Наноэлектроника лит-ра / dragunov

схем. На стандартных подложках методами литографии создается рельеф в виде периодически расположенных полушарий, куда затем последовательно наносятся 20 чередующихся слоев окиси кремния и чистого кремния (рис. 7.44). Преимущество данной технологии [63] в том, что фотонная структура самоорганизуется, а материалы абсолютно нетоксичны.

Волноводная

сердцевина

Рис. 7.43. Полоски макропорис- Рис. 7.44. Пример фотонного кристал-

того кремния с вертикальными ла, изготовленного фирмой NEC [63] стенками. Светлые стрелки пока-

зывают основные направления

втреугольной решетке двумерного фотонного кристалла [61]

При нарушении в каком-либо месте симметрии фотонного кристалла, например при изменении периода структуры, возникает область, в которой могут существовать электромагнитные волны с частотами, соответствующими ФЗЗ идеальной структуры. Таким образом, может быть создан идеальный микрорезонатор, в котором электромагнитная волна ограничена областью дефекта и экспоненциально убывает по интенсивности в глубь кристалла. Если создать несколько дефектов, расположенных друг от друга на расстоянии, соизмеримом с длиной волны, то можно реализовать спектральный фильтр высокой добротности, поскольку фотоны с частотой, соответствующей низшей моде единичного резонатора, смогут проникать в следующий микрорезонатор посредством резонансного туннелирования. В таких системах частота основной моды микрорезонатора может изменяться в пределах ФЗЗ посредством соответствующего изменения размера, формы и симметрии дефекта.

342

Создавая широкополосный фотонно-кристаллический волновод и располагая вдоль него различного размера точечные дефекты, соединенные с волноводами определенной частотной полосы, можно реализовать селективную по частоте передачу энергии из одного волновода в другой, и даже реализовать демультиплексирование широкополосного спектрального сигнала [64]. Точечный дефект, созданный в трехмерной фотонной структуре, может образовывать резонатор с доброт-

ностью Q ~ 109 .

Как показывают исследования [65], линейный дефект в ФК создает волновод, который, в отличие от волоконного или планарного, может изгибаться практически под любым углом, сохраняя 100 %-е пропускание.

На рис. 7.45 приведено распределение амплитуды электрического поля в Г-образном дефекте. Видно, что изменение направления распространения фотонов происходит на расстоянии примерно в одну длину волны, что является весьма актуальным для создания интегральных оптических цепей.

Если воздушные промежутки ФК заполнить нелинейной средой с показателем преломления, соответствующим матрице кристалла, но зависящим от интенсивности падающего излучения, можно создать оптический ограничитель. При низкой интенсивности излучения структура будет практически прозрачна, а при высокой (когда показатель преломления изменится) – она превратится в фотонный кристалл и не пропустит излучение, соответствующее ФЗЗ.

Первые фотонно-кристалли- ческие ограничители использовали тепловую нелинейность, а в качестве нелинейной среды – поглощающую жидкость, сильно изменяющую показатель преломления при изменении температуры. Однако вследствие большой инерционности такие ограничители оказались эффективны лишь для миллисекундных импульсов. В настоящее время ведутся исследования ФК ограничителей с наполнителями, в которых выде-

343

ление тепла происходит вследствие поглощения внешнего излучения. Такие ограничители показали хорошее быстродействие и более низкий порог ограничения.

В целом ФК ограничители обладают большими потенциальными возможностями, причем, изменяя геометрию кристалла и заполняющую жидкость, можно создавать устройства для любой длины волны – от УФ до дальнего ИК.

Нелинейные оптические свойства фотонно-кристаллических структур можно использовать и для создания оптических переключателей и логических ячеек.

Рассмотрим двумерный ФК, воздушные промежутки которого заполнены эффективной нелинейной средой с показателем преломления

подаче интенсивного сигнала разность между показателями преломления заполнения и матрицы будет увеличиваться вследствие увеличения показателя преломления нелинейной среды. В свою очередь, увеличение разности показателей преломления должно привести к увеличению ширины ФЗЗ (рис. 7.46).

При одновременной подаче на такую структуру малоинтенсивного сигнала с длиной волны излучения, соответствующей краю ФЗЗ, и мощного управляющего сигнала на частоте, большей края ФЗЗ, будет

1 Пропускание

0

Запрещенная зона

Рис. 7.46. Увеличение ширины запрещенной зоны нелинейного ФК при увеличении мощности падающего излучения [67]

344

Рис. 7.47. Изображения фотонно-кристаллических волокон с диэлектрической сердцевиной:

а – волокно с большой площадью моды; б – волокно с периодической оболочкой; в – волокно из многокомпонентного стекла; г – волокно,

модифицированное системой наноразмерных отверстий [72]

Рис. 7.48. Полые волокна с фотонно-кристаллической оболочкой [72]

345

происходить смещение края зоны, частота малоинтенсивного сигнала попадет в запрещенную зону, и он полностью отразится. В отсутствие же интенсивного управляющего сигнала малоинтенсивный (пробный, логический) сигнал проходит через структуру. Таким образом, можно управлять оптическими потоками и осуществлять логические операции.

В настоящее время большие надежды связывают с развитием технологии фотонно-кристаллических световодов в связи с их уникальными свойствами [68–72]. Фотонно-кристаллические (их также называют микроструктурированными) световоды в отличие от обычных оптических волокон, образуемых сердцевиной с показателем прелом-

ления ncore и оболочкой с показателем преломления ncladding , пред-

ставляют собой кварцевую или стеклянную микроструктуру с периодической либо апериодической системой цилиндрических воздушных отверстий, ориентированных вдоль волокна (рис. 7.47 и 7.48). В центре фотонно-кристаллического световода находится либо кварцевое (стеклянное) ядро, либо ядро в виде полого воздушного световода. Подобная структура обычно изготавливается путем вытяжки при высокой температуре из преформы, набранной из полых капилляров [72].

Такие световоды позволяют существенно снизить оптические по-

тери, присущие обычным волноводам и быстро растущие (как 2 / a3 , где a – размер сердцевины) с уменьшением диаметра полой сердцевины. В отличие от обычных волокон в фотонно-кристаллических световодах расположение и размер газовых полостей позволяют в широких пределах варьировать их параметры. Такие световоды сохраняют одномодовый характер распространения с минимальными потерями в широкой области спектра и могут обладать нулевой дисперсией групповых скоростей вплоть до 650 нм (обычные кварцевые волокна не могут иметь нулевую дисперсию ниже длины волны 1.28 мкм). В свою очередь, создание световодов с близкой к нулю дисперсией групповых скоростей в широком диапазоне длин волн позволит увеличить как скорость передачи в одном информационном канале, так и число спектральных каналов в системах частотного мультиплексирования (уплотнения) оптических сигналов.

Отметим также, что фотонно-кристаллические световоды с воздушным (газовым) ядром способны пропускать значительно более мощные сверхкороткие лазерные импульсы, поскольку порог оптического пробоя для газа существенно превышает характерные пороги пробоя для обычных оптических волокон [69].

346

Список литературы

1.Блохин С.А., Усов О.А., Нащекин А.В. и др. Оптические исследования двумерного фотонного кристалла с квантовыми точками InAs/InGaAs в качестве активной области // ФТП. – 2006. – Т. 40. – Вып. 7. – С. 833–838.

2.Yablonovitch E. Inhibited spontaneous emission in solid-state physics and electronics // Phys. Rev. Lett. – 1987. – V. 58. – N 22. – P. 2059–2061.

3.John S. Strong Localization of Photons in Certain Disordered Dielectric Superlattices // Phys. Rev. Lett. – 1987. – V. 58. – N 22. – P. 2486–2489.

4.Ho K. M., Chan C. T., Soukoulis C. M. Existence of a Photonic Gap in Periodic Dielectric Structures // Phys. Rev. Lett. – 1990. – V. 65. – P. 3152–3155.

5.Meade R. D., Rappe A. M., Brommer K. D., Joannopoulos J. D. The dispersion relations are determined using a frequentcy-domain band-structure computation code // Phys. Rev. B. – 1993. – V. 48. – N 11. – P. 8434–8437.

6.Hornreich R. M., Shtrikman S., Sommers C. Photonic band gaps in body- centered-cubic O8 structures // Phys. Rev. B. – 1994. – V. 49. – P. 10914-10917.

7.Sipe J.E. Vector kp approach for photonic band structures // Phys. Rev. E. – 2000. – V. 62. – N 4. – P. 5672–5677.

8.Busch K. Photonic band structure theory: assessment and perspectives // C. R. Phy-sique. – 2002. – V. 3. – P. 53–66.

9.Ивченко Е.А., Поддубный А.Н. Резонансные трехмерные фотонные кри-

сталлы // ФТТ. – 2006. – Т. 48. – Вып. 3. – С. 540–547.

10.Busch K, John S. Liquid-crystal photonic-band-gap materials: The tunable electromagnetic vacuum // Phys. Rev. Lett. – 1999. – V. 83. – N 5. – P. 967–970.

11.Калитеевский М.А., Николаев В.В., Abram R.A. Статистика собствен-

ных состояний и оптические свойства одномерных разупорядоченных фотонных кристаллов // ФТТ. – 2005. – Т. 47. – Вып. 10. – С. 1871–1880.

12.Fogel I.S., Bendickson J.M., Tocci M.D. et al. Sponteneous emission and nonlinear effects in photonic band gap materials // Pure Appl. Opt. – 1998. – V. 7. – P. 393–407.

13.Нелин Е.А. Моделирование и повышение избирательности кристаллоподобных структур // ЖТФ. – 1004. – Т. 74. – Вып. 11. – С. 70–74.

14.Геворкян А.А. Оптический «диод» и всенаправленный отражатель на основе 1D фотонного квазипериодического кристалла // Письма в ЖТФ. –

2008. – Т. 34. – Вып. 1. – С. 48–56.

15.Ярив А., Юх П. Оптические волны в кристаллах. – М.: Мир, 1987. –

616 с.

16.Broer, D. J., Lub, J., Mol G. N. Wide-band reflective polarizers from cholesteric polymer networks with a pitch gradient // Nature. – 1995. – V. 378. – P. 467– 469.

17.Kutter S., Warner M. Reectivity of cholesteric liquid crystals with spatially varying pitch // Eur. Phys. J. E. – 2003. – V. 12. – P. 515–521.

347

18. Krauss T. F., De La Rue R. M., Brand, S. Two-dimensional photonicbandgap structures operating at near-infrared wavelengths // Nature. – 1996. –

V.383. – P. 699–702.

19.Vlasov, Y. A. et al. Existence of a photonic pseudogap for visible light in synthetic opals // Phys. Rev. B. – 1997. – V. 55. – P. R13357–R13360.

20.Барышев А.В., Анкудинов А.В., Каплянский А.А. и др. Оптическая ха-

рактеризация синтетических опалов // ФТТ. – 2002. – Т. 44. – Вып. 9. –

С. 1573–1581.

21. Барышев А.В., Каплянский А.А., Кособукин В.А. и др. Брэгговская ди-

фракция света в искусственных опалах // ФТТ. – 2003. – Т. 45. – Вып 3. –

С. 434–445.

22.Kaliteevski M.A., Beggs D.M., Brand S. et. al. Statistics of the eigenmodes and optical properties of one-dimensional disordered photonic crystals // Phys. Rev. E. –2006. – V. 73. – P. 056616–056621.

23.Грешнов А.А., Калитеевский М.А., Abram R.A. и др. Плотность состоя-

ний одномерного разупорядоченного фотонного кристалла // ФТТ. – 2007. –

Т. 49. – Вып. 10. – С. 1904–1908.

24.Семенцов Д.И., Степанов М.М. Фотонный спектр магнитогиротропных плоскослоистых структур // ФТТ. – 2008. – Т. 50. – Вып.3. – С. 431–435.

25.Смоленский Г.А., Леманов В.В. Ферриты и их техническое примене-

ние. – Л.: Наука. – 1975. – 218 с.

26.Звездин А.К., Котов В.А. Магнитооптика тонких пленок. – М.: Наука,

1988. – 190 с.

27.Рандошкин В.В., Червоненкис А.Я. Прикладная магнитооптика. – М.:

Энергоатомиздат, 1990. – 320 с.

28.Гисмятов И.Ф., Семенцов Д.И. Дифракция света на полосовой доменной структуре с наклонными доменными границами // ФТТ. – 2000. – Т. 42. –

Вып. 6. – С. 1043–1048.

29.Высоцкий С.Л., Никитов С.А., Филимонов Ю.А. // ЖЭТФ. – 2005. –

Т. 3. – С. 636.

30.Буравцева В.Е., Ганьшина Е.А., Гущин В.С. и др. Магнитные и магни-

тооптические свойства многослойных наноструктур ферромагнетикполупроводник // ФТТ. – 2004. – Т. 46. – Вып. 5. – С. 864–874.

31.Yablonovitch E., Gmitter T.J., Leung K. M. Photonic band structure: The face-centered-cubic case employing nonspherical

atoms // Phys. Rev. Lett. – 1991. – V. 67. – P. 2295-2297.

32.Щука А.А. Наноэлектроника. – М.: Физматкнига, 2007. – 464 с.

33.Rosenberg A., Shirk J. S. Photonic crystals: intensitydependent transmission protects sensors // Laser Focus World. – 2000. – V. 36. – P. 121–128.

34.Kobayashi H., Okano M., Tomoda K. Optical properties of three-dimensional photonic crystals based on III-V semiconductors

348

at infrared to near-infrared wavelengths //Appl. Phys. Lett. – 1999. – V. 75. – P. 905–907.

35.Силин Р.А. Электромагнитные волны в искусственных периодических структурах // УФН. – 2006. – Т. 175. – № 5. – С.562-565.

36.Аракчеева Е.М., Танклевская Е.М. Нестеров С.И. и др. Получение фотонных кристаллов в структурах на основе полупроводников и полимеров с

использованием метода наноимпринта // ЖТФ. – 2005. – Т. 75. – Вып. 8. – С. 80–84.

37.Cheng W., Wang J. J., Jonas U. et al. The spectrum of vibration modes in soft opals // J. oF Chemical Phys. – 2005. – V. 123. – N 12. – P. 121104–121107.

38.Плеханов А.И., Калинин Д.В., Сердобинцева В.В. Нанокристаллизация монокристаллических пленок опала и пленочных опаловых гетероструктур // Российский нанотехнологии. – 2006. – Т. 1. – № 1. – С. 245–251.

39.Norris D.J, Vlasov Y.A. Chemical approaches to three-dimensional semiconductor photonic crystals // Adv. Mater. – 2001. – V. 13. – N 6. – P. 371–376.

40.Vlasov Yu. A., Astratov V. N., Baryshev A. V. et al. Manifestation of intrinsic defects in optical properties of self-organized opal photonic crystals // Phys. Rev. E– 2000. – V. 61. – P. 5784–5793.

41.Romanov S.G., Yates H.M., Pemble M.E. et al. Opal-based photonic crystal

with double photonic bandgap structure // J. Phys: Condens. Matter. –2000. –

V.12. – N 37. – P. 8221–8229.

42.Busch K, John S. Photonic band gap formation in certain self-organizing systems // Phys. Rev. E. – 1998. – V. 58. – N 3. – P. 3896–3908.

43.Голубев В.Г., Кособукин В.А., Курдюков Д.А. и др. Фотонные кристаллы с перестраиваемой запрещенной зоной на основе заполненных и инверти-

рованных композитов опал-кремний // ФТП. – 2001. – Т. 35. – Вып. 6. – С. 710–713.

44.Eden M., Voss R., Griesebock B. et al. Heterostructures of Polymer Photonic Crystal Films // Chem. Mater. – 2003. – V. 15. – P. 3786–3792.

45.Rengarajan R., Jiang P., Larrabee D.C., Colvin V.L. et al. Colloidal photonic superlattices // Phys. Rev. B. – 2001. – V. 64. – P. 205103–205107.

46.Broderick N.G.R, de Sterke C.M. Theory of grating superstructures // Phys. Rev. E. – 1997. – V. 55. – P. 3634 – 3646.

47.Головань Л.А., Тимошенко В.Ю., Кашкаров П.К. Оптические свойства нанокомпозитов на основе пористых систем // УФН. – 2007. – Т. 177. – № 6. – С. 619–638.

48.Головань Л.А., Кашкаров П.К., Тимошенко В.Ю. и др. Двулучепреломление формы и генерация оптических гармоник в наноструктурах пористых

полупроводников // Российский нанотехнологии. – 2006. – Т. 1. – № 1–2. –

С. 111–120.

349

49.Canham L.T. Silicon quantum wire array fabrication by electrochemical and chemical dissolution of wafers // Appl. Phys. Lett. – 1990. – V. 57. –

P.1046–1048.

50.Кузнецова Л.П., Ефимова А.И., Осминкина Л.А. и др. Исследование двулучепреломления в слоях пористого кремния методом инфракрасной Фу- рье-спектроскопии // ФТТ. – 2002. – Т. 44. – Вып. 5. – С. 780–784.

51.Künzner N., Diener J., Gross E. et al. Form birefringence of anisotropically nanostructured silicon // Phys. Rev. B. – 2005. – V. 71. – P. 195304–195312.

52.Soboleva I.V., Murchikova E. M., Fedyanin A. A. et al. Secondand thirdharmonic generation in birefringent photonic crystals and microcavities based on anisotropic porous silicon // Appl. Phys. Lett. – 2005. – V. 87. – P. 241110–241112.

53.Golovan L.A., Kashkarov P.K., Syrchin M.S. et al. One-dimensional por- ous-silicon photonic band-gap structures with tunable reflection and dispersion // Phys. Status. Solidi A. – 2000. – V. 182. – N 1. – P. 437–442.

54.Lérondel G., Romestain R., Vial J. C. Porous silicon lateral superlattices // Appl. Phys. Lett. – 1997. – V. 71. – P. 196–199.

55.Genereux F., Leonard S. W., van Driel H. M. Large birefringence in twodimensional silicon photonic crystals // Phys. Rev. B.: Condens. Matter. – 2001. – V. 63. –N 16. – P. 161101–161105.

56.Астрова Е.В., Перова T.S., Толмачев В.А. и др. Двулучепреломление инфракрасного света в искусственном кристалле, полученном с помощью анизотропного травления кремния // ФТП. – 2003. – Т. 37. – Вып. 4. – С. 417–

421.

57.Kovalev D., Polisski G., Diener J. et al. Strong in-plane birefringence of spatially nanostructured silicon // Appl. Phys. Lett. – 2001. – V. 78. – P. 916–918.

58.Толмачев В.А., Границыны Л.С., Власова Е.Н. и др. Одномерный фо-

тонный кристалл, полученный с помощью вертикального анизотропного травления кремния // ФТП. – 2002. – Т. 36. – Вып. 8. – С. 996–1000.

59.Борн М., Вольф Э. Основы оптики. – М.: Наука. 1970. – 772 с.

60.Круткова Е.Ю., Тимошенко В.Ю., Головань Л.А. Инфракрасная и суб-

миллиметровая спектроскопия щелевых кремниевых структур // ФТП. –

2006. – Т. 40. – Вып. 7. – С. 855–860.

61.Астрова Е.В., Боровинская Т.Н., Толмачев В.А. и др. Технология соз-

дания рисунка в макропористом кремнии и получение полос двумерных фо-

P.023524.

63.Kosaka H., Kawashima T., Tomita A. et al. Photonic-crystal spot-size converter // Appl. Phys. Lett. – 2000. – V. 76. – N 3. – P. 268–270.

350