Нанофотониканың физикалық негіздері
11.1.Нанофотоникаға кіріспе
Қазіргі таңда ақпараткоммуникациялық технологияларымен байланысты техника және ғылым саласында, нанофотоника заманауй электроникаға альтернатива болып табылады. Нанофотониканың физикалық негіздері көптеген ғылыми және оқулық басылымдарда шығарылған [44, 66, 69 және де басқа]. Ақпаратты беру және талдау жасау барысында фотондарды электрондардың орнына пайдалану фотондық байланыс желілерінің жоғары тез әсер етуінің және кедергіге қалыпты қарсы тұруының арқасында.
Нанофотондық жабдықтарға 100 нм және одан аз көлемді құрылым пайдаланатын жабдықтар жатады. Сонымен қатар, жабдықтар резонатор, интерферометр, толқын жүргізгіш ұстайтын көптеген оптикалық жүйелерінің миниатюризация мәселесін шешеді. Нанофотондық есептеуіш жабдықтар электрондық теңдестерін тек тез әсер ету жағынан емес, сондай ақ жылы шығару мен электр қоректенуге байланысты мәселелерді ойдағыдай шешеді.
Екінші жақтан фотондық негіздегі әрбір жабдықтарды пайдаланудың нашар жері мен ылғи дерек алыңдауы, электрондық сигналдарды оптикалық сигналдарға өзгертуге жол беретін электрооптикалық айырып-қосқыштардың сенімділігін қамтамасыз ету болып қалады.
Жалпы осындай сигналдардың қайта өзгеру мәселесінің тез және сенімді шешілуі коммерциялық қосымшалар мен ақпараттық технологияларға ұлан-асыр мағына берер еді. Сонымен қоса, ол оптикалық және өзге де ақпараттардың үлкен массивтарын тез және сенімді өңдеуін талап ететін, байланыс құралдары, датчиктар, радар және басқа да құрылымдардың дамуының болашақ перспективаларын ашы, әскери салада ерекше көңіл білдіреді.
Кремнийлық оптоэлектроникалық саласындағы сонғы жетістіктерді еңгізу үшін көпжиілік түрді арзан және сенімді жарық деректерді жетілдіру керек. Сөз тек принциптілік әсерін жоғарлатуын емес, сондай ақ жаңа және арзан материалдар мен жабдықтардың құруының техникалық мәселесі туралы айтылуда. Түге қазір кремнийлық КМОП-құрылымдардың аппататурада пайдалануы оптикалық ақпараттың үлкен көлемдегі қосарлас ағындарының өңдеуі, реттеуі және тығыздауымен шектеліп отырады. Осы саланың кейінгі дамуы оптоэлектрондық айырып-қосқыштарымен жабдықталған ендігі буын микропроцессорларының тудыруын талап етеді. Телекоммуникациялық және ақпараттық жабдықтарда пайдаланатын Inp және LiNbO5 литий ниобатын, GaAS түрді жартылай өткізгіштерін ауыстыруды икем ететін SOI (silicon on insulator — изолятордағы кремний) түрді оптикалық толқын жүргізушуді еңгізу аппаратура бағасының түсуін күтуге болады.
Кремнийлық оптоэлектрониканың басты кемшілігі, дара чиптардың жарық сәуле шағаруының тиімділігі және сигнал күшейту коэффициентінің төмендігі болып қалады. Кремнийлық кристалдардағы тиімді лазерлерді жасаумен, зерттеушілер көп уақыт пен құралдар жұмсады, бірақ өкінішке орай олар әлі салмақты табысқа қол жеткізген жок, дегенменен, ең перспективтік бағыттарда (қосындыланған кремний эрбийдан жасалған толқын жүргізушілер жасау, ұсақ тетікті кремнийді күшейту) жалғастырылады.
Кремнийлық нанофотоника бұйымдары өте аласа, сондықтан олардың көптегені (мысалы, спектральдық мультиплексорлар) монтаж тығыздығын өзгертусіз калыптф электрондық чиптарға оңай еңгізіледі. Қазіргі таңда оптикалық наножабдықтардың көптегені жартылай өткізуші техниканың үлгіқалыпты және арзан материалдарынан жасауға болады (индий фосфиді, галлий арсениді, изолятордағы кремний сияқты), осыған байланысты нанофотоника осылайша фотондық және электрондық компоненттерінің қиюласымен, біріншісі мен екіншісінің басылымдығын тиімді пайдаланумен дамып келеді. Көптеген оптикалық жабдықтардың көлемі дәстүрлі материалдардың (литий ниобаты, әйнек) кремний, галий арсениді, индий фосфиді сияқты материалдарға ауыстыруымен кішірейтілуі мүмкін. Осындай аса кішкене оптикалық жабдықтар кейін жүйеге бірлесуі бәлкім, осылайша мамандардың жеке чипте орналасқан тиімді және көпфункционалды ақпаратты қайта өңдеу оптикалық жабдықтың жаратылыс арманын іске асыруға мүмкіндік береді. Аса тым осындай жабдықтар, айтылғандай, әдеттегі жартылай өткізуші материалдардан жасалуына байланысты, мамандар оларды, өте күрделі құрылымды гибридтік электр-фотондық жүйелерін ойлап шығар бар құралдарға еңгізе алады.
Кремнийлық электрониканың қатты дамыған технологиясын еске түсіретін болсақ, кремний изоляторындағы кристаллдық тілімдердің нанофотоникада қолдану мүмкіндігі аса үлкен мағына береді. Осы материалдардың негізінде шығарылған жаңа оптикалық наножабдықтар (резонаторлар, сүзгілер, толқын жүргізушілер, модуляторлар, детекторлар ж.б.) чиптағы бар жүйелерге оңай ықпалдануы мүмкін, айттырусыз, оның өндіріске оңай да тез еңгізілуі. Сонымен бірге, жаңа жабдықтар КМОП-құрылымды бар схемардың функционалдық мүмкіндіктерін кеңейтуіне уәде береді, әсіресе жоғарғы тиімді транзисторларды жасау барысында.
Түрлі жиілікте жоғары сенімділікпен шығарылым сигналдарын біржолы беретін мүмкіндігі бар, үйлестіру модымен генераторларды жасау өте маңызды техникалық мәселе болып келеді. Пассивті фильтрациялы және ақпаратты өңдеу оптикалық чиптарда кіріс сигналдары түрлі шығындардан (аталмыш еңгізу шығын, толқын жүргізушідегі шығын, резонаторлардыға ж.б.) бұрмаланады, осы салдарынан осындай жабдықтырға өңдеу алдында кіріс сигналды күшейту әдістерін жасау қажет. Модтардың сенімді және сапалы үйлестендіруі схемаларда жоғары төзімді резонаторлармен жоғары сапалы оптикалық модуляторларының пайдалануын қажет етеді, және осы жабдықтар изолятордағы кремний чиптарында жасалуына болады. Мәнінде, бүгінгі таңда үйлестіру модтары бар ішкі жарық генераторларын қосуымен, кремнийлық жабдықтарды шығаратын барлық мүмкіндіктер жасалған, және басты шешілмеген мәселе ол оптикалық диапазондағы күшейту болып қалады. Осы бағыттың шекті мақсаты, оптоэлектроникалық чиптың шеңберіндегі ақпаратты өңдеу жүйесімен ықпалданған көпжиілік оптикалық сәулелену дерегін ойлап шығару.
Соңғы уақытта зерттеушілердің назарын айналмалы резонаторлар мен дөңгелек оптикалық байланыс негізінде жасалатын түрлі фильтрлер қаратады. Монолиттық және құрамалы (микросфера түріндегі оптикалық талшық толтырғыш) қосылған түрлі сипатты шыны жарық жүргізгіштер үшін жаңа әдістер тиімді болды. Литтлмен басқарылан топ, жақында планарлық геометрияның (8х8) күрделі тор түрдегі жарық жүргізушілерде өте үлкен жалтару көрсеткішті шыны дискілері орнатылған жабдықты жасады. Осындай құрылыс Q коэффициентінің (төзімділік) жоғары мағынасын қамтамасыз етеді, яғни жоғары спектральдық рұқсат оптикалық фильтрлерін шығару.
Резонаторлар дисктері мен толқын жүргізуші арасындағы байланысты қамтамасыз ететін жабдықтар өте кішкене (150...500нм), сондықтан қазір олар ең дамыған литографиялық технологиялар негізінде (мысалы, электрондық байламдар, ультракүлгін сәулелену ж.б. пайдалануымен) негізінде жасалуы мүмкін. Кейінгі осындай жабдықтардың практикалыққолдану саласында қолданылу ілгерлігі, жеткілікті рұқсат қамтамасыз ететін,таралған, арзан және кәдімгі литографиялық әдістердің өндірісте пайдалануына тәуелді. Фотонды құрылғыларды миниатюризациялауды және оларды күрделі жүйелерге интеграциялаудың пайдалы бір бағыты болып фотонды крсталлдарды қолдану табылады. Олар кейбір жиілікті электромагнитті толқындар ешқандай бағытта тарала алмайтын етіп жасалған жасанды периодтық наноструктураны ұсынады. Мысалы, планарлы фотондық кристалл негізінде, кішкентай және өте пайдалы ұзақ уақыт мерзімінде көлемі кіші қуатты электромагнитті өрісті таратпайтын нанорезонаторды шығаруға болады. Сонымен қатар, ауадағы жарықты шоғырлайтын резонатор; мұндай құрылғылар нанометрлік масштабта жарық және заттар арасында перспективті оқыту құралы болып табылады. Қазіргі таңда наноөлшемді оптикалық резонаторларды зертеу фотониканын дамуындағы ең қызықты бағыттырынын бірі .
Мысалы, биодатчиктердің жаңа типтерін алу үшін фотондық құрылғыларды қолданған тиімдірек. Әдіс жоғарыда көрсетілгендей резонаторларда микродозалардағы органикалық заттарды күшті электрлік және оптикалық әсерге түсіру арқылы резонаторлар үшін оптикалық сигнатуралар алуға болады ( шығыс сигналдардың параметрлерінің резонатор ұзындығына тәуелді). Резонаторлар кіші размерлі болғандықтан, бұл әдіс теориялық түрде жаңа интегралдық спектроскопиялық системаны құруға мүмкіндік береді.
11.1 – сурет
Айта кететін жайт, фотондық кристалдағы нанорезонатордың беріктігі (Q>105) оның кіші размерлерін қосқанда (5мкм) түрлі мультиплекстік құрылғыларды шығару үшін және оптикалық сигналдарды өңдеу үшін бұндай кристаллдарды ең перспективті материал қылып жасайды.
Молекулалы сәулеленген технология эпитаксиясы структураларды нанометрлі қалыңдықпен жасауға мүмкіндік береді.
Лазердің ең басты параметрі болып тоқтың баспалдақты тығыздығы табылады. 11.1суретте көрсетілгендей, лазерлі техниканың дамуында шалаөткізгішті лазердің баспалдақты тығыздығы 105-тен 10A/см2 –ге дейін төмендетті.
Соңғы жылдары наноэлектроникалық лазерге арналған көп жұмыстар басылымға шығып жатыр. Вертикальді резонаторы бар наноэлектронды лазерге көңіл бөледі. Вертикальды резонаторы бар лазерлерді кванттық есептеуге және кванттық криптография үшін қолдануғв болатын біржақты сәулеленуді шығаруға пайдалы.