XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

Введение

Фотонный кристалл — твердотельная структура с периодически изменяющейся диэлектрической проницаемостью либо неоднородностью, период которой сравним с длиной волны света [1].

Фотонные кристаллы представляют собой структуры, характеризующиеся периодическим изменением диэлектрической проницаемости в пространстве. Оптические свойства фотонные кристаллы сильно отличаются от оптических свойств сплошных сред. Распространение излучения внутри фотонного кристалла благодаря периодичности среды становится похожим на движение электрона внутри обычного кристалла под действием периодического потенциала. В результате электромагнитные волны в фотонных кристаллах имеют зонный спектр и координатную зависимость, аналогичную блоховским волнам электронов в обычных кристаллах. При определенных условиях в зонной структуре фотонные кристаллы образуются щели, аналогично запрещенным электронным зонам в естественных кристаллах. В зависимости от конкретных свойств (материала элементов, их размера и периода решетки) в спектре фотонные кристаллы могут образовываться как полностью запрещенные по частоте зоны, для которых распространение излучения невозможно независимо от его поляризации и направления, так и частично запрещенные (стоп–зоны), в которых распространение возможно лишь в выделенных направлениях [2].

Основой электронных устройств будущего могут стать фотонные кристаллы — это синтетические упорядоченные материалы, в которых диэлектрическая проницаемость периодически меняется внутри структуры. В кристаллической решетке традиционного полупроводника регулярность, периодичность расположения атомов приводит к образованию так называемой зонной энергетической структуры — с разрешенными и запрещенными зонами. Электрон, энергия которого попадает в разрешенную зону, может передвигаться по кристаллу, а электрон с энергией в запрещенной зоне оказывается «запертым» [4].

В СВЧ-диапазоне одномерный фотонный кристалл может быть реализован как с помощью волноводов с диэлектрическим заполнением, так и планарных линий с периодически изменяющейся структурой.

На основе СВЧ-фотонных кристаллов созданы полосовые фильтры, перестраиваемые резонаторы, миниатюрные антенны [6].

Классификация

Типы фотонных кристаллов:

Одномерные;

Двумерные;

Трёхмерные;

Рис.1. а) одномерный; б) двумерный; в) трёхмерный

Одномерные 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 [3].

Двумерные фотонные кристаллы могут иметь более разнообразные геометрии. К ним, например, можно отнести массивы бесконечных по длине цилиндров (их поперечный размер много меньше продольного) или периодические системы цилиндрических отверстий [2].

Трехмерные фотонные кристаллы могут проявлять свои свойства в трех пространственных направлениях, и можно их представить, как массив объемных областей (сфер, кубов и т.д.), упорядоченных в трехмерной кристаллической решётке [3].

Фотонные кристаллы СВЧ-диапазона:

Микрополосковые;

В олноводные;

Рис.2. а) микрополосковые; б) волноводные

Создание фотонных кристаллов для работы в СВЧ - диапазоне

Первоначально фотонные кристаллы создавались для работы в оптическом диапазоне, однако изготовление даже одномерного фотонного кристалла требует уникального оборудования, и обходиться слишком дорого. Поэтому предварительные экспериментальные и теоретические исследования свойств фотонных кристаллов целесообразно проводить в других частотных диапазонах, в которых можно сконструировать массивные аналоги фотонных кристаллов. Наиболее удачными аналогами одномерных оптических фотонных кристаллов являются фотонные кристаллы, реализованные в виде волноводов с диэлектрическим заполнением и планарных линий передачи с периодически изменяющейся структурой, работающие в СВЧ диапазоне. На основе СВЧ фотонных кристаллов созданы полосовые фильтры, перестраиваемые резонаторы, миниатюрные антенны. Показана возможность использования чувствительности «окна» прозрачности к параметрам нарушения структуры фотонного кристалла на основе волноводной конструкции для контроля диэлектрической проницаемости слоистых диэлектриков и параметров нанометровых металлических слоев на изолирующих подложках [7].

Применение

С фотонными кристаллами связывают будущее современной электроники. В данный момент идёт интенсивное изучение свойств фотонных кристаллов, разработка теоретических методов их исследования, разработка и исследование различных устройств с фотонными кристаллами, практическая реализация теоретически предсказанных эффектов в фотонных кристаллах, и предполагается, что:

Лазеры с фотонными кристаллами позволяют получить маломощную лазерную генерацию, так называемые низкопороговые и беспороговые лазеры;

С помощью фотонных кристаллов можно будет создавать среды с отрицательным показателем преломления, что даст возможность фокусировать свет в точку размерами меньше длины волны(«суперлинзы»);

Фотонные кристаллы обладают существенными дисперсионными свойствами (их свойства зависят от длины волны проходящего через них излучения), это даст возможность создать суперпризмы;

Новый класс дисплеев, в которых манипуляция цветом пикселей осуществляется при помощи фотонных кристаллов, частично или полностью заменит существующие дисплеи;

Благодаря упорядоченному характеру явления удержания фотонов в фотонном кристалле, на основе этих сред возможно построение оптических запоминающих устройств и логических устройств;

С помощью фотонно-кристаллических пленок можно создавать узкополосные светофильтры, которые перспективны для использования при регистрации комбинационного рассеяния. Также с их помощью можно выделять и усиливать падающее излучение. Для того, чтобы добиться полного отражения избранной линии генерации, изменяют период кристаллической решетки в процессе анодирования путем изменения угла поворота кристаллической решетки или введением в поры диэлектрической среды, что позволяет сместить положение стоп-зоны.

С помощью фотонных кристаллов можно генерировать излучение высших гармоник. При малых амплитудах падающего на находящийся в порах диэлектрик излучения суммарный дипольный момент в единице объема будет пропорционален амплитуде излучения. В таком случае дипольный момент рождает вторичную волну той же частоты. Но при больших амплитудах суммарный дипольный момент зависит уже от второй, третьей и высших степеней амплитуды, что приводит к рождению вторичных волн удвоенной, утроенной и т. д. частоты. Такой эффект применяют в полупроводниковых лазерах, вырабатывающих излучение, попадающего в инфракрасную область, чтобы получить излучение в области видимого спектра. При этом, если подавать на фотонно-кристаллическую пленку излучение, длина волны которого равна его стоп-зоне, то входное излучение не пройдет сквозь него, что дает нам возможность получить излучение одной длины волны [5].

Распределённый брэгговский отражатель является уже широко используемым и известным примером одномерного фотонного кристалла [1].

С фотонными кристаллами связывают будущее современной кибернетики. В данный момент идёт интенсивное изучение свойств фотонных кристаллов, разработка теоретических методов их исследования, разработка и исследование различных устройств с фотонными кристаллами, практическая реализация теоретически предсказанных эффектов в фотонных кристаллах, и предполагается, что:

Лазеры с фотонными кристаллами позволят получить маломощную лазерную генерацию, так называемые низкопороговые и беспороговые лазеры;

Волноводы, основанные на фотонных кристаллах, могут быть очень компактны и обладать малыми потерями;

С помощью фотонных кристаллов можно будет создавать среды с отрицательным показателем преломления, что даст возможность фокусировать свет в точку размерами меньше длины волны («суперлинзы»);

Фотонные кристаллы обладают существенными дисперсионными свойствами (их свойства зависят от длины волны проходящего через них излучения), это даст возможность создавать суперпризмы;

Новый класс дисплеев, в которых манипуляция цветом пикселей осуществляется при помощи фотонных кристаллов, частично или полностью заменит существующие дисплеи;
Благодаря упорядоченному характеру явления удержания фотонов в фотонном кристалле, на основе этих сред возможно построение устройств оптической памяти и логических устройств;

Фотонные сверхпроводники проявляют свои сверхпроводящие свойства при определённых температурах и могут быть использованы в качестве полностью оптических датчиков температуры, способных работать с большими частотами и совмещаться с фотонными изоляторами и полупроводниками [1].

Заключение

Фотонные кристаллы должны найти широкое применение в фотонных интегральных технологиях, которые в перспективе заменят электрические интегральные схемы в компьютерах. При передаче информации с использованием фотонов вместо электронов резко сократится энергопотребление, увеличатся тактовые частоты и скорость передачи информации [4].

Список литературы:

Википедия, Фотонный кристалл [Электронный ресурс]. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Фотонный_кристалл (дата обращения: 22.12.2022).

Electromagnetic Template Library, Фотонные кристаллы [Электронный ресурс]. URL: https://fdtd.kintechlab.com/ru/pc (дата обращения: 22.12.2022).

Studfiles, Исследование фотонных кристаллов на основе оксида алюминия [Электронный ресурс]. URL: https://studfile.net/preview/8236758/page:2/ (дата обращения: 22.12.2022).

Elementy, Электрохимия фотонных кристаллов [Электронный ресурс]. URL: https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/434392/Elektrokhimiya_fotonnykh_kristallov (дата обращения: 22.12.2022).

Морозов, Н. В. Получение и применение фотонных кристаллов / Н. В. Морозов, К. П. Галстян. — Текст : непосредственный // Техника. Технологии. Инженерия. — 2018. — № 3 (9). — С. 1-3. — URL: https://moluch.ru/th/8/archive/95/3411/ (дата обращения: 22.12.2022).

En.ppt-online, Оптически управляемые элементы на основе фотонных кристаллов СВЧ-диапазона [Электронный ресурс]. URL: https://en.ppt-online.org/784087 (дата обращения: 23.12.2022).

SGU, Микрополосковые фотонные кристаллы и их использование для измерения электрофизических свойств жидких диэлектриков [Электронный ресурс]. URL: https://www.sgu.ru/sites/default/files/textdocsfiles/2014/11/28/microstrip_photonic_crystals.pdf (дата обращения: 23.12.2022).

Код для цитирования: Скопировать