Фотонные кристаллы Буковская Карина

Morpho didius бабочка с радужной окраской и SEM-микрофотография её крыла, как пример дифракционной биологической микроструктуры. Переливающийся натуральный опал (полудрагоценный камень) и SEM- изображение его микроструктуры, состоящей из плотноупакованны х сфер диоксида кремния.

Фотонный кристалл (англ. Photonic crystals) – это наноматериал, структура которого характеризуется периодическим изменением показателя преломления в пространственных направлениях. Встречается расширенное определение фотонных кристаллов «фотонными кристаллами принято называть среды, у которых диэлектрическая проницаемость периодически меняется в пространстве с периодом, допускающим брэгговскую дифракцию света». Фотонные кристаллы, благодаря периодическому изменению коэффициента преломления, позволяют получить разрешённые и запрещённые зоны для энергий фотонов, аналогично полупроводниковым материалам, в которых наблюдаются разрешённые и запрещённые зоны для энергий носителей заряда. Практически, это значит, что если на фотонный кристалл падает фотон, обладающий энергией (длиной волны, частотой), которая соответствует запрещённой зоне данного фотонного кристалла, то он не может распространяться в фотонном кристалле и отражается обратно. И наоборот, это значит, что если на фотонный кристалл падает фотон, обладающий энергией (длиной волны, частотой), которая соответствует разрешённой зоне данного фотонного кристалла, то он может распространяться в фотонном кристалле. Другими словами, фотонный кристалл выполняет функцию оптического фильтра.

С общей точки зрения фотонный кристалл является сверхрешеткой (crystal superlattice) - средой, в которой искусственно создано дополнительное поле с периодом, на порядки превышающим период основной решетки. Для фотонов такое поле получают периодическим изменением коэффициента преломления среды - в одном, двух или трех измерениях (1D-, 2D-, 3D-фотонные структуры соответственно). Если период оптической сверхрешетки сравним с длиной электромагнитной волны, то поведение фотонов кардинально отличается от их поведения в решетке обычного кристалла, узлы которого находятся друг от друга на расстоянии, много меньшем длины волны света.

В полупроводниках запрещённой зоной называют область энергий, отделяющую полностью заполненную электронами валентную зону (при Т=0 К) от незаполненной зоны проводимости. В этом случае шириной запрещённой зоны (см. рисунок) называется разность энергий между дном (нижним уровнем) зоны проводимости и потолком (верхним уровнем) валентной зоны. Характерные значения ширины запрещённой зоны в полупроводниках составляют 0,14 эВ. Кристаллы с шириной запрещённой зоны более 4 эВ обычно относят к диэлектрикам.

1. одномерные, в которых коэффициент преломления периодически изменяется в одном пространственном направлении как показано на Рис.1 На этом рисунке символом Λ обозначен период изменения коэффициента преломления, n1 и n2 показатели преломления двух материалов (но в общем случае может присутствовать любое число материалов).. Рис. 2. Схематическое представление двумерного фотонного кристалла. 2. двухмерные, в которых коэффициент преломления периодически изменяется в двух пространственных направлениях как показано на Рис. 2 На этом рисунке фотонный кристалл создан прямоугольными областями с коэффициентом преломления n1, которые находятся в среде с коэффициентом преломления n2. При этом, области с коэффициентом преломления n1 упорядочены в двумерной кубической решетке. Такие фотонные кристаллы могут проявлять свои свойства в двух пространственных направлениях, и форма областей с коэффициентом преломления n1 не ограничивается прямоугольниками, как на рисунке, а может быть любой (окружности, эллипсы, произвольная и т. д.). Кристаллическая решётка, в которой упорядочены эти области, также может быть другой, а не только кубической, как на приведённом рисунке. 3. трёхмерные, в которых коэффициент преломления периодически изменяется в трёх пространственных направлениях. Такие фотонные кристаллы могут проявлять свои свойства в трёх пространственных направлениях, и можно их представить как массив объёмных областей (сфер, кубов и т. д.), упорядоченных в трёхмерной кристаллической решётке.

схематично показано явление дифракции лучей света на периодических структурах различной размерности. При рассеянии фотонов на 1D- и 2D-структурах всегда находятся такие направления распространения дифрагировавших лучей, для которых условие максимума интерференции выполнено. Для одномерного кристалла - нити (а), такие направления образуют конические поверхности, а в двумерном случае (б) - совокупность отдельных, изолированных друг от друга лучей. Трехмерный случай (в) принципиально отличается от одномерного и двумерного тем, что условие максимума интерференции для данной длины волны света может оказаться невыполнимым ни для одного из направлений в пространстве. Распространение фотонов с такими длинами волн в трехмерном кристалле невозможно, а соответствующие им энергии образуют запрещенные фотонные зоны.

Другой класс фотонных кристаллов - фотонные изоляторы - обладает широкими запрещенными зонами. Такому условию удовлетворяют, например, широкодиапазонные многослойные диэлектрические зеркала. В отличие от обычных непрозрачных сред, в которых свет быстро затухает, превращаясь в тепло, фотонные изоляторы свет не поглощают. Что же касается фотонных полупроводников, то они обладают более узкими по сравнению с изоляторами запрещенными зонами. На рис. 2 показано соотношение разрешенных и запрещенных энергетических зон, соответствующих различным случаям: фотонного проводника (а), фотонного изолятора (б), фотонного полупроводника (в), подавителя спонтанного излучения (г) и фотонного идеального проводника (сверхпроводника) (д). Здесь Eb - ширина разрешенной фотонной зоны, Eg - ширина запрещенной фотонной зоны, Ee - ширина запрещенной электронной зоны, голубым цветом показаны фотонные зоны, красным - электронные. Использование фотонных полупроводников удобно для организации управления световыми потоками. Это можно делать, например, влияя на положение и ширину запрещенной зоны. Поэтому фотонные кристаллы представляют огромный интерес для построения лазеров нового типа, оптических компьютеров, хранения и передачи информации.

Радужная игра света, получившее название иризация (от греч. iriV - радуга), характерно для таких минералов, как кальцит, лабрадор, опал. От игры света в последнем происходит термин опалесценция, обозначающий особый, характерный только для этого кристалла тип рассеяния излучения.

Решетки, образованные плотноупакованными сферами из двуокиси кремния (рис. а), содержат пустоты, занимающие до 25% от общего объема кристалла, которые могут заполняться веществами другого сорта. В современных разработках это свойство фотонного кристалла пытаются использовать для создания переключателя света - оптического транзистора. университете Торонто, использовалась кремниевая реплика искусственного опала (если узлы обычного опала представляют собой огромные по атомным меркам шары, то узлами реплики будут того же размера шарообразные пустоты). Полученный кристалл не пропускал свет в узкой полосе длин волн от 1,38 мкм до 1,62 мкм. Дополнительные свойства ему придали, покрыв внутреннюю поверхность узлов - пустот - тонким слоем вещества с другим коэффициентом преломления (в) -использовали жидкокристаллическую композицию, что позволило управлять положением запрещенной зоны с помощью магнитного и электрического полей и таким путем - манипулировать световыми потоками в кристалле.

Исследователи из Sandia National Laboratories решили подойти к получению фотонных кристаллов с другой стороны

Naval Research Laboratory, используя последние достижения нанотехнологий, производит фотонные кристаллы со свойствами, оптимальными для конкретных приложений - оптических переключателей и прерывателей света, оптических датчиков и усилителей, оптоэлектронных компонентов широкополосной связи и др. В качестве узлов кристаллической решетки здесь применяются сильно вытянутые трубчатые образования, заполненные оптическими материалами с резко выраженными нелинейными свойствами. А в исследовательском центре NEC Institute (Принстон, Англия) занимаются разработкой нелинейных сред для фотонных кристаллов на полимерной основе. Настоящую революцию в оптоэлектронике способны произвести разрабатываемые на этой основе низкопороговые (low-threshold) или даже беспороговые (thresholdless) лазеры

Проведя компьютерные симуляции,обнаружилось, что при воздействии ударной волны на кристалл, его физические свойства резко меняются. Например, кристалл, который пропускал красный свет и отражал зелёный, становился вдруг прозрачным для зелёного света, и непроницаемым для красной части спектра. Небольшой фокус с ударными волнами позволял и вовсе «остановить» свет внутри кристалла: световая волна начинала «биться» между «сжатой» и «несжатой» частью кристалла получался своего рода эффект зеркальной комнаты. Схема процессов, происходящих в фотонном кристалле при прохождении сквозь него ударной волны. Поскольку ударная волна проходит сквозь кристалл, световая волна подвергается смещению Доплера каждый раз, когда соприкасается с ударным импульсом. Если ударная волна движется в направлении обратном движению световой волны, частота света становится выше при каждом столкновении.В том же-частота падает. После 10 тысяч отражений, происходящих приблизительно за 0,1 наносекунды, частота светового импульса меняется очень значительно, так что красный свет может сделаться синим. Частота даже может выйти за пределы видимой части спектра в инфракрасную или ультрафиолетовую область.

Куда же без дефектов?! 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

Кристалл состоит из спеченных стеклянных нитей, центральная из которых - пустотелаяТакое волокно в поперечном сечении является двумерным кристаллом с зонной структурой фотонного изолятора. При этом в продольном направлении волокно является идеальным проводником. Разработки в University of Bath. Изображение торца волновода, освещаемого с противоположной стороны белым светом, получено с помощью оптического микроскопа, период решетки - примерно 5 мкм, диаметр отверстия в центральной части - -один микрон. Эксперименты показали, что такие кристаллические волноводы способны передавать гораздо большую оптическую мощность, чем обычные волокна. Фирма OmniGuide была создана Й. Финком (Yole Fink), аспирантом Массачусетского технологического института, на базе результатов исследований, финансировавшихся министерством обороны США. Первоначальной целью работы Финка было проектирование зеркал с улучшенными оптическими характеристиками. Это привело его к идее создания фотоннокристаллического волокна со структурой слоев в виде концентрических колец. BlazePhotonics была основана группой исследователей из University of Bath (несколько лет финансировавшихся компанией Corning), как только стало ясно, что результаты их работы могут иметь большое коммерческое значение. В настоящее время BlazePhotonics и Corning делят интеллектуальную собственность и права на патенты, оформленные по результатам совместной работы, Человек еще только планирует технологическое использование фотонных кристаллов, а морская мышь (genus Aphrodita) уже давно применяет их на практике.

Классическое логическое устройство имеет один вход и два выхода. В зависимости от свойств сигнала на входе (информация представляется аналоговыми параметрами сигнала, например, его частотой), формируется один из двух выходных сигналов. Квантовым аналогом такого устройства может являться простейший фотонный кристалл, функционально подобный просветляющему оптическому покрытию линз. Как известно, «работа» фотонного кристалла основана на явлении интерференции световых волн, рассеянных элементами его внутренней структуры ( рис. 1). Логика его работы проста: «если длина волны на входе равна заданной (логическая единица), то «выход 1» := 0, «выход 2» := «вход», иначе «выход 1» := «вход», «выход 2» := 0». «Пикантность» ситуации здесь в том, что когда в качестве сигналов мы начинаем использовать слабые, состоящие буквально из одиночных фотонов пучки света, становится очень заметно следующее (рис. 2): фотон, энергия которого соответствует логическому нулю, «прилетев» в точку 1, имеет примерно равные шансы отразиться или пройти вглубь слоя, однако он отражается, поскольку структура кристалла выбрана так, что обеспечивается интерференционное гашение любой волны кроме отраженной. Отсюда вопрос: как в точке 1 фотон «узнает», что он «обязан» отразиться, если в этот момент он еще «не побывал» внутри кристалла? А «побывать» там он не сможет, поскольку «обязан» отразиться сразу же после прихода в точку 1. Тут, как говорится, одно из двух…

Трехмерные фотонные кристаллы представляют собой микроскопические структуры из оптически-прозрачного материала, с периодическим изменением показателя преломления, период которого сравним с длиной волны интересующего диапазона излучения. Световые волны отражаются от такой диэлектрической решетки, интерферируя между собой, что ведет к возникновению так называемых фотонных запрещенных зон спектра (свет определенной длины волны полностью отражается от поверхности). Фотонные кристаллы вызывают интерес ученых в связи с целым рядом возможных практических применений, начиная с ультра-широкополосных интегрированных оптических коммуникаций и заканчивая лазерами и датчиками. При этом разработан целый комплекс методов по производству фотонных кристаллов. В рамках своей работы ученые из University of Pennsylvania (США) создавали фотонные кристаллы при помощи многолучевой интерференционной литографии из коммерчески доступного химически не активного фоторезиста SU-8, который остается термически и механически стабильным до 300 градусов по шкале Цельсия. Взрывная волна, вызывающая повреждения головного мозга, была одной из достаточно распространенных причин травм солдат в Афганистане и Ираке.

Огромные перспективы применения ФК в фотонике были осознаны после выхода статьи Э. Яблоновича, в которой было предложено использовать ФК с полными ФЗЗ для управления спектром спонтанного излучения. Среди фотонных устройств, появление которых можно ожидать в ближайшем будущем, следующие: -низкопороговые ФК лазеры сверхмалых размеров; -сверхяркие ФК светодиоды с управляемым спектром излучения; -сверхминиатюрные ФК волноводы с микронным радиусом изгиба; -фотонные интегральные схемы с высокой степенью интеграции на основе планарных ФК; -миниатюрные ФК спектральные фильтры, в том числе перестраиваемые; -ФК устройства оперативной оптической памяти; -ФК устройства обработки оптических сигналов; -средства доставки мощного лазерного излучения на основе ФКВ с полой сердцевиной. Наиболее заманчивое, но и наиболее трудное в реализации применение трехмерных ФК создание сверхбольших объемно интегрированных комплексов фотонных и электронных устройств для обработки информации. Среди других возможных применений трехмерных фотонных кристаллов изготовление ювелирных украшений на основе искусственных опалов. Фотонные кристаллы встречаются и в природе, придавая дополнительные оттенки цветовой окраске окружающего нас мира.

Фотонные кристаллы (1D), (2D) и (3D) кристаллы - по сути своей статичны, Применение динамических неоднородностей, «уложенных» в структуру кристалла, позволяет добавить еще одну размерность – время. При этом мы расширяем понятие кристалла как периодической в пространстве структуры, вводя периодичность во времени. Полученный кристалл смело можно считать четырехмерной структурой (4D) Кроме того, поведение во времени оптических свойств элементов фотонного кристалла может зависеть от пространственного распределения электромагнитного поля (света) в нем.К каким внешним эффектам и проявлениям это будет приводить - без детального математического моделирования сказать нельзя. В заключение в фотонных кристаллах, зачастую являющихся существенно нелинейными оптическими средами, способны возникать явления самоорганизации структурных неоднородностей, обычно описываемые в терминах теории диссипативных структур или динамического хаоса. С учетом сказанного выше, эти процессы могут означать принципиальную возможность функциональной самоорганизации кристалла как устройства.