Jurang jalur bagi hablur fotonik satu dimensi. Kristal fotonik untuk boneka

Hablur fotonik boleh dibahagikan kepada tiga kelas utama mengikut sifat perubahan indeks biasan:

1. Satu dimensi, di mana indeks biasan berubah secara berkala dalam satu arah spatial seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2. Dalam rajah ini, simbol L menunjukkan tempoh perubahan dalam indeks biasan, dan dan merupakan indeks biasan bagi dua bahan ( tetapi dalam kes umum, sebarang bilangan bahan mungkin ada). Hablur fotonik sedemikian terdiri daripada lapisan bahan yang berbeza selari antara satu sama lain dengan indeks biasan yang berbeza dan boleh mempamerkan sifatnya dalam satu arah spatial, berserenjang dengan lapisan.

Rajah 1 - Perwakilan skematik hablur fotonik satu dimensi

2. Dua dimensi, di mana indeks biasan berubah secara berkala dalam dua arah spatial seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2. Dalam rajah ini, kristal fotonik dicipta oleh kawasan segi empat tepat dengan indeks biasan, yang terletak dalam medium dengan indeks biasan. . Dalam kes ini, kawasan dengan indeks biasan disusun dalam kekisi padu dua dimensi. Kristal fotonik sedemikian boleh mempamerkan sifatnya dalam dua arah spatial, dan bentuk kawasan dengan indeks biasan tidak terhad kepada segi empat tepat, seperti dalam rajah, tetapi boleh menjadi apa-apa (bulatan, elips, sewenang-wenangnya, dll.). Kekisi kristal di mana kawasan ini dipesan juga boleh berbeza, dan bukan hanya kubik, seperti dalam rajah di atas.

Rajah - 2 Perwakilan skematik hablur fotonik dua dimensi

3. Tiga dimensi, di mana indeks biasan berubah secara berkala dalam tiga arah spatial. Hablur fotonik sedemikian boleh mempamerkan sifatnya dalam tiga arah spatial, dan ia boleh diwakili sebagai susunan kawasan volumetrik (sfera, kiub, dll.) yang dipesan dalam kekisi kristal tiga dimensi.

Terdapat juga kristal fotonik resonan dan bukan resonan. Hablur fotonik resonan berbeza daripada yang tidak resonan kerana ia menggunakan bahan yang pemalar dielektrik (atau indeks biasan) sebagai fungsi frekuensi mempunyai kutub pada beberapa frekuensi resonan.

Seperti media elektrik, bergantung pada lebar zon yang dilarang dan dibenarkan, kristal fotonik boleh dibahagikan kepada konduktor - mampu menghantar cahaya pada jarak jauh dengan kehilangan yang rendah, dielektrik - cermin yang hampir ideal, semikonduktor - bahan yang mampu, contohnya, secara selektif. memantulkan foton dengan panjang gelombang dan superkonduktor tertentu, di mana, terima kasih kepada fenomena kolektif, foton dapat merambat pada jarak yang hampir tidak terhad. Terdapat juga kristal fotonik resonan dan bukan resonan. Hablur fotonik resonan berbeza daripada yang tidak resonan kerana ia menggunakan bahan yang pemalar dielektrik (atau indeks biasan) sebagai fungsi frekuensi mempunyai kutub pada beberapa frekuensi resonan.

Sebarang ketidakhomogenan dalam kristal fotonik dipanggil kecacatan kristal fotonik. Medan elektromagnet sering tertumpu di kawasan tersebut, yang digunakan dalam rongga mikro dan pandu gelombang yang dibina berdasarkan kristal fotonik. Terdapat beberapa analogi apabila menerangkan perambatan gelombang elektromagnet dalam kristal fotonik dan sifat elektronik kristal. Mari kita senaraikan sebahagian daripada mereka.

1. Keadaan elektron di dalam kristal (hukum gerakan) diberikan dengan menyelesaikan persamaan Schrldinger;

2. Keadaan elektron diterangkan oleh fungsi gelombang skalar w(r,t), keadaan gelombang elektromagnet diterangkan oleh medan vektor - kekuatan komponen magnetik atau elektrik, H (r,t) atau E (r,t).
3. Fungsi gelombang elektron w(r,t) boleh dikembangkan menjadi satu siri keadaan eigen wE(r), yang setiap satunya mempunyai tenaga sendiri E. Kekuatan medan elektromagnet H(r,t) boleh diwakili oleh superposisi komponen monokromatik (mod) medan elektromagnet Hsh(r), setiap satunya sepadan dengan nilainya sendiri - frekuensi mod u:

4. Keupayaan atom U(r) dan pemalar dielektrik e(r), yang terdapat dalam persamaan Schrldinger dan Maxwell, adalah fungsi berkala dengan tempoh yang sama dengan mana-mana vektor R bagi kekisi hablur dan hablur fotonik, masing-masing:

U(r) = U(r + R), (3)

5. Untuk fungsi gelombang elektron dan kekuatan medan elektromagnet, teorem Bloch dengan fungsi berkala u k dan u k.

6. Kemungkinan nilai vektor gelombang k mengisi zon Brillouin bagi kekisi kristal atau sel unit bagi hablur fotonik, ditakrifkan dalam ruang vektor songsang.
7. Tenaga elektron E, iaitu nilai eigen bagi persamaan Schrldinger, dan nilai eigen bagi persamaan gelombang (akibat daripada persamaan Maxwell) - frekuensi mod u - berkaitan dengan nilai vektor gelombang k Bloch fungsi (4) oleh undang-undang serakan E(k) dan u(k).
8. Atom kekotoran yang melanggar simetri translasi potensi atom ialah kecacatan kristal dan boleh mencipta keadaan elektronik kekotoran yang disetempat di sekitar kecacatan itu. Perubahan dalam pemalar dielektrik di kawasan tertentu hablur fotonik memecahkan simetri translasi e(r) dan membawa kepada kemunculan mod yang dibenarkan di dalam jurang jalur fotonik, disetempatkan dalam persekitaran ruangnya.

) — bahan yang strukturnya dicirikan oleh perubahan berkala dalam indeks biasan dalam 1, 2 atau 3 arah spatial.

Penerangan

Ciri tersendiri kristal fotonik (PC) ialah kehadiran perubahan berkala secara spasial dalam indeks biasan. Bergantung pada bilangan arah spatial di mana indeks biasan berubah secara berkala, kristal fotonik dipanggil satu dimensi, dua dimensi dan tiga dimensi, atau disingkat PC 1D, PC 2D dan PC 3D (D - dari dimensi Inggeris), masing-masing. . Secara konvensional, struktur 2D FC dan 3D FC ditunjukkan dalam Rajah.

Ciri yang paling menarik bagi hablur fotonik ialah kewujudan dalam 3D hablur fotonik dengan kontras yang cukup besar dalam indeks biasan komponen kawasan spektrum tertentu, dipanggil jumlah jurang jalur fotonik (PBGs): kewujudan sinaran dengan tenaga foton kepunyaan PBG dalam kristal sedemikian adalah mustahil. Khususnya, sinaran, spektrum yang dimiliki oleh PBG, tidak menembusi ke dalam FC dari luar, tidak boleh wujud di dalamnya, dan dipantulkan sepenuhnya dari sempadan. Larangan itu dilanggar hanya jika terdapat kecacatan struktur atau apabila saiz PC adalah terhad. Dalam kes ini, kecacatan linear yang sengaja dicipta adalah dengan kehilangan lenturan yang rendah (sehingga jejari mikron kelengkungan), kecacatan titik ialah resonator kecil. Pelaksanaan praktikal keupayaan potensi PC 3D, berdasarkan keupayaan luas mengawal ciri pancaran cahaya (foton), baru bermula. Ia rumit oleh kekurangan kaedah yang berkesan untuk mencipta PC 3D berkualiti tinggi, kaedah untuk pembentukan sasaran ketidakhomogenan tempatan, kecacatan linear dan titik di dalamnya, serta kaedah untuk gandingan dengan peranti fotonik dan elektronik lain.

Kemajuan yang lebih besar telah dicapai dalam aplikasi praktikal kristal fotonik 2D, yang digunakan, sebagai peraturan, dalam bentuk kristal fotonik planar (filem) atau dalam bentuk (PCF) (lihat butiran lanjut dalam artikel yang berkaitan) .

PCF ialah struktur dua dimensi dengan kecacatan di bahagian tengah, memanjang dalam arah serenjang. Sebagai jenis gentian optik yang pada asasnya baharu, PCF menyediakan keupayaan yang tidak boleh diakses oleh jenis lain untuk mengangkut gelombang cahaya dan mengawal isyarat cahaya.

PC satu dimensi (PC 1D) ialah struktur berbilang lapisan lapisan berselang-seli dengan indeks biasan yang berbeza. Dalam optik klasik, lama sebelum istilah "kristal fotonik" muncul, telah diketahui umum bahawa dalam struktur berkala seperti itu sifat perambatan gelombang cahaya berubah dengan ketara disebabkan oleh fenomena gangguan dan pembelauan. Sebagai contoh, salutan reflektif berbilang lapisan telah lama digunakan secara meluas untuk pembuatan cermin dan penapis gangguan filem, dan grating Bragg volumetrik sebagai pemilih dan penapis spektrum. Selepas istilah PC mula digunakan secara meluas, media berlapis tersebut, di mana indeks biasan berubah secara berkala sepanjang satu arah, mula diklasifikasikan sebagai kristal fotonik satu dimensi. Dengan kejadian cahaya berserenjang, pergantungan spektrum pemantulan salutan berbilang lapisan adalah apa yang dipanggil "jadual Bragg" - pada panjang gelombang tertentu, pemantulan dengan cepat menghampiri perpaduan apabila bilangan lapisan meningkat. Gelombang cahaya jatuh dalam julat spektrum yang ditunjukkan dalam Rajah. b anak panah, hampir sepenuhnya dipantulkan daripada struktur berkala. Dalam terminologi FC, kawasan panjang gelombang ini dan kawasan tenaga foton yang sepadan (atau jalur tenaga) adalah dilarang untuk gelombang cahaya yang merambat secara berserenjang dengan lapisan.

Potensi untuk aplikasi praktikal PC adalah sangat besar kerana keupayaan unik mengawal foton dan masih belum diterokai sepenuhnya. Tidak dinafikan bahawa pada tahun-tahun akan datang peranti baharu dan elemen reka bentuk akan dicadangkan, mungkin secara asasnya berbeza daripada yang digunakan atau dibangunkan hari ini.

Prospek besar untuk penggunaan kristal fotonik dalam fotonik telah direalisasikan selepas penerbitan artikel oleh E. Yablonovich, di mana ia dicadangkan untuk menggunakan kristal fotonik dengan jurang jalur fotonik lengkap untuk mengawal spektrum pelepasan spontan.

Antara peranti fotonik yang boleh dijangka muncul dalam masa terdekat adalah seperti berikut:

laser PC ambang rendah ultra-kecil;
PC ultra-terang dengan spektrum pelepasan terkawal;
pandu gelombang PC kecil dengan jejari lentur mikron;
litar bersepadu fotonik dengan tahap penyepaduan yang tinggi berdasarkan PC satah;
penapis spektrum fotonik kecil, termasuk penapis boleh melaras;
Peranti memori optik RAM FC;
Peranti pemprosesan isyarat optik FC;
cara menyampaikan sinaran laser berkuasa tinggi berdasarkan PCF dengan teras berongga.

Yang paling menarik, tetapi juga yang paling sukar untuk melaksanakan aplikasi PC tiga dimensi ialah penciptaan kompleks ultra-besar volumetrik bersepadu peranti fotonik dan elektronik untuk pemprosesan maklumat.

Kegunaan lain yang mungkin untuk kristal fotonik 3D termasuk membuat perhiasan berdasarkan opal tiruan.

Kristal fotonik juga terdapat di alam semula jadi, memberikan warna tambahan kepada dunia di sekeliling kita. Oleh itu, salutan ibu mutiara bagi cengkerang moluska, seperti abalon, mempunyai struktur 1D FC, antena tikus laut dan bulu cacing polychaete ialah 2D FC, dan batu separa berharga semula jadi opal dan sayap rama-rama swallowtail Afrika (Papilio ulysses) adalah kristal fotonik tiga dimensi semula jadi.

Ilustrasi

A– struktur PC dua dimensi (atas) dan tiga dimensi (bawah);

b– jurang jalur bagi PC satu dimensi yang dibentuk oleh lapisan GaAs/AlxOy suku-gelombang (jurang jalur ditunjukkan oleh anak panah);

V– PC terbalik nikel, yang diperoleh oleh pekerja FNM Moscow State University. M.V. Lomonosova N.A. Sapolotova, K.S. Napolsky dan A.A. Eliseev

Sebilangan besar karya, dan baru-baru ini monograf, ditumpukan kepada sifat luar biasa kristal fotonik. Mari kita ingat bahawa hablur fotonik ialah media buatan yang, disebabkan oleh perubahan berkala dalam parameter dielektrik (bermaksud indeks biasan), sifat merambat gelombang elektromagnet (cahaya) menjadi serupa dengan sifat elektron yang merambat dalam kristal sebenar. Sehubungan itu, istilah "kristal fotonik" menekankan persamaan antara foton dan elektron. Pengkuantitian sifat foton membawa kepada fakta bahawa dalam spektrum gelombang elektromagnet yang merambat dalam kristal fotonik, zon terlarang boleh muncul di mana ketumpatan keadaan foton adalah sifar.

Kristal fotonik tiga dimensi dengan jurang jalur mutlak mula-mula direalisasikan untuk gelombang elektromagnet dalam julat gelombang mikro. Kewujudan jurang jalur mutlak bermakna bahawa gelombang elektromagnet dalam jalur frekuensi tertentu tidak boleh merambat dalam kristal tertentu dalam sebarang arah, kerana ketumpatan keadaan foton yang tenaganya sepadan dengan jalur frekuensi ini adalah sifar pada mana-mana titik dalam kristal. Seperti kristal sebenar, kristal fotonik boleh menjadi konduktor, semikonduktor, penebat dan superkonduktor dari segi kehadiran dan sifat jurang jalurnya. Jika terdapat "kecacatan" dalam jurang jalur kristal fotonik, maka foton boleh "ditawan" oleh "kecacatan", sama seperti bagaimana elektron atau lubang ditangkap oleh bendasing sepadan yang terletak dalam jurang jalur semikonduktor. .

Gelombang perambatan sedemikian dengan tenaga yang terletak di dalam jurang jalur dipanggil mod kecacatan.

pembiasan metamaterial hablur fotonik

Seperti yang telah dinyatakan, sifat luar biasa hablur fotonik diperhatikan apabila dimensi sel asas hablur adalah mengikut urutan panjang gelombang yang merambat di dalamnya. Jelas sekali bahawa kristal fotonik yang ideal dalam julat cahaya boleh dilihat hanya boleh dihasilkan menggunakan teknologi submikron. Tahap sains dan teknologi moden memungkinkan untuk mencipta kristal tiga dimensi sedemikian.

Aplikasi kristal fotonik agak banyak - pengasing optik, pintu optik, suis, pemultipleks, dll. Salah satu struktur yang sangat penting dari sudut pandangan praktikal ialah gentian optik kristal fotonik. Mereka pertama kali dibuat daripada satu set kapilari kaca yang dikumpulkan dalam pek padat, yang kemudiannya tertakluk kepada hud konvensional. Hasilnya ialah gentian optik yang mengandungi lubang yang dijarakkan secara tetap dengan saiz ciri kira-kira 1 mikron. Selepas itu, panduan cahaya kristal fotonik optik pelbagai konfigurasi dan dengan sifat berbeza telah diperolehi (Rajah 9).

Kaedah penggerudian baharu untuk mencipta panduan cahaya kristal fotonik telah dibangunkan di Institut Kejuruteraan Radio dan Elektronik dan Pusat Saintifik untuk Gentian Optik Akademi Sains Rusia. Pertama, lubang mekanikal dengan mana-mana matriks digerudi dalam bahan kerja kuarza tebal, dan kemudian bahan kerja dilukis. Hasilnya ialah gentian kristal fotonik berkualiti tinggi. Dalam panduan cahaya sedemikian adalah mudah untuk mencipta kecacatan pelbagai bentuk dan saiz, supaya beberapa mod cahaya boleh teruja di dalamnya secara serentak, frekuensinya terletak pada jurang jalur kristal fotonik. Kecacatan, khususnya, boleh mengambil bentuk saluran berongga, supaya cahaya akan merambat bukan dalam kuarza, tetapi melalui udara, yang boleh mengurangkan kerugian dengan ketara dalam bahagian panjang panduan cahaya kristal fotonik. Penyebaran sinaran kelihatan dan inframerah dalam panduan cahaya kristal fotonik disertai dengan pelbagai fenomena fizikal: Penyerakan Raman, pencampuran harmonik, penjanaan harmonik, yang akhirnya membawa kepada penjanaan supercontinuum.

Tidak kurang menarik, dari sudut pandangan mengkaji kesan fizikal dan kemungkinan aplikasi, adalah kristal fotonik satu dan dua dimensi. Tegasnya, struktur ini bukanlah kristal fotonik, tetapi ia boleh dianggap sedemikian apabila gelombang elektromagnet merambat ke arah tertentu. Kristal fotonik satu dimensi biasa ialah struktur berkala berbilang lapisan yang terdiri daripada lapisan sekurang-kurangnya dua bahan dengan indeks biasan yang berbeza secara meluas. Jika gelombang elektromagnet merambat sepanjang normal, jurang jalur untuk frekuensi tertentu muncul dalam struktur sedemikian. Jika salah satu lapisan struktur digantikan dengan bahan dengan indeks biasan yang berbeza daripada yang lain atau ketebalan satu lapisan diubah, maka lapisan tersebut akan menjadi kecacatan yang mampu menangkap gelombang yang frekuensinya berada dalam jurang jalur. .

Kehadiran lapisan kecacatan magnet dalam struktur bukan magnet dielektrik membawa kepada peningkatan berganda dalam putaran Faraday gelombang apabila merambat dalam struktur sedemikian dan kepada peningkatan dalam ketelusan optik medium.

Secara umumnya, kehadiran lapisan magnet dalam kristal fotonik boleh mengubah sifatnya dengan ketara, terutamanya dalam julat gelombang mikro. Hakikatnya ialah dalam julat gelombang mikro kebolehtelapan magnetik ferromagnet dalam jalur frekuensi tertentu adalah negatif, yang memudahkan penggunaannya dalam penciptaan bahan metamaterial. Dengan menggabungkan bahan tersebut dengan lapisan bukan magnetik logam atau struktur yang terdiri daripada konduktor individu atau struktur berkala konduktor, adalah mungkin untuk menghasilkan struktur dengan nilai negatif pemalar magnet dan dielektrik. Contohnya ialah struktur yang dicipta di Institut Kejuruteraan Radio dan Elektronik Akademi Sains Rusia, yang direka untuk mengesan pantulan dan pembiasan "negatif" gelombang putaran magnetostatik. Struktur ini ialah filem garnet besi yttrium dengan konduktor logam pada permukaannya. Sifat-sifat gelombang putaran magnetostatik yang merambat dalam filem feromagnetik nipis sangat bergantung pada medan magnet luar. Dalam kes umum, salah satu jenis gelombang tersebut ialah gelombang ke belakang, jadi hasil kali skalar bagi vektor gelombang dan vektor Penunjuk untuk jenis gelombang ini adalah negatif.

Kewujudan gelombang ke belakang dalam hablur fotonik juga disebabkan oleh keberkalaan sifat-sifat kristal itu sendiri. Khususnya, untuk gelombang yang vektor gelombangnya terletak di zon Brillouin pertama, keadaan perambatan boleh dipenuhi seperti untuk gelombang langsung, dan untuk gelombang yang sama di zon Brillouin kedua - seperti untuk gelombang ke belakang. Seperti bahan metamaterial, kristal fotonik juga boleh mempamerkan sifat luar biasa dalam merambat gelombang, seperti pembiasan "negatif".

Walau bagaimanapun, kristal fotonik boleh menjadi metamaterial yang mana fenomena pembiasan "negatif" mungkin bukan sahaja dalam julat gelombang mikro, tetapi juga dalam julat frekuensi optik. Eksperimen mengesahkan kewujudan pembiasan "negatif" dalam kristal fotonik untuk gelombang dengan frekuensi lebih tinggi daripada frekuensi jurang jalur pertama berhampiran pusat zon Brillouin. Ini disebabkan oleh kesan halaju kumpulan negatif dan, sebagai akibatnya, indeks biasan negatif untuk gelombang. Malah, dalam julat frekuensi ini gelombang menjadi terbalik.

(kristal superlattice), di mana medan tambahan dicipta secara buatan dengan tempoh yang tertib magnitud lebih besar daripada tempoh kekisi utama. Dalam erti kata lain, ini adalah sistem yang tersusun secara spatial dengan perubahan berkala yang ketat dalam indeks biasan pada skala yang setanding dengan panjang gelombang sinaran dalam julat yang boleh dilihat dan dekat-inframerah. Terima kasih kepada ini, jeriji sedemikian memungkinkan untuk mendapatkan zon yang dibenarkan dan terlarang untuk tenaga foton.

Secara amnya, spektrum tenaga foton yang bergerak dalam kristal fotonik adalah serupa dengan spektrum elektron dalam kristal sebenar, contohnya, dalam semikonduktor. Di sini, zon terlarang juga terbentuk, dalam julat frekuensi tertentu di mana penyebaran bebas foton adalah dilarang. Tempoh modulasi pemalar dielektrik menentukan kedudukan tenaga bagi jurang jalur dan panjang gelombang sinaran pantulan. Dan lebar jurang jalur ditentukan oleh kontras pemalar dielektrik.

Kajian tentang kristal fotonik bermula pada tahun 1987 dan dengan cepat menjadi bergaya untuk banyak makmal terkemuka di dunia. Kristal fotonik pertama dicipta pada awal 1990-an oleh pekerja Bell Labs Eli Yablonovitch, yang kini bekerja di Universiti California. Untuk mendapatkan kekisi berkala 3 dimensi dalam bahan elektrik, melalui topeng Eli, Yablonovich menggerudi lubang silinder sedemikian rupa sehingga rangkaian mereka dalam isipadu bahan membentuk kekisi kubik lompang berpusat muka, manakala pemalar dielektrik adalah dimodulasi dengan tempoh 1 sentimeter dalam semua 3 dimensi.

Pertimbangkan kejadian foton pada kristal fotonik. Jika foton ini mempunyai tenaga yang sepadan dengan jurang jalur bagi kristal fotonik, maka ia tidak akan dapat merambat dalam kristal dan akan dipantulkan daripadanya. Dan sebaliknya, jika foton mempunyai tenaga yang sepadan dengan tenaga zon yang dibenarkan kristal, maka ia akan dapat merambat dalam kristal. Oleh itu, kristal fotonik mempunyai fungsi penapis optik, menghantar atau memantulkan foton dengan tenaga tertentu.

Secara semula jadi, sayap rama-rama swallowtail Afrika, burung merak dan batu separa berharga seperti opal dan ibu mutiara mempunyai sifat ini (Rajah 1).

Hablur fotonik dikelaskan mengikut arah perubahan berkala dalam indeks biasan dalam pengukuran:

1. Hablur fotonik satu dimensi. Dalam kristal sedemikian, indeks biasan berubah dalam satu arah spatial (Rajah 1). Hablur fotonik satu dimensi terdiri daripada lapisan bahan yang selari antara satu sama lain dengan indeks biasan yang berbeza. Kristal sedemikian mempamerkan sifat hanya dalam satu arah spatial berserenjang dengan lapisan.
2. Hablur fotonik dua dimensi. Dalam kristal sedemikian, indeks biasan berubah dalam dua arah spatial (Rajah 2). Dalam kristal sedemikian, kawasan dengan satu indeks biasan (n1) terletak dalam medium indeks biasan yang lain (n2). Bentuk kawasan dengan indeks biasan boleh menjadi apa-apa, sama seperti kekisi kristal itu sendiri. Hablur fotonik sedemikian boleh mempamerkan sifatnya dalam dua arah spatial.
3. Hablur fotonik tiga dimensi. Dalam kristal sedemikian, indeks biasan berubah dalam tiga arah spatial (Rajah 3). Kristal sedemikian boleh mempamerkan sifatnya dalam tiga arah spatial.

Idea fotonik struktur skala nano dan kristal fotonik dilahirkan apabila menganalisis kemungkinan mencipta struktur jalur optik. Diandaikan bahawa dalam struktur jalur optik, seperti dalam struktur jalur semikonduktor, harus ada keadaan yang dibenarkan dan dilarang untuk foton dengan tenaga yang berbeza. Secara teorinya, model medium telah dicadangkan di mana perubahan berkala dalam pemalar dielektrik atau indeks biasan medium digunakan sebagai potensi kekisi berkala. Oleh itu, konsep "jurang jalur fotonik" dalam "kristal fotonik" telah diperkenalkan.

Kristal fotonik ialah superlattice di mana medan dicipta secara buatan, dan tempohnya adalah tertib magnitud yang lebih besar daripada tempoh kekisi utama. Kristal fotonik ialah dielektrik lut sinar dengan struktur berkala tertentu dan sifat optik yang unik.

Struktur berkala terbentuk daripada lubang kecil yang secara berkala mengubah pemalar dielektrik r Diameter lubang ini adalah sedemikian rupa sehingga gelombang cahaya dengan panjang yang ditentukan dengan ketat melaluinya. Semua gelombang lain diserap atau dipantulkan.

Zon fotonik terbentuk di mana kelajuan fasa perambatan cahaya bergantung kepada e. Dalam kristal, cahaya merambat secara koheren dan frekuensi terlarang muncul, bergantung pada arah perambatan. Pembelauan Bragg untuk kristal fotonik berlaku dalam julat panjang gelombang optik.

Hablur sedemikian dipanggil bahan celah jalur fotonik (PBGBs). Dari sudut pandangan elektronik kuantum, undang-undang Einstein untuk pelepasan dirangsang tidak berlaku dalam media aktif tersebut. Selaras dengan undang-undang ini, kadar pelepasan dan penyerapan teraruh adalah sama dan jumlah N 2 dan tidak teruja

daripada atom JV ialah A, + N., = N. Kemudian atau 50%.

Dalam kristal fotonik, penyongsangan populasi tahap 100% mungkin. Ini membolehkan anda mengurangkan kuasa pam dan mengurangkan pemanasan kristal yang tidak perlu.

Jika kristal terdedah kepada gelombang bunyi, maka panjang gelombang cahaya dan arah pergerakan gelombang cahaya, ciri-ciri kristal, boleh berubah. Sifat tersendiri bagi hablur fotonik ialah perkadaran pekali pantulan R cahaya dalam bahagian gelombang panjang spektrum kepada frekuensi kuasa dua dengan 2, dan bukan untuk penyerakan Rayleigh R~ dengan 4 . Komponen gelombang pendek spektrum optik diterangkan oleh undang-undang optik geometri.

Apabila industri mencipta kristal fotonik, adalah perlu untuk mencari teknologi untuk mencipta superlattices tiga dimensi. Ini adalah tugas yang sangat sukar, kerana teknik replikasi standard menggunakan kaedah litografi tidak boleh diterima untuk mencipta struktur nano 3D.

Perhatian penyelidik telah tertarik oleh opal mulia (Rajah 2.23). Adakah mineral ini Si() 2? n 1.0 subkelas hidroksida. Dalam opal semula jadi, lompang globul diisi dengan silika dan air molekul. Dari sudut pandangan nanoelektronik, opal dibungkus padat (terutamanya mengikut undang-undang padu) nanosfera (globul) silika. Sebagai peraturan, diameter nanosfera terletak dalam julat 200-600 nm. Pembungkusan globul silika membentuk kekisi tiga dimensi. Superlattices sedemikian mengandungi lompang struktur dengan dimensi 140-400 nm, yang boleh diisi dengan bahan semikonduktor, optik aktif dan magnet. Dalam struktur opal, adalah mungkin untuk mencipta kekisi tiga dimensi dengan struktur skala nano. Struktur matriks opal optik boleh berfungsi sebagai kristal 3E)-fotonik.

Teknologi silikon makroporous teroksida telah dibangunkan. Berdasarkan proses teknologi ini, struktur tiga dimensi dalam bentuk pin silika telah dicipta (Rajah 2.24).

Jurang jalur fotonik ditemui dalam struktur ini. Parameter jurang jalur boleh diubah pada peringkat proses litografi atau dengan mengisi struktur pin dengan bahan lain.

Pelbagai reka bentuk laser telah dibangunkan berdasarkan kristal fotonik. Satu lagi kelas unsur optik berdasarkan hablur fotonik ialah gentian kristal fotonik(FKV). Mereka ada

nasi. 2.23. Struktur opal sintetik (A) dan opal semula jadi (b)"

" Sumber: Gudilin E. A.[dan lain-lain]. Kekayaan dunia Nano. Laporan foto dari kedalaman jirim; disunting oleh Yu. D. Tretyakov. M.: BINOM. Makmal Ilmu, 2010.

nasi. 2.24.

jurang jalur dalam julat panjang gelombang tertentu. Tidak seperti gentian optik konvensional, gentian celah jalur fotonik mempunyai keupayaan untuk mengalihkan panjang gelombang penyebaran sifar ke kawasan spektrum yang boleh dilihat. Dalam kes ini, syarat disediakan untuk mod soliton perambatan cahaya yang boleh dilihat.

Dengan menukar saiz tiub udara dan, dengan itu, saiz teras, adalah mungkin untuk meningkatkan kepekatan kuasa sinaran cahaya dan sifat tak linear gentian. Dengan menukar geometri gentian dan pelapisan, adalah mungkin untuk mendapatkan gabungan optimum bagi ketaklinear yang kuat dan serakan rendah dalam julat panjang gelombang yang dikehendaki.

Dalam Rajah. 2.25 menunjukkan FKV. Mereka dibahagikan kepada dua jenis. Jenis pertama termasuk FCF dengan teras pandu cahaya pepejal. Secara struktur, gentian sedemikian dibuat dalam bentuk teras kaca kuarza dalam cangkang kristal fotonik. Sifat gelombang gentian tersebut disediakan oleh kesan pantulan total dalam dan oleh sifat jalur hablur fotonik. Oleh itu, mod tertib rendah merambat dalam gentian sedemikian pada julat spektrum yang luas. Mod pesanan tinggi beralih ke cangkerang dan mereput di sana. Dalam kes ini, sifat pandu gelombang kristal untuk mod tertib sifar ditentukan oleh kesan jumlah pantulan dalaman. Struktur jalur bagi kristal fotonik hanya muncul secara tidak langsung.

Gred kedua FKV mempunyai teras pandu cahaya berongga. Cahaya boleh merambat melalui kedua-dua teras gentian dan pelapisan. Pada intinya

nasi. 2.25.

A - bahagian dengan teras panduan cahaya pepejal;

6 - keratan rentas dengan teras gentian pandu cahaya berongga, indeks biasan adalah kurang daripada indeks biasan purata pelapisan. Ini membolehkan anda meningkatkan dengan ketara kuasa sinaran yang diangkut. Pada masa ini, gentian telah dicipta yang mempunyai kehilangan 0.58 dB/km setiap panjang gelombang X = 1.55 µm, yang hampir dengan nilai kehilangan dalam gentian mod tunggal standard (0.2 dB/km).

Antara kelebihan lain gentian kristal fotonik, kami perhatikan perkara berikut:

mod mod tunggal untuk semua panjang gelombang reka bentuk;
pelbagai perubahan dalam tempat mod asas;
pekali serakan malar dan tinggi untuk panjang gelombang 1.3-1.5 µm dan serakan sifar untuk panjang gelombang dalam spektrum yang boleh dilihat;
nilai polarisasi terkawal, serakan halaju kumpulan, spektrum penghantaran.

Gentian dengan pelapisan kristal fotonik digunakan secara meluas untuk menyelesaikan masalah dalam optik, fizik laser, dan terutamanya dalam sistem telekomunikasi. Baru-baru ini, pelbagai resonans yang timbul dalam kristal fotonik telah menarik minat. Kesan polariton dalam kristal fotonik berlaku semasa interaksi resonans elektronik dan foton. Apabila mencipta struktur nano logam-dielektrik dengan tempoh yang jauh lebih pendek daripada panjang gelombang optik, adalah mungkin untuk merealisasikan situasi di mana keadaan r

Produk yang sangat penting dalam pembangunan fotonik ialah sistem gentian optik telekomunikasi. Fungsinya adalah berdasarkan proses penukaran elektro bagi isyarat maklumat, penghantaran isyarat optik termodulat melalui panduan cahaya gentian optik dan penukaran optik-elektronik terbalik.