Фотонные изоляторы

Другой класс фотонных кристаллов - фотонные изоляторы - обладает широкими запрещенными зонами. Такому условию удовлетворяют, например,широкодиапазонные многослойные диэлектрические зеркала. В отличие от обычных непрозрачных сред, в которых свет быстро затухает, превращаясь в тепло, фотонные изоляторы свет не поглощают. Что же касается фотонных полупроводников, то они обладают более узкими по сравнению с изоляторами запрещенными зонами. На рис. 2 показано соотношение разрешенных и запрещенных энергетических зон, соответствующих различным случаям: фотонного проводника (а), фотонного изолятора (б), фотонного полупроводника (в), подавителя спонтанного излучения (г) и фотонного идеального проводника (сверхпроводника) (д). Здесь E_b - ширина разрешенной фотонной зоны, E_g - ширина запрещенной фотонной зоны, E_e - ширина запрещенной электронной зоны, голубым цветом показаны фотонные зоны, красным - электронные.

Использование фотонных полупроводников удобно для организации управления световыми потоками. Это можно делать, например, влияя на положение и ширину запрещенной зоны. Поэтому фотонные кристаллы представляют огромный интерес для построения лазеров нового типа, оптических компьютеров, хранения и передачи информации.

Фотонные кристаллы предполагается использовать для создания оптических интегральных схем так же, как обычные полупроводники, металлы и диэлектрики используются для создания электронных интегральных схем.

Огромный интерес (и наибольшие трудности) представляет синтез фотонных кристаллов для работы в видимой и примыкающих к ней ближней инфракрасной и ультрафиолетовой областях спектра.

Рубин, гранат, теперь - опал

Фотонные кристаллы в природе – большая редкость. С древних времен человека, нашедшего такой кристалл, завораживала в нем особая радужная игра света. Это оптическое явление, получившее название иризация (от греч.  - радуга), характерно для таких минералов, как кальцит, лабрадор, опал. От игры света в последнем происходит термин опалесценция, обозначающий особый, характерный только для этого кристалла тип рассеяния излучения.

Фото опала – природного фотонного кристалла.

Кластерная сверхрешетка опала послужила прототипом для создания искусственных фотонных кристаллов. Например, в одной из самых первых работ по синтезу фотонных кристаллов, выполненной в Физико-техническом институте (Санкт-Петербург) и МГУ в 1996 году, была создана технология получения оптически совершенных синтетических опалов на основе сфер микроскопического размера из двуокиси кремния ². Технология позволяла варьировать параметры синтетических опалов: диаметр сфер, пористость, показатель преломления.

Решетки, образованные плотноупакованными сферами из двуокиси кремния (рис. 3а), содержат пустоты, занимающие до 25% от общего объема кристалла, которые могут заполняться веществами другого сорта. Изменение оптических свойств опалов при наполнении пустот водой было известно уже ученым древнего мира: очень редкая разновидность опала - гидрофан (hydrophane), на старорусском - водосвет, становится прозрачной при погружении в воду.

В современных разработках это свойство фотонного кристалла пытаются использовать для создания переключателя света - оптического транзистора.

Примером подобных работ являются исследования, проведенные в прошлом году в университете Торонто, в которых использовалась кремниевая реплика искусственного опала (если узлы обычного опала представляют собой огромные по атомным меркам шары, то узлами реплики будут того же размера шарообразные пустоты). Полученный кристалл не пропускал свет в узкой полосе длин волн от 1,38 мкм до 1,62 мкм. Дополнительные свойства ему придали, покрыв внутреннюю поверхность узлов - пустот - тонким слоем вещества с другим коэффициентом преломления (в). В Торонто для этого использовали жидкокристаллическую композицию, что позволило управлять положением запрещенной зоны с помощью магнитного и электрического полей и таким путем - манипулировать световыми потоками в кристалле.

Исследователи из Sandia National Laboratories решили подойти к получению фотонных кристаллов с другой стороны и выбрали в качестве основного инструмента оптическую литографию. Тип создаваемых ими структур был назван дровяной поленницей (рис. 4). Несмотря на явное отличие этой технологии от применяющейся в университете Торонто, цели получения фотонных кристаллов в лабораториях Sandia те же - создание микромощных лазеров, оптических компьютеров и средств связи.

Методы оптической литографии развивают также группы исследователей из Оксфордского университета (Англия) и университета Осаки (Япония). Они применяют трехмерную голографическую литографию: в качестве рабочего материала используется полимерный фоторезист, в котором создается трехмерное изображение будущего фотонного кристалла, и в местах, подвергшихся интенсивному облучению, полимер переходит в нерастворимую форму.

Лаборатория Naval Research Laboratory, используя последние достижения нанотехнологий, производит фотонные кристаллы со свойствами, оптимальными для конкретных приложений - оптических переключателей и прерывателей света, оптических датчиков и усилителей, оптоэлектронных компонентов широкополосной связи и др. В качестве узлов кристаллической решетки здесь применяются сильно вытянутые трубчатые образования, заполненные оптическими материалами с резко выраженными нелинейными свойствами. А в исследовательском центре NEC Institute (Принстон, Англия) занимаются разработкой нелинейных сред для фотонных кристаллов на полимерной основе.

На рис. 5 показана примерная схема оптического транзистора, основанная на захвате фотонов. Здесь на длине волны входных сигналов излучение запирается, обеспечивая высокую эффективность нелинейного преобразования излучения по частоте. Для результирующего излучения фотонный кристалл является проводящим, и оно выходит из транзистора по фотонному проводнику.

Настоящую революцию в оптоэлектронике способны произвести разрабатываемые на этой основе низкопороговые (low-threshold) или даже беспороговые (thresholdless) лазеры, открывающие путь для малосигнальной лазерной техники - вплоть до однофотонных лазеров. Образцы лазеров на двумерных фотонных кристаллах созданы, например, в Корее (Advanced Institute of Science and Technology и Electronics and Telecommunications Research Institute). Лазер, непрерывно работающий на длине волны 1,604 мкм, возбуждается 980-нанометровым InGaAs-лазером мощностью 9,2 мВт.

Еще одно уникальное свойство фотонных кристаллов связано с явлением сверхпроводимости. Известно, что тепло, выделяемое проводниками при протекании по ним электрического тока, является одним из главных препятствий на пути создания интегральных схем со сверхплотной упаковкой логических элементов. Использование сверхпроводников могло бы решить многие проблемы, однако разработка сверхпроводящих материалов, совместимых с технологией полупроводников - кремния или арсенида галлия, да к тому же обладающих способностью работать при комнатной температуре, - дело весьма туманного будущего.

В то же время для фотонных кристаллов, где информация переносится светом, создание сверхпроводников, точнее, идеальных фотонных проводников по соседству с фотонным изолятором или фотонным полупроводником не представляет принципиальных трудностей. Следует также отметить, что обычные сверхпроводники принципиально не могут работать при очень большой частоте переключения, так как она ограничена сравнительно малым значением ширины запрещенной зоны вблизи уровня Ферми. На фотонные идеальные проводники это ограничение не распространяется.

Еще одна возможность, предоставляемая фотонными кристаллами, - создание нового типа волноводов. Радиус изгиба обычного стекловолокна не может быть очень маленьким, иначе свет покинет волновод. Поэтому для изменения направления движения волны, например, на угол 90 градусов требуется расстояние не менее десяти длин волн (рис. 6а). А в волноводе из фотонных кристаллов потребуется расстояние порядка одной длины волны и даже меньше (рис. 6б): в пределе, в случае трехмерной упаковки, плотность элементов можно увеличить в сто раз.

Такая технология уже реализована на практике в исследовательском центре Sandia National Laboratories в микроволновом и ближнем инфракрасном диапазоне.

Плотность упаковки функциональных узлов кристаллофотоники ниже, чем у электронных компонентов, однако возможность создания уже в ближайшие годы оптических интегральных схем нового типа, способных к тому же использовать весь объем кристалла, а не только тонкую пленку на его поверхности, является хорошим стимулом для исследователей.