книги / Физические основы нанотехнологий фотоники и оптоинформатики

Изделия кремниевой нанофотоники достаточно малы, поэтому многие из них легко вводятся в электронные чипы. В настоящее время многие оптические наноустройства изготавливаются на основе стандартных материалов полупроводниковой электроники, так что нанофотоника развивается главным образом за счет сочетания электронных и фотонных компонентов, позволяющего использовать все преимущества и тех и других. Возможность использования в нанофотонике кристаллических пластин из кремния на изоляторе имеет огромное значение, если вспомнить о технологии кремниевой электроники. Созданные на основе таких материалов фотонные наноустройства могут быть легко интегрированы в существующие системы на кристаллах и быстро освоены производством.

1.2.1.Направления нанофотоники

Кнаправлениям нанофотоники можно отнести следующие:

– исследование физических основ генерации и поглощения излучения в оптическом спектре в гетероструктурах с квантовыми слоями, нитями и точками. Это разработка:

полупроводниковых и сверхпроводниковых источников и детекторов электромагнитного излучения;

светодиодов на основе полупроводниковых гетероструктур

ина органической основе;

твердотельных и органических лазеров;

элементов солнечной энергетики;

наноструктурированных оптических волокон и устройств на их основе;

элементов фотоники и коротковолновой нелинейной оптики;

–к перспективным направлениям миниатюризации фотонных устройств и их интеграции в сложные системы относится использование фотонных кристаллов;

–изготовление и исследование свойств наноразмерных оптических резонаторов сейчас является одним из самых интересных направлений развития нанофотоники и представляет большую практическую

инаучную ценность.

Предметом изучения нанофотоники является распространение,

преобразование, испускание и поглощение оптического излучения и сигналов в наноструктурах с целью использования особенностей процессов

11

взаимодействия излучения с веществом при таких масштабах для создания различных функциональных устройств. Нанофотоника сформировалась на стыке оптики, лазерной физики, квантовой электроники, физики и химии твердоготела, материаловедения, физическойхимии.

1.2.2. Задачи нанофотоники

Основная задача нанофотоники – разработка наноматериалов с улучшенными или принципиально новыми оптическими, электрооптическими и оптоэлектронными свойствами для создания на их основе фотонных функциональных устройств нового поколения. К таким устройствам относятся следующие:

–эффективные источники когерентного и некогорентного излучения с управляемыми характеристиками;

–устройства отображения информации, включая дисплеи портативных приборов и большие цветные экраны;

–приемники излучения и детекторы нового поколения;

–оптоэлектронные (фотоэлектронные) преобразователи, в том числе компактные фотоэлектрические источники питания и солнечные батареи повышенной эффективности;

–фотонная (оптическая) оперативная и долговременная память;

–устройства оптической обработки сигналов, в том числе оптические регенераторы;

–оптические переключатели и коммутаторы, в том числе для оптической коммутации пакетов;

–оптические соединения между элементами электронных вычислительныхмашин(междублоками, платами, чипами иэлементамичипов);

–оптические вычислительные устройства, в том числе квантовые;

–интегрированные сенсорно-диагностические системы для контроля окружающей среды и состояния человека.

К новым перспективным материалам нанофотоники относятся следующие:

–полупроводниковые квантово-размерные материалы, в том числе материалы с квантовыми ямами, квантовыми нитями и квантовыми точками;

–фотонныекристаллы, фотонно-кристаллическиепленкииволокна;

– метаматериалы с отрицательным показателем преломления и металл-диэлектрические плазмонные наноматериалы.

12

Важными средствами исследования материалов в нанофотонике являются ближнепольная сканирующая оптическая микроскопия, сканирующая туннельная микроскопия с применением возбуждающих фотонов (PASTM – photon-assisted scanning tunnel microscopy) и плаз-

монная оптика поверхности [3].

1.2.3. Другие разделы фотоники

Компьютерная фотоника объединяет современную физическую и квантовую оптику, математику и компьютерные технологии.

Микроволновая фотоника [3] изучает взаимодействие между оптическим сигналом и высокочастотным (больше 1 ГГц) электрическим сигналом. Эта область включает основы оптико-микроволнового взаимодействия, работу фотонных устройств при сверхвысоких частотах (СВЧ), фотонный контроль СВЧ-устройств, линий высокочастотной передачи и использование фотоники для выполнения различных функций в микроволновых схемах.

Радиофотоника [3] объединяет современную микроволновую фотонику и нанофотонику. Основные направления радиофотоники:

–управление фазированными антенными решетками радиолокационных станций (РЛС);

–обработка радиосигналов оптическими методами;

–аналого-цифровыесверхбыстрыепреобразователи(АЦПи ЦАП);

–радиотехнические системы оптического диапазона с применением микроантенн и метаматериалов для приема сигналов терагерцевого (ТГц) диапазона и инфракрасных сигналов;

–гетеродинные оптические приемники.

1.3. ОПТОИНФОРМАТИКА

Оптоинформатика – область науки и техники, связанная с исследованием, созданием и эксплуатацией новых материалов, технологий и устройств передачи, приема, обработки, хранения и отображения информации на основе оптических технологий.

Основные источники излучения в оптоинформатике:

–полупроводниковые лазеры;

–лазеры на гетероструктурах;

13

–лазеры и усилители на основе квантово-размерных эффектов (на квантовых точках);

–вертикально излучающие полупроводниковые лазеры;

–волоконные лазеры и усилители;

–планарные лазеры и усилители.

Фотоприемные устройства:

–элементная база волоконно-оптических линий связи;

–оптическая запись, хранение и считывание информации:

оптические дисковые системы записи и хранения информации;

магнитооптические технологии;

голографические технологии;

регистрирующие среды и механизмы записи;

пространственно-временные модуляторы на электрооптическом, магнитооптическом и акустоэлектрическом эффектах.

Оптические технологии в вычислительной технике:

– оптические компьютеры, аналоговые и цифровые.

Плазмонные технологии:

– наноплазмонный лазер;

– оптические плазмонные метаматериалы;

– плазмонные нановолноводы в качестве межсхемных соединений в системах на кристалле.

Квантовая нанотехнология:

– квантовая телепортация состояний;

– квантовые вычисления и операции;

– квантовые вентили (кубиты);

– квантовые компьютеры на различной физической основе.

Нанотехнологии, которые широко применяются в фотонике

иоптоинформатике:

–формирование периодических наноструктур в диэлектрических

иполупроводниковых средах с различной размерностью путем воздействия на них потоками атомов, фотонов, ускоренных заряженных частиц. В основном используются методы молекулярно-пучковой эпитаксии, электронно-лучевой литографии;

–технологии изготовления элементов фотонных схем лазеров, волноводов, СВЧ-оптических фильтров.

14

1.4.ОПТИЧЕСКИЕ НАНОСТРУКТУРЫ И ИХ СВОЙСТВА2

XX в. был веком «синтеза новых материалов». Синтез новых веществ приводил к получению новых свойств материалов. В XXI в. стремятся к получению материалов с заданными свойствами, которые контролируются структурой материала. В нанотехнологии при осуществлении контроля структуры процесс важнее, чем синтез. Например, при производстве наночастиц размер и форма частиц зависят от рабочих условий процесса кристаллизации. При одинаковой длине волны возбуждения получается более широкий цветовой спектр излучения, если изменять размер квантовых точек CdSe, CdTe, CdS.

В процессе создания устройств путем программируемой сборки наноструктурированных материалов производство и обработка являются основными этапами. Например, фотонный кристалл образуется самосборкой наноматериала из параллельно расположенных на подложке нанокристаллов ZnO методом лазерной молекулярно-лучевой эпитаксии под контролем ультрафиолетового лазера или светоизлучающего диода.

Если сборкой и разложением структурированных материалов управлять изменением условий получения наночастиц, то появляется возможность разработки материала с динамично меняющейся структурой.

Поскольку размер, форма и структура наноматериалов оказывают влияние на их функции, анализ на наноуровне необходим при реализации этапов производства и обработки. Особое значение приобретает разработка методов точного анализа наноструктуры на атомарном уровне. Химическое соединение атомов и вид связи, дефекты, примеси являются ключами к пониманию наноэффектов. Передовые методы исследования наноструктуры функциональных материалов на атомарном уровне с помощью аналитической аппаратуры основаны на физических явлениях атомной и ядерной физики [4, гл. 10].

1.4.1. Фотонные кристаллы3

Фотонные кристаллы состоят из диэлектрических решеток, образующих энергетические щели для электромагнитных волн. Эти искус-

2По материалам работы [5].

3Там же.

15

ственные кристаллы могут полностью отражать свет или микроволны при длине волны, сравнимой с периодом решетки, за счет брэгговского преломления. На рис. 1.1 показаны типичные структуры фотонного кристалла [4, c. 67].

Рис. 1.1. Типичные фотонные кристаллы [1]: а – структура в виде поленницы спростойструктуройпараллельноуложенныхбрусковвкаждомслоесповоротом на 90 в новом слое; б – периодическая структура вертикально расположенных штырей; в – слоистая структура, уложенная в штабель, составленная из кремния

иокиси кремния; г – структура, состоящая из воздушных сфер с ГЦК-структурой

вматрице; д – оптоволокно с фотонной кристаллической структурой;

е– фотонные кристаллы алмазного типа

В фотонных кристаллах из GaAs и InP, полученных по технологии полупроводникового процесса, со структурой в виде поленницы (см. рис. 1.1, а) можно сформировать идеальную фотонную энергетическую щель. Периодическая структура штырей из AlGaAs (см. рис. 1.1, б) получена электронно-лучевой литографией и технологией травления. Слоистая структура (см. рис. 1.1, в), составленная из кремния Si и SiO2

16

c различными диэлектрическими постоянными, дает поляризацию световой волны и эффект суперпризмы. Структура на рис. 1.1, г состоит из воздушных сфер с гранецентрированной кубической (ГЦК) струк-

турой в матрице TiO2 , Si, Ge, CdS. ГЦК-структура получается сле-

дующим образом. Сначала полистирольные сферы располагают при самоорганизации в коллоидных растворах. Затем суспензия этой диэлектрической среды инфильтруется (просачивается) в периодическую структуру и спекается. Оптоволокно (см. рис. 1.1, д) с фотонной кристаллической структурой может эффективно направлять свет вдоль центральной части. Фотонные кристаллы алмазного типа (см. рис. 1.1, е),

составленные из TiO2 , SiO2 , Al2O3 , изготавливаются стериолитогра-

фией и спеканием.

На рис. 1.2 показано образование энергетической щели в фотонном кристалле. Две стоячие волны, колеблющиеся в воздухе, и диэлектрическая матрица образуют высшую и низшую полосы частот в первой и второй зонах Бриллюэна (см. рис. 1.2, в). Ширина щели может контролироваться путем изменения структуры, коэффициента заполнения и диэлектрической постоянной решетки. Структурные изменения за счет ввода нарушений периодичности или изменения шага решетки могут контролировать распространения излучения через фотонный кристалл.

Рис. 1.2. Схема образования энергетической щели в фотонном кристалле [1]: a – брэгговское преломление электромагнитной волны в фотонном кристалле; б – стоячие волны при периодическом расположении диэлектрических материалов; в – запрещенные зоны на диаграмме зависимости частоты

от волнового вектора. Темная полоса – фотонная энергетическая щель

17

Для описания взаимодействия электромагнитных волн, падающих на фотонный кристалл, состоящий из воздушных промежутков и диэлектрической решетки, используем уравнения Максвелла. Уравнения Макс- велладляэлектромагнитногополявСГС-системеследующие:

Воздействовав оператором ротора на уравнения (1.1), получим волновые уравнения

Eω i ωc0 μHω i2 ωc0 2 ε r Eω;

ε1r Hω i ωc0 Eω i2 ωc0 2 μHω k2 Hω.

Используя формулу

E E 2E 2E ,

получим волновое уравнение

1r 2E k2E 0.

18

В приближении плоской волны с условием периодичности получим для амплитуд электрического и магнитного полей выражения для плоской монохроматической волны:

Ek ,n r Ek ,n b exp ikb ibr ;

b

Hk ,n r Hk ,n b exp ikb ibr .

b

Для неоднородной немагнитной двухкомпонентной среды (воздух, диэлектрическая решетка) имеем

получается из созданной кристаллической структуры. При падении световой волны на границу раздела двух сред во вторую среду проникает преломленная бегущая волна. Если во второй среде существует волна с такой же частотой и постоянной распространения, то световые волны из запрещенной для двухслойной среды зоны отражаются от периодической структуры. Во второй среде будет возникать неоднородная экспоненциально убывающая волна. Механизм образования запрещенных зон состоит в интерференционном сложении парциальных волн, отраженных от периодически повторяющихся границ слоев.

На рис. 1.3 приведено возможное применение фотонного кристалла для контроля света и электромагнитных волн в различных диапазонах длин волн. Направленные антенны и фильтры из фотонных кристаллов применяются в радарных установках с миллиметровой длиной волны для умных систем управления движением транспорта и беспроводных систем связи. Фотонные кристаллы микромасштаба применяются для резонаторов терагерцевых волн, фильтров и

19

антенн. Терагерцевые волны с длиной волны порядка микрометра используются

Рис. 1.3. Ожидаемые сферы применения фотонного кристалла при различных значениях частоты электромагнитных волн [1]

в датчиках для определения взрывчатых веществ, наркотиков, бактерий в пище, микротрещин в электрических устройствах, раковых клеток в человеческой коже и др.

1.4.2. Фотонный фрактал4

Фрактал – сложная геометрическая фигура, обладающая свойствами самоподобия, т.е. каждая часть фигуры подобна всей фигуре. В одномерном случае из отрезка [0,1] выбрасывается центральная часть, равная 1/3. Из оставшихся отрезков выбрасывается снова 1/3 часть и т.д. Фрактальная (хаусдорфова) размерность этого полученного кан-

торова множества D lnln32 0,631. В двумерном случае единичный

квадрат разбивается на девять квадратов со стороной 1/3 и центральный квадрат выбрасывается. Затем процедура повторяется с каждым оставшимся квадратом. В пределе получается плоский дырявый квадрат, называемый ковром Серпинского (верхняя грань губки Менгера

4 По материалам работы [5], с. 227–231, 331–332, 445–457.

20