УДК 535.015

К ВОПРОСУ О КЛАССИФИКАЦИИ ФОТОННЫХ КРИСТАЛЛОВ

Ивахненко Дмитрий Валерьевич1, Пирогова Анастасия Алексеевна2, Самаренкина Сания Закирзяновна3
1Набережночелнинский филиал Казанского национального исследовательского технического университета им. А. Н. Туполева-КАИ, студент
2Набережночелнинский филиал Казанского национального исследовательского технического университета им. А. Н. Туполева-КАИ, студент
3Набережночелнинский филиал Казанского национального исследовательского технического университета им. А. Н. Туполева-КАИ, кандидат педагогических наук, доцент

Аннотация
В предлагаемой статье представлен краткий теоретический обзор фотонных кристаллов. Рассмотрена их классификация, основанная на пространственном расположении разрешенных и запрещенных зон внутри структуры кристалла, а также поведение светового сигнала, соответствующего определенному пространственному расположению. Рассматриваются наиболее известные методы получения фотонных кристаллов, а также перспективы их применения в технике и технологиях.

Ключевые слова: нанолитография, нанотехнологии, оптический материал, фотоника, фотонный кристалл


PHOTON CRYSTALS’ CLASSIFICATION IN BRIEF

Ivahnenko Dmitriy Valerjevich1, Pirogova Anastasiya Alekseevna2, Samarenkina Sanija Zakirsanovna3
1Nabereshnye Chelny Branch of Kazan national research technical university named after A.N. Tupolev –KAI, Student
2Nabereshnye Chelny Branch of Kazan national research technical university named after A.N. Tupolev –KAI, Student
3Nabereshnye Chelny Branch of Kazan national research technical university named after A.N. Tupolev –KAI, PhD in Pedagogical Science, associate professor

Abstract
The paper provides in brief the theoretical review of photon crystals. The paper considers the photon crystals classification based on spatial layout of the allowed and forbidden bands in a crystal structure, and behavior of the light signal corresponding to a certain spatial layout. The authors consider most known methods of photon crystals receiving and perspectives of photon crystals application.

Keywords: nanolithography, nanotechnologies, optical material, photon crystal, photonics


Библиографическая ссылка на статью:
Ивахненко Д.В., Пирогова А.А., Самаренкина С.З. К вопросу о классификации фотонных кристаллов // Современная техника и технологии. 2015. № 11 [Электронный ресурс]. URL: http://technology.snauka.ru/2015/11/8241 (дата обращения: 31.05.2017).

1. Введение. «В ближайшем будущем мир увидит фотонный компьютер, который будет в десятки тысяч раз быстрее электронного», – заявляют футурологи. Однако не только ученые прогнозирования будущего, но и ученые физико-математических наук начинают говорить о возможности существования такого устройства. В создании его поможет фотоника. Фотоника – это наука, основными инструментом и элементом изучения которой являются оптические сигналы. Проводя параллели с электроникой, чье повсеместное использование началось с использованием полупроводников, можно предположить, что и фотоника получит прогрессивный рывок с созданием элемента, выполняющего подобные функции. В роли «транзисторов» для будущих фотонных компьютеров могут выступить фотонные кристаллы (рис. 1, рис. 2).

Рис. 1. Футуристическое представление полностью оптического чипа.

 Источник: www.nanometer.ru.

Рис. 2. Нанооптический чип IBM под микроскопом.

Источник: habrahabr.ru.

2. Краткая история. О структуре, подобной структуре фотонных кристаллов, начал говорить в 1972 году Быков Владимир Павлович в своей работе «Спонтанное излучение в периодической структуре», в которой было рассмотрено спонтанное излучение возбужденного атома или молекулы в одномерной периодической структуре. В 1987 году американские ученые Эли Яблонович и, независимо от него, Саджив Джон опубликовали статьи о фотонных кристаллах. И уже в начале 1990-х годов появляется первый экспериментальный фотонный кристалл, создателем которого является Эли Яблонович, в то время работающий в компании Bell Labs [3].

3. Теоретические положения. Фотонный кристалл – это оптическая среда, в которой происходит периодическое изменение коэффициента преломления. По принципу действия фотонный кристалл имеет сходство с дифракционной решеткой, так как фотонный кристалл представляет собой упорядоченную структуру с периодом соизмеримым с диапазонами длин волн видимого и инфракрасного (наиболее ближней области) света [2].

Периодичность фотонного кристалла состоит из так называемых разрешенных и запрещенных зон. Фотон, который обладает энергией, либо частотой или длиной волны, сопоставимой запрещенной зоне, отражается от фотонного кристалла, так как не имеет возможности в нем распространяться. В случае, когда фотон обладает энергией, либо частотой или длиной волны, которая соответствует разрешенной зоне, наблюдается распространение данного фотона внутри фотонного кристалла [4].

4. Классификация фотонных кристаллов. В зависимости от количества направлений, в которых наблюдается та или иная периодичность, выделяют одно-, двух-, и трехмерные фотонные кристаллы. В одномерных фотонных кристаллах (рис. 3) слои с разными коэффициентами преломления располагаются параллельно друг к другу, при этом чередуясь. Представляя данное расположение в прямоугольной системе координат XYZ, можно говорить о том, что плоскость XY дублируется вдоль оси Z через определенный промежуток n-ое количество раз. Свои свойства фотонные кристаллы в этом случае проявляют только в перпендикулярном слоям направлении. В природе одномерной структурой обладают моллюски галиотисы, раковины которых имеют перламутровый слой. Также примером одномерной структуры служит дифракционная решетка.

Рис. 3. Схематическое представление одномерного фотонного кристалла.

Источник: http://fdtd.kintechlab.com/ru/start.

В двухмерных фотонных кристаллах (рис. 4) изменение коэффициента преломления соответственно происходит в двух направлениях. Плоскости перпендикулярны друг к другу по двум осям координат, при этом между образующимися параллельными плоскостями остается пространство, которое располагает иным коэффициентом преломления. Такое расположение в прямоугольной системе координат XYZ можно описать следующим образом: плоскость YZ дублируется вдоль оси X через определенный промежуток n-ое количество раз, и в это же время, пересекая плоскости YZ…YZn, плоскость XZ дублируется вдоль оси Y через определенный промежуток так же n-ое количество раз. В природе двухмерная структура наблюдается в щетинках морской мыши (полихета).

Рис.4. Схематическое представление двухмерного фотонного кристалла.

Источник: http://fdtd.kintechlab.com/ru/start.

В трехмерных фотонных кристаллах (рис. 5) коэффициент преломления изменяется соответственно в трех направлениях пространства. В системе координат XYZ перпендикулярными друг к другу являются три плоскости: к двухмерному расположению, описанному выше, добавляется плоскость XY, дублируемая вдоль оси Z n-ое количество раз. Трехмерная структура в природе встречается на крыльях бабочек-парусников и в драгоценном камне опале. Данная структура создает ситуацию, при которой фотон не имеет возможности проникнуть внутрь фотонного кристалла. Однако, переигрывая создавшуюся ситуацию, можно предположить, что подобный фотон, но уже возникший внутри фотонного кристалла, не сможет из него выйти, из-за явления дифракции. Фотон оказывается «пойманным» внутри фотонного кристалла [1].

Рис. 5. Схематическое представление трехмерного фотонного кристалла.

Источник: http://fdtd.kintechlab.com/ru/start.

При помощи магнитного поля можно искусственно варьировать ширину разрешенных и запрещенных фотонных зон, что позволяет добиваться различного поведения свойств фотонных кристаллов, получая от способности проведения света на большие расстояния до создания почти совершенных зеркал [3, 4].

5. Дефекты фотонных кристаллов. Фотонные кристаллы могут содержать в своей структуре неоднородности, которые называются дефектами (рис. 6). Но эти дефекты не вредят фотонному кристаллу, а наоборот дают ему новые свойства. Периодичная структура может нарушаться, например, наличием увеличенных или уменьшенных фотонных зон, или даже их отсутствием [3].

Рис. 6. Точечный и линейный (дислокация) дефекты.

 Источник: www.nanometer.ru.

6. Изготовление фотонных кристаллов. Сегодня существует достаточно много способов создания фотонных кристаллов. Одним из самых знаменитых является нанолитография фокусированным ионным пучком (ФИП-нанолитография). Суть этого метода состоит в «наращивании» структуры. На кремниевую пластинку или чип подают химические реагенты, например, легколетучие соединения золота, которые, попадая под прямой пучок ускоренных ионов (чаще галиевых), разлагаются и превращаются в тонкие структуры, внешне сравнимые с высокими тонкими столбиками (рис.7). Немного изменяя этот способ, можно получить метод травления. Предварительно на пластинку наносят фоторезисты. Над подготовленной пластинкой устанавливают маску с необходимым рисунком. Под действием пучка ионов в фоторезисте проходят химические реакции, видоизменяющие его. Не изменившийся слой фоторезиста вытравливают. Далее вытравливают и саму пластинку под удаленным фоторезистом. Если использовать не ионы, а фокусированные пучки протонов, то появляется возможность удалять, «вырезать» материал пластины, действуя как при создании скульптуры.

Рис. 7. Структура, полученная осаждением золота фокусированным ионным пучком Ga+.

 Источник: «Нанотехнологии. Азбука для всех».

С помощью наносферной литографии получают обращенные фотонные кристаллы (рис. 8). Пустое пространство между колон сферических частиц заполняют иным материалом, отличным от состава частиц, а затем сами частицы удаляются, в результате чего получается пористый материал, микропоры в котором представляют собой высокоупорядоченную систему [2].

Рис. 8. Обращенный (обратный) фотонный кристалл с треугольной решеткой.

 Источник: http://fdtd.kintechlab.com/ru/start.

Существует голографический способ, основанный соответственно на методах создания голографии. Периодическая структура в этом случае создается с помощью явления интерференции когерентных волн. Одномерные фотонные кристаллы получаются при сложении двух пучков света, используя три и более направленных пучков света получают двухмерные и трехмерные оптические среды [4].

7. Вывод. Фотонные кристаллы являются весьма перспективным направлением, которое следует развивать. Области, в которых данные кристаллы смогут найти себе применение, выступают сегодня в роли передовых направлений. Это перспектива создания разнородных оптических устройств, наиболее производительных светодиодов, высокоэффективных лазеров, нового оптоволокна, оптических запоминающих и логических устройств, и как следствие фотонного компьютера.


Библиографический список
  1. Оптика и фотоника. Принципы и применения. Пер. с англ.: Учебное пособие. В 2 т. Т. 1 / Б. Салех, М. Тейх – Долгопрудный: Издательский дом «Интеллект», 2012. – 760 с.
  2. Фотонный кристалл. / Джесси Рассел – Издательство: Книга по Требованию, 2012 г. – 70 с.
  3. http://www.laserportal.ru
  4. https://ru.wikipedia.org


Все статьи автора «Сания Закирзяновна Самаренкина»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: