Оптимізація параметрів росту фотонних стекол та кристалів

Структура фотонних кристалів та стекол. Методи отримання фотонних структур. Методика синтезу та обробки штучних опалів. Розрахунок хімічної реакції для синтезу фотонних структур. Оптимізація параметрів росту фотонних кристалів та підготовка зразків.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Размещено на

ЗМІСТ

ВСТУП

РОЗДІЛ 1. ЛІТЕРАТУРНИЙ ОГЛЯД

1.1 Стуктура фотонних кристалів та стекол

1.2 Методи отримання фотонних структур

1.3 Методика синтезу та обробки штучних опалів

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧІ

РОЗДІЛ 2. ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНА ЧАСТИНА

2.1 Розрахунок хімічної реакції для синтезу фотонних структур

2.2 Підготовка та проведення синтезу фотонних кристалів

2.3 Оптимізація параметрів росту фотонних кристалів та підготовка зразків

2.4 Дослідження оптичного спектру фотонного кристалу

ВИСНОВКИ

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

ВСТУП

Бурхливий прогрес у мікроелектроніці і грандіозні проекти розвитку інформаційних технологій в останній час все ближче стикаються з проблемою існування фундаментальних обмежень швидкодії напівпровідникових пристроїв. У зв'язку з цим все більша кількість досліджень присвячується розробці принципових основ альтернативних до напівпровідникової електроніки областей - мікроелектроніки надпровідників і фотоніки.

Фотонні кристали (ФК) - це штучні періодичні діелектричні структури (матеріали) з забороненою зоною, що перешкоджає поширенню світла в певному частотному діапазоні [1]. Створюючи точкові дефекти (або резонансні порожнини) в такому кристалі, можна захопити фотони в "пастки" забороненої зони (локалізувати фотони в порожнинах дефекту), а потім певним чином використовувати. Частотний діапазон і інші параметри такої порожнини можна задавати досить просто. Регулярні структури інтегральних оптичних волноводів (або діелектричних стержнів) з круглим, прямокутним або шестигранним перетином дозволяють формувати діелектричні (оптичну) і навіть гібридні (діелектрично-металеву) кристалічні структури, які володіють дивовижними властивостями.

Ідея фотонних кристалів вперше була запропонована в 1987 році Елі Яблоновічем [2]. У 1991 Яблоновіч з колегами виготовив перший фотонний кристал шляхом свердління міліметрових отворів у матеріалі з високим показником заломлення. Штучний кристал, який зараз називають «яблоновіт», не пропускав випромінювання міліметрового діапазону і реалізовував фотонну структуру з забороненою зоною. Однак запропонована їм технологія мало підходила для формування структури кристалів, яка дозволяла б працювати з оптичними довжинами хвиль в широко відомих вікнах прозорості (850, 1310, 1550 нм).

Одним з перших практично важливих застосувань таких структур стало виготовлення діелектричних покриттів з унікальними оптичними характеристиками, що застосовуються для створення високоефективних оптичних спектральних фільтрів і зниження небажаного відбиття від оптичних елементів (така оптика одержала назву просвітленої) і діелектричних дзеркал з коефіцієнтом відбиття, близьким до 100%. В якості другого добре відомого прикладу одномірних фотонних структур можна згадати напівпровідникові лазери з розподіленим зворотним зв'язком, а також оптичні волноводи з періодичною поздовжною модуляцією фізичних параметрів (профілю або коефіцієнта заломлення).

Фотонні кристали знайдуть широке застосування в фотонних (оптичних) інтегральних технологіях для створення фотонних інтегральних схем (ФІС). Ці схеми необхідні не тільки для перспективного обладнання оптичних мереж зв'язку, але й для надшвидкодіючих комп'ютерних систем. Так, використовуючи систему пов'язаних лінійних і просторових дефектів, можна формувати складну геометрію просторового оптичного волновода, аналогічно топології електричних зв'язків в електричних інтегральних схемах (ЕІС). Отже, технологія формування ФК може бути використана для виготовлення ФІС, здатних у майбутньому замінити ЕІС в мікропроцесорній техніці. Така заміна дозволить різко скоротити високе енергоспоживання, характерне для всіх ЕІС, а також збільшити тактові частоти та швидкість передачі даних за рахунок більш високої швидкості розповсюдження оптичного променя в порівнянні з фазовою швидкістю електричного сигналу. Крім того, ФК можуть бути застосовані у ряді складних, функціональних завдань, таких як поворот оптичного променя на 90о, перетин в площині двох оптичних волноводов з мінімальними перехідними перешкодами та ефективна фільтрація окремої оптичної несучої.

РОЗДІЛ 1. ЛІТЕРАТУРНИЙ ОГЛЯД

1.1 Структура фотонних кристалів та стекол

Фотонні кристали - матеріали структура яких характеризується періодичною зміною показника заломлення в одному або декількох просторових напрямках або ж матеріали у яких діелектрична проникність періодично змінюється в просторі з періодом що допускає брэггівську дифракцію світла.

Фотонні кристали за характером зміни коефіцієнта заломлення можна розділити на три основні класи [3]: одномірні, двомірних, тривимірні.

У одновимірних кристалах, коефіцієнт заломлення періодично змінюється в одному просторовому напрямку як показано на рисунку 1.1. На цьому рисунку символом Л позначений період зміни коефіцієнта заломлення, n1 і n2 - показники заломлення двох матеріалів. У загальному випадку в періодичній структурі може бути присутнім будь-яке число матеріалів. Такі фотонні кристали складаються з паралельних один одному шарів різних матеріалів з різними коефіцієнтами заломлення і можуть проявляти свої властивості в одному просторовому напрямку, перпендикулярно верствам.

фотонний кристал опал синтез

Рис. 1.1. Схематичне представлення одномірного фотонного кристалу. На цьому рисунку символом Л позначений період зміни коефіцієнта заломлення, n1 і n2 - показники заломлення двох матеріалів.

У двомірних кристалах, коефіцієнт заломлення періодично змінюється в двох просторових напрямках як показано на рисунку 1.2. На цьому рисунку фотонний кристал створений прямокутними областями з коефіцієнтом заломлення n1, які знаходяться в середовищі з коефіцієнтом заломлення n2. При цьому, області з коефіцієнтом заломлення n1 впорядковані в двовимірній кубічній решітці. Такі фотонні кристали можуть проявляти свої властивості в двох просторових напрямках, і форма областей з коефіцієнтом заломлення n1 не обмежується прямокутниками, як на рисунку, а може бути будь-який (кола, еліпси, довільна і т. д.). Кристалічна решітка, в якій впорядковані ці області, також може бути іншою, а не тільки кубічною, як на наведеному рисунку.

Рис. 1.2. Схематичне представлення двовимірного фотонного кристалу. На цьому рисунку символом Л позначений період зміни коефіцієнта заломлення, n1 і n2 - показники заломлення двох матеріалів.

Тривимірні фотонні кристали, можна уявити як масив об'ємних областей, у яких коефіцієнт заломлення періодично змінюється в трьох просторових напрямках (Рис. 1.3). Такі кристали можуть проявляти свої властивості в трьох просторових (сфер, кубів і т. д.), впорядкованих у тривимірної кристалічної решітці.



Рис 1.3. Схематичне представлення тривимірного фотонного кристалу. Символами позначені коефіцієнти заломлення двох матеріалів n1 і n2.

Як і електричні середовища в залежності від ширини заборонених і дозволених зон, фотонні кристали можна поділити на провідники - здатні проводити світло на великі відстані з малими втратами, діелектрики - практично ідеальні дзеркала, напівпровідники - речовини здатні, наприклад, вибірково відображати фотон певної довжини хвилі і надпровідників, в яких завдяки колективним явищам фотони здатні поширюватися практично на необмежені відстані.

Також розрізняють резонансні і нерезонансние фотонні кристали [1]. Резонансні фотонні кристали відрізняються від нерезонансних тим, що в них використовуються матеріали, у яких діелектрична проникність (або коефіцієнт заломлення) як функція частоти має полюс на деякій резонансній частоті.

Будь-яка неоднорідність в фотонному кристалі (наприклад, відсутність одного або декількох квадратів на рисунку. 1.2, їх більший чи менший розмір щодо квадратів оригінального фотонного кристалу та інше) називаються дефектом фотонного кристалу. У таких областях часто зосереджується електромагнітне поле, що використовується в мікрорезонаторах та волноводах побудованих на основі фотонних кристалів.

Прикладом фотонного кристалу є опал, його мікроструктура являє собою щільну упаковку монодісперсних куль з аморфної двоокису кремнію (a-SiO2), діаметр яких залежить від умов їх отримання і може змінюватися від декількох десятків до тисяч нм [4]. Порожнечі між SiO2-кулями утворюють систему макропор, об'ємна частка яких становить 26% у разі щільноспакованних недеформованних куль.

Однак структуроутворюучі кулі в свою чергу складені з набагато більш дрібних частинок a-SiO2 діаметром 5-20 нм [5] і містять систему нанопор, що є порожнечами між цими частками. В роботі [6] було показано, що структура великих (~ 1000 нм) куль може бути більш складною, ніж для куль 200-300 нм. Останні є "вторинними" і складені первинними частинками діаметром 5 - 10 нм (рис. 1.4). Об'ємні зразки опалу з регулярно упакованих вторинних куль

Рис. 1.4. Схема будови великої частки з ядром. В центрі велике ядро що складається з первинних часток, ядро вкрите кількома шарами менших за розміром вторинних часток.

(діаметром до 500 нм) мають систему мікропор (порожнини між кулями) і нанопор (порожнечі між частинками куль). Великі кулі (~ 1000 нм) можуть містити ядро діаметром до 500 нм з будовою, аналогічною будовою 200 - 300 нанометрових куль. Ядро оточують частинки діаметром 70 - 1000 нм, які, так само як і ядро, є вторинними (тобто ск...