Fotoninen kristalli

Fotonikide on kiinteän olomuodon rakenne, jonka permittiivisyys tai epähomogeenisuus muuttuu jaksottaisesti ja jonka jakso on verrattavissa valon aallonpituuteen.

Määritelmät

  1. Tämä on materiaali, jonka rakenteelle on tunnusomaista jaksollinen taitekertoimen muutos avaruudellisissa suunnissa [1] .
  2. Toisessa artikkelissa [2] on laajennettu fotonikiteiden määritelmä -  "fotonisiksi kiteiksi kutsutaan yleensä väliaineiksi, joissa permittiivisyys muuttuu ajoittain avaruudessa ajanjaksolla, joka sallii Braggin valodiffraktion."
  3. Kolmannessa työssä [3] on fotonikiteiden määritelmä eri muodossa - "yli 10 vuoden ajan" on kuultu rakenteita, joissa on fotonikaistaväli " , joita on lyhyesti kutsuttu fotonikiteiksi .
  4. Fotonikiteet ovat spatiaalisesti jaksollisia solid-state-rakenteita , joiden permittiivisyyttä moduloidaan valon aallonpituuteen verrattavalla jaksolla [4]

Yleistä tietoa

Fotonikiteet mahdollistavat taitekertoimen jaksoittaisen muutoksen vuoksi puolijohdemateriaalien kaltaisten sallittujen ja kiellettyjen kaistan saamisen fotonienergioille, joissa havaitaan sallittuja ja kiellettyjä kaistoja varauksenkuljettajien energioille [5] . Käytännössä tämä tarkoittaa, että jos fotonikiteen päälle putoaa fotoni, jolla on energiaa ( aallonpituus , taajuus ), mikä vastaa tämän fotonikiteen kaistaväliä, niin se ei voi levitä fotonikiteessä ja heijastuu takaisin. Ja päinvastoin, tämä tarkoittaa, että jos fotoni putoaa fotonikiteen päälle, jonka energia (aallonpituus, taajuus) vastaa tietyn fotonikiteen sallittua vyöhykettä, se voi levitä fotonikiteessä. Toisin sanoen fotonikide toimii optisena suodattimena , ja sen ominaisuudet ovat vastuussa opaalin kirkkaista ja värikkäistä väreistä. Luonnosta löytyy myös fotonikiteitä: afrikkalaisten nilviäisten perhosten ( Papilio nireus ) [6] [7] siivissä, helmiäispinnoite nilviäisten , kuten galiotis , merihiiren näppylöitä ja harjaksia. monisukuinen mato.

Fotonikiteiden luokitus

Taitekertoimen muutoksen luonteen mukaan fotonikiteet voidaan jakaa kolmeen pääluokkaan [5] :

1. yksiulotteinen, jossa taitekerroin muuttuu ajoittain yhteen avaruudelliseen suuntaan, kuten kuvassa 1 on esitetty. 2. Tässä kuvassa symboli Λ osoittaa taitekertoimen muutosjaksoa ja  - kahden materiaalin taitekertoimia (mutta yleensä materiaaleja voi olla mikä tahansa määrä). Tällaiset fotonikiteet koostuvat kerroksista eri materiaaleja, jotka ovat samansuuntaisia ​​toistensa kanssa ja joilla on erilaiset taitekertoimet, ja ne voivat osoittaa ominaisuuksiaan yhdessä avaruudellisessa suunnassa, joka on kohtisuorassa kerroksia vastaan.

2. kaksiulotteinen, jossa taitekerroin muuttuu ajoittain kahdessa avaruudellisessa suunnassa, kuten kuvassa 1 on esitetty. 3. Tässä kuvassa fotonikide muodostuu suorakaiteen muotoisista alueista, joiden taitekerroin on väliaineessa, jonka taitekerroin on . Tässä tapauksessa alueet, joilla on taitekerroin , on järjestetty kaksiulotteiseen kuutiohilaan . Tällaisilla fotonikiteillä voi olla ominaisuuksiaan kahdessa avaruudellisessa suunnassa, ja taitekertoimella varustettujen alueiden muoto ei rajoitu suorakulmioihin, kuten kuvassa, vaan se voi olla mikä tahansa (ympyrät, ellipsit, mielivaltaiset jne.). Kidehila , johon nämä alueet on järjestetty, voi myös olla erilainen, eikä vain kuutiomainen, kuten yllä olevassa kuvassa.

3. kolmiulotteinen, jossa taitekerroin muuttuu ajoittain kolmeen avaruudelliseen suuntaan. Tällaiset fotonikiteet voivat osoittaa ominaisuuksiaan kolmessa avaruudellisessa suunnassa, ja ne voidaan esittää joukkona tilavuusalueita (pallot, kuutiot jne.), jotka on järjestetty kolmiulotteiseen kidehilaan.

Kuten sähköiset väliaineet, kielletyn ja sallitun vyöhykkeen leveydestä riippuen fotonikiteet voidaan jakaa johtimiin  - jotka kykenevät johtamaan valoa pitkiä matkoja pienillä häviöillä, dielektrikot  - lähes täydelliset peilit, puolijohteet  - aineisiin, jotka kykenevät esim. valikoivasti heijastavat tietyn aallonpituuden omaavat fotonit ja suprajohteet , joissa fotonit voivat kollektiivisten ilmiöiden ansiosta levitä lähes rajattomille etäisyyksille.

On myös resonoivia ja ei-resonoivia fotonikiteitä [2] . Resonanssiset fotonikiteet eroavat ei-resonoivista siinä, että niissä käytetään materiaaleja, joiden permittiivisyydellä (tai taitekertoimella) taajuuden funktiona on napa jollain resonanssitaajuudella.

Mitä tahansa epähomogeenisuutta fotonikiteessä (esimerkiksi yhden tai useamman neliön puuttuminen kuvassa 3, niiden suurempi tai pienempi koko suhteessa alkuperäisen fotonikiteen neliöihin jne.) kutsutaan fotonikidevirheeksi. Tällaisilla alueilla sähkömagneettinen kenttä on usein keskittynyt , jota käytetään fotonikiteiden pohjalta rakennetuissa mikroresonaattoreissa ja aaltoputkissa .

Fotonikiteiden teoreettisen tutkimuksen menetelmät, numeeriset menetelmät ja ohjelmistot

Fotonikiteet mahdollistavat manipuloinnin sähkömagneettisilla aalloilla optisella alueella, ja fotonikiteiden ominaismitat ovat usein lähellä aallonpituutta. Siksi sädeteorian menetelmät eivät sovellu niihin, vaan käytetään aaltoteoriaa ja Maxwellin yhtälöiden ratkaisua . Maxwellin yhtälöt voidaan ratkaista analyyttisesti ja numeerisesti, mutta numeerisia ratkaisumenetelmiä käytetään useimmiten fotonikiteiden ominaisuuksien tutkimiseen niiden saatavuuden ja helpon sovittavuuden vuoksi ratkaistaviin tehtäviin.

On myös syytä mainita, että fotonikiteiden ominaisuuksien tarkastelussa käytetään kahta pääasiallista lähestymistapaa - aikatason menetelmiä (jotka mahdollistavat ratkaisun löytämisen ongelmaan aikamuuttujan mukaan) ja taajuusalueen menetelmiä (jotka tarjoavat ratkaisun ongelmaan taajuuden funktiona) [8 ] .

Aikatason menetelmät ovat käteviä dynaamisiin ongelmiin, joihin liittyy sähkömagneettisen kentän aikariippuvuus ajasta. Niitä voidaan käyttää myös fotonikiteiden kaistarakenteiden laskemiseen, mutta vyöhykkeiden sijaintia on käytännössä vaikea määrittää tällaisten menetelmien lähtötiedoissa. Lisäksi fotonikiteiden kaistakaavioita laskettaessa käytetään Fourier-muunnosta , jonka taajuusresoluutio riippuu menetelmän kokonaislaskentaajasta. Eli saadaksesi korkeamman resoluution kaistakaaviossa, sinun on käytettävä enemmän aikaa laskelmien tekemiseen. On toinenkin ongelma - tällaisten menetelmien aikaaskeleen on oltava verrannollinen menetelmän spatiaalisen ruudukon kokoon. Tarve lisätä kaistakaavioiden taajuusresoluutiota edellyttää aikaaskeleen pienentämistä ja siten spatiaalisen ruudukon koon pienentämistä, iteraatioiden määrän, tarvittavan tietokoneen RAM-muistin ja laskenta-ajan lisäämistä. Tällaisia ​​menetelmiä on toteutettu tunnetuissa kaupallisissa mallinnuspaketeissa Comsol Multiphysics ( elementtimenetelmää käytetään Maxwellin yhtälöiden ratkaisemiseen) [9] , RSOFT Fullwave (käyttäen äärellisen eron menetelmää ) [10] , elementti- ja eromenetelmien ohjelmistokoodeja. tutkijoiden itsenäisesti kehittämä jne.

Taajuusalueen menetelmät ovat käteviä ensinnäkin siksi, että Maxwell-yhtälöiden ratkaisu tapahtuu välittömästi kiinteässä järjestelmässä ja järjestelmän optisten moodien taajuudet määritetään suoraan ratkaisusta, jolloin voit laskea nopeasti fotonikiteiden vyöhykekaavioita kuin käyttämällä aika-alueen menetelmiä. Niiden etuja ovat iteraatioiden määrä , joka ei käytännössä riipu menetelmän spatiaalisen ruudukon resoluutiosta, ja se, että menetelmän virhe numeerisesti pienenee eksponentiaalisesti iteraatioiden määrän myötä. Menetelmän haittapuolena on tarve laskea järjestelmän optisten moodien luonnolliset taajuudet matalataajuisella alueella korkeampien taajuuksien alueen taajuuksien laskemiseksi, ja luonnollisesti mahdottomuus kuvata järjestelmän dynamiikkaa. optisten värähtelyjen kehittyminen järjestelmässä. Nämä menetelmät on toteutettu ilmaisessa MPB-ohjelmistopaketissa [11] ja kaupallisessa paketissa [12] . Molemmat mainitut ohjelmistopaketit eivät voi laskea fotonikiteiden vyöhykekaavioita, joissa yhdellä tai useammalla materiaalilla on monimutkaiset taitekerroinarvot. Tällaisten fotonikiteiden tutkimiseen käytetään kahden RSOFT-paketin BandSolve ja FullWAVE yhdistelmää tai häiriömenetelmää [13] .

Fotonikiteiden teoreettiset tutkimukset eivät tietenkään rajoitu kaistakaavioiden laskemiseen, vaan vaativat myös tietoa stationäärisistä prosesseista sähkömagneettisten aaltojen etenemisen aikana fotonikiteiden läpi. Esimerkkinä on fotonikiteiden läpäisyspektrin tutkimisen ongelma . Tällaisiin tehtäviin voit käyttää molempia yllä olevia lähestymistapoja mukavuuteen ja saatavuuteen perustuen sekä säteilynsiirtomatriisin [14] menetelmiä , ohjelmaa fotonikiteiden läpäisy- ja heijastusspektrien laskemiseen tällä menetelmällä [15] . , pdetool-ohjelmistopaketti, joka on osa pakettia Matlab [16] ja jo mainittua Comsol Multiphysics -pakettia.

Fotonikaistarakojen teoria

Kuten edellä todettiin, fotonikiteet mahdollistavat sallittujen ja kiellettyjen kaistojen saamisen fotonienergioille, samoin kuin puolijohdemateriaalit , joissa on sallittuja ja kiellettyjä kaistaa varauksenkantajaenergialle. Kirjallisessa lähteessä [17] kaistavälien ilmaantuminen selittyy sillä, että tietyissä olosuhteissa fotonikiteen seisovien aaltojen sähkökentän voimakkuus, jonka taajuudet ovat lähellä kaistavälin taajuutta, siirtyvät fotonikiteen eri alueille. . Näin ollen matalataajuisten aaltojen kentän intensiteetti on keskittynyt alueille, joilla on suuri taitekerroin, ja korkeataajuisten aaltojen kentän intensiteetti on keskittynyt alueille, joilla on pienempi taitekerroin. Kirjassa [2] on toinen kuvaus fotonikiteissä olevien kiellettyjen vyöhykkeiden luonteesta: "fotonisiksi kiteiksi kutsutaan yleensä väliaineita, joissa permittiivisyys muuttuu ajoittain avaruudessa ajanjaksolla, joka sallii Braggin valon diffraktion."

Jos tällaisen fotonikiteen sisällä syntyi säteilyä kielletyn kaistan taajuudella, se ei voi levitä siinä, mutta jos tällaista säteilyä lähetetään ulkopuolelta, se yksinkertaisesti heijastuu fotonikiteestä. Yksiulotteiset fotonikiteet mahdollistavat kaistavälien ja suodatusominaisuuksien saavuttamisen yhteen suuntaan etenevälle säteilylle, joka on kohtisuorassa kuvassa 1 esitettyihin materiaalikerroksiin nähden. 2. Kaksiulotteisilla fotonikiteillä voi olla tietyn fotonikiteen sekä yhteen, kahteen suuntaan että kaikkiin suuntiin etenevälle säteilylle kiellettyjä kaistoja, jotka sijaitsevat tasossa. 3. Kolmiulotteisissa fotonikiteissä voi olla nauharakoja yhteen, useaan tai kaikkiin suuntiin. Fotonikiteessä on kaikkiin suuntiin kiellettyjä vyöhykkeitä, joilla on suuri ero fotonikiteen muodostavien materiaalien taitekertoimissa, tietynmuotoiset alueet, joilla on erilaiset taitekertoimet ja tietty kidesymmetria [18] .

Kiellettyjen vyöhykkeiden lukumäärä, sijainti ja leveys spektrissä riippuvat sekä fotonikiteen geometrisistä parametreista (eri taitekertoimien alueiden koko, muoto, kidehila, johon ne on järjestetty) että taitekertoimista. . Siksi kielletyt kaistat voivat olla viritettävissä esimerkiksi johtuen epälineaaristen materiaalien käytöstä, joilla on selvä Kerr-ilmiö [19] [20] , johtuen alueiden koon muutoksista, joilla on erilaiset taitekertoimet [21] tai johtuen taitekertoimien muutos ulkoisten kenttien vaikutuksesta [22] .

Harkitse kuvassa 1 esitettyjä fotonikiteen kaistakaavioita. 4. Tämä kaksiulotteinen fotonikide koostuu kahdesta tasossa vuorottelevasta materiaalista - galliumarsenidista GaAs (perusmateriaali, taitekerroin n=3,53, kuvassa mustat alueet) ja ilmasta (jolla täytetään lieriömäiset reiät, merkitty valkoisella, n = 1). Reikien halkaisija on ja ne on järjestetty kuusikulmaiseen kidehilaan, jossa on piste (viereisten sylinterien keskipisteiden välinen etäisyys) . Tarkasteltavana olevassa fotonikiteessä reiän säteen suhde jaksoon on yhtä suuri kuin . Tarkastellaan kaistakaavioita TE:lle ( sähkökenttävektori on suunnattu yhdensuuntaisesti sylinterien akselien kanssa) ja TM:lle ( magneettikenttävektori on suunnattu yhdensuuntaisesti sylinterien akselien kanssa), jotka on esitetty kuvassa 1. 5 ja 6, jotka laskettiin tälle fotonikiteelle käyttämällä ilmaista MPB-ohjelmaa [23] . Fotonikiteen aaltovektorit piirretään X-akselia pitkin ja normalisoitu taajuus Y-akselia pitkin (  on aallonpituus tyhjiössä) vastaamaan energiatiloja. Näissä kuvissa olevat siniset ja punaiset kiinteät käyrät edustavat energiatiloja tietyssä fotonikiteessä TE- ja TM-polarisoituneille aalloille. Siniset ja vaaleanpunaiset alueet osoittavat fotonien raot tietyssä fotonikiteessä. Mustat katkoviivat ovat tietyn fotonikiteen niin kutsuttuja valoviivoja (tai valokartiota ) [24] [25] . Yksi näiden fotonikiteiden pääsovellusalueista on optiset aaltoputket , ja valoviiva määrittelee alueen, jolla tällaisia ​​pienihäviöisiä fotonikiteitä käyttämällä rakennettujen aaltoputkien aaltojohtomuodot sijaitsevat. Toisin sanoen valoviiva määrittää meitä kiinnostavien energiatilojen vyöhykkeen tietyssä fotonikiteessä. Ensimmäinen asia, johon sinun tulee kiinnittää huomiota, on se, että tässä fotonikiteessä on kaksi kaistaväliä TE-polarisoiduille aalloille ja kolme leveää kaistaväliä TM-polarisoiduille aalloille. Toiseksi polarisoitujen TE- ja TM-aaltojen kaistavälit, jotka sijaitsevat normalisoidun taajuuden pienten arvojen alueella , menevät päällekkäin, mikä tarkoittaa, että tällä fotonikiteellä on täydellinen kaistaväli kaistavälien päällekkäisyyden alueella. TE- ja TM-aallot, ei vain kaikkiin suuntiin, vaan myös minkä tahansa polarisaation aallot (TE tai TM).

Yllä olevista riippuvuuksista voidaan määrittää fotonikiteen geometriset parametrit, jonka ensimmäinen kielletty vyöhyke normalisoidun taajuuden arvolla osuu aallonpituudelle nm. Fotonikiteen jakso on nm, reikien säde on nm. Riisi. Kuvat 7 ja 8 esittävät fotonikiteen heijastusspektrit edellä määritellyillä parametreilla TE- ja TM-aalloille, vastaavasti. Spektrit laskettiin Translight-ohjelmalla [15] , oletettiin, että tämä fotonikide koostuu 8 parista reikäkerroksia ja säteily etenee Γ-Κ-suunnassa. Yllä olevista riippuvuuksista voidaan nähdä fotonikiteiden tunnetuin ominaisuus - sähkömagneettiset aallot, joiden ominaistaajuudet vastaavat fotonikiteen kiellettyjä kaistoja (kuvat 5 ja 6), ovat ominaisia ​​heijastuskertoimella, joka on lähellä yksikköä ja heijastuu lähes täydellisesti tietystä fotonikiteestä. Sähkömagneettisille aalloille, joiden taajuudet ovat tietyn fotonikiteen kiellettyjen kaistojen ulkopuolella, on ominaista alhaisemmat heijastuskertoimet fotonikiteestä ja ne kulkevat kokonaan tai osittain sen läpi.

Fotonisten kiteiden valmistus

Tällä hetkellä fotonikiteiden valmistamiseksi on monia menetelmiä, ja uusia menetelmiä syntyy jatkuvasti. Jotkut menetelmät sopivat paremmin yksiulotteisten fotonikiteiden muodostamiseen, toiset sopivat kaksiulotteisiin, toiset soveltuvat useammin kolmiulotteisiin fotonikiteisiin, toisia käytetään fotonikiteiden valmistukseen muilla optisilla laitteilla, jne. Tarkastellaanpa tunnetuimpia näistä menetelmistä.

Menetelmät fotonikiteiden spontaanin muodostumisen avulla

Fotonikiteiden spontaanissa muodostumisessa käytetään kolloidisia hiukkasia (useimmiten käytetään monodisperssiä kvartsi- tai polystyreenihiukkasia, mutta muita materiaaleja tulee vähitellen saataville, kun niiden valmistukseen kehitetään teknisiä menetelmiä [26] [27] [28] [ 29] ), jotka ovat nesteessä ja nesteen haihtuessa ne kerrostuvat tietyssä tilavuudessa [30] . Kun ne kerrostuvat toistensa päälle, ne muodostavat kolmiulotteisen fotonikiteen, ja ne on järjestetty pääasiassa kasvokeskeisiin [31] tai kuusikulmaisiin [32] kidehiloihin. Tämä menetelmä on melko hidas, fotonikiteen muodostuminen voi kestää viikkoja.

Toinen menetelmä fotonikiteiden spontaanille muodostukselle, jota kutsutaan hunajakennomenetelmäksi, sisältää hiukkasia sisältävän nesteen suodattamisen pienten huokosten läpi. Tämä menetelmä on esitelty julkaisussa [33] [34] , se mahdollistaa fotonikiteen muodostamisen nopeudella, jonka määrää nesteen virtausnopeus huokosten läpi, mutta tällaisen kiteen kuivuessa kiteen muodostuu vikoja [35] .

Vuonna [36] ehdotettiin pystysuora kerrostusmenetelmä, joka mahdollistaa korkeasti järjestetyn fotonikiteiden luomisen, jotka ovat suurempia kuin yllä kuvatut [37] .

Edellä on jo todettu, että useimmissa tapauksissa tarvitaan suuri taitekerroinkontrasti fotonikiteessä, jotta saadaan aikaan kiellettyjä fotonikaistoja kaikkiin suuntiin. Edellä mainittuja fotonikiteen spontaanin muodostuksen menetelmiä käytettiin useimmiten piidioksidin pallomaisten kolloidisten hiukkasten kerrostukseen , joiden taitekerroin on suhteellisen pieni ja siten myös taitekertoimen kontrasti pieni. Tämän kontrastin lisäämiseksi käytetään teknisiä lisävaiheita (inversio), joissa ensin täytetään hiukkasten välinen tila korkean taitekertoimen omaavalla materiaalilla ja sitten hiukkaset syövytetään [38] . Vaiheittainen menetelmä käänteisopaalin muodostamiseksi on kuvattu laboratoriotyön suorittamisen metodologisessa ohjeessa [39] .

Etsausmenetelmät

Etsausmenetelmät ovat kätevimpiä kaksiulotteisten fotonikiteiden valmistukseen ja ovat laajalti käytettyjä teknologisia menetelmiä puolijohdelaitteiden tuotannossa . Nämä menetelmät perustuvat puolijohteen pinnalle kerrostetun fotoresistimaskin (joka määrittelee esimerkiksi ympyräjoukon) käyttöön, joka määrittää syövytetyn alueen geometrian. Tämä maski voidaan saada tavallisella fotolitografisella prosessilla, jota seuraa näytteen pinnan kuiva- tai märkäsyövytys fotoresistillä. Tässä tapauksessa niillä alueilla, joissa valoresistin sijaitsee, etsataan valoresistin pinta ja alueilla, joissa ei ole valoresistiä, puolijohde syövytetään. Tätä jatketaan, kunnes haluttu syövytyssyvyys saavutetaan ja sen jälkeen fotoresisti pestään pois. Siten muodostuu yksinkertaisin fotonikide. Tämän menetelmän haittapuolena on fotolitografian käyttö , jonka yleisin resoluutio on yhden mikronin luokkaa [40] . Kuten aiemmin tässä artikkelissa on osoitettu, fotonikiteillä on tyypilliset mitat satojen nanometrien luokkaa, joten fotolitografian käyttöä fotonikaistavakokiteiden tuotannossa rajoittaa fotolitografisen prosessin resoluutio. Siitä huolimatta fotolitografiaa käytetään esimerkiksi [41] . Useimmiten käytetään tavallisen fotolitografisen prosessin ja elektronisuihkulitografian yhdistelmää halutun resoluution saavuttamiseksi [42] . Fokusoitujen ionien (useimmiten Ga-ionien) säteitä käytetään myös fotonikiteiden valmistukseen syövyttämällä, niiden avulla voit poistaa osan materiaalista ilman fotolitografiaa ja lisäetsausta [43] . Nykyaikaisissa järjestelmissä, joissa käytetään fokusoituja ionisäteitä, käytetään erityiseen tiedostomuotoon kirjoitettua ns. "etch karttaa", joka kuvaa missä ionisäteen tulee toimia, kuinka monta pulssia ionisäteen tulee lähettää tiettyyn pisteeseen jne. [44] Näin ollen , fotonikiteen luominen tällaisilla järjestelmillä on yksinkertaistettu mahdollisimman paljon - riittää, kun luodaan tällainen "etch-kartta" (erityisohjelmistolla), jossa määritetään jaksollinen etsausalue, lataa se tietokoneeseen, joka ohjaa kohdistetun ionisäteen asennus ja aloita etsausprosessi. Lisäkaasuja käytetään lisäämään etsausnopeutta, parantamaan syövytyksen laatua tai kerrostamaan materiaaleja syövytetyille alueille. Syövytetyille alueille kerrostetut materiaalit mahdollistavat fotonikiteiden muodostumisen, jolloin lähdemateriaalin ja ilman lisäksi myös lähdemateriaali, ilma ja lisämateriaalit vaihtuvat ajoittain. Esimerkki materiaalien laskemisesta näitä järjestelmiä käyttämällä löytyy lähteistä [45] [46] [47] .

Holografiset menetelmät

Holografiset menetelmät fotonikiteiden luomiseksi perustuvat holografian periaatteiden soveltamiseen taitekertoimen jaksoittaisen muutoksen muodostamiseksi avaruudellisiin suuntiin. Tätä varten käytetään kahden tai useamman koherentin aallon interferenssiä , mikä luo jaksollisen sähkökentän intensiteetin jakauman [48] . Kahden aallon interferenssillä voidaan luoda yksiulotteisia fotonikiteitä, kolme tai useampia säteitä - kaksiulotteisia ja kolmiulotteisia fotonikiteitä [49] [50] .

Muut menetelmät fotonikiteiden luomiseen

Yhden fotonin fotolitografia ja kaksifotolitografia mahdollistavat kolmiulotteisten fotonikiteiden luomisen, joiden resoluutio on 200 nm [37] ja joidenkin materiaalien, kuten polymeerien , ominaisuuksia, jotka ovat herkkiä yksi- ja kaksifotonisille. säteilyn vaikutuksesta ja voivat muuttaa ominaisuuksiaan tämän säteilyn vaikutuksesta [51] [52] . Elektronisuihkulitografia [53] [54] on kallis mutta erittäin tarkka menetelmä kaksiulotteisten fotonikiteiden valmistamiseksi [55] Tässä menetelmässä fotoresistia, joka muuttaa ominaisuuksiaan elektronisuihkun vaikutuksesta, säteilytetään säteellä tietyissä kohdissa. paikkoja avaruudellisen maskin muodostamiseksi. Säteilytyksen jälkeen osa fotoresististä pestään pois ja loput käytetään maskina syövytystä varten seuraavassa teknisessä syklissä. Tämän menetelmän maksimiresoluutio on 10 nm [56] . Ionisuihkulitografia on periaatteessa samanlainen, vain ionisuihkua käytetään elektronisuihkun sijasta. Ionisuihkulitografian etuja elektronisuihkulitografiaan verrattuna ovat, että fotoresisti on herkempi ionisuihkuille kuin elektronisuihku, eikä siinä ole "läheisyysilmiötä", joka rajoittaisi pienimmän mahdollisen alueen kokoa sädelitografiassa. elektronit [57] [58] [ 59] .

Sovellus

Hajautettu Bragg-heijastin on jo laajalti käytetty ja tunnettu esimerkki yksiulotteisesta fotonikiteestä.

Modernin kybernetiikan tulevaisuus liittyy fotonikiteisiin . Tällä hetkellä tutkitaan intensiivisesti fotonikiteiden ominaisuuksia, kehitetään teoreettisia menetelmiä niiden tutkimiseen, kehitetään ja tutkitaan erilaisia ​​fotonikiteillä varustettuja laitteita, toteutetaan teoreettisesti ennustettuja vaikutuksia fotonikiteissä ja se on oletti, että:

Katso myös

Muistiinpanot

  1. ↑ s. VI julkaisussa Photonic Crystals, H. Benisty, V. Berger, J.-M. Gerard, D. Maystre, A. Tchelnokov, Springer 2005.
  2. ↑ 1 2 3 E. L. Ivchenko, A. N. Poddubny, "Resonant kolmiulotteiset fotonikiteet", Solid State Physics, 2006, osa 48, no. 3, s. 540-547.
  3. ↑ V. A. Kosobukin, "Photonic crystals," Window to the Microworld ", nro 4, 2002. (linkki ei saavutettavissa) . Käyttöpäivä : 22. lokakuuta 2007. Arkistoitu 2. marraskuuta 2007. 
  4. ↑ V. G. Fedotov, A. V. Selkin / MULTIWAVE BRAGG DIFFRAKTIOT JA HÄIRIÖVAIKUTUKSET 3D-VALOKUVIOISSA 3D-KIDEILLE Arkistokopio päivätty 4. maaliskuuta 2016 Wayback Machinessa . — NRU ITMO -lehti. — Nanosysteemit: fysiikka, kemia, matematiikka. — 2(11). -538 958 USD
  5. ↑ 1 2 Fotoniset kristallit: Jaksottaisia ​​yllätyksiä sähkömagnetismissa . Haettu 11. lokakuuta 2007. Arkistoitu alkuperäisestä 22. toukokuuta 2011.
  6. ↑ CNews, Fotonikiteet keksivät ensimmäisiä perhosia. (linkki ei saatavilla) . Haettu 26. kesäkuuta 2019. Arkistoitu alkuperäisestä 31. maaliskuuta 2014. 
  7. ↑ S. Kinoshita, S. Yoshioka ja K. Kawagoe "Morpho-perhosen rakenteellisen värin mekanismit: säännöllisyyden ja epäsäännöllisyyden yhteistyö irisoivassa mittakaavassa", Proc. R. Soc. Lontoo. B, Voi. 269, 2002, s. 1417-1421. . Haettu 15. lokakuuta 2007. Arkistoitu alkuperäisestä 9. elokuuta 2017.
  8. ↑ http://ab-initio.mit.edu/wiki/index.php/MPB_Introduction Arkistoitu 2. helmikuuta 2017 Wayback Machinessa Steven Johnson, MPB manual.
  9. ↑ Ohjelmistopaketti fyysisten ongelmien ratkaisemiseen. . Haettu 18. lokakuuta 2007. Arkistoitu alkuperäisestä 9. helmikuuta 2017.
  10. ↑ http://optics.synopsys.com/rsoft/rsoft-passive-device-fullwave.html Arkistoitu 2. helmikuuta 2017 Wayback Machine RSOFT Fullwave Electrodynamics -ohjelmistopaketissa.
  11. ↑ MIT Photonic Bands -ohjelmistopaketti fotonikiteiden kaistakaavioiden laskemiseen. . Haettu 18. lokakuuta 2007. Arkistoitu alkuperäisestä 2. helmikuuta 2017.
  12. ↑ RSOFT BandSolve -ohjelmistopaketti fotonikiteiden kaistakaavioiden laskemiseen. . Haettu 22. syyskuuta 2014. Arkistoitu alkuperäisestä 3. helmikuuta 2017.
  13. ↑ A. Reisinger, "Optisten ohjattujen moodien ominaisuudet häviöllisissä aaltoputkissa", Appl. Opt., Voi. 12, 1073, s. 1015.
  14. ↑ MH Eghlidi, K. Mehrany ja B. Rashidian, "Parannettu differentiaali-siirtomatriisimenetelmä epähomogeenisille yksiulotteisille fotonikiteille", J. Opt. soc. Olen. B, Voi. 23, ei. 7, 2006, s. 1451-1459.
  15. ↑ 1 2 Translight-ohjelma, Andrew L. Reynolds, Glasgow'n yliopiston elektroniikan ja sähkötekniikan laitoksen optoelektroniikan tutkimusryhmässä oleva Photonic Band Gap Materials Research Group ja ohjelman alkuperäiset alullepanijat Imperial Collegesta Lontoosta, professori JB Pendry , professori PM Bell, Dr. AJ Ward ja Dr. L. Martin Moreno.
  16. ↑ Matlab - teknisten laskelmien kieli. . Haettu 18. lokakuuta 2007. Arkistoitu alkuperäisestä 23. joulukuuta 2010.
  17. ↑ s. 40, JD Joannopoulos, RD Meade ja JN Winn, Photonic Crystals: Molding the Flow of Light, Princeton Univ. Lehdistö, 1995.
  18. ↑ s. 241, PN Prasad, Nanophotonics, John Wiley and Sons, 2004.
  19. ↑ s. 246, PN Prasad, Nanophotonics, John Wiley and Sons, 2004.
  20. ↑ D. Vujic ja S. John . "Pulssin uudelleenmuotoilu fotonikideaaltoputkissa ja mikroonteloissa Kerr-epälineaarisuuden kanssa: kriittisiä kysymyksiä täysoptiselle kytkennälle", Physical Review A, Voi. 72, 2005, s. 013807. Arkistoitu 16. huhtikuuta 2007 Wayback Machinessa
  21. ↑ http://www3.interscience.wiley.com/cgi-bin/fulltext/114286507/PDFSTART  (linkki ei saatavilla) J. Ge, Y. Hu ja Y. Yin, "Highly Tunable Superparamagnetic Colloidal Photonic Crystals", Angewandte Chemie International Edition Voi. 46, nro. 39, s. 7428-7431.
  22. ↑ A. Figotin, YA Godin ja I. Vitebsky, "Two-dimensional tunable photonic crystals", Physical Review B, Voi. 57, 1998, s. 2841. . Haettu 22. lokakuuta 2007. Arkistoitu alkuperäisestä 14. lokakuuta 2008.
  23. ↑ MIT Photonic-Bands -paketti, jonka on kehittänyt Steven G. Johnson MIT:ssä yhdessä Joannopoulos Ab Initio Physics -ryhmän kanssa. . Haettu 18. lokakuuta 2007. Arkistoitu alkuperäisestä 2. helmikuuta 2017.
  24. ↑ http://www.elettra.trieste.it/experiments/beamlines/lilit/htdocs/people/luca/tesihtml/node14.html Arkistoitu 16. marraskuuta 2007 Wayback Machine Fabrication and Characterization of Photonic Band Gap Materialsissa.
  25. ↑ P. Lalanne, "Electromagnetic Analysis of Photonic Crystal Waveguides Operating Above the Light Cone", IEEE J., Quentum Electronics, Voi. 38, nro. 7, 2002, s. 800-804."
  26. ↑ A. Pucci, M. Bernabo, P. Elvati, LI Meza, F. Galembeck, CA de P. Leite, N. Tirelli ja G. Ruggeriab, "Photo-induced formation of gold nanopartticles into vinyl alkoholi based polymers", J. mater. Chem., Voi. 16, 2006, s. 1058-1066.
  27. ↑ A. Reinholdt, R. Detemple, AL Stepanov, TE Weirich ja U. Kreibig, "Uusi nanopartikkelimateriaali: ZrN-nanoparticles", Applied Physics B: Lasers and Optics, Voi. 77, 2003, s. 681-686.  (linkki ei saatavilla)
  28. ↑ L. Maedler, WJ Stark ja SE Pratsinisa, "Au-nanohiukkasten samanaikainen kerrostuminen TiO2:n ja SiO2:n liekkisynteesin aikana", J. Mater. Res., Voi. 18, ei. 1, 2003, s. 115-120.
  29. ↑ KK Akurati, R. Dittmann, A. Vital, U. Klotz, P. Hug, T. Graule ja M. Winterer, "Silica-based komposiitti ja sekaoksidinanohiukkaset ilmakehän paineen liekkisynteesistä", Journal of Nanoparticle Research , Voi. 8, 2006, s. 379-393.  (linkki ei saatavilla)
  30. ↑ s. 252, PN Prasad, Nanophotonics, John Wiley and Sons, 2004
  31. ↑ A.-P. Hynninen, JHJ Thijssen, ECM Vermolen, M. Dijkstra ja A. van Blaaderen, "Fotonikiteiden itsekokoamisreitti, jossa on bandrap näkyvällä alueella", Nature Materials 6, 2007, s. 202-205.
  32. ↑ X. Ma, W. Shi, Z. Yan ja B. Shen, "Piidioksidin/sinkkioksidin ydin-kuori kolloidisten fotonikiteiden valmistus", Applied Physics B: Lasers and Optics, Voi. 88, 2007, s. 245-248.  (linkki ei saatavilla)
  33. ↑ SH Park ja Y. Xia, "Assembly of Mesoscale Particles over Large Areas and Sen Application in Fabricating Tunable Optical Filters", Langmuir, Voi. 23, 1999, s. 266-273.  (linkki ei saatavilla)
  34. ↑ SH Park, B. Gates, Y. Xia, "Kolmiulotteinen fotonikristalli, joka toimii näkyvällä alueella", Advanced Materials, 1999, Voi. 11, s. 466-469.  (linkki ei saatavilla)
  35. ↑ s. 252, PN Prasad, Nanophotonics, John Wiley and Sons, 2004.
  36. ↑ YA Vlasov, X.-Z. Bo, JC Sturm ja DJ Norris, "On-chip natural assembly of Silicon photonic bandgap crystals", Nature, Voi. 414, nro 6861, s. 289.
  37. ↑ 1 2 s. 254, PN Prasad, Nanophotonics, John Wiley and Sons, 2004.
  38. ↑ M. Cai, R. Zong, B. Li ja J. Zhou, "Synthesis of inverse opal polymer films", Journal of Materials Science Letters, Voi. 22, ei. 18, 2003, s. 1295-1297.  (linkki ei saatavilla)
  39. ↑ R. Schroden, N. Balakrishan, "Käänteiset opaalifotonikiteet. Laboratorioopas, Minnesotan yliopisto. (linkki ei saatavilla) . Haettu 22. lokakuuta 2007. Arkistoitu alkuperäisestä 18. elokuuta 2007. 
  40. ↑ Virtuaalinen puhdastila, Georgia Institute of Technology. (linkki ei saatavilla) . Haettu 23. lokakuuta 2007. Arkistoitu alkuperäisestä 23. joulukuuta 2016. 
  41. ↑ P. Yao, GJ Schneider, DW Prather, ED Wetzel ja DJ O'Brien, "Kolmiulotteisten fotonikiteiden valmistus monikerroksisella fotolitografialla", Optics Express, Voi. 13, ei. 7, 2005, s. 2370-2376.
  42. ↑ A. Jugessur, P. Pottier ja R. De La Rue, "Engineering the filter response of photonic crystal microcavity filters", Optics Express, Voi. 12, ei. 7, 2005, s. 1304-1312. . Haettu 23. lokakuuta 2007. Arkistoitu alkuperäisestä 2. kesäkuuta 2004.
  43. ↑ S. Khizroev, A. Lavrenov, N. Amos, R. Chomko ja D. Litvinov, "Focused Ion Beam as a Nanofabrication Tool for Rapid Prototyping of Nanomagnetic Devices", Microsc Microanal 12 (Supp 2), 2006, pp. 128-129.
  44. ↑ Nanovalmistus ja nopea prototyyppien valmistus DialBeam-instrumenteilla. FEI yhtiö. . Käyttöpäivä: 23. lokakuuta 2007. Arkistoitu alkuperäisestä 22. kesäkuuta 2015.
  45. ↑ Y. Fu, N. Kok, A. Bryan ja ON Shing, "Integrated Micro-Cylindrical Lens with Laser Diode for Single-Mode Fiber Coupling", IEEE Photonics Technology Letters, Voi. 12, ei. 9, 2000, s. 1213-1215. (linkki ei saatavilla) . Haettu 23. lokakuuta 2007. Arkistoitu alkuperäisestä 24. toukokuuta 2006. 
  46. ↑ S. Matsui ja Y. Ochiai, "Focused ion beam applications to solid state devices", Nanotechnology, Voi. 7, 1996, s. 247-258.
  47. ↑ M.W. Phaneuf, "FIB-nanopinnoituksen ja nanokoneistuksen sovellukset (hauskoja ja käytännöllisiä), Microsc. Microanal. 8 (lisäosa 2), 2002, ss. 568CD-569CD.
  48. ↑ s. 257, PN Prasad, Nanophotonics, John Wiley and Sons, 2004.
  49. ↑ GQ Liang, WD Mao, YY Pu, H. Zou, HZ Wang ja ZH Zeng, "Kaksiulotteisten kytkettyjen fotonikideresonaattorien valmistus holografisella litografialla"  (linkki ei saatavilla) , Appl. Phys. Lett. Voi. 89, 2006, s. 041902.
  50. ↑ M. Duneau, F. Delyon ja M. Audier, "Holografinen menetelmä kolmiulotteisten fotonikiteiden suoraksi kasvattamiseksi kemiallisen höyrypinnoituksen avulla"  (linkki ei ole käytettävissä) , Journal of Applied Physics , Voi. 96, nro. 5, 2004, s. 2428-2436.
  51. ↑ BH Cumpston, SP Ananthavel, S. Barlow, DL Dyer, JE Ehrlich, LL Erskine, AA Heikal, SM Kuebler, I.-YSLee, D. McCord-Maughon, J. Qin, H. Roeckel, M. Rumi, X .-L. Wu, SR Marder ja JW Perry, "Kaksifotonipolymeroinnin initiaattorit kolmiulotteisen optisen tiedon tallentamiseen ja mikrovalmistukseen", Nature, Voi. 398, nro 6722, 1999, s. 51-54.
  52. ↑ S. Jeon, V. Malyarchuk ja JA Rogers, "Kolmiulotteisten nanorakenteiden valmistus käyttämällä kahden fotonin litografiaa yhdessä valotusvaiheessa", Optics Express, Voi. 14, ei. 6, 2006, s. 2300-2308. (linkki ei saatavilla) . Haettu 23. lokakuuta 2007. Arkistoitu alkuperäisestä 14. kesäkuuta 2010. 
  53. ↑ http://www.azonano.com/details.asp?ArticleID=1208 Arkistoitu 25. heinäkuuta 2008 Wayback Machinessa Artikkeli elektronisuihkulitografiasta Azonanon verkkosivustolla.
  54. ↑ AS Gozdz, PSD Lin, A. Scherer ja SF Lee, "Ensimmäisen asteen ritilöiden nopea suora e-beam litografinen valmistus 1,3 μm DFB-lasereille", IEEE Electronics Letters, Voi. 24, nro. 2. 1988, s. 123-125.
  55. ↑ s. 256, PN Prasad, Nanophotonics, John Wiley and Sons, 2004.
  56. ↑ INEX-assosiaatiosivu, joka kuvaa käytetyn elektronisuihkulitografia-asetuksen parametrit. (linkki ei saatavilla) . Käyttöpäivä: 23. lokakuuta 2007. Arkistoitu alkuperäisestä 28. heinäkuuta 2007. 
  57. ↑ s. 277, J. Orloff, M. Utlaut ja Lynwood Swanson, Korkean resoluution fokusoidut ionisäteet. FIB ja sen sovellukset, Kluwer Academic, 2003.
  58. ↑ K. Arshak, M. Mihov, A. Arshak, D. McDonagh ja D. Sutton, "Focused Ion Beam Lithography-Overview and New Aproaches", Proc. 24th International Conference on Microelectronics (MIEL 2004), Voi. 2, 2004, s. 459-462.
  59. ↑ K. Arshak, M. Mihov, A. Arshak, D. McDonagh, D. Sutton ja SB Newcomb, "Negative resist image by dry etching as a surface imaging process using focused ion beams", J. Vac. sci. Technol. B, Voi. 22, nro „1, 2004, s. 189-195.  (linkki ei saatavilla)
  60. ↑ K. Asakawa, Y. Sugimoto, Y. Watanabe, N. Ozaki, A. Mizutani, Y. Takata, Y. Kitagawa, H. Ishikawa, N. Ikeda, K. Awazu, X. Wang, A. Watanabe, S Nakamura, S. Ohkouchi, K. Inoue, M. Kristensen, O. Sigmund, P.I. Bore ja R. Baets, "Photonic crystal and quantum dot technologies for all-optical switch and logic device", New J. Phys., Vol. . 8, 2006, s. 208.
  61. ↑ P. Lodahl, A. F. van Driel, I. S. Nikolaev1, A. Irman, K. Overgaag, D. Vanmaekelbergh ja W. L. Vos, "Controlling the dynamics of spontaani emission from quantum dots by photonic crystals", Nature, Voi. 430, nro. 7000, 2004, s. 654. . Haettu 22. lokakuuta 2007. Arkistoitu alkuperäisestä 24. syyskuuta 2005.
  62. ↑ CHR Ooi, TC Au Yeung, CH Kam ja TK Lim, "Photonic band gap in a supraconductor-dilectric superhila", Phys. Rev. B, Voi. 61, 2000, s. 5920 - 5923.  (linkki ei käytettävissä)
  63. ↑ C.-J. Wu, M.-S. Chen ja T.-J. Yang, "Photonic band structure for a supraconductor-dilectric superhila", Physica C: Superconductivity, Voi. 432, 2005, s. 133-139.  (linkki ei saatavilla)
  64. ↑ Ilja Polištšuk. Fotonikiteet ovat uuden sukupolven mikroelektroniikan perusta (31. lokakuuta 2011). Haettu 23. maaliskuuta 2021. Arkistoitu alkuperäisestä 10. tammikuuta 2013.

Kirjallisuus

Linkit