फोटोनिक क्रिस्टल में तरंग प्रसार का इतिहास। फोटोनिक क्रिस्टल

पिछले दशक में, माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक का विकास धीमा हो गया है, क्योंकि मानक अर्धचालक उपकरणों की गति की सीमा व्यावहारिक रूप से पहले ही पहुंच चुकी है। अर्धचालक इलेक्ट्रॉनिक्स के वैकल्पिक क्षेत्रों के विकास के लिए अधिक से अधिक अध्ययन समर्पित हैं - ये स्पिंट्रोनिक्स, सुपरकंडक्टिंग तत्वों के साथ माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक, फोटोनिक्स और कुछ अन्य हैं।

विद्युत संकेत के बजाय प्रकाश संकेत का उपयोग करके सूचना के संचरण और प्रसंस्करण का नया सिद्धांत, सूचना युग में एक नए चरण की शुरुआत को तेज कर सकता है।

साधारण क्रिस्टल से फोटोनिक तक

भविष्य के इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों का आधार फोटोनिक क्रिस्टल हो सकते हैं - ये सिंथेटिक ऑर्डर की गई सामग्री हैं जिसमें संरचना के अंदर ढांकता हुआ निरंतर समय-समय पर बदलता रहता है। वी क्रिस्टल लैटिसपारंपरिक अर्धचालक नियमितता, परमाणुओं की व्यवस्था की आवधिकता तथाकथित ऊर्जा बैंड संरचना के गठन की ओर ले जाती है - अनुमत और निषिद्ध क्षेत्रों के साथ। एक इलेक्ट्रॉन जिसकी ऊर्जा अनुमत बैंड में गिरती है, क्रिस्टल के माध्यम से आगे बढ़ सकती है, जबकि बैंड गैप में ऊर्जा वाला एक इलेक्ट्रॉन "लॉक" होता है।

एक साधारण क्रिस्टल के सादृश्य से, एक फोटोनिक क्रिस्टल का विचार उत्पन्न हुआ। इसमें, पारगम्यता की आवधिकता फोटोनिक क्षेत्रों की उपस्थिति का कारण बनती है, विशेष रूप से, निषिद्ध क्षेत्र, जिसके भीतर एक निश्चित तरंग दैर्ध्य के साथ प्रकाश का प्रसार दबा हुआ है। यही है, विद्युत चुम्बकीय विकिरण के व्यापक स्पेक्ट्रम के लिए पारदर्शी होने के कारण, फोटोनिक क्रिस्टल एक चयनित तरंग दैर्ध्य (ऑप्टिकल पथ की लंबाई के साथ संरचना की अवधि के दोगुने के बराबर) के साथ प्रकाश संचारित नहीं करते हैं।

फोटोनिक क्रिस्टल के विभिन्न आयाम हो सकते हैं। एक-आयामी (1D) क्रिस्टल विभिन्न अपवर्तक सूचकांकों के साथ बारी-बारी से परतों की एक बहुपरत संरचना है। द्वि-आयामी फोटोनिक क्रिस्टल (2D) को विभिन्न पारगम्यता के साथ छड़ की आवधिक संरचना के रूप में दर्शाया जा सकता है। पहला सिंथेटिक प्रोटोटाइप फोटोनिक क्रिस्टलत्रि-आयामी थे और 1990 के दशक की शुरुआत में अनुसंधान केंद्र के कर्मचारियों द्वारा बनाए गए थे बेल लैब्स(अमेरीका)। एक ढांकता हुआ सामग्री में एक आवधिक जाली प्राप्त करने के लिए, अमेरिकी वैज्ञानिकों ने बेलनाकार छिद्रों को इस तरह से ड्रिल किया जैसे कि voids का त्रि-आयामी नेटवर्क प्राप्त किया जा सके। सामग्री को एक फोटोनिक क्रिस्टल बनने के लिए, इसकी पारगम्यता को तीनों आयामों में 1 सेंटीमीटर की अवधि के साथ संशोधित किया गया था।

फोटोनिक क्रिस्टल के प्राकृतिक अनुरूप गोले (1 डी), समुद्री माउस के एंटीना, पॉलीचेट वर्म (2 डी), अफ्रीकी सेलबोट तितली के पंख और ओपल (3 डी) जैसे अर्ध-कीमती पत्थरों की मां-मोती कोटिंग्स हैं।

लेकिन आज भी, इलेक्ट्रॉन लिथोग्राफी और अनिसोट्रोपिक आयन नक़्क़ाशी के सबसे आधुनिक और महंगे तरीकों की मदद से, 10 से अधिक संरचनात्मक कोशिकाओं की मोटाई के साथ दोष मुक्त त्रि-आयामी फोटोनिक क्रिस्टल का उत्पादन करना मुश्किल है।

फोटोनिक क्रिस्टल को फोटोनिक एकीकृत प्रौद्योगिकियों में व्यापक अनुप्रयोग मिलना चाहिए, जो भविष्य में कंप्यूटर में विद्युत एकीकृत सर्किट को बदल देगा। जब इलेक्ट्रॉनों के बजाय फोटॉन का उपयोग करके सूचना प्रसारित की जाती है, तो बिजली की खपत में तेजी से कमी आएगी, घड़ी की आवृत्ति और सूचना हस्तांतरण दर में वृद्धि होगी।

टाइटेनियम ऑक्साइड फोटोनिक क्रिस्टल

टाइटेनियम ऑक्साइड टीओओ 2 में उच्च अपवर्तक सूचकांक, रासायनिक स्थिरता और कम विषाक्तता जैसी अनूठी विशेषताओं का एक सेट है, जो इसे एक-आयामी फोटोनिक क्रिस्टल बनाने के लिए सबसे आशाजनक सामग्री बनाता है। यदि हम सौर कोशिकाओं के लिए फोटोनिक क्रिस्टल पर विचार करते हैं, तो टाइटेनियम ऑक्साइड यहां अर्धचालक गुणों के कारण जीतता है। टाइटेनियम ऑक्साइड फोटोनिक क्रिस्टल सहित आवधिक फोटोनिक क्रिस्टल संरचना के साथ अर्धचालक परत का उपयोग करके सौर कोशिकाओं की दक्षता में वृद्धि पहले प्रदर्शित की गई है।

लेकिन अभी तक, टाइटेनियम डाइऑक्साइड पर आधारित फोटोनिक क्रिस्टल का उपयोग उनके निर्माण के लिए एक प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्य और सस्ती तकनीक की कमी के कारण सीमित है।

मॉस्को स्टेट यूनिवर्सिटी के रसायन विज्ञान संकाय और सामग्री विज्ञान संकाय के सदस्य नीना सपोलेटोवा, सर्गेई कुशनिर और किरिल नेपोल्स्की ने झरझरा टाइटेनियम ऑक्साइड फिल्मों के आधार पर एक-आयामी फोटोनिक क्रिस्टल के संश्लेषण में सुधार किया है।

"एल्यूमीनियम और टाइटेनियम सहित वाल्व धातुओं का एनोडाइजिंग (इलेक्ट्रोकेमिकल ऑक्सीकरण), नैनोमीटर के आकार के चैनलों के साथ झरझरा ऑक्साइड फिल्मों को प्राप्त करने का एक प्रभावी तरीका है," इलेक्ट्रोकेमिकल नैनोस्ट्रक्चरिंग समूह के प्रमुख, रासायनिक विज्ञान के उम्मीदवार किरिल नेपोलस्की ने समझाया।

एनोडाइजिंग आमतौर पर दो-इलेक्ट्रोड इलेक्ट्रोकेमिकल सेल में किया जाता है। दो धातु प्लेट, एक कैथोड और एक एनोड, को इलेक्ट्रोलाइट समाधान में उतारा जाता है, और एक विद्युत वोल्टेज लगाया जाता है। कैथोड पर हाइड्रोजन छोड़ा जाता है, और धातु का विद्युत रासायनिक ऑक्सीकरण एनोड पर होता है। यदि सेल पर लागू वोल्टेज को समय-समय पर बदला जाता है, तो एनोड पर मोटाई में निर्दिष्ट सरंध्रता वाली एक झरझरा फिल्म बनती है।

प्रभावी अपवर्तक सूचकांक को संशोधित किया जाएगा यदि छिद्र व्यास संरचना के भीतर समय-समय पर बदलता रहता है। पहले विकसित टाइटेनियम एनोडाइजिंग तकनीकों ने उच्च स्तर की संरचना आवधिकता के साथ सामग्री प्राप्त करने की अनुमति नहीं दी थी। मॉस्को स्टेट यूनिवर्सिटी के रसायनज्ञों ने एनोडाइजिंग चार्ज के आधार पर वोल्टेज मॉड्यूलेशन के साथ धातु एनोडाइजिंग की एक नई विधि विकसित की है, जो उच्च सटीकता के साथ झरझरा एनोडिक धातु ऑक्साइड बनाने की अनुमति देता है। एक उदाहरण के रूप में एनोडिक टाइटेनियम ऑक्साइड से एक-आयामी फोटोनिक क्रिस्टल का उपयोग करके रसायनज्ञों द्वारा नई तकनीक की संभावनाओं का प्रदर्शन किया गया था।

40-60 वोल्ट की सीमा में साइनसॉइडल कानून के अनुसार एनोडाइजिंग वोल्टेज को बदलने के परिणामस्वरूप, वैज्ञानिकों ने एक निरंतर बाहरी व्यास और समय-समय पर बदलते आंतरिक व्यास के साथ एनोडिक टाइटेनियम ऑक्साइड के नैनोट्यूब प्राप्त किए (आंकड़ा देखें)।

"पहले इस्तेमाल की जाने वाली एनोडाइजिंग विधियों ने उच्च स्तर की संरचना आवधिकता के साथ सामग्री प्राप्त करने की अनुमति नहीं दी थी। हमने एक नई पद्धति विकसित की है, जिसका प्रमुख घटक है बगल में(तुरंत संश्लेषण के दौरान) एनोडाइजिंग चार्ज का माप, जो उच्च सटीकता के साथ गठित ऑक्साइड फिल्म में विभिन्न सरंध्रता के साथ परतों की मोटाई को नियंत्रित करना संभव बनाता है, "काम के लेखकों में से एक, रासायनिक विज्ञान के उम्मीदवार सर्गेई कुशनिर ने समझाया।

विकसित तकनीक एनोडिक धातु आक्साइड पर आधारित एक संशोधित संरचना के साथ नई सामग्री के निर्माण को सरल बनाएगी। "अगर हम तकनीक के व्यावहारिक अनुप्रयोग के रूप में सौर कोशिकाओं में एनोडिक टाइटेनियम ऑक्साइड से फोटोनिक क्रिस्टल के उपयोग पर विचार करते हैं, तो सौर कोशिकाओं में प्रकाश रूपांतरण की दक्षता पर ऐसे फोटोनिक क्रिस्टल के संरचनात्मक मानकों के प्रभाव का एक व्यवस्थित अध्ययन रहता है किया जाना चाहिए," सर्गेई कुशनिर ने निर्दिष्ट किया।

अपवर्तनांक में परिवर्तन की प्रकृति के अनुसार, फोटोनिक क्रिस्टल को तीन मुख्य वर्गों में विभाजित किया जा सकता है:

1. एक-आयामी, जिसमें अपवर्तक सूचकांक समय-समय पर एक स्थानिक दिशा में बदलता है, जैसा कि चित्र 2 में दिखाया गया है। इस आंकड़े में, प्रतीक एल अपवर्तक सूचकांक में परिवर्तन की अवधि को दर्शाता है, और दो सामग्रियों के अपवर्तक सूचकांक हैं ( लेकिन सामान्य तौर पर, कितनी भी सामग्री मौजूद हो सकती है)। इस तरह के फोटोनिक क्रिस्टल में विभिन्न अपवर्तक सूचकांकों के साथ एक दूसरे के समानांतर विभिन्न सामग्रियों की परतें होती हैं और परतों के लंबवत एक स्थानिक दिशा में उनके गुण प्रदर्शित कर सकते हैं।

चित्र 1 - एक आयामी फोटोनिक क्रिस्टल का योजनाबद्ध निरूपण

2. द्वि-आयामी, जिसमें अपवर्तनांक समय-समय पर दो स्थानिक दिशाओं में बदलता है जैसा कि चित्र 2 में दिखाया गया है। इस आकृति में, एक फोटोनिक क्रिस्टल एक अपवर्तक सूचकांक के साथ आयताकार क्षेत्रों द्वारा बनाया जाता है जो एक अपवर्तक सूचकांक के साथ एक माध्यम में होते हैं। इस मामले में, अपवर्तनांक वाले क्षेत्रों को द्वि-आयामी घन जाली में व्यवस्थित किया जाता है। इस तरह के फोटोनिक क्रिस्टल अपने गुणों को दो स्थानिक दिशाओं में प्रदर्शित कर सकते हैं, और अपवर्तक सूचकांक वाले क्षेत्रों का आकार आयतों तक सीमित नहीं है, जैसा कि चित्र में है, लेकिन कोई भी (मंडल, दीर्घवृत्त, मनमाना, आदि) हो सकता है। क्रिस्टल जाली जिसमें इन क्षेत्रों का आदेश दिया गया है, वह भी भिन्न हो सकता है, न कि केवल घन, जैसा कि चित्र में है।

चित्र - 2 द्वि-आयामी फोटोनिक क्रिस्टल का योजनाबद्ध निरूपण

3. त्रि-आयामी, जिसमें अपवर्तनांक समय-समय पर तीन स्थानिक दिशाओं में बदलता रहता है। इस तरह के फोटोनिक क्रिस्टल तीन स्थानिक दिशाओं में अपने गुणों को प्रदर्शित कर सकते हैं, और उन्हें त्रि-आयामी क्रिस्टल जाली में क्रमबद्ध वॉल्यूमेट्रिक क्षेत्रों (गोले, क्यूब्स, आदि) की एक सरणी के रूप में दर्शाया जा सकता है।

विद्युत मीडिया की तरह, निषिद्ध और अनुमत क्षेत्रों की चौड़ाई के आधार पर, फोटोनिक क्रिस्टल को कंडक्टरों में विभाजित किया जा सकता है - कम नुकसान के साथ लंबी दूरी पर प्रकाश का संचालन करने में सक्षम, डाइलेक्ट्रिक्स - लगभग पूर्ण दर्पण, अर्धचालक - सक्षम पदार्थ, उदाहरण के लिए, चुनिंदा रूप से एक निश्चित तरंग दैर्ध्य और सुपरकंडक्टर्स के फोटॉन को दर्शाते हैं, जिसमें सामूहिक घटनाओं के लिए धन्यवाद, फोटॉन व्यावहारिक रूप से असीमित दूरी पर प्रचार करने में सक्षम होते हैं।

गुंजयमान और गैर-गुंजयमान फोटोनिक क्रिस्टल भी हैं। गुंजयमान फोटोनिक क्रिस्टल गैर-अनुनाद वाले क्रिस्टल से भिन्न होते हैं, जिसमें वे उन सामग्रियों का उपयोग करते हैं जिनकी आवृत्ति के कार्य के रूप में पारगम्यता (या अपवर्तक सूचकांक) में कुछ गुंजयमान आवृत्ति पर एक ध्रुव होता है।

फोटोनिक क्रिस्टल में किसी भी असमानता को फोटोनिक क्रिस्टल दोष कहा जाता है। ऐसे क्षेत्रों में, विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र अक्सर केंद्रित होता है, जिसका उपयोग फोटोनिक क्रिस्टल पर आधारित माइक्रोरेसोनेटर और वेवगाइड में किया जाता है।

विद्युत मीडिया की तरह, निषिद्ध और अनुमत क्षेत्रों की चौड़ाई के आधार पर, फोटोनिक क्रिस्टल को कंडक्टरों में विभाजित किया जा सकता है - कम नुकसान के साथ लंबी दूरी पर प्रकाश का संचालन करने में सक्षम, डाइलेक्ट्रिक्स - लगभग पूर्ण दर्पण, अर्धचालक - सक्षम पदार्थ, उदाहरण के लिए, चुनिंदा रूप से एक निश्चित तरंग दैर्ध्य और सुपरकंडक्टर्स के फोटॉन को दर्शाते हैं, जिसमें सामूहिक घटनाओं के लिए धन्यवाद, फोटॉन व्यावहारिक रूप से असीमित दूरी पर प्रचार करने में सक्षम होते हैं। गुंजयमान और गैर-गुंजयमान फोटोनिक क्रिस्टल भी हैं। गुंजयमान फोटोनिक क्रिस्टल गैर-अनुनाद वाले क्रिस्टल से भिन्न होते हैं, जिसमें वे उन सामग्रियों का उपयोग करते हैं जिनकी आवृत्ति के कार्य के रूप में पारगम्यता (या अपवर्तक सूचकांक) में कुछ गुंजयमान आवृत्ति पर एक ध्रुव होता है।

फोटोनिक क्रिस्टल में किसी भी असमानता को फोटोनिक क्रिस्टल दोष कहा जाता है। ऐसे क्षेत्रों में, विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र अक्सर केंद्रित होता है, जिसका उपयोग फोटोनिक क्रिस्टल पर आधारित माइक्रोरेसोनेटर और वेवगाइड में किया जाता है। फोटोनिक क्रिस्टल में विद्युत चुम्बकीय तरंगों के प्रसार और क्रिस्टल के इलेक्ट्रॉनिक गुणों का वर्णन करने में कई समानताएं हैं। आइए उनमें से कुछ पर एक नजर डालते हैं।

1. क्रिस्टल के अंदर एक इलेक्ट्रॉन की स्थिति (गति का नियम) श्रेडिंगर समीकरण के समाधान द्वारा दी जाती है, एक फोटोनिक क्रिस्टल में प्रकाश का प्रसार तरंग समीकरण का पालन करता है, जो मैक्सवेल समीकरणों का परिणाम है:

• 2. एक इलेक्ट्रॉन की स्थिति का वर्णन एक अदिश तरंग फलन w(r, t) द्वारा किया जाता है, विद्युत चुम्बकीय तरंग की स्थिति का वर्णन सदिश क्षेत्रों द्वारा किया जाता है - चुंबकीय या विद्युत घटक की शक्ति, H (r, t) या E (आर, टी)।
• 3. इलेक्ट्रॉन तरंग फ़ंक्शन w(r,t) को eigenstates wE(r) की एक श्रृंखला में विस्तारित किया जा सकता है, जिनमें से प्रत्येक अपनी ऊर्जा E से मेल खाता है। विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र की ताकत H(r,t) को एक द्वारा दर्शाया जा सकता है मोनोक्रोमैटिक घटकों (मोड) का सुपरपोजिशन विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र एचएसएच(आर), जिनमें से प्रत्येक अपने स्वयं के मूल्य से मेल खाता है - मोड डब्ल्यू की आवृत्ति:

4. परमाणु क्षमता U(r) और पारगम्यता е(r), जो श्रल्डिंगर और मैक्सवेल समीकरणों में प्रदर्शित होती है, आवर्त फलन हैं जिनका आवर्त क्रमशः क्रिस्टल जालक और फोटोनिक क्रिस्टल के किसी भी सदिश R के बराबर होता है:

यू (आर) = यू (आर + आर), (3)

5. इलेक्ट्रॉन के तरंग फलन और विद्युतचुंबकीय क्षेत्र की प्रबलता के लिए बलोच प्रमेय u k और आवर्त फलनों से संतुष्ट है। तुमक ।

• 6. तरंग सदिशों के संभावित मान k क्रिस्टल जालक के ब्रिलॉइन क्षेत्र या फोटोनिक क्रिस्टल की एक इकाई सेल को भरते हैं, जो व्युत्क्रम वैक्टर के स्थान में निर्दिष्ट होता है।
• 7. इलेक्ट्रॉन ऊर्जा E, जो श्रलडिंगर समीकरण का प्रतिमान है, और तरंग समीकरण (मैक्सवेल समीकरणों के परिणाम) का प्रतिमान मूल्य - मोड आवृत्ति u - तरंग वैक्टर k के मूल्यों से संबंधित है। बलोच फलन (4) फैलाव नियम E(k) और u(k) द्वारा।
• 8. एक अशुद्धता परमाणु जो परमाणु क्षमता की अनुवादकीय समरूपता को तोड़ता है, एक क्रिस्टल दोष है और दोष के आसपास स्थानीयकृत अशुद्धता इलेक्ट्रॉनिक राज्य बना सकता है। फोटोनिक क्रिस्टल के एक निश्चित क्षेत्र में पारगम्यता में परिवर्तन ट्रांसलेशनल समरूपता ई (आर) को तोड़ता है और इसके स्थानिक क्षेत्र में स्थानीयकृत फोटोनिक बैंड गैप के अंदर एक अनुमत मोड की उपस्थिति की ओर ले जाता है।

फोटोनिक क्रिस्टल के असामान्य गुणों के लिए बड़ी संख्या में काम समर्पित किए गए हैं, और हाल ही मेंऔर मोनोग्राफ। याद रखें कि फोटोनिक क्रिस्टल एक ऐसा कृत्रिम माध्यम है, जिसमें परावैद्युत मापदंडों (अर्थात् अपवर्तनांक) में आवधिक परिवर्तन के कारण विद्युतचुंबकीय तरंगों (प्रकाश) के प्रसार के गुण वास्तविक क्रिस्टल में फैलने वाले इलेक्ट्रॉनों के गुणों के समान हो जाते हैं। तदनुसार, "फोटोनिक क्रिस्टल" शब्द फोटॉन और इलेक्ट्रॉनों की समानता पर जोर देता है। फोटॉन के गुणों का परिमाणीकरण इस तथ्य की ओर जाता है कि एक फोटोनिक क्रिस्टल में फैलने वाली विद्युत चुम्बकीय तरंग के स्पेक्ट्रम में, निषिद्ध बैंड दिखाई दे सकते हैं, जिसमें फोटॉन राज्यों का घनत्व शून्य के बराबर होता है।

माइक्रोवेव रेंज में विद्युत चुम्बकीय तरंगों के लिए एक पूर्ण बैंडगैप वाला त्रि-आयामी फोटोनिक क्रिस्टल पहली बार महसूस किया गया था। एक निरपेक्ष बैंड अंतराल के अस्तित्व का मतलब है कि एक निश्चित आवृत्ति बैंड में विद्युत चुम्बकीय तरंगें किसी भी दिशा में किसी क्रिस्टल में प्रचार नहीं कर सकती हैं, क्योंकि फोटॉन की स्थिति का घनत्व जिसकी ऊर्जा इस आवृत्ति बैंड से मेल खाती है, क्रिस्टल में किसी भी बिंदु पर शून्य के बराबर होती है। . वास्तविक क्रिस्टल की तरह, बैंड गैप की उपस्थिति और गुणों के संदर्भ में फोटोनिक क्रिस्टल कंडक्टर, अर्धचालक, इन्सुलेटर और सुपरकंडक्टर्स हो सकते हैं। यदि एक फोटोनिक क्रिस्टल के बैंड गैप में "दोष" हैं, तो एक "दोष" द्वारा एक फोटॉन का "कैप्चर" संभव है, ठीक उसी तरह जैसे बैंड गैप में स्थित संबंधित अशुद्धता द्वारा इलेक्ट्रॉन या छेद को कैप्चर किया जाता है। एक अर्धचालक का।

बैंड गैप के अंदर स्थित ऊर्जा के साथ ऐसी प्रसार तरंगों को दोष मोड कहा जाता है।

फोटोनिक क्रिस्टल मेटामटेरियल अपवर्तन

जैसा कि पहले ही उल्लेख किया गया है, एक फोटोनिक क्रिस्टल के असामान्य गुण तब देखे जाते हैं जब क्रिस्टल के यूनिट सेल के आयाम उसमें फैलने वाली तरंग की लंबाई के क्रम के होते हैं। यह स्पष्ट है कि प्रकाश की दृश्य सीमा में आदर्श फोटोनिक क्रिस्टल केवल सबमाइक्रोन प्रौद्योगिकियों का उपयोग करके उत्पादित किए जा सकते हैं। स्तर आधुनिक विज्ञानऔर प्रौद्योगिकी आपको ऐसे त्रि-आयामी क्रिस्टल बनाने की अनुमति देती है।

फोटोनिक क्रिस्टल के अनुप्रयोग बहुत अधिक हैं - ऑप्टिकल आइसोलेटर्स, ऑप्टिकल आइसोलेटर्स, स्विचेस, मल्टीप्लेक्सर्स, आदि। व्यावहारिक दृष्टिकोण से, अत्यंत महत्वपूर्ण संरचनाओं में से एक फोटोनिक-क्रिस्टल ऑप्टिकल फाइबर है। वे पहले एक घने पैक में इकट्ठे हुए कांच के केशिकाओं के एक सेट से बने थे, जिसे बाद में पारंपरिक ड्राइंग के अधीन किया गया था। परिणाम एक ऑप्टिकल फाइबर था जिसमें लगभग 1 माइक्रोन की विशेषता आकार के साथ नियमित रूप से दूरी वाले छेद होते थे। इसके बाद, विभिन्न विन्यासों और विभिन्न गुणों के ऑप्टिकल फोटोनिक-क्रिस्टल फाइबर प्राप्त किए गए (चित्र 9)।

रेडियो इंजीनियरिंग और इलेक्ट्रॉनिक्स संस्थान और रूसी विज्ञान अकादमी के फाइबर ऑप्टिक्स के अनुसंधान केंद्र में फोटोनिक-क्रिस्टल लाइट गाइड बनाने के लिए एक नई ड्रिलिंग विधि विकसित की गई है। सबसे पहले, किसी भी मैट्रिक्स के साथ यांत्रिक छेद एक मोटी क्वार्ट्ज वर्कपीस में ड्रिल किए गए थे, और फिर वर्कपीस तैयार किया गया था। नतीजतन, एक फोटोनिक क्रिस्टल फाइबर प्राप्त किया गया था उच्च गुणवत्ता. ऐसे तंतुओं में, विभिन्न आकृतियों और आकारों के दोष पैदा करना आसान होता है, ताकि उनमें प्रकाश के कई तरीके एक साथ उत्तेजित हो सकें, जिनकी आवृत्तियां एक फोटोनिक क्रिस्टल के बैंड गैप में होती हैं। दोष, विशेष रूप से, एक खोखले चैनल का रूप हो सकता है, जिससे प्रकाश क्वार्ट्ज में नहीं, बल्कि हवा के माध्यम से फैलेगा, जो फोटोनिक क्रिस्टल फाइबर के लंबे वर्गों में नुकसान को काफी कम कर सकता है। फोटोनिक क्रिस्टल फाइबर में दृश्य और अवरक्त विकिरण का प्रसार विभिन्न प्रकार की भौतिक घटनाओं के साथ होता है: रमन बिखरना, हार्मोनिक मिश्रण, हार्मोनिक पीढ़ी, जो अंततः सुपरकॉन्टिनम पीढ़ी की ओर जाता है।

कोई कम दिलचस्प नहीं, भौतिक प्रभावों और संभावित अनुप्रयोगों के अध्ययन के दृष्टिकोण से, एक और दो-आयामी फोटोनिक क्रिस्टल हैं। कड़ाई से बोलते हुए, ये संरचनाएं फोटोनिक क्रिस्टल नहीं हैं, लेकिन उन्हें ऐसा माना जा सकता है जब विद्युत चुम्बकीय तरंगें कुछ दिशाओं में फैलती हैं। एक विशिष्ट एक-आयामी फोटोनिक क्रिस्टल एक बहुपरत आवधिक संरचना है, जिसमें बहुत भिन्न अपवर्तक सूचकांकों के साथ कम से कम दो पदार्थों की परतें होती हैं। यदि एक विद्युत चुम्बकीय तरंग सामान्य के साथ फैलती है, तो कुछ आवृत्तियों के लिए ऐसी संरचना में एक निषिद्ध बैंड दिखाई देता है। यदि संरचना की परतों में से एक को एक अलग अपवर्तक सूचकांक वाले पदार्थ द्वारा प्रतिस्थापित किया जाता है या एक परत की मोटाई बदल दी जाती है, तो ऐसी परत एक तरंग को पकड़ने में सक्षम दोष होगी जिसकी आवृत्ति बैंड गैप में होती है।

एक ढांकता हुआ गैर-चुंबकीय संरचना में एक चुंबकीय दोष परत की उपस्थिति से ऐसी संरचना में प्रसार के दौरान तरंग के फैराडे रोटेशन में कई वृद्धि होती है और माध्यम की ऑप्टिकल पारदर्शिता में वृद्धि होती है।

सामान्यतया, फोटोनिक क्रिस्टल में चुंबकीय परतों की उपस्थिति उनके गुणों को महत्वपूर्ण रूप से बदल सकती है, मुख्यतः माइक्रोवेव रेंज में। तथ्य यह है कि माइक्रोवेव रेंज में, एक निश्चित आवृत्ति बैंड में फेरोमैग्नेट्स की चुंबकीय पारगम्यता नकारात्मक होती है, जो मेटामटेरियल्स के निर्माण में उनके उपयोग की सुविधा प्रदान करती है। ऐसे पदार्थों को धात्विक गैर-चुंबकीय परतों या व्यक्तिगत कंडक्टरों या कंडक्टरों की आवधिक संरचनाओं से युक्त संरचनाओं के साथ संयुग्मित करके, चुंबकीय और ढांकता हुआ पारगम्यता के नकारात्मक मूल्यों के साथ संरचनाएं बनाना संभव है। एक उदाहरण रूसी विज्ञान अकादमी के रेडियो इंजीनियरिंग और इलेक्ट्रॉनिक्स संस्थान में बनाई गई संरचनाएं हैं, जिन्हें मैग्नेटोस्टैटिक स्पिन तरंगों के "नकारात्मक" प्रतिबिंब और अपवर्तन का पता लगाने के लिए डिज़ाइन किया गया है। इस तरह की संरचना yttrium लोहे के गार्नेट की एक फिल्म है जिसकी सतह पर धातु के कंडक्टर होते हैं। पतली फेरोमैग्नेटिक फिल्मों में फैलने वाली मैग्नेटोस्टैटिक स्पिन तरंगों के गुण बाहरी चुंबकीय क्षेत्र पर दृढ़ता से निर्भर करते हैं। सामान्य स्थिति में, इस तरह की तरंगों में से एक पिछड़ी लहर है, इसलिए इस प्रकार की लहर के लिए तरंग वेक्टर और पॉयिंग वेक्टर का अदिश उत्पाद नकारात्मक है।

फोटोनिक क्रिस्टल में पश्च तरंगों का अस्तित्व भी क्रिस्टल के गुणों की आवधिकता के कारण होता है। विशेष रूप से, उन तरंगों के लिए जिनके तरंग वैक्टर पहले ब्रिलॉइन ज़ोन में स्थित हैं, प्रसार की स्थिति को सीधी तरंगों के लिए संतुष्ट किया जा सकता है, और दूसरे ब्रिलॉइन ज़ोन में समान तरंगों के लिए, जैसे कि पिछड़े लोगों के लिए। मेटामटेरियल्स की तरह, फोटोनिक क्रिस्टल भी तरंगों के प्रसार में असामान्य गुण प्रदर्शित कर सकते हैं, जैसे "नकारात्मक" अपवर्तन।

हालांकि, फोटोनिक क्रिस्टल मेटामटेरियल हो सकते हैं जिसके लिए "नकारात्मक" अपवर्तन की घटना न केवल माइक्रोवेव रेंज में, बल्कि ऑप्टिकल आवृत्ति रेंज में भी संभव है। प्रयोग ब्रिलॉइन क्षेत्र के केंद्र के पास पहले निषिद्ध क्षेत्र की आवृत्ति से अधिक आवृत्तियों वाली तरंगों के लिए फोटोनिक क्रिस्टल में "नकारात्मक" अपवर्तन के अस्तित्व की पुष्टि करते हैं। यह नकारात्मक समूह वेग के प्रभाव के कारण है और, परिणामस्वरूप, तरंग के लिए नकारात्मक अपवर्तनांक। वास्तव में, इस आवृत्ति रेंज में, तरंगें पीछे की ओर हो जाती हैं।

इल्या पोलिशचुक, भौतिक और गणितीय विज्ञान के डॉक्टर, मास्को इंस्टीट्यूट ऑफ फिजिक्स एंड टेक्नोलॉजी में प्रोफेसर, प्रमुख शोधकर्ता, राष्ट्रीय अनुसंधान केंद्र "कुरचटोव संस्थान"

सूचना प्रसंस्करण और संचार प्रणालियों में माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक के उपयोग ने दुनिया को मौलिक रूप से बदल दिया है। इसमें कोई संदेह नहीं है कि फोटोनिक क्रिस्टल और उन पर आधारित उपकरणों के भौतिकी के क्षेत्र में अनुसंधान कार्य में उछाल के परिणाम आधी सदी से भी पहले एकीकृत माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक के निर्माण के महत्व के बराबर होंगे। एक नए प्रकार की सामग्री सेमीकंडक्टर इलेक्ट्रॉनिक्स तत्वों की "छवि और समानता" में ऑप्टिकल माइक्रोक्रिकिट्स बनाना संभव बनाती है, और मौलिक रूप से फोटोनिक क्रिस्टल पर विकसित की जा रही सूचनाओं को प्रसारित करने, संग्रहीत करने और संसाधित करने के नए तरीके, बदले में, पाएंगे भविष्य के अर्धचालक इलेक्ट्रॉनिक्स में आवेदन। आश्चर्य नहीं कि अनुसंधान का यह क्षेत्र दुनिया के सबसे बड़े वैज्ञानिक केंद्रों, उच्च तकनीक वाली कंपनियों और सैन्य-औद्योगिक परिसर के उद्यमों में से एक है। बेशक, रूस कोई अपवाद नहीं है। इसके अलावा, फोटोनिक क्रिस्टल प्रभावी अंतर्राष्ट्रीय सहयोग का विषय हैं। एक उदाहरण के रूप में, आइए हम रूसी किनटेक लैब एलएलसी और प्रसिद्ध अमेरिकी कंपनी जनरल इलेक्ट्रिक के बीच दस वर्षों से अधिक के सहयोग का उल्लेख करें।

फोटोनिक क्रिस्टल का इतिहास

ऐतिहासिक रूप से, त्रि-आयामी झंझरी पर फोटॉन बिखरने का सिद्धांत तरंग दैर्ध्य क्षेत्र से गहन रूप से विकसित होना शुरू हुआ? ~ 0.01-1 एनएम, जो एक्स-रे रेंज में स्थित है, जहां फोटोनिक क्रिस्टल के नोड स्वयं परमाणु हैं। 1986 में, लॉस एंजिल्स में कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय के एली याब्लोनोविच ने साधारण क्रिस्टल के समान एक त्रि-आयामी ढांकता हुआ संरचना बनाने का विचार प्रस्तावित किया, जिसमें एक निश्चित वर्णक्रमीय बैंड की विद्युत चुम्बकीय तरंगें प्रचारित नहीं कर सकती थीं। ऐसी संरचनाओं को फोटोनिक बैंडगैप संरचनाएं या फोटोनिक क्रिस्टल कहा जाता है। 5 वर्षों के बाद, उच्च अपवर्तक सूचकांक वाली सामग्री में मिलीमीटर छेद ड्रिल करके ऐसा फोटोनिक क्रिस्टल बनाया गया था। इस तरह के एक कृत्रिम क्रिस्टल, जिसे बाद में याब्लोनोवाइट कहा जाता है, ने मिलीमीटर-तरंग विकिरण को प्रसारित नहीं किया और वास्तव में एक बैंड गैप के साथ एक फोटोनिक संरचना का एहसास हुआ (वैसे, चरणबद्ध एंटीना सरणियों को भौतिक वस्तुओं के समान वर्ग के लिए भी जिम्मेदार ठहराया जा सकता है)।

फोटोनिक संरचनाएं, जिसमें एक, दो या तीन दिशाओं में एक निश्चित आवृत्ति बैंड में विद्युत चुम्बकीय (विशेष रूप से, ऑप्टिकल) तरंगों का प्रसार निषिद्ध है, इन तरंगों को नियंत्रित करने के लिए ऑप्टिकल एकीकृत उपकरणों को बनाने के लिए उपयोग किया जा सकता है। वर्तमान में, फोटोनिक संरचनाओं की विचारधारा गैर-दहलीज अर्धचालक लेजर, दुर्लभ-पृथ्वी आयनों पर आधारित लेजर, उच्च-क्यू रेज़ोनेटर, ऑप्टिकल वेवगाइड, वर्णक्रमीय फिल्टर और पोलराइज़र के निर्माण को रेखांकित करती है। फोटोनिक क्रिस्टल का अध्ययन अब रूस सहित दो दर्जन से अधिक देशों में किया जा रहा है, और इस क्षेत्र में प्रकाशनों की संख्या, साथ ही संगोष्ठियों और वैज्ञानिक सम्मेलनों और स्कूलों की संख्या तेजी से बढ़ रही है।

एक फोटोनिक क्रिस्टल में होने वाली प्रक्रियाओं को समझने के लिए, इसकी तुलना सेमीकंडक्टर क्रिस्टल से की जा सकती है, और चार्ज वाहक - इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों की गति के साथ फोटॉनों का प्रसार। उदाहरण के लिए, आदर्श सिलिकॉन में, परमाणु हीरे जैसी क्रिस्टल संरचना में स्थित होते हैं, और एक ठोस अवस्था के बैंड सिद्धांत के अनुसार, आवेशित वाहक, क्रिस्टल के माध्यम से फैलते हैं, परमाणु नाभिक के क्षेत्र की आवधिक क्षमता के साथ बातचीत करते हैं। अनुमत और निषिद्ध बैंड के गठन का यही कारण है - क्वांटम यांत्रिकी बैंड गैप नामक ऊर्जा सीमा के अनुरूप ऊर्जा वाले इलेक्ट्रॉनों के अस्तित्व को रोकता है। पारंपरिक क्रिस्टल के समान, फोटोनिक क्रिस्टल में अत्यधिक सममित इकाई कोशिका संरचना होती है। इसके अलावा, यदि एक साधारण क्रिस्टल की संरचना क्रिस्टल जाली में परमाणुओं की स्थिति से निर्धारित होती है, तो एक फोटोनिक क्रिस्टल की संरचना माध्यम के ढांकता हुआ स्थिरांक के आवधिक स्थानिक मॉडुलन द्वारा निर्धारित की जाती है (मॉड्यूलेशन स्केल के बराबर है अंतःक्रियात्मक विकिरण की तरंग दैर्ध्य)।

फोटोनिक कंडक्टर, इंसुलेटर, सेमीकंडक्टर्स और सुपरकंडक्टर्स

सादृश्य को जारी रखते हुए, फोटोनिक क्रिस्टल को कंडक्टर, इंसुलेटर, सेमीकंडक्टर्स और सुपरकंडक्टर्स में विभाजित किया जा सकता है।

फोटोनिक कंडक्टरों में व्यापक अनुमत बैंड होते हैं। ये पारदर्शी पिंड हैं जिनमें प्रकाश व्यावहारिक रूप से अवशोषित हुए बिना लंबी दूरी तय करता है। फोटोनिक क्रिस्टल के एक अन्य वर्ग, फोटोनिक इंसुलेटर में व्यापक बैंड अंतराल होते हैं। यह स्थिति संतुष्ट है, उदाहरण के लिए, विस्तृत-श्रेणी के बहुपरत ढांकता हुआ दर्पण द्वारा। साधारण अपारदर्शी मीडिया के विपरीत, जिसमें प्रकाश जल्दी से गर्मी में बदल जाता है, फोटोनिक इंसुलेटर प्रकाश को अवशोषित नहीं करते हैं। जहां तक ​​फोटोनिक सेमीकंडक्टर्स का सवाल है, उनके पास इंसुलेटर की तुलना में संकरा बैंड गैप होता है।

फोटोनिक क्रिस्टल पर आधारित वेवगाइड्स का उपयोग फोटोनिक टेक्सटाइल (चित्रित) बनाने के लिए किया जाता है। इस तरह के वस्त्र अभी सामने आए हैं, और यहां तक ​​कि इसके आवेदन के दायरे को अभी तक पूरी तरह से महसूस नहीं किया गया है। इससे आप, उदाहरण के लिए, इंटरेक्टिव कपड़े बना सकते हैं, या आप एक सॉफ्ट डिस्प्ले बना सकते हैं

फोटो: emt-photoniccrystal.blogspot.com

इस तथ्य के बावजूद कि पिछले कुछ वर्षों में केवल प्रकाशिकी में फोटोनिक बैंड और फोटोनिक क्रिस्टल का विचार स्थापित किया गया है, अपवर्तक सूचकांक में एक स्तरित परिवर्तन के साथ संरचनाओं के गुण भौतिकविदों को लंबे समय से ज्ञात हैं। इस तरह की संरचनाओं के पहले व्यावहारिक रूप से महत्वपूर्ण अनुप्रयोगों में से एक अद्वितीय ऑप्टिकल विशेषताओं के साथ कोटिंग्स का उत्पादन था जो अत्यधिक कुशल वर्णक्रमीय फिल्टर बनाने और ऑप्टिकल तत्वों (जैसे ऑप्टिक्स को लेपित कहा जाता है) से अवांछित प्रतिबिंबों को कम करने के लिए उपयोग किया जाता था और 100 के करीब प्रतिबिंब गुणांक वाले ढांकता हुआ दर्पण। %. 1डी फोटोनिक संरचनाओं के एक अन्य प्रसिद्ध उदाहरण के रूप में, वितरित फीडबैक के साथ सेमीकंडक्टर लेजर का उल्लेख किया जा सकता है, साथ ही भौतिक मापदंडों (प्रोफाइल या अपवर्तक सूचकांक) के आवधिक अनुदैर्ध्य मॉड्यूलेशन के साथ ऑप्टिकल वेवगाइड।

जहां तक ​​साधारण क्रिस्टल की बात है, प्रकृति हमें उन्हें बहुत उदारता से देती है। प्रकृति में फोटोनिक क्रिस्टल दुर्लभ हैं। इसलिए, यदि हम फोटोनिक क्रिस्टल के अद्वितीय गुणों का दोहन करना चाहते हैं, तो हमें उन्हें विकसित करने के लिए विभिन्न तरीकों को विकसित करने के लिए मजबूर होना पड़ता है।

एक फोटोनिक क्रिस्टल कैसे विकसित करें

दृश्यमान तरंग दैर्ध्य रेंज में त्रि-आयामी फोटोनिक क्रिस्टल का निर्माण पिछले दस वर्षों में सामग्री विज्ञान में सर्वोच्च प्राथमिकताओं में से एक रहा है, जिसके लिए अधिकांश शोधकर्ताओं ने दो मौलिक रूप से भिन्न दृष्टिकोणों पर ध्यान केंद्रित किया है। उनमें से एक बीज टेम्पलेट विधि (टेम्पलेट) - टेम्पलेट विधि का उपयोग करता है। यह विधि संश्लेषित नैनोसिस्टम्स के स्व-संगठन के लिए पूर्वापेक्षाएँ बनाती है। दूसरी विधि नैनोलिथोग्राफी है।

विधियों के पहले समूह में, सबसे व्यापक वे हैं, जो बनाने के लिए टेम्पलेट्स के रूप में हैं ठोसछिद्रों की एक आवधिक प्रणाली के साथ, मोनोडिस्पर्स कोलाइडल क्षेत्रों का उपयोग किया जाता है। इन विधियों से धातुओं, अधातुओं, आक्साइडों, अर्धचालकों, बहुलकों आदि पर आधारित फोटोनिक क्रिस्टल प्राप्त करना संभव हो जाता है। पहले चरण में, समान आकार के कोलाइडल गोले समान रूप से त्रि-आयामी (कभी-कभी द्वि-आयामी) ढांचे के रूप में "पैक" होते हैं, जो बाद में प्राकृतिक ओपल के एनालॉग के रूप में टेम्पलेट्स के रूप में कार्य करते हैं। दूसरे चरण में, टेम्पलेट संरचना में रिक्तियों को तरल के साथ लगाया जाता है, जो बाद में विभिन्न भौतिक और रासायनिक प्रभावों के तहत एक ठोस फ्रेम में बदल जाता है। किसी पदार्थ के साथ टेम्पलेट रिक्तियों को भरने के अन्य तरीके या तो विद्युत रासायनिक विधियां या सीवीडी (रासायनिक वाष्प जमाव) विधि हैं।

अंतिम चरण में, टेम्पलेट (कोलाइडल गोले) को इसकी प्रकृति के आधार पर, विघटन या थर्मल अपघटन की प्रक्रियाओं का उपयोग करके हटा दिया जाता है। परिणामी संरचनाओं को अक्सर मूल कोलाइडल क्रिस्टल या "रिवर्स ओपल" की रिवर्स प्रतिकृतियां कहा जाता है।

व्यावहारिक उपयोग के लिए, एक फोटोनिक क्रिस्टल में दोष मुक्त क्षेत्र 1000 µm2 से अधिक नहीं होना चाहिए। इसलिए, फोटोनिक क्रिस्टल के निर्माण में क्वार्ट्ज और बहुलक गोलाकार कणों को ऑर्डर करने की समस्या सबसे महत्वपूर्ण है।

विधियों के दूसरे समूह में, एकल-फोटॉन फोटोलिथोग्राफी और दो-फोटॉन फोटोलिथोग्राफी 200 एनएम के संकल्प के साथ त्रि-आयामी फोटोनिक क्रिस्टल के निर्माण की अनुमति देते हैं और कुछ सामग्रियों की संपत्ति का उपयोग करते हैं, जैसे पॉलिमर, जो एकल के प्रति संवेदनशील होते हैं- और दो-फोटॉन विकिरण और इस विकिरण के प्रभाव में अपने गुणों को बदल सकते हैं। इलेक्ट्रॉन बीम लिथोग्राफी द्वि-आयामी फोटोनिक क्रिस्टल बनाने के लिए एक महंगी लेकिन उच्च-सटीक तकनीक है। इस पद्धति में, एक फोटोरेसिस्ट जो एक इलेक्ट्रॉन बीम की क्रिया के तहत अपने गुणों को बदलता है, एक स्थानिक मुखौटा बनाने के लिए विशिष्ट स्थानों पर बीम के साथ विकिरणित होता है। विकिरण के बाद, फोटोरेसिस्ट का हिस्सा धोया जाता है, और बाकी को बाद के तकनीकी चक्र में नक़्क़ाशी के लिए मास्क के रूप में उपयोग किया जाता है। इस विधि का अधिकतम रिज़ॉल्यूशन 10nm है। आयन बीम लिथोग्राफी सिद्धांत रूप में समान है, इलेक्ट्रॉन बीम के बजाय केवल एक आयन बीम का उपयोग किया जाता है। इलेक्ट्रॉन बीम लिथोग्राफी पर आयन बीम लिथोग्राफी के फायदे यह हैं कि फोटोरेसिस्ट इलेक्ट्रॉन बीम की तुलना में आयन बीम के प्रति अधिक संवेदनशील होता है और कोई "निकटता प्रभाव" नहीं होता है जो इलेक्ट्रॉन बीम लिथोग्राफी में सबसे छोटे संभव क्षेत्र के आकार को सीमित करता है।

आइए हम फोटोनिक क्रिस्टल को उगाने की कुछ अन्य विधियों का भी उल्लेख करें। इनमें फोटोनिक क्रिस्टल के सहज गठन, नक़्क़ाशी के तरीके और होलोग्राफिक तरीके शामिल हैं।

फोटॉन भविष्य

भविष्यवाणियां जितनी लुभावनी होती हैं उतनी ही खतरनाक भी होती हैं। हालांकि, फोटोनिक क्रिस्टल उपकरणों के भविष्य के बारे में भविष्यवाणियां बहुत आशावादी हैं। फोटोनिक क्रिस्टल के अनुप्रयोग का क्षेत्र व्यावहारिक रूप से अटूट है। वर्तमान में, फोटोनिक क्रिस्टल की अनूठी विशेषताओं का उपयोग करने वाले उपकरण या सामग्री विश्व बाजार में पहले ही दिखाई दे चुके हैं (या निकट भविष्य में दिखाई देंगे)। ये फोटोनिक क्रिस्टल (कम-दहलीज और गैर-दहलीज लेजर) के साथ लेजर हैं; फोटोनिक क्रिस्टल पर आधारित वेवगाइड (वे अधिक कॉम्पैक्ट होते हैं और पारंपरिक फाइबर की तुलना में कम नुकसान होते हैं); एक नकारात्मक अपवर्तक सूचकांक वाली सामग्री, जो प्रकाश को तरंग दैर्ध्य से छोटे बिंदु पर केंद्रित करना संभव बनाती है; भौतिकविदों का सपना - सुपरप्रिज्म; ऑप्टिकल भंडारण और तार्किक उपकरण; फोटोनिक क्रिस्टल पर आधारित डिस्प्ले। फोटोनिक क्रिस्टल रंग में हेरफेर भी करेंगे। इंफ्रारेड से लेकर पराबैंगनी तक, उच्च वर्णक्रमीय रेंज वाले फोटोनिक क्रिस्टल पर आधारित एक बेंडेबल बड़े-प्रारूप डिस्प्ले को पहले ही विकसित किया जा चुका है, जिसमें प्रत्येक पिक्सेल एक फोटोनिक क्रिस्टल है - एक कड़ाई से परिभाषित तरीके से अंतरिक्ष में स्थित सिलिकॉन माइक्रोस्फीयर की एक सरणी। फोटोनिक सुपरकंडक्टर्स बनाए जाते हैं। ऐसे सुपरकंडक्टर्स का उपयोग ऑप्टिकल तापमान सेंसर बनाने के लिए किया जा सकता है, जो बदले में, उच्च आवृत्तियों पर काम करेंगे और फोटोनिक इंसुलेटर और अर्धचालक के साथ संगत हैं।

मनुष्य केवल फोटोनिक क्रिस्टल के तकनीकी उपयोग की योजना बना रहा है, और समुद्री माउस (एफ़्रोडाइट एक्यूलेटा) उन्हें लंबे समय से व्यवहार में ला रहा है। इस कृमि के फर में इतनी स्पष्ट इंद्रधनुषी घटना है कि यह स्पेक्ट्रम के पूरे दृश्य क्षेत्र में लाल से हरे और नीले रंग में 100% के करीब दक्षता के साथ प्रकाश को चुनिंदा रूप से प्रतिबिंबित करने में सक्षम है। इस तरह का एक विशेष "ऑन-बोर्ड" ऑप्टिकल कंप्यूटर इस कीड़ा को 500 मीटर की गहराई तक जीवित रहने में मदद करता है। यह निश्चित रूप से कहा जा सकता है कि मानव बुद्धि फोटोनिक क्रिस्टल के अद्वितीय गुणों का उपयोग करने में बहुत आगे जाएगी।

एक ऑप्टिकल बैंड संरचना बनाने की संभावना का विश्लेषण करते हुए नैनोसाइज्ड संरचनाओं और फोटोनिक क्रिस्टल के फोटोनिक्स का विचार पैदा हुआ था। यह मान लिया गया था कि ऑप्टिकल बैंड संरचना में, साथ ही सेमीकंडक्टर बैंड संरचना में, विभिन्न ऊर्जाओं वाले फोटॉन के लिए अनुमत और निषिद्ध अवस्थाएं मौजूद होनी चाहिए। सैद्धांतिक रूप से, माध्यम का एक मॉडल प्रस्तावित किया गया था, जिसमें माध्यम की पारगम्यता या अपवर्तक सूचकांक में आवधिक परिवर्तन जाली की आवधिक क्षमता के रूप में उपयोग किए जाते थे। इस प्रकार, "फोटोनिक क्रिस्टल" में "फोटोनिक बैंड गैप" की अवधारणा पेश की गई थी।

फोटोनिक क्रिस्टलएक सुपरलैटिस है जिसमें एक क्षेत्र कृत्रिम रूप से बनाया गया है, और इसकी अवधि मुख्य जाली की अवधि से अधिक परिमाण के आदेश हैं। एक फोटोनिक क्रिस्टल एक निश्चित आवधिक संरचना और अद्वितीय ऑप्टिकल गुणों के साथ एक अर्ध-पारदर्शी ढांकता हुआ है।

आवधिक संरचना सबसे छोटे छिद्रों से बनती है, जो समय-समय पर ढांकता हुआ स्थिरांक r बदलते हैं। इन छिद्रों का व्यास ऐसा होता है कि कड़ाई से परिभाषित लंबाई की प्रकाश तरंगें इनमें से गुजरती हैं। अन्य सभी तरंगें अवशोषित या परावर्तित होती हैं।

फोटोनिक बैंड बनते हैं जिसमें प्रकाश प्रसार का चरण वेग ई पर निर्भर करता है। एक क्रिस्टल में, प्रकाश सुसंगत रूप से फैलता है और प्रसार की दिशा के आधार पर निषिद्ध आवृत्तियां दिखाई देती हैं। फोटोनिक क्रिस्टल के लिए ब्रैग विवर्तन ऑप्टिकल तरंग दैर्ध्य रेंज में होता है।

ऐसे क्रिस्टल को फोटोनिक बैंडगैप सामग्री (पीबीजी) कहा जाता है। क्वांटम इलेक्ट्रॉनिक्स के दृष्टिकोण से, उत्तेजित उत्सर्जन के लिए आइंस्टीन का नियम ऐसे सक्रिय मीडिया में नहीं है। इस नियम के अनुसार प्रेरित उत्सर्जन और अवशोषण की दर समान होती है और उत्तेजित होने का योग एन 2और उत्साहित

परमाणु संयुक्त उद्यम ए है, + एन।, = एन।फिर या 50%।

फोटोनिक क्रिस्टल में, 100% स्तर जनसंख्या उलटा संभव है। इससे पंप की शक्ति को कम करना और क्रिस्टल के अनावश्यक ताप को कम करना संभव हो जाता है।

यदि क्रिस्टल ध्वनि तरंगों से प्रभावित होता है, तो प्रकाश तरंग की लंबाई और क्रिस्टल की विशेषता प्रकाश तरंग की गति की दिशा बदल सकती है। फोटोनिक क्रिस्टल की एक विशिष्ट संपत्ति परावर्तन गुणांक की आनुपातिकता है आरस्पेक्ट्रम के लंबे-तरंग दैर्ध्य भाग में इसकी आवृत्ति वर्ग सह 2 तक प्रकाश, और रेले के बिखरने के लिए नहीं आर~ 4 से। ऑप्टिकल स्पेक्ट्रम के शॉर्ट-वेव घटक को ज्यामितीय प्रकाशिकी के नियमों द्वारा वर्णित किया गया है।

फोटोनिक क्रिस्टल के औद्योगिक निर्माण में, त्रि-आयामी सुपरलैटिस बनाने के लिए एक तकनीक खोजना आवश्यक है। यह एक बहुत ही कठिन कार्य है, क्योंकि लिथोग्राफी विधियों का उपयोग करने वाली मानक प्रतिकृति तकनीक 3डी नैनोस्ट्रक्चर बनाने के लिए अस्वीकार्य हैं।

शोधकर्ताओं का ध्यान नेक ओपल (चित्र। 2.23) द्वारा आकर्षित किया गया था। क्या यह एक खनिज Si() 2 है? पी 1.0 हाइड्रॉक्साइड उपवर्ग। प्राकृतिक ओपल में, ग्लोब्यूल्स के रिक्त स्थान सिलिका और आणविक जल से भरे होते हैं। नैनोइलेक्ट्रॉनिक की दृष्टि से ओपल सिलिका के निकट-पैक (मुख्यतः घन नियम के अनुसार) नैनोस्फियर (ग्लोबुल्स) होते हैं। एक नियम के रूप में, नैनोस्फीयर का व्यास 200-600 एनएम की सीमा में होता है। सिलिका ग्लोब्यूल्स की पैकिंग एक त्रि-आयामी जाली बनाती है। इस तरह के सुपरलैटिस में 140-400 एनएम आकार में संरचनात्मक रिक्तियां होती हैं, जो अर्धचालक, वैकल्पिक रूप से सक्रिय और चुंबकीय सामग्री से भरी जा सकती हैं। ओपल जैसी संरचना में, नैनोस्केल संरचना के साथ त्रि-आयामी जाली बनाना संभव है। ऑप्टिकल ओपल मैट्रिक्स संरचना 3E) -फोटोनिक क्रिस्टल के रूप में काम कर सकता है।

ऑक्सीकृत मैक्रोपोरस सिलिकॉन की तकनीक विकसित की गई है। इस तकनीकी प्रक्रिया के आधार पर, सिलिकॉन डाइऑक्साइड पिन के रूप में त्रि-आयामी संरचनाएं बनाई गईं (चित्र। 2.24)।

इन संरचनाओं में फोटोनिक बैंड गैप पाए गए। बैंड गैप मापदंडों को लिथोग्राफिक प्रक्रियाओं के चरण में या अन्य सामग्रियों के साथ पिन संरचना को भरकर बदला जा सकता है।

फोटोनिक क्रिस्टल के आधार पर लेजर के विभिन्न डिजाइन विकसित किए गए हैं। फोटोनिक क्रिस्टल पर आधारित प्रकाशिक तत्वों का एक अन्य वर्ग है फोटोनिक क्रिस्टल फाइबर(एफकेवी)। उनके पास है

चावल। 2.23.सिंथेटिक ओपल की संरचना (ए)और प्राकृतिक ओपल (बी)"

" एक स्रोत: गुडिलिन ई. ए.[और आदि।]। नैनोवर्ल्ड का धन। पदार्थ की गहराई से फोटो निबंध; ईडी। यू डी ट्रीटीकोवा। एम.: बिनोम। नॉलेज लैब, 2010.

चावल। 2.24.

किसी दिए गए तरंग दैर्ध्य रेंज में बैंड गैप। पारंपरिक ऑप्टिकल फाइबर के विपरीत, फोटोनिक बैंडगैप फाइबर में शून्य फैलाव तरंग दैर्ध्य को स्पेक्ट्रम के दृश्य क्षेत्र में स्थानांतरित करने की क्षमता होती है। इस मामले में, दृश्य प्रकाश प्रसार के सॉलिटॉन शासन के लिए शर्तें प्रदान की जाती हैं।

वायु नलिकाओं के आकार और, तदनुसार, कोर के आकार को बदलकर, प्रकाश विकिरण की शक्ति की एकाग्रता को बढ़ाना संभव है, तंतुओं के अरेखीय गुण। फाइबर और क्लैडिंग ज्यामिति को बदलकर, वांछित तरंग दैर्ध्य रेंज में मजबूत गैर-रैखिकता और कम फैलाव का एक इष्टतम संयोजन प्राप्त किया जा सकता है।

अंजीर पर। 2.25 एफसीएफ को प्रस्तुत किए जाते हैं। वे दो प्रकारों में विभाजित हैं। पहले प्रकार को निरंतर प्रकाश-मार्गदर्शक कोर के साथ एफकेवी को संदर्भित किया जाता है। संरचनात्मक रूप से, इस तरह के फाइबर को फोटोनिक क्रिस्टल के खोल में क्वार्ट्ज ग्लास के कोर के रूप में बनाया जाता है। ऐसे तंतुओं के तरंग गुण पूर्ण आंतरिक परावर्तन के प्रभाव और फोटोनिक क्रिस्टल के बैंड गुणों द्वारा दोनों प्रदान किए जाते हैं। इसलिए, निम्न-क्रम मोड ऐसे तंतुओं में विस्तृत वर्णक्रमीय श्रेणी में प्रचारित होते हैं। उच्च-क्रम मोड को शेल में स्थानांतरित कर दिया जाता है और वहां क्षय हो जाता है। इस मामले में, शून्य-क्रम मोड के लिए क्रिस्टल के वेवगाइडिंग गुण कुल आंतरिक प्रतिबिंब के प्रभाव से निर्धारित होते हैं। एक फोटोनिक क्रिस्टल की बैंड संरचना केवल अप्रत्यक्ष रूप से ही प्रकट होती है।

दूसरे प्रकार के FKV में एक खोखला प्रकाश-मार्गदर्शक कोर होता है। प्रकाश फाइबर के मूल के माध्यम से और आवरण के माध्यम से दोनों फैल सकता है। के मूल में

चावल। 2.25.

ए -एक सतत प्रकाश-मार्गदर्शक कोर के साथ अनुभाग;

6 - एक खोखले प्रकाश-मार्गदर्शक आवासीय कतरा के साथ खंड, अपवर्तक सूचकांक खोल के औसत अपवर्तक सूचकांक से कम है। इससे परिवहन विकिरण की शक्ति में उल्लेखनीय वृद्धि संभव हो जाती है। वर्तमान में, ऐसे तंतु बनाए गए हैं जिनकी तरंगदैर्घ्य पर 0.58 dB/km का नुकसान होता है एक्स = 1.55 µm, जो मानक सिंगल-मोड फाइबर (0.2 डीबी/किमी) में नुकसान के करीब है।

फोटोनिक क्रिस्टल फाइबर के अन्य लाभों में, हम निम्नलिखित पर ध्यान देते हैं:

• सभी परिकलित तरंग दैर्ध्य के लिए एकल-मोड मोड;
• मुख्य फैशन स्पॉट परिवर्तन की विस्तृत श्रृंखला;
• 1.3-1.5 माइक्रोन की तरंग दैर्ध्य के लिए फैलाव गुणांक का निरंतर और उच्च मूल्य और दृश्यमान स्पेक्ट्रम में तरंग दैर्ध्य के लिए शून्य फैलाव;
• नियंत्रित ध्रुवीकरण मूल्य, समूह वेग फैलाव, संचरण स्पेक्ट्रम।

प्रकाशिकी, लेजर भौतिकी और विशेष रूप से दूरसंचार प्रणालियों में समस्याओं को हल करने के लिए एक फोटोनिक क्रिस्टल क्लैडिंग के साथ फाइबर का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। हाल ही में, फोटोनिक क्रिस्टल में उत्पन्न होने वाले विभिन्न अनुनादों द्वारा रुचि को आकर्षित किया गया है। फोटोनिक क्रिस्टल में पोलारिटोन प्रभाव इलेक्ट्रॉन और फोटॉन अनुनादों की बातचीत के दौरान होता है। ऑप्टिकल तरंग दैर्ध्य की तुलना में बहुत कम अवधि के साथ धातु-ढांकता हुआ नैनोस्ट्रक्चर बनाते समय, ऐसी स्थिति का एहसास करना संभव है जिसमें स्थितियां आर

फोटोनिक्स के विकास का एक बहुत ही महत्वपूर्ण उत्पाद दूरसंचार फाइबर-ऑप्टिक सिस्टम हैं। उनका कामकाज एक सूचना संकेत के इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल रूपांतरण की प्रक्रियाओं पर आधारित है, एक फाइबर ऑप्टिक लाइट गाइड के लिए एक संशोधित ऑप्टिकल सिग्नल का संचरण, और उलटा ऑप्टो-इलेक्ट्रॉनिक रूपांतरण।