Курс лекций Фотоника из

441

мого ПЗУ). С другой стороны, запирание фотона, масса покоя которого равна нулю, принципиально отличается от запирания электрона, обладающего конечной массой. Здесь ситуация формально сродни остановке света, носителем которого являются фотоны.

Остановите фотон в свободных условиях - и он исчезнет, так как вся его энергия связана с движением. Но в данном случае речь идет не о свободных фотонах, а о квазичастицах, образованных когерентным взаимодействием света с кристаллом - физики уже окрестили их тяжелыми фотонами (heavy photons). Явление захвата, или пленения (confinement), излучения давно знакомо оптикам по ряду эффектов, наблюдавшихся в спектрах газового разряда.

Однако захват излучения в фотонных кристаллах является принципиально новым явлением, так как происходит без процесса многократного поглощения и испускания фотонов. Оно здесь попросту невозможно в силу определенных соотношений между параметрами фотонных и электронных энергетических зон. Поэтому перенос излучения при его пленении в фотонном кристалле носит упорядоченный характер, существенно отличаясь от известного ранее хаотического движения в газовой среде.

В работах, выполненных в исследовательских центрах Гарвардского университета, также сообщалось об «остановке» света. Здесь волновой цуг, занимающий в пустом пространстве несколько километров, был сжат до размеров в несколько миллиметров, что соответствует снижению групповой скорости света до сотни метров в секунду. Экспериментаторы записывали во входном световом сигнале информацию с частотой модуляции 1 кГц, а затем восстанавливали ее из сжатого состояния. Таким образом, было непосредственно продемонстрировано создание элементов памяти на тяжелых фотонах.

Тяжелые фотоны планируется использовать и для создания нового типа оптических транзисторов и логических элементов, в основе работы которых чаще всего лежит эффект нелинейного взаимодействия света с веществом, требующий излучения очень большой мощности, но даже в этом случае объемная

442

плотность фотонов чрезвычайно мала вследствие высокой скорости света в обычных оптических средах.

В случае тяжелых фотонов, чью скорость можно понизить до необычайно малой величины, нелинейные процессы идут с большой эффективностью, и для реализации нелинейного режима требуется гораздо меньшая плотность мощности излучения.

Упоминавшаяся 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.

Рис. 12.5. Схема фотонного транзистора На рис. 12.5 показана примерная схема оптического

транзистора, основанная на захвате фотонов. Здесь на длине волны входных сигналов излучение запирается, обеспечивая высокую эффективность нелинейного преобразования излучения по частоте. Для результирующего излучения фотонный кристалл является проводящим, и оно выходит из транзистора по фотонному проводнику.

443

Настоящую революцию в оптоэлектронике способны произвести разрабатываемые на этой основе низкопороговые

(low-threshold) или даже беспороговые (thresholdless) лазеры,

открывающие путь для малосигнальной лазерной техники - вплоть до однофотонных лазеров. Образцы лазеров на двумерных фотонных кристаллах созданы, например, в Корее (Advanced Institute of Science and Technology и Electronics and Telecommunications Research Institute). Лазер, непрерывно работаю-

щий на длине волны 1,604 мкм, возбуждается 980нанометровым InGaAs-лазером мощностью 9,2 мВт.

Еще одно уникальное свойство фотонных кристаллов связано с явлением сверхпроводимости. 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.

В 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.

Еще одна возможность, предоставляемая фотонными кристаллами, - создание нового типа волноводов. Радиус изгиба обычного стекловолокна не может быть очень маленьким, иначе свет покинет волновод. Поэтому для изменения направления движения волны, например, на угол 90 градусов требуется расстояние не менее десяти длин волн (рис. 4.6а). А в волноводе из фотонных кристаллов потребуется расстояние порядка одной

444

длины волны и даже меньше (рис. 12.6б): в пределе, в случае трехмерной упаковки, плотность элементов можно увеличить в сто раз.

Рис. 12.6. Схема обычного и фотонного волноводов Такая технология уже реализована на практике в иссле-

довательском центре Sandia National Laboratories в микроволновом и ближнем инфракрасном диапазоне.

Плотность упаковки функциональных узлов кристаллофотоники ниже, чем у электронных компонентов, однако возможность создания уже в ближайшие годы оптических интегральных схем нового типа, способных к тому же использовать весь объем кристалла, а не только тонкую пленку на его поверхности, является хорошим стимулом для исследователей.

Не прошло и десяти лет с начала первых разработок, как стало ясно, что фотонные кристаллы являются оптическими материалами принципиально нового типа и что у них - блестящее будущее. Выход разработок фотонных кристаллов оптического диапазона на уровень коммерческого применения скорее всего произойдет в сфере телекоммуникаций. Связано это с опережающим ходом исследований 2D-фотонных кристаллов, на основе которых можно создавать оптоволокно нового типа. Примерная структура фрагмента центральной части одного из типов такого волокна показана на рис. 12.7а. Кристалл состоит из спеченных стеклянных нитей, центральная из которых – пустотелая (рис.12.7.б). Такое волокно в поперечном сечении является двумерным кристаллом с зонной структурой фотонного изолятора.

445

При этом в продольном направлении волокно является идеальным проводником. Разработки такого рода ведутся, например, 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.

Рис. 12.7. Строение фотонного волновода Эксперименты показали, что такие кристаллические

волноводы способны передавать гораздо большую оптическую мощность, чем обычные волокна. Параллельно с волноводами на основе фотонных кристаллов ведутся технологические проработки других компонентов телекоммуникационной техники, в первую очередь - пассивных оптических фильтров, прерывателей и низкопороговых лазеров.

446

Фотонная схемотехника

Примерно с 1971 года, стали публиковаться отчеты об исследованиях динамических голограмм с записью в нелинейных средах. Ряд ключевых результатов в этой области принадлежит нашим соотечественникам: Б. И. Степанову, Е. В. Ивакину и А. С. Рубанову (первая схема обращения волновых фронтов, 1971), Н. Ф. Пилипецкому, В. И. Поповичеву и В. В. Рагульскому (открытие концентрации света с помощью обращения его волнового фронта, 1977), Б. Я. Зельдовичу и В. С. Файзулову (открытие эффекта «динамических зеркал» в средах с вынужденным рассеянием, 1972), Е. И. Штыркову и В. В. Самарцеву (исследования эффекта памяти динамических голограмм в неравновесных средах, 1975).

Вся «классическая» схемотехника электронных устройств концептуально базируется на взаимодействии элементов схемы путем обмена материальными носителями сигналов. Квантовый характер явлений, лежащих в основе «функционирования» фотонных кристаллов, потребует от разработчика систем на этой «элементной базе» определенной перестройки сознания и даже представлений о том, что такое сигналы в этих устройствах и как происходит передача информации внутри системы, поскольку привычного «обмена материальными носителями сигналов» в них зачастую не происходит. Необходимость такой перестройки вызвана и тем, что в устройствах, где переносчиком сигналов служит свет, существенную роль начинают играть причинно-следственные отношения событий, инициируемых светом.

Как известно, скорость света в вакууме является предельной скоростью передачи любых сигналов (и взаимодействий вообще) в нашем Мире. Иными словами, никакое явление не может произойти по причине другого явления раньше, чем через промежуток времени, необходимый свету для преодоления расстояния между точками в вакууме, в которых эти явления имели место.

Но вот не в вакууме все становится много интереснее. Во-первых, из-за того, что скорость света в веществе меньше, чем в пустоте. А во-вторых, по причине того, что в среде могут существовать другие переносчики взаимодействий (а стало

447

быть, причинно-следственных отношений), более быстрые, чем свет.

В обоих случаях возникают локальные «сдвиги» или пространственные неоднородности, типа опережения или запаздывания фронта волны превращения причин в следствия, зримо наблюдаемые как оптические явления. Так, фактор замедления света в веществе «отвечает» за большинство явлений линейной оптики - свойства линз, дисперсионные явления в призмах и т. д. А присутствие в среде «сверхсветовых» переносчиков взаимодействий (сигналов!), лишающих свет монопольного права определять, что есть причина, а что следствие, приводит, в частности, к возникновению эффекта Вавилова-Черенкова (Черенковское излучение) - рождению конусообразного волнового фронта светового излучения при движении частиц в веществе со скоростью, превышающей скорость света в данной среде. Напоминает звуковую ударную волну, возникающую при движении самолета со скоростью больше скорости звука в воздушной среде, не правда ли?

Фотонные кристаллы, «скорость света» в которых может варьироваться в весьма широких пределах, обеспечивают беспрецедентные возможности организации невиданных доныне явлений, в основе которых лежат локальные «нарушения» при- чинно-следственных отношений. Эффекты отрицательной рефракции, обращенный эффект Вавилова-Черенкова и ряд других - примеры такого рода.

Рассмотрим для примера два аналоговых логических устройства - классическое и квантовое - на основе фотонного кристалла типа «оптический полосовой фильтр».

448

12.10. Два аналоговых логических устройства - классическое и квантовое - на основе фотонного кристалла типа «оптический полосовой фильтр».

Классическое логическое устройство (12.11) 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.

12.11. Классическое логическое устройство. 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 (см. рис. 12.12). 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».

449

12.12. Квантовое логическое устройство. «Пикантность» ситуации здесь в том, что когда в каче-

стве сигналов мы начинаем использовать слабые, состоящие буквально из одиночных фотонов пучки света, становится очень заметно следующее: 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…

И еще одно важное обстоятельство. «Работу» нашего квантового устройства нельзя наблюдать «изнутри». Попытка «увидеть» фотон внутри кристалла при помощи любого регистрирующего прибора, помещенного в структуру устройства, окончится нетривиально: фотоны будут регистрироваться, но устройство работать перестанет (так как «регистратор» нарушит собой расчетную волновую схему внутренних отражений). Если же при разработке нашего логического устройства мы изначально введем регистратор в структуру кристалла (как неотъемлемый расчетный элемент этой структуры), то само устройство заработает, а регистратор будет «молчать».

Функционирование прибора определяется структурой рассеяния фотонов внутри кристалла, однако никаких фотонов

450

при нормальной работе внутри кристалла обнаружить нельзя! А вообще-то, все подобные устройства с точки зрения внешнего наблюдателя представляют собой своеобразные «черные ящики», конструкция и принцип действия которых известны, а посмотреть, «как там все это работает», - нельзя.

В отличие от любых классических устройств, где «внутри» происходят какие-то процессы, приводящие к возникновению выходных сигналов, в нашем случае «внутри» ничего не происходит! Вернее сказать, там происходят вещи куда более глубокие. Там формируются причины внешнего поведения устройства (или вероятности, что звучит привычнее, но управление вероятностями это и есть создание соответствующих причин. Знаете, на что это похоже? На ситуацию, когда к экзаменатору подходит, чтобы взять билет, уверенный в своем знании отличник, а профессор и говорит ему: «давайте зачетку. Я же знаю, что вы прекрасно разбираетесь в этой теме. Ставлю отл.». Мораль - студент ранее создал причины такого поведения преподавателя).

Разработка квантового логического устройства на базе фотонных кристаллов, по сути, представляет собой проектирование структуры причин его внешних проявлений (свойств).

Фотонные кристаллы, получившие название фотонных изоляторов, не поглощают свет, поскольку в них отсутствуют причины его поглощения. И они не пропускают свет, потому что в них отсутствуют причины его пропускать. А дальше вступает в действие принцип дополнительности - «если не это, значит, то». Если свет не поглощается и не проходит, следовательно, он отражается, - имеем идеальное зеркало. И наоборот. Если не поглощается и не отражается, значит… правильно! - проходит насквозь, так как нет причин не проходить. Имеем фотонный сверхпроводник.

«Причинно-следственное программирование», по существу, представляет собой отыскание подходящей структуры кристалла, в которой реализуется требуемый вид волновой функции фотона, которая (если говорить об этом в очень грубом приближении!) описывает вероятности его регистрации или взаимодействий. Мы «оперируем», таким образом, не с части-

451

цами, но лишь с вероятностными оценками их «поведения», пытаясь заложить основы того, чтобы частицы эти с высокой вероятностью вели себя так, как нам нужно. На «нормальном» языке это и называется создать причины. Это сложнейшая вычислительная задача, трудность которой растет по мере увеличения размерности проектируемого кристалла.

1D, 2D, 3D… 4D!

Фотонные кристаллы «обычной» пространственной размерности - одномерные дифракционные решетки (1D), двумерные матрицы неоднородностей - слои (2D) и, собственно, трехмерные кристаллы - по сути своей статичны, хотя и предоставляют разработчикам огромное разнообразие эффектов и свойств, реализуемых, как об этом обычно говорят, в пространственной области.

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), где четвертым измерением является время. Расчет динамики таких структур сложен, однако их потенциальные возможности богаче свойств трехмерных (хотя, казалось бы, куда уж больше!)

Для иллюстрации некоторых свойств 4D-фотонных кристаллов можно привести следующий пример. Вспомним, что обычная толстослойная (объемная, 3D) голограмма представляет собой пространственное распределение оптических неоднородностей (сравните с определением фотонного кристалла!) и является статической моделью пространственной передаточной функции объекта съемки. Дополнив пространственное распределение неоднородностей временным распределением (попросту говоря, задав закон изменения во времени оптических свойств элементов фотонного кристалла), мы получим среду для фиксации полной пространственно-временной передаточной функции объекта.

Кроме того, поведение во времени оптических свойств элементов фотонного кристалла может зависеть от простран-

452

ственного распределения электромагнитного поля (света) в нем, что, вообще говоря, привносит совершенно особое очарование перепутывания и взаимовлияния пространственных и временных процессов в кристалле. К каким внешним эффектам и проявлениям это будет приводить - без детального математического моделирования сказать нельзя.

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.

Полагают, что исследования в этом направлении способны привести к принципиально новому методу создания устройств, при котором разработчик вместо детального конструирования будет занят в основном выбором типа нелинейности среды (характер нелинейности особенно легко «программируется» в технологии СВЧ-фотонных кристаллов) и подходящих начальных условий возбуждения неравновесного состояния (стартовый толчок, первопричина), которые приведут к развитию процессов самоорганизации, обеспечивающих желаемую функциональность среды.

Видимо, исторически первыми «изделиями» такого рода можно считать среды, предложенные Штырковым и Самарцевым в 1975 году. В них по причине сильно неравновесных процессов релаксации оптически возбужденных атомов возникают эффекты фотонного эха. При этом оптическая среда оказывается способной запоминать пространственную структуру и поведение во времени падающего на нее волнового фронта, а при переходе к равновесному хаотическому состоянию - воспроизводить запомненное, имитируя обращение «стрелы времени» (вектора причинно-следственных отношений).