Фотонные кристаллы

НОВЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ СРЕДЫ ДЛЯ ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ

Современные оптоэлектронные устройства строятся на принципах функциональной электроники, когда в одной рабочей среде осуществляются сразу несколько функций обработки сигналов. Перспективными средами функциональной оптоэлектроники являются 2-х и 3-х мерные искусственные среды в виде фотонных кристаллов с регулируемой запрещенной зоной, фоторефрактивные реверсивные среды для записи оптических изображений и голографии, а также нанокомпозитные материалы с регулируемыми оптическими свойствами.

Фотонные кристаллы

Исследование фотонно-кристаллических структур – нового класса оптических материалов, с появлением которых стало возможным практическое решение многих актуальных проблем и потребностей современных оптических технологий, представляет собой одну из важных и бурно развивающихся областей физической науки во всем мире. Волокна с фотонно-кристаллической оболочкой (holey fibers, photonic crystal fibers) - новый тип оптических волноводов, чьи уникальные свойства представляют особенный интерес в контексте возможности решения насущных проблем современной оптики, лазерной физики, фотоники и телекоммуникаций.

За последние несколько лет в России и за рубежом (США, Австрия, Германия, Великобритания) активно проводятся работы, в которых демонстрируются возможности фотонных кристаллов и фотонно-кристаллических (микроструктурных) волокон для применения их в волоконно-оптических линиях связи, управления спектром пропускания, генерации второй и третьей гармоник, генерации «сжатого» света. Показаны возможности использования фотонных кристаллов для нелинейно-оптических преобразований световых сигналов.

В настоящее время создано и всесторонне исследуется фотонно-кристаллическое волокно, которое представляет собой двумерный периодический фотонный кристалл, изготовленный из кварца. Такое волокно послужило основой для создания фотонно-кристаллических волноводов. В настоящее время детально изучаются свойства таких волноводов, расширяется область их практических приложений, растет число научных групп, исследующих такие структуры [19]. Волноводы на основе фотонных кристаллов представляют значительный интерес как в связи с проблемами волоконной оптики [20] так и для решения многих актуальных задач нелинейной оптики, атомной оптики, высокоточных оптических измерений частоты, медицинской оптики и передачи информации [19, 20].

Фотонный кристалл представляет собой решетку из периодических диэлектрических слоев с большой глубиной модуляции диэлектрических постоянных (в одном, двух или трех измерениях), размер элементарных ячеек которой сравним с длинной волны электромагнитного излучения. Как известно, (см. главу 1) структуры с периодическим изменением диэлектрической постоянной влияют на характер распространения оптического излучения в материале. Вследствие периодической модуляции их оптических свойств фотонные кристаллы характеризуются особыми режимами распространения световых волн в определенных интервалах длин волн и волновых векторов. В связи с особенностями конструкции структуры, электромагнитные собственные моды в фотонном кристалле, аналогичны волнам Блоха в физике твердого тела и за счет рассеяния Брэгга на границе раздела диэлектриков, фотонно-кристаллические структуры проявляют свойства аналогичные свойствам атомных решеток. В частности, интерференция электромагнитных волн, распространяющихся вдоль определенных направлений в фотонно-кристаллических структурах, приводит к возникновению фотонных запрещенных зон [21, 22]. Иными словами, фотонный кристалл является «идеально» отражающей средой для оптического излучения определенного диапазона частот, именуемого запрещенной зоной.

Традиционно манипуляции с оптическим излучением основывались на механизме полного внутреннего отражения, соблюдение принципов которого ограничивает возможности этого манипулирования. Фотонные кристаллы предполагают совершенно другой механизм контроля излучения, основанный на существовании фотонной запрещенной зоны в спектре пропускания структуры. В случае, когда удается создать фотонно-кристаллические структуры с замкнутыми (полными) фотонными запрещенными зонами, электромагнитное излучение определенного частотного диапазона не может распространяться в такой структуре независимо от направлений волнового вектора и вектора поляризации. В этом случае фотонно-кристаллическая структура ведет себя подобно изолятору. Однако при введении в фотонный кристалл дефекта, или, другими словами ошибки в периодичности структуры, происходит локализация фотонных состояний в зоне и изменение формы и свойств самой зоны. Линейный дефект воздействует подобно волноводу, излучение распространяется с частотой в пределах фотонной запрещенной зоны кристалла и, вследствие существования запрещенной зоны, ограниченно даже при существенных углах изгиба фотонно-кристаллического волновода. Точечный дефект может воздействовать подобно микрорезонатору. Планарный дефект аналогичен идеальному зеркалу. Следовательно, появляется возможность формировать или контролировать свойства излучения, посредством манипулирования фотоном.

С более общих позиций, управление фотонами в фотонных кристаллах, по сути, открывает новые возможности для разработки разнообразных устройств фотоники (аналогично тому, как управление электронов в решетке атомов позволяет создать многочисленные электронные устройства). Однако, в отличие от полупроводников, где существует естественное упорядочение атомов, фотонные кристаллы нужно изготавливать искусственным путем. Вследствие того, что размер единичной ячейки фотонно-кристаллической структуры должен быть сравним с длиной волны света, создание таких структур требует микролитографической техники на грани искусства, так как хотя такой период в 1000 раз больше постоянной атомной решетки, но это в 100 раз меньше диаметра человеческого волоса [22].