Ano ang isang photonic crystal. Mga pamamaraan para sa paggawa ng mga kristal na photonic
Ilya Polishchuk, Doktor ng Physical and Mathematical Sciences, Propesor sa Moscow Institute of Physics and Technology, Nangungunang Researcher, National Research Center "Kurchatov Institute"
Ang paggamit ng microelectronics sa pagproseso ng impormasyon at mga sistema ng komunikasyon ay panimula na nagbago sa mundo. Walang alinlangan na ang mga kahihinatnan ng boom sa gawaing pananaliksik sa larangan ng pisika ng mga photonic na kristal at mga aparato batay sa mga ito ay maihahambing sa kahalagahan sa paglikha ng pinagsamang microelectronics higit sa kalahating siglo na ang nakalilipas. Ang mga materyales ng isang bagong uri ay gagawing posible na lumikha ng mga optical microcircuits sa "imahe at pagkakahawig" ng mga elemento ng semiconductor electronics, at sa panimula ng mga bagong pamamaraan ng pagpapadala, pag-iimbak at pagproseso ng impormasyon na binuo ngayon sa mga photonic na kristal, sa turn, ay makakahanap ng aplikasyon sa semiconductor electronics ng hinaharap. Hindi nakakagulat na ang lugar na ito ng pananaliksik ay isa sa pinakamainit sa pinakamalaking sentrong pang-agham, mga high-tech na kumpanya at mga negosyo ng militar-industrial complex. Ang Russia, siyempre, ay walang pagbubukod. Bukod dito, ang mga photonic na kristal ay paksa ng epektibong internasyonal na kooperasyon. Bilang halimbawa, sumangguni tayo sa higit sa sampung taon ng pakikipagtulungan sa pagitan ng Russian Kintech Lab LLC at ng kilalang kumpanyang Amerikano na General Electric.
Kasaysayan ng mga kristal na photonic
Sa kasaysayan, ang teorya ng photon scattering sa three-dimensional gratings ay nagsimulang umunlad nang masinsinan mula sa wavelength region ? ~ 0.01-1 nm, na nasa saklaw ng X-ray, kung saan ang mga node ng photonic crystal ay ang mga atom mismo. Noong 1986, iminungkahi ni Eli Yablonovich mula sa Unibersidad ng California sa Los Angeles ang ideya ng paglikha ng isang three-dimensional na dielectric na istraktura, katulad ng mga ordinaryong kristal, kung saan ang mga electromagnetic wave ng isang tiyak na banda ay hindi maaaring magpalaganap. Ang ganitong mga istraktura ay tinatawag na photonic bandgap structures o photonic crystals. Pagkatapos ng 5 taon, ang naturang photonic na kristal ay ginawa sa pamamagitan ng pagbabarena ng mga butas ng millimetric sa isang materyal na may mataas na refractive index. Ang nasabing artipisyal na kristal, na kalaunan ay tinawag na yablonovite, ay hindi nagpapadala ng millimeter-wave radiation at aktwal na natanto ang isang photonic na istraktura na may isang banda gap (sa pamamagitan ng paraan, ang mga phased antenna arrays ay maaari ding maiugnay sa parehong klase ng mga pisikal na bagay).
Ang mga istrukturang photonic, kung saan ang pagpapalaganap ng mga electromagnetic (sa partikular, optical) na mga alon sa isang tiyak na frequency band sa isa, dalawa o tatlong direksyon, ay ipinagbabawal, ay maaaring magamit upang lumikha ng optical integrated device para sa pagkontrol sa mga alon na ito. Sa kasalukuyan, pinagbabatayan ng ideolohiya ng mga photonic na istruktura ang paglikha ng mga non-threshold na semiconductor laser, mga laser batay sa mga rare-earth ions, high-Q resonator, optical waveguides, spectral filter, at polarizer. Ang pag-aaral ng mga photonic crystal ay isinasagawa na ngayon sa higit sa dalawang dosenang mga bansa, kabilang ang Russia, at ang bilang ng mga publikasyon sa lugar na ito, pati na rin ang bilang ng mga symposium at siyentipikong kumperensya at mga paaralan, ay lumalaki nang husto.
Upang maunawaan ang mga proseso na nagaganap sa isang photonic na kristal, maaari itong ihambing sa isang semiconductor na kristal, at ang pagpapalaganap ng mga photon sa paggalaw ng mga carrier ng singil - mga electron at butas. Halimbawa, sa perpektong silikon, ang mga atom ay matatagpuan sa isang kristal na istraktura na tulad ng diyamante, at, ayon sa teorya ng banda ng isang solidong estado, ang mga sisingilin na carrier, na nagpapalaganap sa pamamagitan ng kristal, ay nakikipag-ugnayan sa pana-panahong potensyal ng larangan ng atomic nuclei. Ito ang dahilan ng pagbuo ng mga pinapayagan at ipinagbabawal na mga banda - ipinagbabawal ng quantum mechanics ang pagkakaroon ng mga electron na may mga enerhiya na tumutugma sa isang hanay ng enerhiya na tinatawag na band gap. Katulad ng mga maginoo na kristal, ang mga photonic na kristal ay naglalaman ng isang mataas na simetriko na istraktura ng cell ng unit. Bukod dito, kung ang istraktura ng isang ordinaryong kristal ay tinutukoy ng mga posisyon ng mga atomo sa kristal na sala-sala, kung gayon ang istraktura ng isang photonic na kristal ay tinutukoy ng pana-panahong spatial modulation ng dielectric constant ng medium (ang modulation scale ay maihahambing sa wavelength ng nakikipag-ugnayan na radiation).
Photonic conductors, insulators, semiconductors at superconductor
Sa pagpapatuloy ng pagkakatulad, ang mga kristal na photonic ay maaaring nahahati sa mga conductor, insulators, semiconductors, at superconductor.
Ang mga konduktor ng photonic ay may malawak na pinapayagang mga banda. Ang mga ito ay mga transparent na katawan kung saan ang ilaw ay naglalakbay sa isang mahabang distansya nang hindi halos hinihigop. Ang isa pang klase ng photonic crystals, photonic insulators, ay may malawak na band gaps. Ang kundisyong ito ay nasiyahan, halimbawa, sa pamamagitan ng malawak na hanay ng mga multilayer na dielectric na salamin. Hindi tulad ng ordinaryong opaque media, kung saan ang liwanag ay mabilis na nabubulok sa init, ang mga photonic insulators ay hindi sumisipsip ng liwanag. Tulad ng para sa photonic semiconductors, mayroon silang mas makitid na mga gaps ng banda kumpara sa mga insulator.
Ang mga waveguides batay sa mga photonic na kristal ay ginagamit upang gumawa ng mga photonic na tela (nakalarawan). Ang ganitong mga tela ay lumitaw lamang, at kahit na ang saklaw ng aplikasyon nito ay hindi pa ganap na natanto. Mula dito maaari kang gumawa, halimbawa, mga interactive na damit, o maaari kang gumawa ng malambot na display
Larawan: emt-photoniccrystal.blogspot.com
Sa kabila ng katotohanan na ang ideya ng mga photonic band at photonic crystal ay naitatag lamang sa optika nitong mga nakaraang taon, ang mga katangian ng mga istruktura na may layered na pagbabago sa refractive index ay matagal nang kilala ng mga physicist. Ang isa sa mga unang praktikal na mahalagang aplikasyon ng naturang mga istraktura ay ang paggawa ng mga coatings na may natatanging optical na katangian na ginagamit upang lumikha ng napakahusay na mga spectral filter at bawasan ang mga hindi gustong pagmuni-muni mula sa mga optical na elemento (ang ganitong mga optika ay tinatawag na coated) at mga dielectric na salamin na may reflection coefficient malapit sa 100 %. Bilang isa pang kilalang halimbawa ng 1D photonic na istruktura, maaaring banggitin ng isa ang mga semiconductor laser na may ipinamahagi na feedback, pati na rin ang mga optical waveguides na may periodic longitudinal modulation ng mga pisikal na parameter (profile o refractive index).
Tulad ng para sa mga ordinaryong kristal, ang kalikasan ay nagbibigay sa atin ng napaka generously. Ang mga photonic na kristal sa kalikasan ay isang pambihira. Samakatuwid, kung nais nating pagsamantalahan ang mga natatanging katangian ng mga kristal na photonic, napipilitan tayong bumuo ng iba't ibang paraan para sa pagpapalaki ng mga ito.
Paano palaguin ang isang photonic crystal
Ang paglikha ng isang three-dimensional na photonic crystal sa nakikitang wavelength na hanay ay isa sa mga pangunahing priyoridad sa agham ng mga materyales sa nakalipas na sampung taon, kung saan ang karamihan sa mga mananaliksik ay nakatuon sa dalawang pangunahing magkaibang mga diskarte. Ang isa sa kanila ay gumagamit ng seed template method (template) - ang template method. Ang pamamaraang ito ay lumilikha ng mga kinakailangan para sa self-organization ng synthesized nanosystems. Ang pangalawang paraan ay nanolithography.
Kabilang sa unang pangkat ng mga pamamaraan, ang pinakalaganap ay ang mga gumagamit ng monodisperse colloidal spheres bilang mga template para sa paglikha ng mga solido na may periodic system ng mga pores. Ginagawang posible ng mga pamamaraang ito na makakuha ng mga photonic crystal batay sa mga metal, non-metal, oxides, semiconductors, polymers, atbp. Sa unang yugto, ang mga koloidal na sphere na may katulad na laki ay pantay na "naka-pack" sa anyo ng mga three-dimensional (minsan dalawang-dimensional) na mga balangkas, na kasunod na kumikilos bilang mga template bilang isang analogue ng natural na opal. Sa ikalawang yugto, ang mga voids sa istraktura ng template ay pinapagbinhi ng likido, na kasunod ay nagiging isang solidong frame sa ilalim ng iba't ibang pisikal at kemikal na impluwensya. Ang iba pang mga paraan para sa pagpuno ng template voids na may substance ay alinman sa electrochemical method o ang CVD (Chemical Vapor Deposition) method.
Sa huling yugto, ang template (colloidal spheres) ay tinanggal gamit, depende sa kalikasan nito, ang mga proseso ng paglusaw o thermal decomposition. Ang mga resultang istruktura ay madalas na tinutukoy bilang reverse replicas ng orihinal na colloidal crystals o "reverse opals".
Para sa praktikal na paggamit, ang mga rehiyon na walang depekto sa isang photonic na kristal ay hindi dapat lumampas sa 1000 µm2. Samakatuwid, ang problema ng pag-order ng quartz at polymer spherical particle ay isa sa pinakamahalaga sa paglikha ng mga photonic crystal.
Sa pangalawang pangkat ng mga pamamaraan, pinapayagan ng single-photon photolithography at two-photon photolithography ang paglikha ng mga three-dimensional na photonic crystal na may resolusyon na 200 nm at gamitin ang ari-arian ng ilang mga materyales, tulad ng mga polimer, na sensitibo sa single- at dalawang-photon irradiation at maaaring baguhin ang kanilang mga katangian sa ilalim ng impluwensya ng radiation na ito. Ang electron beam lithography ay isang mahal ngunit mataas na katumpakan na pamamaraan para sa paggawa ng dalawang-dimensional na photonic na kristal. Sa pamamaraang ito, ang isang photoresist na nagbabago ng mga katangian nito sa ilalim ng pagkilos ng isang electron beam ay iniilaw ng sinag sa mga partikular na lokasyon upang bumuo ng isang spatial mask. Pagkatapos ng pag-iilaw, ang bahagi ng photoresist ay hugasan, at ang natitira ay ginagamit bilang isang maskara para sa pag-ukit sa kasunod na teknolohikal na ikot. Ang maximum na resolusyon ng pamamaraang ito ay 10nm. Ang lithography ng Ion beam ay katulad sa prinsipyo, isang ion beam lamang ang ginagamit sa halip na isang electron beam. Ang mga bentahe ng ion beam lithography kaysa sa electron beam lithography ay ang photoresist ay mas sensitibo sa mga ion beam kaysa sa mga electron beam at walang "proximity effect" na naglilimita sa pinakamaliit na posibleng sukat ng lugar sa electron beam lithography.
Banggitin din natin ang ilang iba pang mga paraan ng paglaki ng mga kristal na photonic. Kabilang dito ang mga pamamaraan para sa kusang pagbuo ng mga photonic na kristal, mga pamamaraan ng pag-ukit, at mga pamamaraan ng holographic.
Kinabukasan ng photon
Ang mga hula ay kasing delikado ng mga ito ay nakatutukso. Gayunpaman, ang mga hula tungkol sa hinaharap ng mga photonic na kristal na aparato ay napaka-optimistiko. Ang larangan ng aplikasyon ng mga photonic crystal ay halos hindi mauubos. Sa kasalukuyan, ang mga aparato o materyales na gumagamit ng mga natatanging tampok ng mga photonic na kristal ay lumitaw na sa merkado sa mundo (o lilitaw sa malapit na hinaharap). Ito ay mga laser na may mga photonic na kristal (low-threshold at non-threshold laser); mga waveguides batay sa mga photonic na kristal (mas siksik at may mas mababang pagkalugi kumpara sa mga maginoo na hibla); mga materyales na may negatibong refractive index, na ginagawang posible na ituon ang liwanag sa isang puntong mas maliit kaysa sa wavelength; ang pangarap ng mga physicist - superprisms; optical storage at lohikal na mga aparato; mga display batay sa mga kristal na photonic. Ang mga photonic na kristal ay magsasagawa rin ng pagmamanipula ng kulay. Nabuo na ang isang nababaluktot na malalaking format na display sa mga photonic crystal na may mataas na spectral range, mula sa infrared radiation hanggang sa ultraviolet radiation, kung saan ang bawat pixel ay isang photonic crystal - isang hanay ng mga silicon microsphere na matatagpuan sa espasyo sa mahigpit na tinukoy na paraan. Ang mga photonic superconductor ay nilikha. Ang ganitong mga superconductor ay maaaring gamitin upang lumikha ng optical temperature sensors, na kung saan, ay gagana sa mataas na frequency at katugma sa photonic insulators at semiconductors.
Ang tao ay nagpaplano lamang ng teknolohikal na paggamit ng mga photonic na kristal, at ang sea mouse (Aphrodite aculeata) ay ipinapatupad ang mga ito sa mahabang panahon. Ang balahibo ng uod na ito ay may isang malinaw na kababalaghan ng iridescence na ito ay may kakayahang piliing sumasalamin sa liwanag na may kahusayan na malapit sa 100% sa buong nakikitang rehiyon ng spectrum - mula pula hanggang berde at asul. Ang ganitong espesyal na "on-board" na optical computer ay tumutulong sa worm na ito na mabuhay sa lalim na hanggang 500 m. Masasabing may katiyakan na ang katalinuhan ng tao ay higit na lalampas sa paggamit ng mga natatanging katangian ng mga photonic na kristal.
Ang mga photonic crystal (PC) ay mga istrukturang nailalarawan sa pamamagitan ng panaka-nakang pagbabago sa permittivity sa espasyo. Ang optical properties ng mga PC ay ibang-iba sa optical properties ng tuluy-tuloy na media. Ang pagpapalaganap ng radiation sa loob ng isang photonic crystal, dahil sa periodicity ng medium, ay nagiging katulad ng paggalaw ng isang electron sa loob ng isang ordinaryong kristal sa ilalim ng pagkilos ng isang pana-panahong potensyal. Bilang resulta, ang mga electromagnetic wave sa mga photonic na kristal ay may band spectrum at isang coordinate dependence na katulad ng mga Bloch wave ng mga electron sa mga ordinaryong kristal. Sa ilalim ng ilang partikular na kundisyon, nabubuo ang mga gaps sa istraktura ng banda ng isang PC, katulad ng mga ipinagbabawal na electronic band sa natural na mga kristal. Depende sa mga partikular na katangian (ang materyal ng mga elemento, ang kanilang laki, at ang panahon ng grating), ang PC spectrum ay maaaring bumuo ng parehong ganap na frequency-forbidden zone, kung saan imposible ang pagpapalaganap ng radiation anuman ang polarization at direksyon nito, at bahagyang ipinagbabawal ( stop-zones), kung saan maaari lamang kumalat sa mga piling direksyon.
Ang mga kristal na photonic ay interesado kapwa mula sa isang pangunahing punto ng view at para sa maraming mga aplikasyon. Sa batayan ng mga photonic crystal, optical filter, waveguides (sa partikular, sa fiber-optic na mga linya ng komunikasyon), ang mga device na nagpapahintulot sa pagkontrol ng thermal radiation ay nilikha at binuo, ang mga disenyo ng laser na may mas mababang pump threshold ay iminungkahi batay sa photonic crystals.
Bilang karagdagan sa pagbabago ng reflection, transmission at absorption spectra, ang metal-dielectric photonic crystals ay may partikular na density ng photonic states. Ang nabagong density ng mga estado ay maaaring makabuluhang makaapekto sa buhay ng nasasabik na estado ng isang atom o molekula na inilagay sa loob ng isang photonic na kristal at, dahil dito, baguhin ang likas na katangian ng luminescence. Halimbawa, kung ang dalas ng paglipat sa isang molekula ng tagapagpahiwatig na matatagpuan sa isang photonic na kristal ay bumaba sa banda gap, kung gayon ang luminescence sa dalas na ito ay pipigilan.
Ang mga FC ay nahahati sa tatlong uri: one-dimensional, two-dimensional at three-dimensional.
One-, two- at three-dimensional na mga kristal na photonic. Ang iba't ibang kulay ay tumutugma sa mga materyales na may iba't ibang dielectric constants.
Ang isang-dimensional ay mga PC na may mga alternating layer na gawa sa iba't ibang materyales.
Electron image ng isang one-dimensional na PC na ginagamit sa isang laser bilang Bragg multilayer mirror.
Ang mga two-dimensional na FK ay maaaring magkaroon ng mas magkakaibang geometries. Kabilang dito, halimbawa, ang mga hanay ng mga cylinder na walang katapusang haba (ang kanilang nakahalang laki ay mas maliit kaysa sa longitudinal) o mga pana-panahong sistema ng mga cylindrical na butas.
Mga elektronikong larawan, two-dimensional forward at reverse FK na may triangular na sala-sala.
Ang mga istruktura ng tatlong-dimensional na mga PC ay napaka-magkakaibang. Ang pinakakaraniwan sa kategoryang ito ay mga artipisyal na opals - mga sistemang inayos ng mga spherical diffuser. Mayroong dalawang pangunahing uri ng mga opal: tuwid at baligtad (kabaligtaran) na mga opal. Ang paglipat mula sa direktang opal patungo sa reverse opal ay isinasagawa sa pamamagitan ng pagpapalit ng lahat ng spherical na elemento ng mga cavity (karaniwan ay hangin), habang ang espasyo sa pagitan ng mga cavity na ito ay puno ng ilang materyal.
Nasa ibaba ang ibabaw ng isang PC, na isang tuwid na opal na may cubic lattice batay sa self-organized na spherical polystyrene microparticle.
Ang panloob na ibabaw ng isang PC na may cubic na sala-sala batay sa self-organized na spherical polystyrene microparticle.
Ang susunod na istraktura ay isang inverse opal na na-synthesize bilang isang resulta ng isang multi-stage na proseso ng kemikal: self-assembly ng polymer spherical particle, impregnation ng mga voids sa nagresultang materyal na may isang substance, at pag-alis ng polymer matrix sa pamamagitan ng chemical etching.
Ang ibabaw ng isang quartz inverse opal. Ang litrato ay nakuha gamit ang scanning electron microscopy.
Ang isa pang uri ng tatlong-dimensional na FC ay mga istruktura ng uri ng "woodpile" (logpiles), na nabuo sa pamamagitan ng mga parihabang parallelepiped na tumawid, bilang panuntunan, sa tamang mga anggulo.
Elektronikong larawan ng PC mula sa mga parallelepiped na metal.
Mga Paraan ng Produksyon
Ang paggamit ng mga FC sa pagsasanay ay makabuluhang limitado sa kakulangan ng unibersal at simpleng pamamaraan para sa kanilang paggawa. Sa ating panahon, maraming mga diskarte sa paglikha ng isang FC ang ipinatupad. Dalawang pangunahing diskarte ang inilarawan sa ibaba.
Ang una sa mga ito ay ang tinatawag na self-organization o self-assembly method. Kapag nag-iipon sa sarili ng isang photonic na kristal, ginagamit ang mga colloidal na particle (ang pinakakaraniwan ay monodisperse silicon o polystyrene particle), na nasa likido at, habang ang likido ay sumingaw, ay idineposito sa dami. Habang sila ay "nagdedeposito" sa isa't isa, bumubuo sila ng isang three-dimensional na PC at iniutos, depende sa mga kondisyon, sa isang kubiko na nakasentro sa mukha o hexagonal na kristal na sala-sala. Ang pamamaraang ito ay medyo mabagal, ang pagbuo ng FC ay maaaring tumagal ng ilang linggo. Gayundin, ang mga disadvantage nito ay kinabibilangan ng mahinang kontroladong porsyento ng paglitaw ng mga depekto sa proseso ng pag-deposition.
Ang isa sa mga uri ng pamamaraan ng self-assembly ay ang tinatawag na paraan ng pulot-pukyutan. Ang pamamaraang ito ay nagsasangkot ng pag-filter ng likido kung saan ang mga particle ay matatagpuan sa pamamagitan ng maliliit na pores, at pinapayagan ang pagbuo ng FC sa isang rate na tinutukoy ng rate ng daloy ng likido sa pamamagitan ng mga pores na ito. Kung ikukumpara sa maginoo na paraan ng pag-deposito, ang pamamaraang ito ay mas mabilis, gayunpaman, ang porsyento ng mga depekto sa paggamit nito ay mas mataas din.
Ang mga bentahe ng inilarawan na mga pamamaraan ay kinabibilangan ng katotohanan na pinapayagan nila ang pagbuo ng mga sample ng PC ng malalaking sukat (na may isang lugar na hanggang sa ilang square centimeters).
Ang pangalawang pinakasikat na paraan para sa paggawa ng FC ay ang paraan ng pag-ukit. Ang iba't ibang paraan ng pag-ukit ay karaniwang ginagamit upang gumawa ng mga 2D PC. Ang mga pamamaraang ito ay batay sa paggamit ng isang photoresist mask (na tumutukoy, halimbawa, isang hanay ng mga hemisphere) na nabuo sa ibabaw ng isang dielectric o metal at tumutukoy sa geometry ng nakaukit na rehiyon. Ang maskara na ito ay maaaring makuha gamit ang karaniwang pamamaraan ng photolithography, na sinusundan nang direkta ng kemikal na pag-ukit ng sample na ibabaw na may photoresist. Sa kasong ito, ayon sa pagkakabanggit, sa mga lugar kung saan matatagpuan ang photoresist, ang ibabaw ng photoresist ay nakaukit, at sa mga lugar na walang photoresist, ang dielectric o metal ay nakaukit. Ang proseso ay nagpapatuloy hanggang sa maabot ang nais na lalim ng pag-ukit, pagkatapos nito ay hugasan ang photoresist.
Ang kawalan ng pamamaraang ito ay ang paggamit ng proseso ng photolithography, ang pinakamahusay na resolusyon ng spatial na kung saan ay tinutukoy ng pamantayan ng Rayleigh. Samakatuwid, ang pamamaraang ito ay angkop para sa paglikha ng isang PC na may isang banda gap, na, bilang isang panuntunan, ay namamalagi sa malapit na infrared na rehiyon ng spectrum. Kadalasan, ang kumbinasyon ng photolithography na may electron beam lithography ay ginagamit upang makamit ang nais na resolusyon. Ang pamamaraang ito ay isang mahal ngunit lubos na tumpak na paraan para sa paggawa ng mga quasi-two-dimensional na PC. Sa pamamaraang ito, ang isang photoresist na nagbabago sa mga katangian nito sa ilalim ng pagkilos ng isang electron beam ay iniilaw sa mga partikular na lokasyon upang bumuo ng isang spatial mask. Pagkatapos ng pag-iilaw, ang bahagi ng photoresist ay hugasan, at ang natitirang bahagi ay ginagamit bilang isang etching mask sa kasunod na teknolohikal na cycle. Ang maximum na resolution ng pamamaraang ito ay tungkol sa 10 nm.
Mga parallel sa pagitan ng electrodynamics at quantum mechanics
Anumang solusyon ng mga equation ni Maxwell , sa kaso ng linear media at sa kawalan ng mga libreng singil at kasalukuyang pinagmumulan, ay maaaring katawanin bilang isang superposisyon ng mga function na harmonic sa oras na may mga kumplikadong amplitude depende sa frequency: , kung saan ang alinman sa , o .
Dahil ang mga patlang ay totoo, kung gayon , at maaaring isulat bilang isang superposisyon ng mga function na harmonic sa oras na may positibong dalas: ,
Ang pagsasaalang-alang sa mga harmonic function ay nagpapahintulot sa amin na pumasa sa frequency form ng Maxwell's equation, na hindi naglalaman ng mga derivatives ng oras: ,
kung saan ang pagdepende sa oras ng mga patlang na kasangkot sa mga equation na ito ay kinakatawan bilang , . Ipinapalagay namin na ang media ay isotropic at ang magnetic permeability ay .
Tahasang pagpapahayag ng field, pagkuha ng curl mula sa magkabilang panig ng mga equation, at pagpapalit ng pangalawang equation sa una, nakukuha natin ang:
saan ang bilis ng liwanag sa vacuum.
Sa madaling salita, mayroon kaming eigenvalue na problema:
para sa operator
kung saan ang pag-asa ay tinutukoy ng istraktura na isinasaalang-alang.
Ang eigenfunctions (modes) ng resultang operator ay dapat matugunan ang kundisyon
Matatagpuan bilang
Sa kasong ito, ang kondisyon ay awtomatikong natutugunan, dahil ang divergence ng rotor ay palaging zero.
Ang operator ay linear, na nangangahulugan na ang anumang linear na kumbinasyon ng mga solusyon sa eigenvalue na problema na may parehong frequency ay magiging solusyon din. Maaaring ipakita na sa kaso ang operator na ito ay Hermitian, ibig sabihin, para sa anumang mga function ng vector
kung saan ang produkto ng tuldok ay tinukoy bilang
Dahil ang operator ay Hermitian, sumusunod na ang mga eigenvalues nito ay totoo. Maaari din itong ipakita na sa 0" align="absmiddle">, ang mga eigenvalues ay hindi negatibo, at samakatuwid ang mga frequency ay totoo.
Ang scalar product ng eigenfunctions na naaayon sa iba't ibang frequency ay palaging zero. Sa kaso ng pantay na mga frequency, ito ay hindi kinakailangan ang kaso, ngunit ito ay palaging posible upang gumana lamang sa magkaparehong orthogonal linear na mga kumbinasyon ng naturang eigenfunctions. Bukod dito, laging posible na bumuo ng batayan mula sa magkaparehong orthogonal eigenfunctions ng Hermitian operator .
Kung, sa kabaligtaran, ipinapahayag namin ang field sa mga tuntunin ng , makakakuha kami ng pangkalahatang problema sa eigenvalue:
kung saan ang mga operator ay naroroon na sa magkabilang panig ng equation (sa kasong ito, pagkatapos ng paghahati ng operator sa kaliwang bahagi ng equation, ito ay nagiging hindi Hermitian). Sa ilang mga kaso, ang pagbabalangkas na ito ay mas maginhawa.
Tandaan na kapag ang equation ay pinalitan ng eigenvalues, ang dalas ay tumutugma sa bagong solusyon. Ang katotohanang ito ay tinatawag na scalability at may malaking praktikal na kahalagahan. Ang paggawa ng mga photonic crystal na may mga katangiang sukat sa pagkakasunud-sunod ng isang micron ay technically mahirap. Gayunpaman, para sa mga layunin ng pagsubok, posibleng gumawa ng isang modelo ng isang photonic na kristal na may tuldok at laki ng elemento ng pagkakasunud-sunod ng isang sentimetro na gagana sa mode na sentimetro (sa kasong ito, ang mga materyales ay dapat gamitin na may humigit-kumulang na parehong permittivity sa hanay ng dalas ng sentimetro gaya ng mga kunwa na materyales).
Gumuhit tayo ng isang pagkakatulad ng teorya na inilarawan sa itaas gamit ang quantum mechanics. Sa quantum mechanics, ang isang scalar wave function ay isinasaalang-alang na kumukuha ng mga kumplikadong halaga. Sa electrodynamics, ito ay vector, at ang kumplikadong pag-asa ay ipinakilala lamang para sa kaginhawahan. Ang kahihinatnan ng katotohanang ito, sa partikular, ay ang mga istruktura ng banda para sa mga photon sa isang kristal na photonic ay magiging iba para sa mga alon na may iba't ibang mga polarisasyon, sa kaibahan sa mga istruktura ng banda para sa mga electron.
Parehong sa quantum mechanics at sa electrodynamics, ang problema ay nalutas para sa eigenvalues ng Hermitian operator. Sa quantum mechanics, ang mga operator ng Hermitian ay tumutugma sa mga observable.
At sa wakas, sa quantum mechanics, kung ang operator ay kinakatawan bilang isang sum , ang solusyon ng eigenvalue equation ay maaaring isulat bilang , iyon ay, ang problema ay nahahati sa tatlong one-dimensional na mga. Sa electrodynamics, ito ay imposible, dahil ang operator ay "naka-link" sa lahat ng tatlong mga coordinate, kahit na sila ay pinaghiwalay. Para sa kadahilanang ito, isang limitadong bilang lamang ng mga problema sa electrodynamics ang may mga analytical na solusyon. Sa partikular, ang mga eksaktong analytical na solusyon para sa band spectrum ng isang PC ay matatagpuan pangunahin para sa mga one-dimensional na PC. Iyon ang dahilan kung bakit gumaganap ng mahalagang papel ang numerical simulation sa pagkalkula ng mga katangian ng mga photonic crystal.
Istraktura ng banda
Ang photonic crystal ay nailalarawan sa pamamagitan ng periodicity ng function:
Isang arbitrary na vector ng pagsasalin na kinakatawan bilang
kung saan ang mga primitive na vector ng pagsasalin at mga integer.
Sa pamamagitan ng teorama ni Bloch, ang eigenfunction ng isang operator ay maaaring mapili sa paraang mayroon silang anyo ng isang plane wave na pinarami ng isang function na may parehong periodicity gaya ng FK:
kung saan ay isang periodic function. Sa kasong ito, ang mga halaga ay maaaring mapili sa paraang nabibilang sila sa unang Brillouin zone.
Ang pagpapalit ng expression na ito sa nabuong eigenvalue na problema, makakakuha tayo ng eigenvalue equation
Ang mga eigenfunction ay dapat na pana-panahon at nakakatugon sa kundisyon.
Maaari itong ipakita na ang bawat halaga ng vector ay tumutugma sa isang walang katapusang hanay ng mga mode na may isang discrete set ng mga frequency , na aming bilangin sa pataas na pagkakasunod-sunod na may index . Dahil ang operator ay patuloy na nakadepende sa , ang dalas sa isang nakapirming index ay nakadepende rin nang tuluy-tuloy. Ang hanay ng mga tuluy-tuloy na pag-andar ay bumubuo sa istraktura ng banda ng FK. Ang pag-aaral ng band structure ng isang photonic crystal ay ginagawang posible na makakuha ng impormasyon tungkol sa optical properties nito. Ang pagkakaroon ng anumang karagdagang simetrya sa FK ay nagbibigay-daan sa amin na i-confine ang ating sarili sa isang partikular na subdomain ng Brillouin zone, na tinatawag na irreducible. Ang mga solusyon para sa , na kabilang sa irreducible zone na ito, ay nagpaparami ng mga solusyon para sa buong Brillouin zone.
Kaliwa: Isang 2D photonic na kristal na binubuo ng mga cylinder na naka-pack sa isang parisukat na sala-sala. Kanan: Ang unang Brillouin zone na tumutugma sa isang parisukat na sala-sala. Ang asul na tatsulok ay tumutugma sa hindi mababawasang Brillouin zone. G, M at X- mga punto ng mataas na simetrya para sa isang parisukat na sala-sala.
Ang mga pagitan ng dalas na hindi tumutugma sa anumang mga mode para sa anumang tunay na halaga ng wave vector ay tinatawag na band gaps. Ang lapad ng naturang mga zone ay tumataas na may pagtaas sa kaibahan ng permittivity sa isang PC (ang ratio ng mga permittivities ng mga elemento ng constituent ng isang photonic crystal). Kung ang radiation na may dalas na nakahiga sa loob ng ipinagbabawal na banda ay nabuo sa loob ng tulad ng isang photonic na kristal, hindi ito maaaring magpalaganap dito (ito ay tumutugma sa kumplikadong halaga ng wave vector). Ang amplitude ng naturang alon ay mabubulok nang husto sa loob ng kristal (evanescent wave). Ang isa sa mga katangian ng isang photonic na kristal ay batay dito: ang posibilidad ng pagkontrol ng kusang paglabas (sa partikular, ang pagsugpo nito). Kung ang naturang radiation ay insidente sa PC mula sa labas, kung gayon ito ay ganap na makikita mula sa photonic na kristal. Ang epektong ito ay ang batayan para sa paggamit ng PC para sa mapanimdim na mga filter, pati na rin para sa mga resonator at waveguides na may mataas na mapanimdim na mga pader.
Bilang isang patakaran, ang mga low-frequency na mode ay puro sa mga layer na may malaking dielectric na pare-pareho, habang ang mga high-frequency na mode ay kadalasang puro sa mga layer na may mas mababang dielectric na pare-pareho. Samakatuwid, ang unang zone ay madalas na tinatawag na dielectric zone, at ang sumusunod dito ay tinatawag na air zone.
Band structure ng isang one-dimensional na PC na naaayon sa wave propagation na patayo sa mga layer. Sa lahat ng tatlong kaso, ang bawat layer ay may kapal na 0.5 a, saan a- Panahon ng FC. Kaliwa: Ang bawat layer ay may parehong permittivity ε
= 13. Center: Ang permittivity ng mga alternating layer ay may mga value ε
= 12 at ε
= 13. Kanan: ε
= 1 at ε
= 13.
Sa kaso ng isang PC na may mga dimensyon na mas mababa sa tatlo, walang kumpletong band gaps para sa lahat ng direksyon, na isang resulta ng pagkakaroon ng isa o dalawang direksyon kung saan ang PC ay homogenous. Intuitively, ito ay maaaring ipaliwanag sa pamamagitan ng ang katunayan na ang wave ay hindi nakakaranas ng maramihang mga pagmuni-muni kasama ang mga direksyon na ito, na kinakailangan para sa pagbuo ng mga band gaps.
Sa kabila nito, posibleng lumikha ng mga one-dimensional na PC na magpapakita ng insidente ng alon sa PC sa anumang anggulo.
Ang istraktura ng banda ng isang one-dimensional na PC na may tuldok a, kung saan ang mga kapal ng alternating layer ay 0.2 a at 0.8 a, at ang kanilang pagpapahintulot - ε
= 13 at ε
= 1, ayon sa pagkakabanggit. Ang kaliwang bahagi ng figure ay tumutugma sa direksyon ng pagpapalaganap ng alon patayo sa mga layer (0, 0, k z), at ang kanan - sa direksyon kasama ang mga layer (0, k y , 0). Umiiral lang ang band gap para sa direksyong patayo sa mga layer. Tandaan na kapag k y > 0, ang pagkabulok ay aalisin para sa dalawang magkaibang polarisasyon.
Ang istraktura ng banda ng isang PC na may opal geometry ay ipinakita sa ibaba. Makikita na ang PC na ito ay may kabuuang band gap sa wavelength na humigit-kumulang 1.5 µm at one stop band, na may maximum na reflection sa wavelength na 2.5 µm. Sa pamamagitan ng pag-iiba-iba ng oras ng pag-ukit ng silicon matrix sa isa sa mga yugto ng inverse opal fabrication at sa gayon sa pamamagitan ng pag-iiba-iba ng diameter ng mga sphere, posibleng i-localize ang band gap sa isang tiyak na hanay ng wavelength. Napansin ng mga may-akda na ang isang istraktura na may katulad na mga katangian ay maaaring gamitin sa mga teknolohiya ng telekomunikasyon. Maaaring ma-localize ang radiation sa frequency ng band gap sa loob ng volume ng PC, at kapag ibinigay ang kinakailangang channel, maaari itong magpalaganap nang halos walang pagkawala. Ang ganitong channel ay maaaring mabuo, halimbawa, sa pamamagitan ng pag-alis ng mga elemento ng kristal na photonic sa isang tiyak na linya. Kapag ang channel ay baluktot, ang electromagnetic wave ay magbabago din ng direksyon, paulit-ulit ang hugis ng channel. Kaya, ang naturang PC ay dapat gamitin bilang isang transmission unit sa pagitan ng isang nagpapalabas na aparato at isang optical microchip na nagpoproseso ng signal.
Paghahambing ng spectrum ng reflectance sa direksyon ng GL, sinusukat sa eksperimentong paraan, at ang istraktura ng banda na kinakalkula ng paraan ng pagpapalawak ng plane wave para sa isang inverse silicon (Si) opal na may face-centered cubic lattice (ang inset ay nagpapakita ng unang Brillouin zone). Ang dami ng bahagi ng silikon ay 22%. Grating period 1.23 µm
Sa kaso ng mga one-dimensional na PC, kahit na ang pinakamaliit na permittivity contrast ay sapat na upang bumuo ng isang banda gap. Tila na para sa mga three-dimensional na dielectric na PC, ang isang katulad na konklusyon ay maaaring iguguhit: upang ipalagay ang pagkakaroon ng isang kumpletong bandgap sa anumang maliit na kaibahan ng dielectric permittivity sa kaso kung, sa hangganan ng Brillouin zone, ang vector ay may parehong moduli sa lahat ng direksyon (na tumutugma sa spherical Brillouin zone). Gayunpaman, ang mga three-dimensional na kristal na may spherical Brillouin zone ay hindi umiiral sa kalikasan. Bilang isang patakaran, mayroon itong medyo kumplikadong polygonal na hugis. Kaya, lumalabas na ang mga gaps ng banda sa iba't ibang direksyon ay umiiral sa iba't ibang mga frequency. Kung ang dielectric contrast ay sapat na malaki ang mga stop band sa iba't ibang direksyon ay magkakapatong at bumuo ng isang kumpletong banda gap sa lahat ng direksyon. Pinakamalapit sa spherical (at kaya pinaka-independiyente sa direksyon ng Bloch vector ) ay ang unang Brillouin zone ng face-centered cubic (fcc) at diamond lattices, na ginagawang ang mga 3D PC na may ganitong istraktura ay pinakaangkop para sa pagbuo ng kabuuang band gap sa spectrum. Kasabay nito, para sa paglitaw ng kabuuang mga gaps ng banda sa spectra ng naturang mga PC, kinakailangan ang isang malaking kaibahan sa dielectric constant. Kung tukuyin natin ang kamag-anak na slit width bilang , pagkatapos ay upang makamit ang mga halaga ng 5\%" align="absmiddle">, kinakailangan ang isang contrast para sa brilyante at fcc gratings, ayon sa pagkakabanggit. , tandaan na ang lahat ng mga PC ay nakuha sa ang mga eksperimento ay hindi perpekto, at ang mga depekto sa istraktura ay maaaring makabuluhang bawasan ang banda gap.
Ang unang Brillouin zone ng isang cubic face-centered na sala-sala at mga punto ng mataas na simetrya.
Sa konklusyon, napansin namin muli ang pagkakapareho ng mga optical na katangian ng mga PC na may mga katangian ng mga electron sa quantum mechanics kapag isinasaalang-alang ang istraktura ng banda ng isang solid. Gayunpaman, mayroong isang makabuluhang pagkakaiba sa pagitan ng mga photon at electron: ang mga electron ay may malakas na pakikipag-ugnayan sa isa't isa. Samakatuwid, ang mga "electronic" na problema, bilang panuntunan, ay nangangailangan ng pagsasaalang-alang ng maraming-electron na mga epekto, na lubos na nagpapataas sa sukat ng problema, na kadalasang pinipilit ang paggamit ng hindi sapat na tumpak na mga pagtatantya, habang sa isang PC na binubuo ng mga elemento na may hindi gaanong nonlinear. optical na tugon, ang kahirapan na ito ay wala.
Ang isang promising na lugar ng modernong optika ay ang kontrol ng radiation sa tulong ng mga photonic crystal. Sa partikular, ang mga log-piles na PC ay pinag-aralan sa Sandia Laboratory upang makamit ang mataas na selectivity ng paglabas ng mga metal photonic crystals sa malapit na infrared range, kasabay ng malakas na pagsugpo ng radiation sa mid-IR range (<20мкм). В этих работах было показано, что для таких ФК излучение в среднем ИК диапазоне сильно подавлено из-за наличия в спектре ФК полной фотонной щели. Однако качество полной фотонной щели падает с ростом температуры из-за увеличения поглощения в вольфраме, что приводит к низкой селективности излучения при высоких температурах.
Ayon sa batas ni Kirchhoff para sa radiation sa thermal equilibrium, ang emissivity ng gray body (o surface) ay proporsyonal sa absorptivity nito. Samakatuwid, upang makakuha ng impormasyon sa emissivity ng mga metal na PC, maaaring pag-aralan ng isa ang kanilang spectra ng pagsipsip. Upang makamit ang mataas na selectivity ng nagpapalabas na istraktura sa nakikitang saklaw (nm) na naglalaman ng PC, kinakailangan na pumili ng mga naturang kondisyon kung saan ang pagsipsip sa nakikitang hanay ay malaki, at sa IR ay pinigilan.
Sa aming mga gawa, http, sinuri namin nang detalyado ang pagbabago sa spectrum ng pagsipsip ng isang photonic na kristal na may mga elemento ng tungsten at may geometry ng opal na may pagbabago sa lahat ng mga geometric na parameter nito: panahon ng sala-sala, laki ng mga elemento ng tungsten, at ang bilang ng mga layer sa isang sample ng PC. Ang isang pagsusuri ay ginawa din sa impluwensya sa spectrum ng pagsipsip ng mga depekto sa isang PC na lumabas sa panahon ng paggawa nito.
Ang ideya ng photonics ng nanosized na mga istraktura at photonic crystal ay ipinanganak habang sinusuri ang posibilidad ng paglikha ng isang optical band structure. Ipinapalagay na sa istraktura ng optical band, pati na rin sa istraktura ng semiconductor band, pinapayagan at ipinagbabawal na mga estado para sa mga photon na may iba't ibang mga enerhiya ay dapat na umiiral. Sa teorya, iminungkahi ang isang modelo ng medium, kung saan ang mga pana-panahong pagbabago sa permittivity o refractive index ng medium ay ginamit bilang pana-panahong potensyal ng sala-sala. Kaya, ang konsepto ng "photonic band gap" sa isang "photonic crystal" ay ipinakilala.
Photonic Crystal ay isang superlattice kung saan ang isang field ay artipisyal na nilikha, at ang panahon nito ay mga order ng magnitude na mas malaki kaysa sa panahon ng pangunahing sala-sala. Ang isang photonic na kristal ay isang semitransparent na dielectric na may isang tiyak na periodic na istraktura at natatanging optical properties.
Ang panaka-nakang istraktura ay nabuo mula sa pinakamaliit na mga butas, na pana-panahong nagbabago sa dielectric na pare-parehong r. Ang diameter ng mga butas na ito ay tulad na ang mga light wave ng isang mahigpit na tinukoy na haba ay dumadaan sa kanila. Ang lahat ng iba pang mga alon ay hinihigop o sinasalamin.
Nabubuo ang mga photonic band kung saan ang bilis ng phase ng pagpapalaganap ng liwanag ay nakasalalay sa e. Sa isang kristal, magkakaugnay ang pagpapalaganap ng liwanag at lumilitaw ang mga ipinagbabawal na frequency, depende sa direksyon ng pagpapalaganap. Ang Bragg diffraction para sa mga photonic crystal ay nagaganap sa optical wavelength range.
Ang ganitong mga kristal ay tinatawag na photonic bandgap materials (PBGs). Mula sa punto ng view ng quantum electronics, ang batas ni Einstein para sa stimulated emission ay hindi hawak sa naturang aktibong media. Alinsunod sa batas na ito, ang mga rate ng induced emission at absorption ay pantay at ang kabuuan ng excited N 2 at hindi nasasabik
atoms JV ay A, + N., = N. Pagkatapos o 50%.
Sa mga photonic na kristal, posible ang isang 100% na antas ng pagbaligtad ng populasyon. Ginagawa nitong posible na bawasan ang lakas ng bomba at bawasan ang hindi kinakailangang pag-init ng kristal.
Kung ang kristal ay apektado ng mga sound wave, kung gayon ang haba ng light wave at ang direksyon ng paggalaw ng light wave, na katangian ng kristal, ay maaaring magbago. Ang isang natatanging katangian ng mga kristal na photonic ay ang proporsyonalidad ng koepisyent ng pagmuni-muni R liwanag sa mahabang wavelength na bahagi ng spectrum sa dalas nitong squared co 2, at hindi para sa Rayleigh scattering R~ mula 4 . Ang maikling alon na bahagi ng optical spectrum ay inilarawan ng mga batas ng geometric na optika.
Sa pang-industriya na paglikha ng mga photonic na kristal, kinakailangan upang makahanap ng isang teknolohiya para sa paglikha ng mga three-dimensional na superlattice. Ito ay isang napakahirap na gawain, dahil ang mga karaniwang pamamaraan ng pagtitiklop gamit ang mga pamamaraan ng lithography ay hindi katanggap-tanggap para sa paglikha ng mga 3D nanostructure.
Ang atensyon ng mga mananaliksik ay naakit ng marangal na opalo (Larawan 2.23). Ito ba ay isang mineral Si() 2 ? P 1.0 hydroxide subclass. Sa natural na mga opal, ang mga voids ng globules ay puno ng silica at molekular na tubig. Mula sa punto ng view ng nanoelectronics, ang mga opal ay malapit na naka-pack (pangunahin ayon sa cubic law) nanospheres (globules) ng silica. Bilang isang patakaran, ang diameter ng nanospheres ay nasa hanay na 200-600 nm. Ang pag-iimpake ng mga silica globules ay bumubuo ng isang three-dimensional na sala-sala. Ang nasabing mga superlattice ay naglalaman ng mga structural void na 140–400 nm ang laki, na maaaring punuin ng semiconductor, optically active, at magnetic na materyales. Sa isang istraktura na tulad ng opal, posible na lumikha ng isang three-dimensional na sala-sala na may istraktura ng nanoscale. Ang istraktura ng optical opal matrix ay maaaring magsilbi bilang isang 3E photonic crystal.
Ang teknolohiya ng oxidized macroporous silicon ay binuo. Batay sa teknolohikal na prosesong ito, ang mga three-dimensional na istruktura sa anyo ng mga silicon dioxide pin ay nilikha (Larawan 2.24).
Ang mga photonic band gaps ay natagpuan sa mga istrukturang ito. Ang mga parameter ng band gap ay maaaring mabago sa yugto ng mga proseso ng lithographic o sa pamamagitan ng pagpuno sa istraktura ng pin sa iba pang mga materyales.
Ang iba't ibang disenyo ng mga laser ay binuo batay sa mga photonic na kristal. Ang isa pang klase ng optical elements batay sa photonic crystals ay mga hibla ng kristal na photonic(FKV). Meron sila
kanin. 2.23. Istraktura ng sintetikong opal (a) at natural na mga opalo (b)"
" Pinagmulan: Gudilin E. A.[at iba pa.]. Kayamanan ng Nanoworld. Photo essay mula sa kailaliman ng bagay; ed. Yu. D. Tretyakova. M.: BINOM. Knowledge Lab, 2010.
kanin. 2.24.
band gap sa isang ibinigay na hanay ng wavelength. Hindi tulad ng maginoo optical fibers, photonic bandgap fibers ay may kakayahang ilipat ang zero dispersion wavelength sa nakikitang rehiyon ng spectrum. Sa kasong ito, ang mga kondisyon para sa mga rehimen ng soliton ng nakikitang pagpapalaganap ng liwanag ay ibinigay.
Sa pamamagitan ng pagbabago ng laki ng mga tubo ng hangin at, nang naaayon, ang laki ng core, posible na madagdagan ang konsentrasyon ng kapangyarihan ng light radiation, ang mga nonlinear na katangian ng mga hibla. Sa pamamagitan ng pag-iiba-iba ng fiber at cladding geometry, ang pinakamainam na kumbinasyon ng malakas na non-linearity at mababang dispersion ay maaaring makuha sa nais na hanay ng wavelength.
Sa fig. 2.25 ay iniharap sa FCF. Nahahati sila sa dalawang uri. Ang unang uri ay tinutukoy sa FKV na may tuluy-tuloy na light-guiding core. Sa istruktura, ang naturang hibla ay ginawa sa anyo ng isang core ng quartz glass sa isang shell ng isang photonic crystal. Ang mga katangian ng alon ng naturang mga hibla ay ibinibigay kapwa sa pamamagitan ng epekto ng kabuuang panloob na pagmuni-muni at ng mga katangian ng banda ng photonic na kristal. Samakatuwid, ang mga low-order na mode ay nagpapalaganap sa naturang mga hibla sa isang malawak na hanay ng parang multo. Ang mga high-order na mode ay inilipat sa shell at nabubulok doon. Sa kasong ito, ang mga katangian ng waveguiding ng kristal para sa mga zero-order na mode ay tinutukoy ng epekto ng kabuuang panloob na pagmuni-muni. Ang istraktura ng banda ng isang photonic na kristal ay nagpapakita lamang ng hindi direkta.
Ang pangalawang uri ng FKV ay may guwang na nakagabay sa liwanag na core. Ang liwanag ay maaaring magpalaganap kapwa sa pamamagitan ng core ng fiber at sa pamamagitan ng cladding. Sa kaibuturan ng
kanin. 2.25.
a- seksyon na may tuluy-tuloy na light-guiding core;
6 - seksyon na may guwang na light-guiding residential strand, ang refractive index ay mas mababa kaysa sa average na refractive index ng shell. Ginagawa nitong posible na makabuluhang taasan ang kapangyarihan ng transported radiation. Sa kasalukuyan, ang mga hibla ay nilikha na may pagkawala ng 0.58 dB / km sa isang haba ng daluyong X= 1.55 µm, na malapit sa pagkawala sa karaniwang single-mode fiber (0.2 dB/km).
Kabilang sa iba pang mga pakinabang ng mga photonic crystal fibers, tandaan namin ang mga sumusunod:
- single-mode mode para sa lahat ng kinakalkula na wavelength;
- malawak na hanay ng pangunahing pagbabago sa lugar ng fashion;
- pare-pareho at mataas na halaga ng dispersion coefficient para sa mga wavelength na 1.3-1.5 μm at zero dispersion para sa mga wavelength sa nakikitang spectrum;
- kinokontrol na mga halaga ng polariseysyon, pagpapakalat ng bilis ng grupo, spectrum ng paghahatid.
Ang mga hibla na may photonic crystal cladding ay malawakang ginagamit upang malutas ang mga problema sa optika, laser physics, at lalo na sa mga sistema ng telekomunikasyon. Kamakailan lamang, ang interes ay naakit ng iba't ibang mga resonance na nagmumula sa mga photonic na kristal. Ang mga epekto ng polariton sa mga kristal na photonic ay nagaganap sa panahon ng pakikipag-ugnayan ng mga resonance ng elektron at photon. Kapag lumilikha ng mga metal-dielectric nanostructure na may isang panahon na mas maliit kaysa sa optical wavelength, posible na mapagtanto ang isang sitwasyon kung saan ang mga kondisyon r
Ang isang napaka makabuluhang produkto ng pagbuo ng photonics ay telecommunication fiber-optic system. Ang kanilang paggana ay batay sa mga proseso ng electro-optical conversion ng isang signal ng impormasyon, paghahatid ng isang modulated optical signal sa isang fiber optic light guide, at inverse opto-electronic conversion.
Sa huling dekada, ang pag-unlad ng microelectronics ay bumagal, dahil ang mga limitasyon sa bilis ng karaniwang mga aparatong semiconductor ay halos naabot na. Ang pagtaas ng bilang ng mga pag-aaral ay nakatuon sa pagbuo ng mga lugar na kahalili sa semiconductor electronics - ito ay spintronics, microelectronics na may superconducting elements, photonics, at ilang iba pa.
Ang bagong prinsipyo ng paghahatid at pagproseso ng impormasyon gamit ang isang light signal, sa halip na isang electrical signal, ay maaaring mapabilis ang pagsisimula ng isang bagong yugto sa panahon ng impormasyon.
Mula sa mga simpleng kristal hanggang sa photonic
Ang batayan ng mga elektronikong aparato sa hinaharap ay maaaring mga photonic crystals - ito ay mga sintetikong order na materyales kung saan ang dielectric na pare-pareho ay nagbabago nang pana-panahon sa loob ng istraktura. Sa kristal na sala-sala ng isang tradisyonal na semiconductor, ang regularidad, ang periodicity ng pag-aayos ng mga atom ay humahantong sa pagbuo ng tinatawag na istraktura ng enerhiya ng banda - na may pinapayagan at ipinagbabawal na mga zone. Ang isang electron na ang enerhiya ay nahuhulog sa pinapayagang banda ay maaaring lumipat sa kristal, habang ang isang elektron na may enerhiya sa band gap ay "naka-lock".
Sa pamamagitan ng pagkakatulad sa isang ordinaryong kristal, lumitaw ang ideya ng isang photonic na kristal. Sa loob nito, ang periodicity ng permittivity ay nagiging sanhi ng paglitaw ng mga photonic zone, sa partikular, ang ipinagbabawal na zone, sa loob kung saan ang pagpapalaganap ng liwanag na may isang tiyak na haba ng daluyong ay pinigilan. Iyon ay, ang pagiging transparent sa isang malawak na spectrum ng electromagnetic radiation, ang mga photonic crystal ay hindi nagpapadala ng liwanag na may napiling wavelength (katumbas ng dalawang beses ang panahon ng istraktura kasama ang haba ng optical path).
Ang mga kristal na photonic ay maaaring magkaroon ng iba't ibang sukat. Ang mga one-dimensional (1D) na kristal ay isang multilayer na istraktura ng mga alternating layer na may iba't ibang refractive index. Ang mga two-dimensional na photonic crystal (2D) ay maaaring katawanin bilang isang pana-panahong istraktura ng mga rod na may iba't ibang permitivity. Ang mga unang sintetikong prototype ng mga photonic crystal ay three-dimensional at nilikha noong unang bahagi ng 1990s ng mga kawani ng research center. Bell Labs(USA). Upang makakuha ng pana-panahong sala-sala sa isang dielectric na materyal, ang mga Amerikanong siyentipiko ay nag-drill ng mga cylindrical na butas sa paraang makakuha ng isang three-dimensional na network ng mga voids. Upang ang materyal ay maging isang photonic na kristal, ang permittivity nito ay binago sa isang panahon na 1 sentimetro sa lahat ng tatlong dimensyon.
Ang mga natural na analogue ng photonic crystal ay mother-of-pearl coatings ng shells (1D), antennae ng sea mouse, polychaete worm (2D), wings ng African sailboat butterfly at semi-precious stones, tulad ng opal (3D).
Ngunit kahit ngayon, kahit na sa tulong ng pinakamoderno at mamahaling pamamaraan ng electron lithography at anisotropic ion etching, mahirap gumawa ng walang depektong three-dimensional na mga kristal na photonic na may kapal na higit sa 10 mga istrukturang selula.
Ang mga photonic crystal ay dapat makahanap ng malawak na aplikasyon sa mga photonic integrated na teknolohiya, na sa hinaharap ay papalitan ang mga electrical integrated circuit sa mga computer. Kapag ang impormasyon ay ipinadala gamit ang mga photon sa halip na mga electron, ang pagkonsumo ng kuryente ay mababawasan nang husto, ang mga frequency ng orasan at mga rate ng paglilipat ng impormasyon ay tataas.
Titanium oxide photonic crystal
Ang Titanium oxide TiO 2 ay may isang hanay ng mga natatanging katangian tulad ng mataas na refractive index, katatagan ng kemikal at mababang toxicity, na ginagawa itong pinaka-promising na materyal para sa paglikha ng isang-dimensional na photonic crystal. Kung isasaalang-alang natin ang mga photonic na kristal para sa mga solar cell, ang titanium oxide ay nanalo dito dahil sa mga katangian ng semiconductor nito. Ang isang pagtaas sa kahusayan ng mga solar cell gamit ang isang semiconductor layer na may periodic photonic crystal structure, kabilang ang titanium oxide photonic crystals, ay dati nang ipinakita.
Ngunit sa ngayon, ang paggamit ng mga photonic na kristal batay sa titanium dioxide ay limitado sa pamamagitan ng kakulangan ng isang reproducible at murang teknolohiya para sa kanilang paglikha.
Sina Nina Sapoletova, Sergei Kushnir at Kirill Napolsky, mga miyembro ng Faculty of Chemistry at Faculty of Materials Sciences ng Moscow State University, ay nagpabuti ng synthesis ng one-dimensional photonic crystals batay sa porous titanium oxide films.
"Ang anodizing (electrochemical oxidation) ng mga metal na balbula, kabilang ang aluminyo at titanium, ay isang epektibong paraan para sa pagkuha ng mga porous oxide na pelikula na may mga channel na may sukat na nanometer," paliwanag ni Kirill Napolsky, pinuno ng electrochemical nanostructuring group, Candidate of Chemical Sciences.
Ang anodizing ay karaniwang isinasagawa sa isang two-electrode electrochemical cell. Dalawang metal plate, isang katod at isang anode, ay ibinababa sa solusyon ng electrolyte, at isang electric boltahe ang inilapat. Ang hydrogen ay inilabas sa katod, at ang electrochemical oxidation ng metal ay nangyayari sa anode. Kung ang boltahe na inilapat sa cell ay pana-panahong binago, pagkatapos ay isang porous film na may porosity na tinukoy sa kapal ay nabuo sa anode.
Ang epektibong refractive index ay mababago kung pana-panahong nagbabago ang diameter ng butas sa loob ng istraktura. Ang mga pamamaraan ng titanium anodizing na binuo nang mas maaga ay hindi pinapayagan ang pagkuha ng mga materyales na may mataas na antas ng periodicity ng istraktura. Ang mga chemist mula sa Moscow State University ay nakabuo ng isang bagong paraan ng metal anodizing na may voltage modulation depende sa anodizing charge, na nagpapahintulot sa paglikha ng porous anodic metal oxides na may mataas na katumpakan. Ang mga posibilidad ng bagong pamamaraan ay ipinakita ng mga chemist gamit ang isang-dimensional na mga kristal na photonic mula sa anodic titanium oxide bilang isang halimbawa.
Bilang resulta ng pagbabago ng anodizing boltahe ayon sa sinusoidal na batas sa hanay na 40-60 Volts, nakuha ng mga siyentipiko ang mga nanotubes ng anodic titanium oxide na may pare-pareho ang panlabas na diameter at pana-panahong pagbabago ng panloob na diameter (tingnan ang figure).
"Ang mga pamamaraan ng anodizing na ginamit nang mas maaga ay hindi pinapayagan ang pagkuha ng mga materyales na may mataas na antas ng periodicity ng istraktura. Nakabuo kami ng bagong pamamaraan, ang pangunahing bahagi nito ay sa lugar ng kinaroroonan(kaagad sa panahon ng synthesis) pagsukat ng anodizing charge, na ginagawang posible na kontrolin nang may mataas na katumpakan ang kapal ng mga layer na may iba't ibang porosity sa nabuo na oxide film, "paliwanag ng isa sa mga may-akda ng trabaho, kandidato ng agham ng kemikal na si Sergey Kushnir.
Ang binuo na pamamaraan ay magpapasimple sa paglikha ng mga bagong materyales na may modulated na istraktura batay sa anodic metal oxides. "Kung isasaalang-alang natin ang paggamit ng mga photonic na kristal mula sa anodic titanium oxide sa mga solar cell bilang isang praktikal na aplikasyon ng pamamaraan, kung gayon ang isang sistematikong pag-aaral ng impluwensya ng mga parameter ng istruktura ng naturang mga kristal na photonic sa kahusayan ng pag-convert ng liwanag sa mga solar cell ay nananatili sa isagawa,” tinukoy ni Sergey Kushnir.
Ang mga hindi pangkaraniwang katangian ng mga kristal na photonic ay naging paksa ng isang malaking bilang ng mga gawa at, kamakailan lamang, mga monograp. Alalahanin na ang mga kristal na photonic ay tulad ng artipisyal na media kung saan, dahil sa isang panaka-nakang pagbabago sa mga parameter ng dielectric (ibig sabihin ang refractive index), ang mga katangian ng pagpapalaganap ng mga electromagnetic wave (liwanag) ay nagiging katulad ng mga katangian ng mga electron na nagpapalaganap sa mga tunay na kristal. Alinsunod dito, binibigyang-diin ng terminong "photonic crystal" ang pagkakatulad ng mga photon at electron. Ang quantization ng mga katangian ng mga photon ay humahantong sa ang katunayan na sa spectrum ng isang electromagnetic wave na nagpapalaganap sa isang photonic na kristal, ang mga ipinagbabawal na banda ay maaaring lumitaw, kung saan ang density ng mga estado ng photon ay katumbas ng zero.
Ang isang three-dimensional na photonic crystal na may ganap na bandgap ay unang natanto para sa mga electromagnetic wave sa hanay ng microwave. Ang pagkakaroon ng isang absolute band gap ay nangangahulugan na ang mga electromagnetic wave sa isang frequency band ay hindi maaaring magpalaganap sa isang partikular na kristal sa anumang direksyon, dahil ang density ng estado ng mga photon na ang enerhiya ay tumutugma sa frequency band na ito ay katumbas ng zero sa anumang punto sa kristal. . Tulad ng mga tunay na kristal, ang mga photonic na kristal ay maaaring maging conductor, semiconductors, insulators, at superconductor sa mga tuntunin ng presensya at katangian ng band gap. Kung may mga "depekto" sa band gap ng isang photonic crystal, kung gayon ang isang "capture" ng isang photon ng isang "defect" ay posible, katulad ng kung paano ang isang electron o isang butas ay nakuha ng kaukulang karumihan na matatagpuan sa band gap ng isang semiconductor.
Ang ganitong mga nagpapalaganap na alon na may enerhiya na matatagpuan sa loob ng band gap ay tinatawag na mga defect mode.
photonic crystal metamaterial repraksyon
Tulad ng nabanggit na, ang mga hindi pangkaraniwang katangian ng isang photonic na kristal ay sinusunod kapag ang mga sukat ng unit cell ng kristal ay nasa pagkakasunud-sunod ng haba ng alon na nagpapalaganap dito. Malinaw na ang mga perpektong photonic na kristal sa nakikitang hanay ng liwanag ay maaari lamang gawin gamit ang mga teknolohiyang submicron. Ang antas ng modernong agham at teknolohiya ay ginagawang posible na lumikha ng gayong tatlong-dimensional na mga kristal.
Ang mga aplikasyon ng mga photonic crystal ay medyo marami - optical isolator, optical isolator, switch, multiplexer, atbp. Mula sa praktikal na pananaw, ang isa sa mga napakahalagang istruktura ay ang mga photonic-crystal optical fibers. Ang mga ito ay unang ginawa mula sa isang hanay ng mga capillaries ng salamin na pinagsama sa isang siksik na pakete, na pagkatapos ay sumailalim sa maginoo na pagguhit. Ang resulta ay isang optical fiber na naglalaman ng regular na spaced na mga butas na may katangiang sukat na mga 1 μm. Kasunod nito, nakuha ang optical photonic-crystal fibers ng iba't ibang mga pagsasaayos at may iba't ibang mga katangian (Larawan 9).
Ang isang bagong paraan ng pagbabarena ay binuo sa Institute of Radio Engineering and Electronics at sa Research Center para sa Fiber Optics ng Russian Academy of Sciences upang lumikha ng photonic-crystal light guides. Una, ang mga mekanikal na butas na may anumang matrix ay drilled sa isang makapal na kuwarts workpiece, at pagkatapos ay ang workpiece ay iguguhit. Bilang resulta, nakuha ang isang mataas na kalidad na photonic crystal fiber. Sa gayong mga hibla, madaling lumikha ng mga depekto ng iba't ibang mga hugis at sukat, upang ang ilang mga mode ng liwanag ay maaaring sabay-sabay na nasasabik sa kanila, ang mga frequency na kung saan ay nasa band gap ng isang photonic crystal. Ang mga depekto, sa partikular, ay maaaring magkaroon ng anyo ng isang guwang na channel, upang ang liwanag ay magpapalaganap hindi sa kuwarts, ngunit sa pamamagitan ng hangin, na maaaring makabuluhang bawasan ang mga pagkalugi sa mahabang mga seksyon ng photonic crystal fibers. Ang pagpapalaganap ng nakikita at infrared na radiation sa photonic crystal fibers ay sinamahan ng iba't ibang pisikal na phenomena: Raman scattering, harmonic mixing, harmonic generation, na sa huli ay humahantong sa supercontinuum generation.
Hindi gaanong kawili-wili, mula sa punto ng view ng pag-aaral ng mga pisikal na epekto at posibleng mga aplikasyon, ay isa- at dalawang-dimensional na mga kristal na photonic. Sa mahigpit na pagsasalita, ang mga istrukturang ito ay hindi mga photonic na kristal, ngunit maaari silang ituring na ganoon kapag ang mga electromagnetic wave ay nagpapalaganap sa ilang mga direksyon. Ang isang tipikal na one-dimensional na photonic crystal ay isang multilayer na periodic structure, na binubuo ng mga layer ng hindi bababa sa dalawang substance na may ibang-iba na mga refractive index. Kung ang isang electromagnetic wave ay kumakalat sa kahabaan ng normal, ang isang ipinagbabawal na banda ay lilitaw sa naturang istraktura para sa ilang mga frequency. Kung ang isa sa mga layer ng istraktura ay pinalitan ng isang sangkap na may ibang refractive index o ang kapal ng isang layer ay binago, kung gayon ang gayong layer ay magiging isang depekto na may kakayahang makuha ang isang alon na ang dalas ay nasa band gap.
Ang pagkakaroon ng isang magnetic defect layer sa isang dielectric nonmagnetic na istraktura ay humahantong sa isang maramihang pagtaas sa Faraday rotation ng wave sa panahon ng pagpapalaganap sa naturang istraktura at sa isang pagtaas sa optical transparency ng medium.
Sa pangkalahatan, ang pagkakaroon ng mga magnetic layer sa mga photonic na kristal ay maaaring makabuluhang baguhin ang kanilang mga katangian, lalo na sa hanay ng microwave. Ang katotohanan ay na sa hanay ng microwave, ang magnetic permeability ng ferromagnets sa isang tiyak na frequency band ay negatibo, na nagpapadali sa kanilang paggamit sa paglikha ng mga metamaterial. Sa pamamagitan ng pagsasama-sama ng mga naturang sangkap na may mga metal na non-magnetic na layer o istruktura na binubuo ng mga indibidwal na konduktor o pana-panahong istruktura ng mga konduktor, posible na makabuo ng mga istruktura na may negatibong mga halaga ng magnetic at dielectric permittivity. Ang isang halimbawa ay ang mga istrukturang nilikha sa Institute of Radio Engineering and Electronics ng Russian Academy of Sciences, na idinisenyo upang makita ang "negatibong" pagmuni-muni at repraksyon ng magnetostatic spin waves. Ang ganitong istraktura ay isang pelikula ng yttrium iron garnet na may mga metal conductor sa ibabaw nito. Ang mga katangian ng magnetostatic spin waves na nagpapalaganap sa manipis na ferromagnetic film ay lubos na nakadepende sa panlabas na magnetic field. Sa pangkalahatang kaso, ang isa sa mga uri ng naturang mga alon ay isang paatras na alon, kaya ang scalar product ng wave vector at ang Poynting vector para sa ganitong uri ng wave ay negatibo.
Ang pagkakaroon ng mga paatras na alon sa mga kristal na photonic ay dahil din sa periodicity ng mga katangian ng kristal mismo. Sa partikular, para sa mga alon na ang mga wave vector ay nasa unang Brillouin zone, ang kondisyon ng pagpapalaganap ay maaaring masiyahan tulad ng para sa mga direktang alon, at para sa parehong mga alon sa pangalawang Brillouin zone, tulad ng para sa mga atrasado. Tulad ng mga metamaterial, ang mga photonic crystal ay maaari ding magpakita ng mga hindi pangkaraniwang katangian sa pagpapalaganap ng mga alon, tulad ng "negatibong" repraksyon.
Gayunpaman, ang mga photonic crystal ay maaaring maging metamaterial kung saan ang phenomenon ng "negatibong" repraksyon ay posible hindi lamang sa hanay ng microwave, kundi pati na rin sa optical frequency range. Kinumpirma ng mga eksperimento ang pagkakaroon ng "negatibong" repraksyon sa mga photonic na kristal para sa mga alon na may mga frequency na mas mataas kaysa sa dalas ng unang ipinagbabawal na zone malapit sa gitna ng Brillouin zone. Ito ay dahil sa epekto ng negatibong bilis ng grupo at, bilang kinahinatnan, ang negatibong refractive index para sa alon. Sa katunayan, sa saklaw ng dalas na ito, ang mga alon ay nagiging pabalik.
