XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

Введение

В оптике давно используются упорядоченные структуры, период которых сравним с длиной волны электромагнитного излучения. Примерами таких структур являются дифракционные решётки, интерференционные фильтры и многослойные диэлектрические зеркала. Как известно из физики твёрдого тела, при наличии периодичности в структуре материальной среды в энергетическом спектре возникают так называемые энергетические зоны. В полупроводниковом кристалле оптические свойства материала тесно связаны с шириной запрещённой зоны (Eg), величина которой равна энергетическому расстоянию между потолком валентной зоны и дном зоны проводимости. В кристаллическом твёрдом теле период решётки (d~10-8 см) сравним с длиной волны де-Бройля для электрона; при этом спектр разрешенных и запрещенных зон обусловлен значениями возможных энергетических состояний электронов и дырок. Наличие периодической структуры в веществе с периодом, близким к длине электромагнитной волны, приводит к формированию соответствующих разрешённых и запрещённых зон для фотонов. Представление о фотонных зонах в конденсированной среде было введено с 1987 г. Искусственные структуры с периодом, близким к длине волны электромагнитного излучения, были названы «фотонными кристаллами».

Фотонный кристалл — твердотельная структура с периодически изменяющейся диэлектрической проницаемостью либо неоднородностью, период которой сравним с длиной волны света. Фотонные кристаллы, благодаря периодическому изменению коэффициенту преломления позволяют получить разрешённые и запрещенные зоны для энергий фотонов, аналогично полупроводниковым материалам, в которых наблюдаются разрешённые и запрещённые зоны для энергий носителей заряда. Практически, это значит, что если на фотонный кристалл падает фотон, обладающий энергией (длиной волны, частотой), которая соответствует запрещённой зоне данного фотонного кристалла, то он не может распространяться в фотонном кристалле и отражается обратно. И наоборот, это значит, что если на фотонный кристалл падает фотон, обладающий энергией (длиной волны, частотой), которая соответствует разрешённой зоне данного фотонного кристалла, то он может распространяться в фотонном кристалле. В природе фотонные кристаллы также встречаются: на крыльях африканских бабочек парусников, перламутровое покрытие раковин моллюсков.

Свойства и применение фотонных кристаллов

Наличие разрешенных и запрещенных зон в фотонных кристаллов определяет их основные свойства и области применения. Наличие полной запрещенной зоны в спектре электромагнитных возбуждений фотонного кристалла означает, что в заданном спектральном диапазоне свет любой поляризации не может войти в кристалл или выйти из него в каком-либо направлении. В области полной запрещенной зоны невозможно спонтанное излучение, если частота квантового перехода лежит в области запрещенных фотонных энергий. Также важным свойством фотонных кристаллов является – высокая степень ограничения электромагнитных волн на дефектах решетки.

Первое применение фотонного кристалла - создание световедущих каналов. Современные световедущие каналы на основе оптического волокна не могут иметь крутых изгибов из-за недопустимого увеличения потерь, вызванного нарушением полного внутреннего отражения в них. Световедущие каналы в фотонном кристалле основаны на другом принципе: практически идеальное отражение света под любым углом от стенок световедущего канала обеспечивается наличием "запрещенной зоны" для световой волны передаваемой частоты, препятствующей проникновению света в глубь фотонного кристалла.

Второе применение - это спектральное разделение каналов. Во многих случаях по оптическому волокну идет не один, а несколько световых сигналов. Их бывает нужно рассортировать - направить каждый по отдельному пути. Например - оптический телефонный кабель, по которому идет одновременно несколько разговоров на разных длинах волн. Фотонный кристалл - идеальное средство для "высечения" из потока нужной длины волны и направления ее туда, куда требуется.

Третье - кросс для световых потоков. Такое устройство, предохраняющее от взаимного воздействия световых каналов при их физическом пересечении, совершенно необходимо при создании светового компьютера и световых компьютерных чипов.

Какую функцию выполняет фотонный кристалл?

Фотонный кристалл выполняет функцию оптического фильтра, и именно его свойствами обусловлены яркие и красочные цвета опала. В фотонном кристалле аналогом трехмернопериодической модуляции потенциала служит модуляция диэлектрическом проницаемости или показателя преломления. Такая модуляция приводит к возникновению дискретизации уровней энергии для электромагнитных волн, т.е. возникновению зонной структуры для фотонов. Для электрона в потенциальной яме оптический аналог не настолько близок — это оптический волновод, в котором ограничение в пространстве распространения волны по двум координатам приводит к дискретному спектру волновых векторов, а не энергий. Для дискретного спектра энергий фотонов необходимо трехмерная локализация или трехмерная периодическая модуляция показателя преломления.

Фотонные кристаллы могут работать в качестве фильтров или инструментов для управления направлением распространения света, что особенно полезно при проектировании фотонных интегральных схем. Кроме того, при выполнении модального анализа интегрирование мощности в основной области и фильтрация определенного номера индекса моды могут помочь отделить фундаментальные моды и моды более высокого порядка от других не физичных решений.

Классификация фотонных кристаллов

Кристаллы можно разделить на 3 класса – одномерные, двумерные и трехмерные.

Рис.1 Схематичная структура одномерных (1D), двумерных (2D) и трехмерных (3D) фотонных кристаллов [1]

Одномерные кристаллы

Одномерные фотонные кристаллы - (1D ФК) представляют собой многослойную структуру из чередующихся слоев с разными показателями преломления, хорошо известную также при некоторых соотношениях параметров как сверхрешетки (рис.1). Одномерные фотонные кристаллы, в которых коэффициент преломления периодически изменяется в одном пространственном направлении. Такие фотонные кристаллы состоят из параллельных друг другу слоев различных материалов с разными коэффициентами преломления и могут проявлять свои свойства в одном пространственном направлении, перпендикулярном слоям. Одним из первых практически важных применений таких структур стало изготовление диэлектрических покрытий с уникальными оптическими характеристиками, применяемых для создания высокоэффективных оптических спектральных фильтров и снижения нежелательного отражения от оптических элементов (такая оптика получила название просветленной) и диэлектрических зеркал с коэффициентом отражения, близким к 100%. В качестве другого хорошо известного примера 1D-фотонных структур можно упомянуть полупроводниковые лазеры с распределенной обратной связью, а также оптические волноводы с периодической продольной модуляцией физических параметров (профиля или коэффициента преломления). Наконец, обычные штриховые дифракционные решетки - это тоже пример 1D-фотонных структур: по аналогии с ними фотонные кристаллы называют иногда трехмерными дифракционными решетками.

Двумерные кристаллы

Двухмерные фотонные кристаллы - (2D ФК), планарный, (пленочный) фотонный кристалл (photonic crystal) - двухмерный фотонный кристалл на основе планарного оптического волновода, структура которого характеризуется периодическим изменением показателя преломления в двух направлениях в плоскости волновода. Наиболее распространенные типы современных двумерных фотонных кристаллов можно моделировать решетками цилиндров, оптические свойства которых отличаются от свойств окружающей среды, а оси параллельны друг другу. Практически их можно получить, формируя лазерным излучением либо разрежения в однородной среде, которые далее могут быть заполнены другой средой, либо, напротив, сгущения в фотополимеризующейся среде. Двумерные фотонные кристаллы (2D) можно представить в виде периодической структуры из стержней с разной диэлектрической проницаемостью. Фотонная запрещенная зона (полная или частичная) представляет собой интервал частот, в пределах которого свет, распространяющийся в определенных направлениях, экспоненциально затухает. При этом свет, падающий на фотонный кристалл, полностью отражается. Физический механизм образования запрещенной зоны для фотонов в кристаллах такой же, как и для электронов в твердых телах. В его основе лежит динамическая дифракция электромагнитной волны в среде с периодическим потенциалом. Отметим, что из самого факта существования щели в спектре фотонов вытекает два исключительно важных следствия: 1) в области фотонной запрещенной зоны невозможно спонтанное излучение, т. е. электронно-дырочная рекомбинация подавляется полностью; 2) фотоны могут локализоваться на дефектах фотонного кристалла, если энергии дефектов находятся в области фотонной запрещенной зоны.

Трехмерные кристаллы

Трехмерные фотонные кристаллы 3D ФК - фотонные кристаллы, у которых наиболее яркой чертой является существование с достаточно большим контрастом показателей преломления компонентов определенных областей спектра, получивших название полных фотонных запрещенных зон (ФЗЗ): существование излучения с энергией фотонов принадлежащей ФЗЗ в таких кристаллах невозможно. Первые синтетические прообразы фотонных кристаллов были трехмерными и созданы еще в начале 1990-х годов сотрудниками исследовательского центра Bell Labs (США). Для получения периодической решетки в диэлектрическом материале американские ученые высверливали цилиндрические отверстия таким образом, чтобы получить трехмерную сеть пустот. Для того, чтобы материал стал фотонным кристаллом, его диэлектрическая проницаемость была модулирована с периодом в 1 сантиметр во всех трех измерениях. Но и сегодня, даже с помощью самых современных и дорогостоящих методов электронной литографии и анизотропного ионного травления, с трудом удается изготовить бездефектные трехмерные фотонные кристаллы с толщиной более 10 структурных ячеек.

Список литературы

https://ru.wikipedia.org/wiki/Фотонный_кристалл

https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/434392/Elektrokhimiya_fotonnykh_kristallov

https://bstudy.net/833123/tehnika/metamaterialy_fotonnye_kristally

В.С.ГОРЕЛИК, Л.И.ЗЛОБИНА, П.П.СВЕРБИЛЬ, А.Б.ФАДЮШИН, А.В.ЧЕРВЯКОВ КОМБИНАЦИОННОЕ РАССЕЯНИЕ СВЕТА В ТРЁХМЕРНЫХ ФОТОННЫХ КРИСТАЛЛАХ, Москва 2005 г.

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 7. С.А. Блохин, О.А. Усов, А.В. Нащекин, Е.М. Аракчеева, Е.М. Танклевская, С.Г. Конников, А.Е. Жуков, М.В. Максимов, Н.Н. Леденцов, В.М. Устинов.

https://www.myunivercity.ru/Физика/Применение_фотонных_кристаллов_в_солнечных_элементах/149139_2154975_страница1.html#:~:text=Введение.%20Фотонный%20кристалл%20—%20это,зоны%20для%20энергий%20носителей%20заряда

Код для цитирования: Скопировать