Фотонные кристаллы

Бурный прогресс в микроэлектронике и грандиозные проекты развития информационных технологий в последнее время все ближе сталкиваются с проблемой существования фундаментальных ограничений быстродействия полупроводниковых устройств. В связи с этим все большее число исследований посвящается разработке принципиальных основ альтернативных полупроводниковой электронике областей – микроэлектронике сверхпроводников, спинтронике и фотонике.

Основой многих устройств фотонике могут служить фотонные кристаллы – пространственно упорядоченные системы со строго периодической модуляцией диэлектрической проницаемости (строго периодическим изменением коэффициента преломления в масштабах, сопоставимых с длинами волн излучения в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах). Указанная периодичность, по аналогии с электронной зонной структурой в регулярной кристаллической решетке, обуславливает возникновение фотонной запрещенной зоны – спектральной области, в пределах которой распространение света в фотонном кристалле подавлено во всех (полная фотонная запрещенная зона) или в некоторых избранных направлениях (будучи прозрачными дл широкого спектра электромагнитного излучения, фотонные кристаллы на пропускают свет с длиной волны, сравнимой с периодом структуры фотонного кристалла). Наличие фотонной запрещенной зоны обуславливает эффект локализации света, что позволяет осуществлять контроль спонтанного излучения внутри фотонного кристалла и открывает путь к созданию низкопороговых лазерных излучателей для видимого и ближнего инфракрасного диапазонов. Кроме того, использование фотонных кристаллов при конструировании телекоммуникационных систем может привести к снижению коэффициента затухания в оптических волокнах и созданию не имеющих аналогов сверхбыстрых, полностью оптических, переключателей потоков информации.

Разработка этого направления началась в 1987 году и очень быстро стала модной во многих ведущих лабораторий мира. В настоящее время число публикаций по проблеме фотонных кристаллов (в их числе многочисленные статьи в Nature, Science, Advanced Materials и др.) ежегодно удваиваются. В последние годы созываются специализированные представительные международные конференции, целиком посвященные этой тематике. Лаборатории ведущих компаний и университетов мира (IBM, NEC, Sandia National Laboratories, MIT, и др.) в течение последних 10 лет прикладывают серьезные усилия для изготовления фотонных кристаллов с оптическим контрастом и структурой, удовлетворяющей достижению полной фотонной запрещенной зоны в видимой и ближней инфракрасной областях спектра. Однако даже используя самые современные методы субмикронной электронной литографии и анизотропного ионного травления, к настоящему моменту удалось искусственно изготовить фотонные кристаллы с толщиной менее 10 структурных ячеек.

Для получения необходимых фотонно-кристаллических свойств, весьма перспективными считаются самопроизвольно формирующиеся синтетические опалы и материалы на их основе. Видимым проявлением существования фотонных запрещенных зон является иризация опалов, образованных монодисперсными микросферами SiO₂xH₂O диаметром 150-900 нм., упакованными в кубическую гранецентрированную решетку. Важность разработки данного направления связана с отсутствием фундаментальных ограничений на размеры образцов и возможностью контролируемого изменения их оптических свойств. В настоящее время наибольший интерес представляют фотонные кристаллы, для которых запрещенная зона лежит в видимой (400-700 нм) или в ближней инфракрасной (1-1,5 мкм) областях. Создание трехмерного фотонного кристалла с запрещенной зоной в указанном интервале длин волн остается на протяжении последних десяти лет одной из главных задач материаловедения.

Опаловые матрицы представляют собой материалы, получение которых основано на принципах самосборки, в ряде случаев – на процессах самоорганизации в сложных системах с многоуровневыми взаимодействиями между составляющими ее объектами – коллоидными частицами. Для фотонных кристаллов принципиально важен тщательный контроль как физико-химических, геометрических и диэлектрических характеристик материала “строительных блоков“ (самособирающихся коллоидных частиц), так и разработка новых методик их получения, обеспечивающих существенное сокращение времени синтеза, минимальное содержание дефектов. Являясь в определенной степени аналогами обычных кристаллов, фотонные кристаллы чрезвычайно интересны. Предложен целый ряд методов сборки фотонных кристаллов из коллоидных микрочастиц. Сферические кварцевые микрочастицы на искусственно созданном рельефе рассматриваются в качестве опаловых чипов – элементов для оптических интегральных схем на основе фотоники.

Ключевое требование к фотонным кристаллам – это периодичность структуры на нано(микро) уровнях. Что обусловливает уникальные дифракционные свойства этих материалов. Практическое использование фотонных кристаллов может привести к значительному повышению эффективности светодиодов и лазеров, созданию новых типов волноводов, оптических переключателей. На слайдах видны упорядоченные структуры из микросфер.