Классификация фотонных кристаллов

Фотонные  кристаллы могут помочь решить все  эти проблемы. С их помощью можно сузить диапазон длин волн излучения в полупроводниковых лазерах и эмиссионных диодах или создать оптические фильтры с высокой селективностью. Главный недостаток существующих эмиссионных диодов и полупроводниковых лазеров в том, что они испускают фотоны в большой телесный угол и в широком частотном диапазоне. На основе фотонных кристаллов можно создать зеркало, которое будет отражать определенную волну света для любого выбранного угла и направления.

Такие трехмерные зеркала были созданы в 1994 году в  лаборатории Эймса (США) для СВЧ-волн. Для более коротких длин волн их разработали специалисты из Голландии и США. Эти структуры представляют собой специально уложенные кремниевые полоски - для СВЧ-волн - или специальным образом ориентированные крошечные (меньше микрона) кварцевые сферы в некотором коллоидном веществе.

Еще одна перспективная  технология в волоконной оптике - скоростные солитонные линии связи, которые отличаются от обычных высокой помехоустойчивостью и низким уровнем шумов. Солитоны - это устойчивые уединенные гребни волн, которые распространяются в среде как частицы. При взаимодействии друг с другом или с другими возмущениями они не разрушаются, а расходятся, сохраняя свою структуру неизменной.

Настоящую революцию в оптоэлектронике  способны произвести разрабатываемые на основе фотонных кристаллов низкопороговые (low-threshold) или даже беспороговые (thresholdless) лазеры, открывающие путь для малосигнальной лазерной техники - вплоть до однофотонных лазеров. Полученный лазер обладает уникальными свойствами. Например, его излучение может быть направлено в любом, заранее выбранном, направлении, что позволяет встраивать его в обычную полупроводниковую микросхему.

Фотонные кристаллы обеспечивают отличную цветопередачу у ЖК-дисплеев. Находка ученых, возможно, позволит значительно повысить качество картинки, формируемой жидкокристаллическими  дисплеями, и увеличить размеры экранов на базе данной технологии. Кроме того, обнаруженную методику можно применить в электронной бумаге. На фотонных кристаллах разработан полноцветный гнущийся дисплей учеными из университета Торонто. Благодаря простоте его конструкции становится возможным скорое его появление в виде крупномасштабных систем отображения видеоинформации (например, на рекламных щитах).

 

 

Рисунок 12 – Полноцветный гнущийся дисплей на фотонных кристаллах

 

Каждый  пиксель такого дисплея представляет собой фотонный кристалл массив кремниевых микросфер, располагающихся в пространстве строго определенным образом. В зависимости от шага решетки такой материал имеет различные оптические свойства. Управление оптическими свойствами материала осуществляется механически - его «растяжением».

Также ученым пришло в голову, как использовать обыкновенный кремнезём и технологии производства фотонных кристаллов для создания необычных и очень красивых «камней». Используя метод фотолитографии (получение рисунка на тонкой плёнке материала), вытравливаются на образцах будущих «бриллиантов» круглые, треугольные и шестиугольные фигуры, «вставляя» в один кристалл до 200 различных образцов рисунков. Таким образом добиваются эффекта огранки как у алмазов: каждая нанесённая на фотонный кристалл фигура отражает свет определённой длины волны и в определённом направлении. И «камень» играет всеми цветами радуги. Хоть драгоценности и искусственные, стоить они будут не так уж и мало.

 

 

Рисунок 13 – Искусственно созданный драгоценный камень на основе фотонных кристаллов

 

 

Команда исследователей из Массачусетского технологического института (США) разработала метод получения высокотемпературной версии такого материала, как фотонный кристалл. В качестве рабочего вещества использовались металлы тантал и вольфрам. Материал, способный работать при температурах до 1200 ˚С, причём практически от любого источника тепла, мог бы найти применение в самом широком спектре приложений. Это и питание мобильной электроники, и энергия для кораблей, путешествующих в глубоком космосе, но ещё и новый вид инфракрасных излучателей, которые пригодятся в качестве химических детекторов или сенсоров.

В сравнении с предыдущими  попытками получения высотемпературных  фотонных кристаллов (ФК) эта — самая-самая. По словам учёных, они производят фотонный материал проще, надёжнее и с высоким выходом. Важно и то, что, ввиду готовности промоборудования, способ не разорит массовое производство. Технология может использовать методы микрообработки и существующую технику по производству компьютерных чипов.

 

Рисунок 14 - Структура вольфрамового фотонного кристалла

Как известно, у природы  есть свои ФК; к ним, например, относятся  опалы, радужные цвета которых обусловлены  слоистой структурой, имеющей масштаб, сравнимый с длинами волн видимого света. А вот учёные из MIT, опираясь на наноинжиниринг, взялись за кристаллы  для инфракрасной области. Все ФК имеют один и тот же мотив в  кристаллических решетках, где пустоты  одного слоя перекрываются сверху и  снизу материалом соседних, что обеспечивает возможность селективно «фильтровать» длины волн, поглощая одни и пропуская другие.

ФК, способные действовать  при очень высоких температурах, могли бы пригодиться в таких  областях, как солнечно-тепловая и  солнечно-химическая конверсия, приборы  и движители на радиоизотопах, генераторы на углеводородах, и, конечно же, в качестве компонентов систем по извлечению энергии из тепла, производимого электростанциями и заводами. Но, увы, на пути к созданию таких материалов всегда было слишком много препятствий. Высокая температура может приводить к испарению кристалла, диффузии, коррозии, растрескиванию, плавлению или быстрым химическим реакциям в его наноструктурах. Чтобы одолеть все эти проблемы, исследователи начали с компьютерного моделирования, дабы теоретически рассчитать геометрию будущего материала, которая позволила бы избежать повреждений, связанных с нагревом кристалла. В качестве рабочего вещества был выбран вольфрам высокой чистоты.

Исследование вызвало  особое внимание НАСА — благодаря реальной возможности обеспечения энергией экспедиций в глубокий космос, где нельзя использовать Солнце. Такие миссии должны оснащаться тепловыми генераторами на ядерном топливе (ничего другого — столь же мощного, долгоиграющего и компактного — у человечества пока нет). Например, новый марсоход Curiosity, что прибудет на Марс этим летом, как раз использует радиоизотопную термоэлектрическую систему, а потому сможет работать несколько лет (в отличие от аналогов на солнечных батареях, жизнь которых замирает с наступлением марсианской зимы).

Если коротко и доходчиво, то вот как это выглядит. ФК, нагреваясь, поглощает тепло, а затем, проведя внутреннюю «фильтрацию», излучает на фотогальванические ячейки специально подобранной солнечной батареи именно те длины волн, которые батарея преобразует в электричество с максимальной эффективностью. В дополнение к производству энергии тот же ФК может использоваться именно для получения инфракрасного света, причём очень узкого спектра. Это способно привести к появлению высокоточных методов спектроскопического анализа материалов, а также к созданию чувствительных химических детекторов.

Разумеется, предсказать, когда  та или иная разработка воплотится в коммерческих продуктах, невозможно, но, по словам авторов, это может случиться уже в ближайшие два года. Однако наиболее вероятный срок — пять лет.

Также американским ученым удалось найти способ изменить трехмерную структуру полупроводникового материала и придать ей новые, оптические свойства, сохранив электрические.

 
Рисунок 15 - Процесс создания трехмерного фотонного кристалла с электрическими свойствами

 

Фотонные кристаллы представляют собой материалы, которые могут  управлять светом благодаря своей  уникальной физической структуре. Фотонные кристаллы могут демонстрировать  необычные явления, они могут  влиять на фотоны и позволяют создавать устройства, которые невозможны при использовании традиционных оптических материалов. Фотонные кристаллы широко применяются в лазерах, солнечных батареях, светодиодах и множестве других устройств.

Тем не менее, все предыдущие попытки создания фотонных кристаллов приводили к появлению оптически  активных материалов, которые могли  управлять светом, но не имели электрических свойств, например не могли превратить электричество в свет или наоборот.

Фотонный кристалл ученых Университета Иллинойса обладает такими свойствами: он имеет уникальные оптические свойства и при этом имеет свойства электрические.

Новый фотонный кристалл создан с помощью технологии эпитаксии  – послойного выращивания монокристалла. Обычно она широко применяется в промышленности для создания двумерных пленок полупроводников, но группе ученых удалось найти способ использовать ее для выращивания сложных трехмерных структур.

Для этого ученые сделали  шаблон из плотно упакованных крошечных  сфер, который поместили в арсенид  галлия, заполнивший пробелы между  ними. Обычно арсенид галлия растет в виде пленки снизу верх, но в  данном случае по мере роста ему  пришлось заполнять полости в  шаблоне, формируя трехмерный кристалл. Как только шаблон заполнился, исследователи  удалили сферы, в результате чего сформировалась пористая трехмерная структура монокристаллического полупроводника. Затем они покрыли всю структуру тонким слоем полупроводника с более широкой запрещенной зоной для повышения производительности и предотвращения поверхностной рекомбинации. Для проверки новой технологии, ученые создали и успешно испытали трехмерный светодиодный кристалл.

Новая технология позволяет  избежать множества дефектов, которые  неизбежны при использовании других традиционных методов создания трехмерных фотонных структур.

В настоящее время ведется  работа по оптимизации структуры  для конкретных приложений: светодиодов, полупроводниковых материалов, солнечных панелей, метаматериалов и низкопороговых лазеров.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

 

Прошло  не так много лет с начала первых разработок, как инвесторам стало ясно, что фотонные кристаллы являются оптическими материалами принципиально нового типа и что у них - блестящее будущее. Выход разработок фотонных кристаллов оптического диапазона на уровень коммерческого применения, скорее всего, произойдет в сфере телекоммуникаций. Параллельно с волноводами на основе фотонных кристаллов ведутся технологические проработки других компонентов телекоммуникационной техники, в первую очередь - пассивных оптических фильтров, прерывателей и низкопороговых лазеров.

Конечно, сегодня фотонные кристаллы –  это лишь лабораторные объекты, но их потенциальные возможности настолько  широки, что промышленная реализация данных структур, скорее всего, не заставит себя долго ждать.

Обозреватели  рынка высоких технологий уже  отмечают появление признаков нешуточной конкурентной борьбы, участники которой зачастую тщательно скрывают направления финансируемых ими исследований и достигнутые результаты. Разработками в области фотоники занимаются и гиганты оптоволоконного

Не исключено, что последствия  бума научно-исследовательских и  опытно-конструкторских работ в  области физики фотонных кристаллов и устройств на их основе будут  сравнимы по значимости с созданием  интегральной микроэлектроники в 1960-е годы: материалы нового типа позволят создавать оптические микросхемы по образу и подобию элементов полупроводниковой электроники, а принципиально новые способы передачи, хранения и обработки информации, отрабатываемые сегодня на фотонных кристаллах, в свою очередь, найдут применение в полупроводниковой электронике будущего. Неудивительно, что эта область исследований - одна из самых горячих в крупнейших мировых научных центрах, гигантах высокотехнологичного бизнеса и на предприятиях военно-промышленного комплекса.

 

Список литературы

 

1 Н. Слепов  «Электроника: Наука, Технология, Бизнес»  2/2000.

2 Johnson S.G., Manolatou Ch., Fan Sh., Villeneuve P.R., Joannopoulos., Haus  H.A. Elimination of Crosstalk in Waveguide Intersection. – Optics Letters, 1998, Dec, №23.

3 E. Yablonovitch, Inhibited spontaneous emission in solid-state physics and electronics, Physical Review Letters, Vol. 58, N. 20, p.2059-2062.

4 В.А. Кособукин, «Фотонные кристаллы», Окно в Микромир, No. 4, 2002.

5 T.F. Krauss, R.M. De La Rue «Photonic Crystals in the Optical Regime – Past, Present and Future» // Progress in Quantum Electronics, 23 (1999) 51.

6 O. Toader and S. John. «Proposed Square Spiral Microfabrication Architecture for Large Three- Dimensional Photonic Band Gap Crystals» // Science, 292 (2001) 1133.

7 Белотелов В.И., Звездин А.К. Фотонные кристаллы и другие метаматериалы. - М.: Бюро Квантум, 2006. — 144 с. (Библиотечка «Квант». Вып. 94.

Приложение к журналу  «Квант» № 2/2006.)