Методи отримання та властивості фотонних кристалів

Размещено на http://www.allbest.ru/

На тему

“Методи отримання та властивості фотонних кристалів”

Вступ

Останніми десятиліттями активно розвиваються дослідження із взаємодії оптичного випромінювання з періодично впорядкованими структурами, де варіюється значення діелектричної проникності на площині чи в об'ємі - фотонними кристалами. В залежності від способу впорядкування і різниці діелектричної проникності структур, у певному інтервалі довжин хвиль може проявитись унікальна особливість фотонних кристалів - відбивання світла з довжиною хвилі, яка визначається формами, розмірами та періодом наноструктур - фотонна заборонена зона. Подібно до діелектриків, що перешкоджають проникненню та поширенню електричного струму, для фотонних кристалів може існувати заборона поширенню світла визначеної довжини хвилі. Побудувавши фотонний кристал із забороненою зоною в потрібному діапазоні, можна формувати у ньому дефекти, котрі використовуватимуться в ролі хвилеводів, де умови для фотонної забороненої зони порушуються, і з'являється можливість пропускання оптичного випромінювання по заздалегідь сконструйованому шляху. Однак, на даний момент побудова фотонних кристалів з повною забороненою зоною у видимій області спектра має ряд перешкод, пов'язаних з технологією виготовлення. Також, з'являються нові задачі побудови гібридних фотонних елементів та приладів, де мають бути одночасно задіяні декілька оптичних явищ та використано нові функціональні матеріали.

У 1972 році радянський фізик В.П.Биков уперше встановив можливість формування дозволених та заборонених інтервалів частот (зон) для електромагнітних хвиль (фотонів) у періодичних структурах. У 1987 році американським фізиком, який працював у Bell Communications Research, Елі Яблоновичем (Eli Yablonovitch) було вперше запроваджено поняття забороненої зони для електромагнітних хвиль (electromagnetic band gap) в надґратках (crystal superlattice), у яких штучно створено додаткове поле з періодом, порівняним з довжиною хвилі. Ним та відомим канадським фізиком-теоретиком Джоном Сайєєвим (John Sajeev) з University of Toronto було показано: 1) в області повної фотонної забороненої зони неможливо спонтанне випромінювання, для якого потрібна наявність власних станів у спектрі випромінених фотонів; 2) фотони можуть локалізуватися на діелектричних дефектах, призводячи до утворення зв'язаних атомно-фотонних станів. Невдовзі після цього терміни «структури з фотонною забороненою зоною» (photonic band gap structures (PBG)) і «фотонний кристал» (photonic crystal) стали ключовими поняттями найновішого напрямку в сучасній оптиці. Нині всі провідні лабораторії світу, що займаються проблемами матеріалів для фотоніки, включились у пошук і дослідження нових оптичних матеріалів - фотонних кристалів. Роботи ведуться високими темпами та великими силами. Буквально кожного дня з'являються нові результати в цій області. Дослідження фотонних кристалів - одна з найгарячіших тематик у найбільших світових центрах науки, високотехнологічного бізнесу та на підприємствах військово-промислового комплексу. Вже отримані та очікувані результати в галузі фізики фотонних кристалів мають таке ж саме значення, як і створення інтегральної мікроелектроніки в 1960-і роки на основі кремнію. Серед основних методів отримання фотонних кристалів можна виділити такі: фотолітографія, голографічна фотополімеризація, стереолітографія, електронно-променева літографія, молекулярна технологія, метод колоїдного самозбирання. Отримання досконалих тривимірних глобулярних структур методом колоїдного самозбирання та широкі можливості модифікації їх оптичних властивостей шляхом інфільтрації речовинами різної хімічної природи дозволяє створювати на їх основі нові регулярні та стохастичні нанокомпозиційні матеріали з унікальними оптичними властивостями.

Мета курсової роботи: проаналізувати методи створення фотонних кристалів, вибравши най кращий з приведених методів у (Розділі II). Використавши матеріали приведений у (Розділі III), дізнатись головні характеристики фотонних кристалів, та перспективи застосування фотонних кристалів які приведені у (Розділі IV).

1. Теоретичне підгрунтя

Існування забороненої зони для фотонних кристалів було передбачено Елі Яблоновичем. Згодом, він експериментально представив перший тривимірний фотонний кристал з повною забороненою зоною для діапазону частот від 13 до 16 ГГц. Для досягнення цього результату в об'ємному діелектрику крізь кожний отвір розташованої впритул двовимірної решітки висвердлювались по три циліндричні отвори, кути між якими мають становити 120° за азимутом і одночасно кожний під кутом 35,26° до нормалі (рис. 1). Існування повної забороненої зони в даному випадку забезпечується несферичною симетрією структур, отриманих перетином висвердлених циліндричних отворів. Саме вони визначають тривимірну періодичну ГЦК решітку, при цьому поверхня зразка відповідає площині (111), а осі отворів - напрямкам (110). Завдяки цьому виродження фотонного спектра в точці W зони Бріллюена ГЦК решітки знімаєтся, і стоп-зона перетворюється в повну заборонену зону. До такої геометрії фотонних кристалів повернемось пізніше, в огляді сучасних робіт із застосуванням трипроменевої інтерференції.

Рис. 1

Ілюстрація елементарної комірки Вігнера-Зейтця в реальному просторі (ГЦК ґратка) - ромбічний додекаедр (ліворуч) та метод виготовлення елементарних комірок ГЦК ґратки (праворуч). Поверхню матеріалу вкрито маскою, що складається з трикутного масиву отворів. Крізь кожний отвір просвердлено 3 циліндричні порожнини під кутом 35,26° до нормалі і під кутами 120° між собою в горизонтальній площин.

Поширення випромінювання у фотонних кристалах, як і в інших матеріалах, описується рівняннями Максвелла:

де - напруженість електричного поля,- магнітного,- діелектрична проникність середовища, - густина струму, щ - частота випромінювання, с - швидкість світла у вакуумі, n - показник заломлення середовища, м =1 - магнітна проникність (для оптичного випромінювання). Оскільки густина струму = 0, виключивши системи рівнянь (1), отримаємo відоме співвідношення:

Розв'язок цього рівняння можна записати у вигляді блохівської хвилі:

яка складається із добутку плоскої хвилі та періодичної складової. Проаналізуємо, яким чином можна створити подібну структуру із забороненою зоною у видимій області. При зменшенні показника заломлення в s разів: або при підстановці в (2), отримаємо:

Звідси видно, що при масштабуванні функції діелектричної проникності (показника заломлення) можна досягти відповідного масштабування спектра і аналогічно зонної структури відповідно до співвідношення щ' = щ?s. І тут найбільш важливим є не стільки абсолютне значення, скільки контраст діелектричної проникності чи показника заломлення, що абсолютно тотожно. Аналізуючи перетворення спектра при розтягненні/стисненні координат r' = r ?s, врахуємо, що діелектрична проникність при цьому не змінюється. Тобто фотонний кристал, його період та розмір структур розтягуються/стискаються разом із координатами . У цьому випадку

Тут видно, як при розтягненні координат змінюється масштаб частоти та відбувається розтягнення профілю електромагнітної моди. Виходить, що для зміщення забороненої зони фотонного кристала у видимий діапазон необхідно зменшити масштаб структур. І якщо для яблоновиту розмір структур становив порядки міліметра, то для видимого діапазону необхідне масштабування до десятків нанометрів зі збереженням особливості симетрії тривимірної структури. Окрім цього, варто врахувати, що діелектрична функція в цій області не повинна мати резонансів, а матеріал - смуг поглинання. Для теоретичного моделювання взаємодії оптичного випромінювання з фотонним кристалом необхідно знати його конфігурацію (геометрію), а також періодичний розподіл діелектричної проникності в об'ємі кристала. Для цього потрібно знайти рішення рівнянь Максвелла (1). Існують різні методи їх чисельного вирішення, а також готові програми для ефективного застосування для реальних задач. Частіше за все використовується метод кінцевих різниць часовій області. Основа методу полягає в тому, що за відомих початкових умов він дає еволюційне вирішення з часом від початку відліку із заданим часовим кроком. З рівнянь (1) маємо:

Для алгоритмічного вирішення за допомогою комп'ютера ці рівняння можна представити у вигляді:

Звідки можна знайти напруженості електричного та магнітного полів в наступний момент часу на основі поточних значень:

2. Методи отримання фотонних кристалів

Згідно з вищеописаним формуванням забороненої зони фотонного кристала у видимій або ближній ІЧ області, період та розмір неоднорідностей діелектричної проникності має становити десятки нанометрів. Складніше з геометрією та симетрією таких систем, що залежить від складності розробки необхідних технологій та зниження вартості. Зараз існує багато різних методів виготовлення фотонних кристалів, вони відрізняються при формуванні одно-, дво-, тривимірних фотонних структур, а в деяких випадках потрібні зовсім інші підходи для виготовлення гібридних систем фотонних кристалів для певних оптичних та оптоелектронних приладів. Розглянемо найбільш відомі методи.

2.1 Методи самоорганізованого формування фотонних кристалів

При самоорганізованому формуванні використовуються колоїдні частинки (найчастіше це монодисперсні силіконові чи полістиролові наночастинки, які з часом набувають актуальності у міру розробки технології їх виготовлення), що знаходяться в рідині і при її випаровуванні шар за шаром осаджуються в певному об'ємі, формуючи тривимірний фотонний кристал і впорядковуючись переважно в гранецентровану чи гексагональну кристалічні ґратки (рис. 2). Цей метод достатньо повільний, формування фотонного кристала триває десятки днів. Інший метод самоорганізованого формування фотонних кристалів передбачає фільтрування рідини, в якій знаходяться частинки, крізь маленькі пори. Цей метод, описаний в роботах [1, 2], дозволяє формувати фотонні кристали зі швидкістю, що визначається течією рідини крізь пори, але при висиханні такого кристала часто виникають дефекти в його структурі. Також фотонні кристали отримують методом вертикального осадження, за допомогою якого можна створювати високоупорядковані структури більшого розміру, ніж це вдається за попередньо описаним методом. У більшості випадків необхідна висока відмінність показників заломлення наноструктур та оточуючого середовища для забезпечення заборонених зон у всіх напрямках. Зазначені методи самоорганізованого формування фотонного кристала частіш за все застосовуються для осадження сферичних колоїдних частинок. Для створення забороненої зони у видимому діапазоні використовуються додаткові дії, спрямовані на збільшення різниці між показниками заломлення наночастинок та середовища.

Рис. 2 Характеристика тонких плоских зразків опалу, які складаються із самоорганізованих 855-нм монодисперсних наночастинок, на Si підкладці

фотонний кристал оптичний опал

Методи травлення найбільш поширені для виготовлення двовимірних фотонних кристалів і широко застосовуються у виробництві напівпровідникових приладів. У цих методах застосовується маска з фоторезисту, осадженого на поверхню напівпровідника, яка задає геометрію області травлення. Цю маску можна отримати в рамках стандартного фотолітографічного процесу з подальшим травленням сухим чи вологим методом поверхні зразка [3]. При цьому в місцях знаходження фоторезисту відбувається травлення його поверхні, а в його околі - травлення напівпровідника. Ця процедура триває до досягнення необхідної глибини, після чого фоторезист змивається.

Недолік методу полягає у використанні фотолітографії, роздільна здатність якої становить близько одного мікрометра, що є недостатнім для створення заборонених зон у видимому діапазоні. Більш ефективною є комбінація стандартного фотолітографічного процесу з іонно-променевою літографією [4]. Для цього використовують сфокусовані іонні промені (найчастіше ) та карту травлення, за допомогою якої з використанням відповідного програмного забезпечення керують скануванням іонного променя по поверхні зразка. Для підвищення швидкості та якості травлення, а також для осадження матеріалів усередині витравлених областей використовують гази, які дають свій внесок у періодичні зміни діелектричної проникності зразків.

Голографічні методи базуються на застосуванні принципів голографії для формування періодичної зміни коефіцієнта заломлення у просторі. Для цього використовується інтерференція двох чи більше когерентних оптичних хвиль для періодичного розподілу інтенсивності електричного поля [5, 6].

Інтерференцією двох хвиль можна створювати одновимірні фотонні кристали, а інтерференцією трьох чи більше хвиль - відповідно двовимірні та тривимірні фотонні кристали.

Рис. 3 Розрахований розподіл інтенсивностей для двопроменевого (а), трипроменевого (б), та чотирипроменевого лазерного інтерференційного структурування (с). Геометрію променів, необхідних для отримання відображених розподілів, показано знизу [7]

Розроблено також інноваційні рішення для високошвидкісного структурування поверхні будь-якою періодичною структурою в один крок. Цей метод прямого лазерного інтерференційного структурування (ПЛІС) дозволяє формувати періодичні структури з різними особливостями і визначеним далеким порядком. У ПЛІС використовується інтерференція двох або більше лазерних променів, як показано на рис. 3. Це схоже на лазерну інтерференційну літографію (ЛІЛ), але для ПЛІС не потрібна процедура проявлення опромінених зразків. Слід зазначити, що у випадку (б) на перший погляд спостерігається певна схожість геометрії променів на геометрію першого фотонного кристала яблоновиту (рис. 1). Дійсно, певна схожість присутня, але при виготовленні яблоновиту відбувається механічне видалення матеріалу, а при інтерференції шляхом ПЛІС - лише в місцях інтерференційних максимумів, що приводить до іншої геометрії структур.

Найбільш важливою вимогою для створення періодичних структур методом ПЛІС є здатність поглинати енергію лазера на вибраній довжині хвилі опроміненого матеріалу. Більше того, лазер повинен забезпечувати достатню енергію імпульсу для безпосереднього видалення (абляції) або модифікації матеріалу. При використанні лазерних систем високих потужностей можливо досягти швидкості структурування близько 1 м 2 /хв [8]. Процес структурування може бути оснований на фототермічному, фотофізичному або фотохімічному механізмах у залежності від типу матеріалу. Здебільшого, полімери та кераміка структуруються УФ лазерним випромінюванням, в той час як метали та тонкі плівки частіше опромінюються зеленим або ІЧ лазерами [9].

Використовуючи цей метод, можна запропонувати широкий вибір морфологій з розмірами структур до нанометрового масштабу. Крім того, якщо поверхні оброблені локально, є можливість виготовлення періодичних структур з різними просторовими періодами в різних положеннях.

2.4Електронно-променева літографія є дорогим, але високоточним методом виготовлення двовимірних фотонних кристалів. У цьому методі фоторезист чутливий до електронних променів, у заданих областях опромінюється для формування просторової маски. Після опромінення частина фоторезисту змивається, а залишена його частина використовується як маска для травлення у подальшій технологічній обробці. Максимальна роздільна здатність цього методу близько 10 нм. Електронно-променева літографія поступається іонно-променевій літографії більшою чутливістю фоторезисту до іонів та відсутністю ефекту близькості, котрий обмежує мінімально можливий розмір області опромінення. Окрім цього існують наноскопічні методи побудови фотонних структур, наприклад скануюча зондова літографія [10], де формується геометрія структур крок за кроком та розміщуються наночастинки у визначених координатах за допомогою зонда. У цьому випадку результат визначається лише задумами дослідника, технологічними можливостями, витраченим часом та просторовими обмеженнями.

3. Характеристики фотонних кристалів

Оскільки для створення фотонних кристалів необхідною умовою є забезпечення фотонної забороненої зони визначеного діапазону довжин хвиль, розглянемо принципи їх формування та вплив на оптичні властивості досліджуваних структур. Тривимірні фотонні кристали можуть мати заборонені зони як в одному, так і в декількох напрямках. Заборонені зони для всіх напрямків можна створити при великій різниці показників заломлення матеріалів, визначених структурах та симетрій їх областей. Кількість заборонених зон, їх положення та ширина в спектрі залежить як від геометричних параметрів фотонного кристала, так і від показників заломлення його окремих структур. Тому заборонені зони можуть бути перенастроюваними, наприклад, шляхом зміни розмірів структур чи змін їх показників заломлення під дією зовнішніх полів.

У залежності від співвідношення дозволених та заборонених енергетичних фотонних та електронних зон відкриваються можливості для конструювання фотонних провідників, фотонних ізоляторів, фотонних напівпровідників, блокаторів спонтанного випромінювання та ідеальних фотонних провідників (надпровідників). Використання фотонних напівпровідників зручно для організації керування світловими потоками. Це можна здійснювати, впливаючи на положення та ширину фотонної забороненої зони [11]. У фотонних кристалах можна створювати джерела випромінювання, оптичні провідники, логічні комірки, елементи пам'яті, що у сукупності в майбутньому дасть підґрунтя для побудови лазерів нового типу та створення оптичних комп'ютерів, пристроїв зберігання та передачі інформації.

Велику роль у цьому відіграють дефекти у фотонних кристалах. Будь-яка неоднорідність у фотонному кристалі є дефектом. У таких областях часто концентрується електромагнітне поле, яке використовується у мікрорезонаторах та мікрохвилеводах, побудованих на основі фотонних кристалів. Для проходження променя формується лінійний дефект структури (наприклад, ліквідується ряд наночастинок). Для повороту променя на 90° формують два лінійні дефекти, з'єднані під прямим кутом. Фізично це зводиться до формування у періодичній двовимірній структурі прямокутного каналу, виходу випромінювання з якого перешкоджає заборонена зона. Теоретично, з точки зору класичної оптики проходженню променя по каналу перешкоджає відбивання, однак фактично ефективність передачі інформації може бути близькою до 100%. Радіус повороту каналу має порядок решітки, менший за довжину хвилі світла. Такий поворот фізично подібний до одновимірного резонансного тунельного ефекту в квантовій механіці. Створюючи точкові дефекти (т.з. резонансні порожнини) в кристалі, можна захоплювати фотони у «пастки» забороненої зони (локалізувати фотони у порожнинах дефекту) і відповідно на їх основі можна створювати прилади зберігання та обробки інформації нового типу. Резонансна порожнина працює таким чином. Біле світло, заведене з торця мікрохвилеводу, поширюється вздовж нього. Хвиля з резонансною частотою захоплюється між двома центральними отворами завдяки наявності забороненої зоні і багатократно відбивається назад-вперед між ними (дзеркальний ефект в резонансній порожнині). Оптичні коливання на резонансній частоті підсилюються за рахунок енергії світла, що надходить зовні. Інші спектральні компоненти експоненціально згасають. При достатньому підсиленні світло резонансної частоти виривається з порожнини і виходить з торця мікрохвилеводу. Конструкція подібна до зарядженого надпровідника, оточеного діелектриком. Однак захоплення випромінювання у фотонних кристалах є принципово новим явищем без багатократного поглинання та випромінювання фотонів, яке є неможливим в силу визначених співвідношень між параметрами фотонних та електронних енергетичних зон. Тому перенос випромінювання при його захопленні у фотонному кристалі має впорядкований характер, суттєво відрізняючись від хаотичного руху розсіяння фотонів у газовому середовищі.

Фотонні кристали також впливають на властивості локалізованих плазмонів, що має великі перспективи застосування у біосенсориці. У роботі [12] запропоновано метод збільшення чутливості сенсора на основі локалізованого плазмонного резонансу. Ідея базується на взаємодії локалізованого плазмону в наноструктурах та фотонної мікропорожнини. Металеві нанострижні розташовані на бреггівській відстані над металевим дзеркалом мікропорожнини типу Фабрі-Перо і являють собою об'єднану фотонноплазмонну систему. Локалізований плазмонний резонанс нанострижнів, як і фазові зміни при збудженні плазмону є надзвичайно чутливими до показника заломлення оточуючого матеріалу. У порівнянні із звичайним плазмонним резонансом у нанострижнях, об'єднана фотонно-плазмонна система дозволяє більш чутливо виявляти зміни показника заломлення. У роботі [13] запропоновано використання локалізованого плазмонного резонансу на фотонних кристалах зі стрижнів, що складаються з діелектричних осередків та металевих 99 нанооболонок. Резонансний плазмон, потрапляючи між внутрішньою та зовнішньою поверхнями металевої нанооболонки, формує локалізовані плазмонні резонанси, які можуть бути точно налаштовані за допомогою діелектричних осередків стрижнів. На резонансних довжинах хвиль сильна електромагнітна взаємодія хвиль плазмонів призводить до посилення поглинання більше ніж у 20 разів. Також показана можливість зміни її частоти.

Іонна імплантація є популярним методом легування напівпровідникових матеріалів з метою створення необхідної ширини електронної забороненої зони для ефективного поєднання носіїв n- та p-типу провідності в сучасних оптоелектронних приладах. Виявляється, що іонна імплантація може бути корисною для модифікації фотонних систем та для створення сенсорів на основі локалізованого плазмонного резонансу. Зокрема, іонна імплантація застосовувалась для локальної модифікації поверхні кремнієвого скла для утворення періодичних мікроструктур з наночастинками Cu [14]. Наночастинки синтезувались імплантацією іонів Cu в кремнієві стекла з енергією 40 кеВ та дозою 5Ч ioн/ при густині струму 5 мкA/. У цій процедурі застосовувалась іонна імплантація низьких енергій у скло крізь маску, розташовану на поверхні. Формування наночастинок спостерігалось за допомогою оптичної спектроскопії та мікроскопії атомних сил.

У роботі показано, як низькоенергетичні іони можуть бути використані для виробництва фотонних наноструктур на діелектричній поверхні в одноетапному процесі. В іншій роботі автори повідомляють про нелінійний коефіцієнт заломлення, виміряний у впорядкованому масиві нанокластерів Si, імплантованих іонами Ge, Si та Er. Це дає змогу створити нелінійні оптичні елементи товщиною порядку довжини хвилі. В інших роботах [15-17] при імплантації іонами аргону тонких плівок Ni (рис. 4), Mo та Pd на підкладці з ніоботу літію спостерігались зміни структури поверхні з одночасним збільшенням поглинання при певних довжинах хвиль, особливо у випадку Pd плівок. Але досліджень локалізованого плазмонного резонансу в структурованих іонною імплантацією Pd плівках не проводилось. Оскільки ніобат літію є нелінійним кристалом з добре вираженими сегнетоелектричними властивостями, було б перспективним проведення досліджень гібридних фотонно-плазмонних структур тонких металевих плівок на підкладці ніобату літію, імплантованих іонами благородних металів або інертних газів.

Рис. 4 Структура поверхні тонких (40 нм) плівок Ni на ніобаті літію до (а) та після (б) імплантації іонами Ar+

4. Перспективи застосування фотонних кристалів

Фотонні кристали можуть бути використані для розв'язання глобальних проблем, таких як створення надпотужних комп'ютерів на основі фотонних інтегральних схем (ФІС). Також для низки складних функціональних задач, таких як: поворот променя на 90°, перетин двох хвилеводів, фільтрація окремої світлової хвилі із загального потоку та багато інших [18]. Розглянемо проблему, яка виникає під час прокладання волоконних ліній зв'язку, - поворот волокна. Поворот оптичного хвилеводу, при якому втрати є мінімальними, можливий лише за умови, якщо радіус буде на багато більшим, ніж довжина хвилі. Виконання цієї умови в інтегральній оптиці є досить складним завданням, особливо для довжини хвилі 1550 нм. Поворот променя в такому випадку краще розглядати у площині двовимірного фотонного кристала (рис. 5).

Рис. 5 Схема повороту у фотонних кристалах

Ідея повороту зводиться до видалення ряду стержнів за напрямком слідування променя, таким чином створюючи лінійний дефект. Матеріали для виготовлення обирають залежно від довжини хвилі, що поширюватиметься цим каналом, зокрема для видимого діапазону використовують природний опал Si nO, для інфрачервоного діапазону використовують макропористий кремній 2 SiO. У цьому випадку радіус повороту складає 2a, де a - період гратки [19]. Проблему із підключенням волоконного каналу до ФК розв'язують як безпосередній контакт каналу та кристалу, скріпленого інтегральним виконанням (рис. 6).

Рис. 6 Підведення інтегрального хвилеводу до фотонного кристалу

Така реалізація повороту дозволяє суттєво заощадити на ресурсах, використовуючи замість волокна ФК, зменшує в декілька разів розміри схеми та мінімізує ймовірність втрати сигналу чи його послаблення.

Передумовою для створення фільтра на основі фотонних кристалів стали технології DWDM та HDWDM. В основу покладено завдання виділення із загального потоку несучих хвиль окремо заданої хвилі для її обробки, маршрутизації і т. д. Традиційні смугові фільтри для цих завдань є непридатними, оскільки мають широку смугу пропускання та низьку добротність, що призводить до необґрунтованих втрат [20]. Однією з відомих властивостей фотонного кристалу є селективність при пропусканні світлових хвиль, що досягається за рахунок створення резонансних дефектів у структурі кристалу, як показано на рис. 7.

Рис. 7 Фільтрація хвиль структурою на основі фотонного кристала

Такий підхід дозволяє вилучати із магістрального каналу сигнал з певною довжиною хвилі, при цьому не створюючи завад для решти хвиль, що в ньому поширюються. Також це дає можливість реалізувати введення в магістральний канал сигналу за умови, що його поширення не заборонено.

У сучасних інформаційних системах обробку даних виконують в електричному форматі, тобто на класичних схемах із використанням електричних мікропроцесорів, які є обмеженими за швидкодією та архітектурною реалізацією, обмін між структурними елементами цих систем виконується із використанням оптичних технологій, зокрема волокна. Складається ситуація, за якої інформація спочатку обробляється, кодується в оптичний сигнал, передається, декодується і знову піддається обробці в електричному форматі. Подвійне перетворення інформації з оптичної в електричну і навпаки є основною проблемою, і для її розв'язання автори пропонують використати фотонні кристали, у перспективі саме структури на їхній основі замінять нинішні процесори.

Для виготовлення самих кристалів існують усі необхідні технології та методи: починаючи від епітаксійного вирощування, закінчуючи фотолітографією. Найбільш придатним для створення кристалів, орієнтованих на ФІС, є метод двофотонної полімеризації, суть якого полягає у витравленні за допомогою лазерів неоднорідностей із розмірами в декілька нанометрів [18]. Також використання саме цього методу дозволяє будувати канали довільної довжини та складної топології (приклад наведено на рис. 8).

Рис

Висновки

1. У даній курсовій роботі було детально розглянуто усі аспекти пов'язані з методами виготовлення фотонних кристалів, теоретичне підгрунтя характеристики і перспективи застосування їх у фотонних пристроях.

2. Проаналізувавши методи виготовлення фотонних кристалів які приведенні в даній роботі, я визначив кращий по своїм характеристикам метод виготовлення фотонних кристалів таким методом , як комбінація стандартного фотолітографічного процесу з іонно-променевою літографією. Для цього використовують сфокусовані іонні промені (найчастіше ) та карту травлення, за допомогою якої з використанням відповідного програмного забезпечення керують скануванням іонного променя по поверхні зразка.

3. З приведених у роботі характеристик фотонних кристалів головними є:

· Співвідношення дозволених та заборонених енергетичних фотонних та електронних зон.

· Дефекти у фотонних кристалах.

· Локалізовані плазмони.

· Ступінь іонної імплантації.

4. Фотонні кристали можуть бути використані для розв'язання глобальних проблем, таких як створення надпотужних комп'ютерів на основі фотонних інтегральних схем (ФІС). Також для низки складних функціональних задач, таких як: поворот променя на 90°, перетин двох хвилеводів, фільтрація окремої світлової хвилі із загального потоку.

Список літератури

1. Junhu Zhang, Zhiqiang Sun, Bai Yang. Self-assembly of photonic crystals from polymer colloids. Current Opinion in Colloid & Interface Science. 2009. 14, No. 2. P. 103-114.

2. Passoni L., Criante L., Fumagalli F. et al. Self-assembled hierarchical nanostructures for high-efficiency porous photonic crystals. ACS Nano. 2014. 8, No. 12. P. 12167-12174.

3. Peng Yao, Schneider G.J., Prather D.W., Wetzel E.D., and O'Brien D.J. Fabrication of three-dimensional photonic crystals with multilayer photolithography. Opt. Exp. 2005. 13. P. 2370-2376.

4. Saulius Juodkazis, Lorenzo Rosa, Sven Bauerdick, Lloyd Peto, Ramy El-Ganainy, and Sajeev John, Sculpturing of photonic crystals by ion beam lithography: Towards complete photonic bandgap at visible wavelengths. Opt. Exp. 2011. 19. P. 5802-5810.

5. Comoretto D. Organic and Hybrid Photonic Crystals. Springer, 2015. 497 p.

6. George D., Lutkenhaus J., Lowell D., Moazzezi M. Holographic fabrication of 3D photonic crystals through interference of multi-beams with 4+1, 5+1 and 6+1 configurations. Opt. Exp. 2014. 22. P. 22421-22431.

7. Lasagni A.F., Roch T., Berger J., Kunze T., Lang V., Beyer E. To use or not to use (direct laser interference patterning), that is the question. Proc. SPIE. 2015. 9351. P. 935115.

8. Satoru Shoji and Satoshi Kawata. Photofabrication of three-dimensional photonic crystals by multibeam laser interference into a photopolymerizable resin. Appl. Phys. Lett. 2005. 76, No. 19. P. 2668-2670.

9. Roch T., Benke D., Milles S. et al. Dependence between friction of laser interference patterned carbon and the thin film morphology. Diamond Related Mater. 2015. 55. P. 16-21.

10. Holzner F. Thermal Probe Nanolithography for Novel Photonic Devices. Advanced Photonics 2015, OSA Technical Digest. 2015. 201. IT2A.2.

11. Названов В.Ф. Фотонные кристаллы в примерах. М.: Капитал, 2011. 57 c.

12. Ameling R., Langguth L., Hentschel M. et al. Cavity-enhanced localized plasmon resonance sensing. Appl. Phys. Lett. 2010. 97. P. 253116.

13. Jiafang Li, MD Muntasir Hossain, Baohua Jia, Dario Buso, and Min Gu, Three-dimensional hybrid photonic crystals merged with localized plasmon resonances. Opt. Exp. 2010. 18. P. 4491-4498.

14. Stepanov A.L., Galyautdinov M.F., Evlyukhin A.B. et al. Synthesis of periodic plasmonic microstructures with copper nanoparticles in silica glass by low-energy ion implantation. Appl. Phys. A. 2013. 111, No. 1. P. 261-264.

15. Lysiuk V.O., Staschuk V.S., Androsyuk I.G., Moskalenko N.L. Optical properties of ion implanted thin Ni films on lithium niobate. Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics. 2011. 14, No. 1. P. 59-61.

16. Lysiuk V.O. Influence of ion implantation on optical properties of thin Mo films on lithium niobate. Металлофизика и новейшие технологии. 2011. 33, № 10. С. 1343-1349. 103

17. Lysiuk V.O., Staschuk V.S., Klyui M.I. Influence of ion implantation on optical properties of thin Pd films on lithium niobate. Functional Materials. 2011. 18, No. 3. P. 320-323.

18. Sakoda K. Optical Properties of Photonic Crystals / K. Sakoda. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2007. 305 p.

19. Notomi M. Negative refraction in photonic crystals / M. Notomi. Opt. Quantum Electron, 2009. 133 р.

20. Koenderink A. F. Emission and transport of light in photonic crystals / A. F. Koenderink. Universiteit van Amsterdam, 2006. 178 р.

Размещено на Allbest.ru