templát (koloidní kuličky) odstraněn pomocí, v závislosti na jeho povaze, rozpouštěním nebo procesy tepelného rozkladu. Výsledné struktury jsou často označovány jako repliky původních koloidních krystalů nebo "reverzní opály".

Pro praktické použití by oblasti bez defektů ve fotonickém krystalu neměly přesáhnout 1000 μm2. Proto je problém uspořádání křemenných a polymerních sférických částic jedním z nejdůležitějších při vytváření fotonických krystalů.

Ve druhé skupině metod umožňuje jednofotonová fotolitografie a dvoufotonová fotolitografie tvorbu trojrozměrných fotonických krystalů s rozlišením 200 nm a využívá vlastnosti některých materiálů, např. polymerů, které jsou citlivé na jedno- a dvoufotonové ozařování a mohou pod vlivem tohoto záření měnit své vlastnosti. Elektronová litografie je nákladná, ale vysoce přesná metoda pro výrobu dvourozměrných fotonických krystalů. Při této metodě se fotorezist, který mění své vlastnosti působením elektronového paprsku, ozařuje paprskem na konkrétních místech za vzniku prostorové masky. Po ozáření se část fotorezistu smyje a zbytek se použije jako maska pro leptání v následném technologickém cyklu. Maximální rozlišení této metody je 10nm. Litografie s iontovým paprskem je v principu podobná, až na to, že se místo elektronového paprsku používá iontový paprsek. Výhody iontové paprskové litografie oproti elektronové litografii jsou v tom, že fotorezist je citlivější na iontové paprsky než elektrony a neexistuje žádný "efekt blízkosti", který by omezoval minimální možnou velikost oblasti v elektronové litografii.

Zmíníme také některé další způsoby pěstování fotonických krystalů. Patří sem metody samovolné tvorby fotonických krystalů, metody leptání, holografické metody.

Fotonová budoucnost

Dělat předpovědi je stejně nebezpečné jako lákavé. Předpovědi o budoucnosti zařízení s fotonickým krystalem jsou však velmi optimistické. Oblast použití fotonických krystalů je prakticky nevyčerpatelná. V současné době se již na světovém trhu objevily (nebo se v blízké budoucnosti objeví) zařízení či materiály využívající unikátní vlastnosti fotonických krystalů. Jedná se o lasery s fotonickými krystaly (nízkoprahové a bezprahové lasery); vlnovody na bázi fotonických krystalů (jsou kompaktnější a mají nižší ztráty ve srovnání s klasickými vlákny); materiály s negativním indexem lomu, které umožňují zaostřit světlo na bod menší než vlnová délka; snem fyziků je superprisma; optická paměťová a logická zařízení; displeje založené na fotonických krystalech. Fotonické krystaly budou také manipulovat s barvou. Již byl vyvinut ohýbatelný velkoformátový displej na fotonických krystalech s vysokým spektrálním rozsahem – od infračerveného po ultrafialové záření, ve kterém je každý pixel fotonický krystal – pole křemíkových mikrokuliček umístěných v prostoru přísně definovaným způsobem. Vznikají fotonické supravodiče. Takové supravodiče mohou být použity k vytvoření optických teplotních senzorů, které zase budou pracovat na vysokých frekvencích a budou kombinovány s fotonickými izolátory a polovodiči.

Technologické využití fotonických krystalů člověk teprve plánuje a mořská myš (Aphrodite aculeata) je v praxi využívá již delší dobu. Srst tohoto červa má tak výrazný jev iridescence, že je schopen selektivně odrážet světlo s účinností blízkou 100% v celém viditelném rozsahu spektra - od červené po zelenou a modrou. Takovýto specializovaný „palubní“ optický počítač pomáhá tomuto červovi přežít v hloubce až 500 m. S jistotou lze tvrdit, že lidská inteligence půjde ve využití unikátních vlastností fotonických krystalů mnohem dále.

Myšlenka fotoniky nanometrových struktur a fotonických krystalů se zrodila při analýze možnosti vytvoření optické pásové struktury. Předpokládalo se, že ve struktuře optického pásma, stejně jako ve struktuře polovodičového pásma, by měly existovat povolené a zakázané stavy pro fotony s různými energiemi. Teoreticky byl navržen model prostředí, ve kterém byly jako periodický mřížkový potenciál použity periodické změny dielektrické konstanty nebo indexu lomu prostředí. Tak byl představen koncept „fotonické zakázané pásmo“ ve „fotonickém krystalu“.

Fotonický krystal je supermříž, ve které je uměle vytvořeno pole a jeho perioda je řádově větší než perioda hlavní mřížky. Fotonický krystal je semitransparentní dielektrikum se specifickou periodickou strukturou a jedinečnými optickými vlastnostmi.

Periodická struktura je tvořena z nejmenších otvorů, které periodicky mění dielektrickou konstantu r. Průměr těchto otvorů je takový, že jimi procházejí světelné vlny přesně definované délky. Všechny ostatní vlny jsou absorbovány nebo odraženy.

Vznikají fotonická pásma, ve kterých fázová rychlost šíření světla závisí na e. V krystalu se světlo šíří koherentně a objevují se zakázané frekvence v závislosti na směru šíření. Braggova difrakce pro fotonické krystaly nastává v rozsahu optických vlnových délek.

Takové krystaly se nazývají materiály s fotonickou mezerou v pásmu (PDG). Z pohledu kvantové elektroniky v takto aktivních médiích není naplněn Einsteinův zákon pro indukované záření. V souladu s tímto zákonem jsou rychlosti indukované emise a absorpce stejné jako součet excitovaných N 2 a nevzrušený-

atomů JV je А, + N. = N. Pak nebo 50 %.

Ve fotonických krystalech je možná 100% inverze populace. To umožňuje snížit výkon čerpadla a omezit zbytečné zahřívání krystalu.

Pokud na krystal působí zvukové vlny, může se délka světelné vlny a směr pohybu světelné vlny charakteristický pro krystal měnit. Charakteristickou vlastností fotonických krystalů je úměrnost koeficientu odrazu R světlo v dlouhovlnné části spektra, jeho frekvence druhá mocnina 2, a ne jako u Rayleighova rozptylu R~ od 4. Krátkovlnná složka optického spektra je popsána zákony geometrické optiky.

Při průmyslové tvorbě fotonických krystalů je nutné najít technologii pro vytváření trojrozměrných supermřížek. To je velmi obtížný úkol, protože standardní replikační techniky využívající litografické techniky jsou pro vytváření nanostruktur ZR nepřijatelné.

Pozornost badatelů upoutal ušlechtilý opál (obr. 2.23). Je to minerál Si () 2? NS 1,0 podtřída hydroxidů. V přírodních opálech jsou dutiny globulí vyplněny oxidem křemičitým a molekulární vodou. Opály z pohledu nanoelektroniky jsou těsně nabalené (hlavně podle kubického zákona) nanosféry (kuličky) oxidu křemičitého. Typicky je průměr nanokuliček v rozmezí 200-600 nm. Balení kuliček oxidu křemičitého tvoří trojrozměrnou mřížku. Takové supermřížky obsahují strukturní dutiny o velikosti 140-400 nmi, které mohou být vyplněny polovodivými, opticky aktivními magnetickými materiály. V opálovité struktuře je možné vytvořit trojrozměrnou mřížku s nanometrovou strukturou. Optický opál maticová struktura může sloužit jako 3E) -fotonický krystal.

Byla vyvinuta technologie oxidovaného makroporézního křemíku. Na základě tohoto technologického postupu vznikají trojrozměrné struktury v podobě čepů oxidu křemičitého (obr. 2.24).

V těchto strukturách byly nalezeny fotonické mezery v pásmu. Parametry zakázaných zón lze měnit ve fázi litografických procesů nebo vyplněním struktury čepu jinými materiály.

Na základě fotonických krystalů byly vyvinuty různé konstrukce laserů. Další třídou optických prvků na bázi fotonických krystalů jsou vlákna fotonického krystalu(FKV). Oni mají

Rýže. 2.23. Struktura syntetického opálu (A) a přírodní opály (b) "

" Zdroj: E. A. Goodilin[atd.]. Bohatství Nanomiru. Fotoreportáž z hlubin hmoty; vyd. Yu. D. Treťjakov. M .: BINOM. Vědomostní laboratoř, 2010.

Rýže. 2.24.

zakázané zóny v daném rozsahu vlnových délek. Na rozdíl od běžných optických vláken mají fotonická bandgap vlákna schopnost posunout vlnovou délku s nulovým rozptylem do viditelné oblasti spektra. V tomto případě jsou poskytnuty podmínky pro solitonové způsoby šíření viditelného světla.

Změnou velikosti vzduchových trubic a podle toho i velikosti jádra můžete zvýšit koncentraci energie světelného záření, nelineární vlastnosti vláken. Změnou geometrie vláken a pláště je možné získat optimální kombinaci silné nelinearity a nízké disperze v požadovaném rozsahu vlnových délek.

Na Obr. 2.25 představuje PCF. Jsou dvojího druhu. Prvním typem je PCF s průběžným světlovodným jádrem. Strukturálně je takové vlákno vyrobeno ve formě jádra z křemičitého skla v povlaku z fotonického krystalu. Vlnové vlastnosti takových vláken jsou poskytovány jak účinkem úplného vnitřního odrazu, tak pásovými vlastnostmi fotonického krystalu. Proto se módy nízkého řádu šíří v takových vláknech v širokém spektrálním rozsahu. Režimy vysokého řádu se přesunou do skořápky a tam zmizí. V tomto případě jsou vlnovodné vlastnosti krystalu pro módy nultého řádu určeny účinkem totálního vnitřního odrazu. Pásová struktura fotonického krystalu se projevuje pouze nepřímo.

Druhá plechovka FKV má dutou světlovodnou žílu. Světlo se může šířit podél jádra vlákna i pláště. V jádru v

Rýže. 2.25.

a -úsek s kontinuální světlovodnou žilou;

6 - průřez s dutou světlovodnou žilou loka index lomu je menší než průměrný index lomu pláště. To umožňuje výrazně zvýšit výkon transportovaného záření. V současné době byla vytvořena vlákna, která mají ztrátu 0,58 dB / km na vlnové délce X = 1,55 μm, což se blíží ztrátě standardního jednovidového vlákna (0,2 dB / km).

Mezi další výhody vláken fotonických krystalů patří:

jeden režim pro všechny vypočtené vlnové délky;
široká škála změn v místě hlavní módy;
konstantní a vysoká hodnota disperzního koeficientu pro vlnové délky 1,3-1,5 mikronů a nulová disperze pro vlnové délky ve viditelném spektru;
řízené hodnoty polarizace, skupinová disperze rychlosti, přenosové spektrum.

Vlákna s opláštěním fotonickým krystalem jsou široce používána k řešení problémů v optice, laserové fyzice a zejména v telekomunikačních systémech. V poslední době přitahují zájem různé rezonance vznikající ve fotonických krystalech. Polaritonové efekty ve fotonických krystalech se vyskytují při interakci elektronických a fotonických rezonancí. Při vytváření kov-dielektrických nanostruktur s periodou mnohem menší, než je optická vlnová délka, je možné realizovat situaci, kdy podmínky r

Telekomunikační systémy z optických vláken jsou velmi významným produktem rozvoje fotoniky. Jejich fungování je založeno na procesech elektrootické konverze informačního signálu, přenosu modulovaného optického signálu na optické vlákno a zpětné opticko-elektronické konverze.