Фотонные кристаллы

Если излучение с частотой запрещенной зоны было сгенерировано внутри такого фотонного кристалла, то оно не может распространяться в нем, если же такое излучение посылается извне, то оно просто отражается от фотонного кристалла. Одномерные фотонные кристаллы, позволяют получить запрещенные зоны и фильтрующие свойства для излучения, распространяющегося в одном направлении, перпендикулярном слоям материалов. Двухмерные фотонные кристаллы могут иметь запрещенные зоны для излучения, распространяющегося как в одном, двух направлениях, так и во всех направлениях данного фотонного кристалла, которые лежат в плоскости. Трехмерные фотонные кристаллы могут иметь запрещенные зоны как в одном, нескольких или всех направлениях. Запрещенные зоны существуют для всех направлений в фотонном кристалле при большой разнице коэффициентов преломления материалов, из которых состоит фотонный кристалл, определенных формах областей с разными коэффициентами преломления и определенной кристаллической симметрии. Число запрещенных зон, их положение и ширина в спектре зависит как от геометрических параметров фотонного кристалла (размер областей с разным коэффициентом преломления, их форма, кристаллическая решетка, в которой они упорядочены) так и от коэффициентов преломления. Поэтому, запрещенные зоны могут быть перестраиваемыми, например, вследствие изменения размеров областей с разным коэффициентом преломления или же вследствие изменения коэффициентов преломления под воздействием внешних полей[2].

Уже создаются фотонные кристаллы с управляемой шириной запрещенной зоны при помощи магнитного поля, что позволяет создавать более эффективные и простые структуры коммуникаторов. Также возможно более точно управлять положением луча, проходящую через распределенную структуру фотонного кристалла, что облегчает его маршрутизацию[1].

 

2.2.Ширина запрещенной зоны.

В зависимости от ширины запрещенной зоны фотонные кристаллы можно разделить на проводники, изоляторы, полупроводники и сверхпроводники.

     Фотонные проводники обладают широкими разрешенными зонами. Это прозрачные тела, в которых свет пробегает большое расстояние, практически не поглощаясь.

     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. Полупроводники способные, например, выборочно отражать фотоны определённой длины волны. Диэлектрики – практически идеальные зеркала.

• сверхпроводниках благодаря коллективным явлениям фотоны способны распространяться практически на неограниченные расстояния. Известно, что тепло, выделяемое проводниками при протекании по ним электрического тока, является одним из главных препятствий на пути создания интегральных схем со сверхплотной упаковкой логических элементов. Использование сверхпроводников могло бы решить многие проблемы, однако разработка сверхпроводящих материалов, совместимых с технологией полупроводников - кремния или арсенида галлия, да к тому же обладающих способностью работать при комнатной температуре, - дело весьма туманного будущего.
• то же время для фотонных кристаллов, где информация переносится светом, создание сверхпроводников, точнее, идеальных фотонных проводников по соседству с фотонным изолятором или фотонным полупроводником не представляет принципиальных трудностей. Следует также отметить, что обычные сверхпроводники принципиально не могут работать при очень большой частоте переключения, так как она ограничена сравнительно малым значением ширины запрещенной зоны вблизи уровня Ферми. На фотонные идеальные проводники это ограничение не распространяется

      На рисунке 5 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.

 

 

 

 

 

 

Рисунок 5. Соотношение разрешенных и запрещенных энергетических зон.

 

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[3].

 

2.3. Опалы.

     Структуры подобные природным минералам в природе встречаются структуры, обладающие свойствами фотонных кристаллов: алмаз, опал, кальцит, лабрадор. Из природных фотонных кристаллов наибольший интерес представляет структура опала. В настоящее время существует техника создания искусственных опалов. Искусственный опал представляет собой трехмерный глобулярный кристалл. Диаметр глобул (шаров) соизмерим с длиной волны видимого излучения. Структура состоит из периодически расположенных в пространстве плотно упакованных шаров аморфного кварца с диаметром 200 - 600 нм. При исследовании чистых опалов, а также нанокомпозитов – глобулярных фотонных кристаллов, насыщенных ацетоном или этиловым спиртом, был обнаружен новый нелинейный эффект – эффект фотонного пламени[1]. При облучении излучением импульсного лазера (694 нм) наблюдалось свечение 4 кристаллов. Спектр излучения состоял из ряда линий с длинами волн 429, 453, 489, 535, 643 нм. Наблюдаемый эффект является предметом исследований и может быть использован в системах обработки информации в реальном времени. В 1999 году (в университете г. Торонто) была создана структура фотонного кристалла на основе искусственного опала с управляемой шириной запрещенной зоны. Воздушные пустоты кристалла заполняют кремнием, затем субстанцию опала вытравливают, формируя инверсную опалу кристаллическую структуру с периодически расположенными сферическими пустотами. Запрещенная зона данной структуры препятствует распространению волн в диапазоне 1380-1620 нм. Для управления шириной запрещенной зоны внутренние поверхности сфер покрываются нематическим жидким кристаллом с низким коэффициентом преломления, и прикладывается внешнее магнитное поле. Таким образом, обеспечивается управление лучом, проходящим через структуру фото[7].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 3. Изготовление фотонных кристаллов

В настоящее время существует множество методов изготовления фотонных кристаллов, и новые методы продолжают появляться. Некоторые методы больше подходят для формирования одномерных фотонных кристаллов, другие удобны в отношении двумерных, третьи применимы чаще к трёхмерным фотонным кристаллам, четвертые используются при изготовлении фотонных кристаллов на других оптических устройствах и т.д. Рассмотрим наиболее известные из этих методов.

 

3.1.Методы, использующие самопроизвольное формирование фотонных кристаллов.

      При самопроизвольном формировании фотонных кристаллов используются коллоидальные частицы (чаще всего используются монодисперсные силиконовые или полистереновые частицы, но и другие материалы постепенно становятся доступными для использования по мере разработки технологических методов их получения), которые находятся в жидкости и по мере испарения жидкости осаждаются в некотором объеме. По мере их осаждения друг на друга, они формируют трехмерный фотонный кристалл, и упорядочиваются преимущественно в гранецентрированную или гексагональную кристаллические решетки. Этот метод достаточно медленный, формирование фотонного кристалла может занять недели.

      Другой метод самопроизвольного формирования фотонных кристаллов, называемый сотовым методом, предусматривает фильтрование жидкости, в которой находятся частицы через маленькие споры. Этот метод представлен в работах, позволяет сформировать фотонный кристалл со скоростью определенной скоростью течения жидкости через поры, но при высыхании такого кристалла образуются дефекты в кристалле. Также фотонные кристаллы получают методом вертикального осаждения, который позволяет создавать высокоупорядоченные фотонные кристаллы большего размера, чем позволяют получить вышеописанные методы.

В большинстве случаев требуется большой контраст коэффициента преломления в фотонном кристалле для получения запрещенных фотонных зон во всех направлениях. Упомянутые выше методы самопроизвольного формирования фотонного кристалла чаше всего применялись для осаждения сферических коллоидальных частиц силикона, коэффициент преломления которого мал, а значит, мал и контраст коэффициента преломления. Для увеличения этого контраста, используется дополнительные технологические шаги, на которых сначала пространство между частицами заполняется материалом с большим коэффициентом преломления, а затем частицы вытравливаю[9].

 

3.2.Методы травления.

      Методы травления наиболее удобны для изготовления двухмерных фотонных кристаллов и являются широко используемыми технологическими методами при производстве полупроводниковых приборов. Эти методы основаны на применении маски из фоторезиста (которая задает, например, массив окружностей), осажденной на поверхности полупроводника, которая задает геометрию области травления. Эта маска может быть получена в рамках стандартного фотолитографического процесса, за которым следует травление сухим или влажным методом поверхности образца с фоторезистом. При этом, в тех областях , в которых находится фоторезист, происходит травление поверхности фоторезиста, а в областях без фоторезиста - травление полупроводника. Так продолжается до тех пор, пока нужная глубина травления не будет достигнута и после этого фоторезист смывается[10]. Таким образом, формируется простейший фотонный кристалл. Недостатком данного метода является использование фотолитографии, наиболее распространенное разрешение которой составляет порядка одного микрона. Фотонные кристаллы, как известно, имеют характерные размеры порядка сотен нанометров, поэтому использование фотолитографии при производстве фотонных кристаллов с запрещенными зонами ограниченно разрешением фотолитографического процесса.     

Чаще всего, для достижения нужного разрешения используется комбинация стандартного фотолитографического процесса с литографией при помощи электронного пучка. Пучки сфокусированных ионов (чаще всего ионов Ga) также применяются при изготовлении фотонных кристаллов методом травления, они позволяют удалять часть материала без использования фотолитографии и дополнительного травления. Современные системы использующие сфокусированные ионные пучки используют так называемую "карту травления", записанную в специальный форматах файлов, которая описывает где пучок ионов будет работать , сколько импульсов ионный пучок должен послать в определенную точку и т.д. Таким образом, создание фотонного кристалла при помощи таких систем максимально упрощено - достаточно создать такую "карту травления" (при помощи специального программного обеспечения) в которой будет определена периодическая область травления, загрузить её в компьютер, управляющий установкой сфокусированного ионного пучка и запустить процесс травления. Для большей скорости травления, повышения качества травления или же для осаждения материалов внутри вытравленных областей используются дополнительные газы. Материалы, осажденные в вытравленные области, позволяют формировать фотонные кристаллы, с периодическим чередованием не только исходного материала и воздуха, но и исходного материала, воздуха и дополнительных материалов[4].    

 

3.3.Голографические методы.

     Голографические методы создания фотонных кристаллов базируются на применении принципов голографии, для формирования периодического изменения коэффициента преломления в пространственных направлениях. Для этого используется интерференция двух или более когерентных волн, которая создает периодическое распределение интенсивности электрического поля. Интерференция двух волн позволяет создавать одномерные фотонные кристаллы, трех и более лучей - двухмерные и трехмерные фотонные кристаллы.            

 

3.4.Другие методы создания фотонных кристаллов.

     Однофотонная фотолитография и двухфотонная фотолитография позволяют создавать трехмерные фотонные кристаллы с разрешением 200 нм и используют свойство некоторых материалов, таких как полимеры, которые чувствительны к одно- и двухфотонному облучению и могут изменять свои свойства под воздействием этого излучения. Литография при помощи пучка электронов является дорогим, но высокоточным методом для изготовления двумерных фотонных кристаллов. В этом методе, фоторезист, который меняет свои свойства под действием пучка электронов, облучается пучком в определенных местах для формирования пространственной маски. После облучения, часть фоторезиста смывается, а оставшаяся часть используется как маска для травления в последующем технологическом цикле. Максимальное разрешение этого метода - 10нм. Литография при помощи пучка ионов похожа по своему принципу, только вместо пучка электронов используется пучок ионов. Преимущества литографии при помощи пучка ионов над литографией при помощи пучка электронов заключаются в том, что фоторезист более чувствителен к пучкам ионов, чем электронов и отсутствует "эффект близости" ("proximity effect"), который ограничивает минимально возможный размер области при литографии при помощи пучка электронов[3].

 

 

 

 

 

 

Глава 4. Фотонные кристаллы в природе. Дефекты. Применение

 

4.1. Фотонные кристаллы в природе.

     Фотонные кристаллы в природе - большая редкость. С древних времен человека, нашедшего такой кристалл, завораживала в нем особая радужная игра света. Это оптическое явление, заключающееся в появлении радужной игры цветов на гранях и плоскостях спайности некоторых минералов при прохождении света, получившее название иризация (от греч. - радуга), характерно для таких минералов, как кальцит, лабрадор, опал.

Это явление, как оказалось, одной природы с множеством других завораживающих природных загадок. Недавно было выяснено, что радужные переливы чешуек и перьев различных животных и насекомых обусловлены существованием на них сверхструктур, получивших за свои анизотропные отражающие свойства название фотонные кристаллы.