Свойства и применение фотонных кристаллов

Наличие разрешенных и запрещенных зон в фотонных кристаллов определяет их основные свойства и области применения. Наличие полной запрещенной зоны в спектре электромагнитных возбуждений фотонного кристалла означает, что в заданном спектральном диапазоне свет любой поляризации не может войти в кристалл или выйти из него в каком-либо направлении. В области полной запрещенной зоны невозможно спонтанное излучение, если частота квантового перехода лежит в области запрещенных фотонных энергий.

Другое важное свойство фотонных кристаллов – высокая степень локализации электромагнитных волн на дефектах решетки. В этом случае в запрещенных зонах фотонного кристалла возникают «дефектные» уровни энергии. Атом может излучить квант с энергией, соответствующей «дефектному» уровню и локализоваться в этой области кристалла. Таким образом, открывается возможность управлять скоростью оптического излучения и локализацией электромагнитных волн, что и послужило стимулом для исследований в области фотонных кристаллов. Эта уникальная комбинация локализации света и управления радиационной динамикой отличает фотонно-кристаллические материалы от любой из ранее изучаемых оптических систем.

С фотонными кристаллами связывают будущее современной электроники. В данный момент идет интенсивное изучение их свойств, разработка различных устройств на основе фотонных кристаллов, практическая реализация теоретически предсказанных эффектов. Предполагается, что фотонные кристаллы найдут свое применение в следующих областях.

• Лазеры с фотонными кристаллами позволят получить малосигнальную лазерную генерацию, т. н. низкопороговые и безпороговые лазеры.

• Волноводы, основанные на фотонных кристаллах, могут быть очень компактны и обладать малыми оптическими потерями, а также быть способными изгибаться с микронным радиусом изгиба.

• С помощью фотонных кристаллов можно будет создавать среды с отрицательным показателем преломления, что даст возможность фокусировать свет в точку размерами меньше длины волны (т. н. суперлинзы).

• Фотонные кристаллы обладают существенными дисперсионными свойствами (их свойства зависят от длины волны проходящего через них излучения), что даст возможность создать суперпризмы.

• Новый класс дисплеев, в которых манипуляция цветом пикселей осуществляется при помощи фотонных кристаллов, частично или полностью заменит существующие дисплеи.

• Благодаря упорядоченному характеру явления удержания фотонов в фотонном кристалле, возможно построение на основе таких сред логических и оптических запоминающих устройств.

• Фотонные сверхпроводники проявляют свои сверхпроводящие свойства при определенных температурах и могут быть использованы в качестве полностью оптических датчиков температуры; они способны работать в широком спектральном диапазоне и совмещаются с фотонными изоляторами и полупроводниками.

• На основе фотонных кристаллов можно реализовать эффективную обработку оптического сигнала, включая фильтрацию, преобразование частоты, отражение с коэффициентом близким к 1, мультиплексирование, управление поляризацией и т. д.

Наиболее заманчивое, но и наиболее трудное в реализации применение трехмерных фотонных кристаллов – создание сверхбольших объемно интегрированных комплексов фотонных и электронных устройств для обработки информации.

Рассмотрим конкретные примеры применения фотонных кристаллов. По мнению специалистов наиболее вероятен выход разработок фотонных кристаллов оптического диапазона на уровень коммерческого применения в сфере телекоммуникаций. Связано это с опережающими исследованиями 2D-фотонных кристаллов, на основе которых можно создать оптоволокно нового типа. Кристалл состоит из спеченных стеклянных нитей, центральная из которых – пустотелая (рис. 3.101). Такое волокно в поперечном сечении является двумерным кристаллом с зонной структурой фотонного изолятора. При этом в продольном направлении волокно является идеальным проводником. Эксперименты показали, что такие волокна способны передавать гораздо большую мощность, чем обычные волокна.

а) б)

Рис. 3.101. Схема фотонно-кристаллического оптоволокна (а) и микрофотография его торца (б)

Открытие суперпреломляющих явлений типа «эффекта суперпризмы» дает множество потенциальных приложений в оптических телекоммуникационных технологиях. Сильная зависимость направления светового луча от длины волны была установлена при использовании фотонного кристалла, изготовленного на основе кремния. На рис. 3.102 показана траектория светового луча, входящего внутрь фотонного кристалла и внутрь обычной пластинки из кремния для света с двумя различными длинами волн 0,99 и 1 мкм. Световые лучи падали на образцы под углом 15° к нормали. При изменении длины волны падающего луча всего лишь на 1 % преломленный луч отклоняется от первоначального направления в фотонном кристалле на 50°, в то время как луч в обычном кристалле практически не изменяет траекторию. Таким образом, величина угловой дисперсии в фотонном кристалле на два порядка больше величины угловой дисперсии, достигаемой в обычных призмах и дифракционных решетках.

Рис. 3.102. Траектория светового луча, входящего внутрь фотонного кристалла (а) и внутрь

обычной пластинки из кремния (б) для света с двумя различными длинами волн

Следует обратить внимание, что падающий и преломленный лучи на рис. 3.102 лежат по одну сторону от нормали к поверхности раздела сред. Такое поведение преломленного луча можно полностью описать, если принять показатель преломления в законе Снеллиуса отрицательным. Это свойство присуще т. н. метаматериалам – искусственно созданным регулярным структурам, свойства которых отличаются от свойств составляющих их материалов, и являются уникальными, не характерными ни для каких объектов, встречающихся в природе. Понятие метаматериалов связывают с идеей о свойствах среды с одновременно отрицательными значениями коэффициентов диэлектрической и магнитной проницаемости. Метаматериалы синтезируются внедрением в исходный природный материал различных периодических структур с самыми разными геометрическими формами, которые модифицируют диэлектрическую проницаемость и магнитную восприимчивость исходного материала.

Если наноструктурированный материал содержит магнитные вещества, то можно ожидать, что в нем будут наблюдаться магнитооптические эффекты, аналогичные тем, что возникают в обычных однородных средах, но, возможно, несколько измененные. Идея использовать для управления света в фотонном кристалле магнитные вещества впервые была предложена в конце 90-х годов прошлого века японскими учеными. Они рассмотрели эффект Фарадея (вращение плоскости поляризации под действием магнитного поля) в одномерных фотонных кристаллах, представляющих собой многослойные пленки из хаотично чередующихся слоев висмут-замещенного иттриевого феррита-граната и кварца. Для определенных частот излучения при оптимально подобранных параметрах структуры было обнаружено увеличение эффекта Фарадея более чем в 300 раз по сравнению с аналогичной однородной средой.

На примере одномерного случая можно выделить несколько разновидностей магнитных фотонных кристаллов. Прежде всего, это стандартные системы, состоящие из чередующихся четвертьволновых (толщина равна одной четвертой длины волны света в веществе) магнитных (например, церий-замещенный иттриевый феррит-гранат) и немагнитных (например, гадолиний-галлиевый гранат) слоев. Такие фотонные кристаллы обладают запрещенной зоной с центром на проектировочной длине волны, т. е. не пропускают свет с длиной волны в некоторой узкой спектральной области. В экспериментах исследовались одномерные фотонные кристаллы из 30 пар магнитных и немагнитных слоев, проектировочная длина волны которых составляла 1,55 мкм.

Усиление эффекта Фарадея возникает на границе запрещенной зоны, т. е. в районе длин волн 1,49 мкм и 1,61 мкм. Оказывается, именно на этих длинах волн резко уменьшается групповая скорость света. Это приводит к тому, что возрастает эффективное время взаимодействия волны с намагниченным материалом, а значит, и увеличивается эффект Фарадея. Важной особенностью резонансов на граничных частотах является то, что максимумы прохождения и фарадеевского вращения практически совпадают. Это позволяет использовать фотонные кристаллы в качестве миниатюрных элементов, вращающих плоскость поляризации на большие углы. Оптимальный подбор магнитных материалов, их геометрических размеров и расположения позволит создать новое поколение оптических устройств, управляемых магнитными полями. Это возможно будет реализовать не только в инфракрасном, но и в видимом диапазонах света.

В одномерных магнитных фотонных кристаллах можно создать структурные дефекты, для этого в них нужно несколько раз инвертировать порядок следования слоев и тем самым получить один или несколько слоев с удвоенной толщиной. Наличие таких дефектов приводит к появлению в фотонной запрещенной зоне узких резонансных уровней, на частотах которых прохождение света близко к стопроцентному. Вместе с тем, групповая скорость излучения на этих резонансах оказывается также очень малой, и эффект Фарадея при этом резко возрастает. В результате удается получить пик пропускания нужной спектральной ширины и большой угол Фарадея. Например, на длинах волн ближнего ИК-диапазона с помощью таких фотонных материалов удается получить угол поворота поляризации света на 45° на расстоянии всего 1,5 мкм, в то время как для той же однородной среды указанный угол поворота достигается на расстоянии, в 150 раз большем.

В последние годы начали исследовать и многомерные магнитные фотонные кристаллы. Работа с такими системами существенно расширяет круг наблюдаемых эффектов, а также приводит к новым интересным применениям. Экспериментальные и теоретические исследования двумерных и трехмерных магнитных фотонных кристаллов активно ведутся в нашей стране (в МГУ им. М. В. Ломоносова, в Физико-техническом институте им. А. Ф. Иоффе), а также в Японии, Австралии, Швеции и ряде других стран. В большинстве случаев экспериментальной реализации эти структуры представляют собой коллоидные растворы упорядоченных частиц сферической или цилиндрической формы. Например, созданы двумерные коллоидные фотонные кристаллы, состоящие из стеклянных волокон, покрытых никелем. Резкое увеличение эффекта Фарадея было зафиксировано в трехмерных коллоидных кристаллах из кварцевых сфер, промежутки между которыми заполнены магнитной жидкостью насыщенного раствора нитрата диспрозия в глицерине.

Фотонные кристаллы с управляемой шириной запрещенной зоны представляют особый интерес для создания перестраиваемых оптических фильтров и ряда других задач. На начальном этапе получения и исследования фотонных кристаллов ширина их запрещенной зоны была фиксированной и неуправляемой. В 1999 году усилиями группы С. Джона из университета Торонто (Канада) удалось создать структуру фотонного кристалла с управляемой шириной запрещенной зоны. Фотонный кристалл был построен на основе искусственного кристалла опала, причем воздушные пустоты кристалла заполнялись кремнием, затем субстанцию опала вытравливали, формируя инверсную опалу кристаллическую структуру с периодически расположенными сферическими пустотами. Запрещенная зона данной структуры препятствует распространению длин волн в диапазоне 1380 – 1620 нм (8 % относительно центральной длины волны 1500 нм). Для управления шириной запрещенной зоны внутренние поверхности сфер покрывались (методом инфильтрации) жидкокристаллическим нематиком с низким коэффициентом преломления. В результате относительная ширина запрещенной зоны уменьшилась с 8 до 1,6 %. Кроме того, прикладывая внешнее магнитное поле, можно было управлять шириной запрещенной зоны в диапазоне примерно 1,6 %. Этот эффект сравним с управлением потоком электронов в полупроводнике с помощью электрического поля.

Управление шириной запрещенной зоны с помощью магнитного поля позволит создать более эффективные и простые, чем на основе фильтров, каналы вывода излучения, а также структуры коммутаторов (в том числе и распределенные), так как свет может коммутироваться в нужном направлении путем приложения поля к определенной области фотонного кристалла. Кроме того, возможно более точно управлять положением луча, проходящего через распределенную структуру фотонного кристалла, что облегчает его маршрутизацию в плоскости или пространстве.

Заманчивым выглядит использование фотонных кристаллов в качестве элементной базы для квантовых компьютеров. Одной из главных физических проблем создания квантовых компьютеров является декогеренция, когда распад когерентности состояний происходит за время меньшее, чем требуется для вычисления. Таким образом, чтобы избежать распада когерентности, нужно найти квантовую систему, изолированную от окружения. Одним из способов изоляции является использование 3D-фотонных кристаллов, идеально запирающих фотоны определенной полосы частот внутри кристалла. Изоляция фотонов внутри фотонного кристалла настолько велика, что при взаимодействии с ними отдельного атома должно наблюдаться явление замораживания спонтанного перехода и безынверсная генерация когерентного монохроматического излучения.