Kryształy fotonowe (fotoniczne) Kryształy

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "Kryształy fotonowe (fotoniczne) Kryształy"

Alicja Rosińska
7 lat temu
Przeglądów:

1 Kryształy fotonowe (fotoniczne) Kryształy Kryształ: periodyczne uporządkowanie jonów w sieci krystalicznej. Elektron poruszjący się w krysztale może mieć PRAWIE WSZYSTKIE wartości pędu i energii ale nie WSZYSTKIE: struktura pasmowa. 1

2 Kryształy fotonowe Kryształ fotoniczny: periodyczne uporządkowanie obszarów o różnym współczynniku załamania w przypadku jednowymiarowym: n 1 n 2 Kryształy fotonowe Odpowiednikiem jonów są obszary o większym niż otoczenie współczynniku załamania. Fotony poruszające się w takim krysztale mogą mieć PRAWIE WSZYSTKIE długości fali: W rezultacie, okazuje się, że w takim periodycznym układzie tylko fotony o niektórych długościach fali mogą się rozchodzić, a inne nie (odpowiednik pasm energetycznych i pasm energii wzbronionej). 2

3 Kryształy zwykłe i fotonowe elektron porusza się w periodycznej sieci atomów foton porusza się w periodycznej sieci dielektrycznych obiektów e Co oznacza struktura pasmowa struktura pasmowa częstotliwość ω fotonowa przerwa energetyczna synthetic medium for propagation dω/dk <0: ujemny współczynnik załamania dω/dk 0: powolne światło (e.g. DFB lasers) duża krzywizna (duże n) wektor falowy k 3

4 Kryształy fotonowe w naturze Morpho butterfly Peacock feather wing scale: [ L. P. Biró et al., PRE 67, (2003) ] 6.21µm [J. Zi et al, Proc. Nat. Acad. Sci. USA, 100, (2003) ] [figs: Blau, Physics Today 57, 18 (2004)] Kryształy fotonowe Np. w sieci otworów o średnicy 1mm w materiale o współczynniku załamania n = 3.6 (nazywany obecnie Yablonovite ), w żadnym kierunku nie mogą rozchodzić się mikrofale. 4

5 Kryształy fotonowe Kryształy fotonowe można domieszkować : Zakłócenie periodyczności ułożenia otworów, zwiększenie lub zmniejszenie niektórych itp. wprowadza dozwolone energie do fotonowej przerwy energetycznej. Kryształy fotonowe Wpływ defektów na strukturę pasmową 5

6 Kryształy fotonowe: zastosowania? Falowody, światłowody Dlaczego światłowody? tu światło nie może się rozchodzić 6

7 Kryształy fotonowe Odległość między otworami powinna być równa długości fali podzielonej przez współczynnik załamania światła. Ta zależność oznacza, że wykonanie kryształów fotonowych wymaga dużej precyzji. Dopiero począwszy od 1997 roku powstały takie możliwości. Jak to zrobić? Najlepsza struktura krystaliczna Struktura diamentu Jest to struktura fcc. Strefa Brillouina jest najbardziej izotropowa w porównaniu z innymi strukturami. a Wiązania silne, to pasma dozwolone sa wąskie. Image: 7

8 Pierwszy tego typu kryształ fotonowy K. M. Ho, C. T. Chan, and C. M. Soukoulis, Phys. Rev. Lett. 65, 3152 (1990). frequency (c/a) 0.6 J J J JJJ J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J 0.5 J JJJJJ J J J JJJJ J J J J J J JJJ J 0.4 JJJ JJJJ J J J 11% gap J J J J J JJJJJJJJJJJ J J J J J J J J 0.3 JJ J J J 0.2 J J X Γ 0.1 W J J U L K 0 J X U L Γ X W K dla przerwy o λ = 1.55µm, średnica kulki ~ 330nm sfery SiO 2 MPB tutorial, Jak to zrobić? fabrication schematic Ułożyć strukturę bcc z kulek SiO 2 i lateksowych rozpuścić lateks wygrzać (ogrzać i stopić) SiO 2 make Si inverse (12% gap) [ F. Garcia-Santamaria et al., APL 79, 2309 (2001) ] 8

9 Jak to zrobić? [ F. Garcia-Santamaria et al., Adv. Mater. 14 (16), 1144 (2002). ] 5µm 5µm dissolve latex spheres 4-layer [111] silica diamond lattice 6-layer [001] silica diamond lattice Są i inne, łatwiejsze sposoby 9

10 Litografia warstwa po warstwie Wytwarzanie układów dwuwymiarowych z Si, GaAs i innych materiałów jest bardzo dobrze opanowane. można zatem zrobić układ 3D warstwa po wartswie Przykład C rod layer A B hole layer [ S. G. Johnson et al., Appl. Phys. Lett. 77, 3490 (2000) ] Up to ~ 27% gap for Si/air 10

11 Bardziej realistyczny schemat [ M. Qi, H. Smith, MIT ] Litografia wiązką elektronów: z góry 5 µm [ M. Qi, H. Smith, MIT ] 11

12 Dodawanie defektów 450nm 580nm 740nm A A A layer 7 A 6 C C C layer 5 C 4 B' B B layer 3 B B A A 2 layer 1 A A substrate Np. nie wytrawione niektóre otwory [ M. Qi, H. Smith, MIT ] Inny model kryształu: stos drewna [ K. Ho et al., Solid State Comm. 89, 413 (1994) ] [ H. S. Sözüer et al., J. Mod. Opt. 41, 231 (1994) ] [ Rysunki z S. Y. Lin et al., Nature 394, 251 (1998) ] 12

13 Stos drewna (4 warstwy = 1 okres) [ S. Y. Lin et al., Nature 394, 251 (1998) ] Si gap Prawdziwe rozmiary [ M. Python ] [ S. Noda et al., Science 289, 604 (2000) ] 13

14 Przerwa energetyczna [ S. Noda et al., Science 289, 604 (2000) ] Wprowadzenie defektu [ S. Noda et al., Science 289, 604 (2000) ] 14

15 Kolejny sposób budowania kryształu warstwa po warstwie: mikromanipulacja Mikromanipulacja [ K. Aoki et al., Appl. Phys. Lett. 81 (17), 3122 (2002) ] umieszczenie mikrokulek w otworach przeniesienie jej na substrat Wykonanie 2D warstwy fotonicznej zrobienie dziurek w kulkach kulki wymuszają równoległość warstw goto a; 15

16 Mikromanipulacja [ K. Aoki et al., Appl. Phys. Lett. 81 (17), 3122 (2002) ] Przerwa energetyczna dla~4µm [ K. Aoki et al., Nature Materials 2 (2), 117 (2003) ] 20 layers 50nm accuracy: (gap effects are limited by finite lateral size) 1µm 16

17 Metalowy kryształ fotonowy [ J. G. Fleming et al., Nature 417, 52 (2002) ] początek: stos Si w SiO 2 rozpuszczenie Si w KOH powrycie wolframem metodą CVD na cienkiej warstwie TiN rozpuszczenie SiO 2 whf Masowa produkcja kryształów fotonowych, czy to w ogóle możliwe? 17

18 1. Litografia wiązkami laserowymi [ D. N. Sharp et al., Opt. Quant. Elec. 34, 3 (2002) ] 4 wiązki jednoczesnie tworzą trójwymiarowy, periodyczny wzór materiał absorbujący światło (1.4µm) 2. Koloidy (parowanie) krzemianowe SiO 2 mikrokulki (d < 1µm) kulki opadaja na dno tworząc strukturę fcc 18

19 2. Koloidy [ figs courtesy D. Norris, UMN ] układ fcc kulek SiO 2 nie jest kryształem fotonowym (nie ma przerwy energetycznej) ale układ fcc sferycznych dziurek w Si - tak kulki 3D Infiltration complete band gap usunąć kulki Inverted Opal 3. Polimery blokowe dwa polimery ulegają segregacji i porządkują się tworząc periodyczne układy periodyczność: około 50 nm [ Y. Fink, A. M. Urbas, M. G. Bawendi, J. D. Joannopoulos, E. L. Thomas, J. Lightwave Tech. 17, 1963 (1999) ] 19

20 4. Szklane puste światłowody Jedną z technologii wytwarzania takich światłowodów jest sprasowanie wiązki szklanych rurek. 4. Szklane puste światłowody Wytworzenie preformy Wyciąganie właściwego światłowodu 20

21 Wytwarzanie pustych światłowodów rurka SiO 2 (cm) (zewnętrzna osłona) wyciąganie ~50 µm ogrzewanie i wyciąganie ~1 mm Preforma Rurki szklane układa się w kształt sześciokąta z albo pustym, albo pełnym, albo dwójłomnym, domieszkowanym rdzeniem. 21

22 Wyciąganie światłowodu W pionowym piecu rurowym Zmiana średnicy jednej rurki wskutek wyciągania Światłowody puste w środku Rdzeń światłowodu jest pusty, natomiast wokół rdzenia znajduje się kryształ fotonowy, który utrzymuje wiązkę światła wewnątrz. 22

23 Światłowody puste w środku Wytwarzanie pustych światłowodów [ R. F. Cregan et al., Science 285, 1537 (1999) ] 10µm 23

24 Wytwarzanie pustych światłowodów transmitted intensity after ~ 3cm ω (c/a) (not 2πc/a) Straty w pustych światłowodach [Mangan, et al., OFC 2004 PDP24 ] 3.9µm 1.7dB/km BlazePhotonics over ~ 24

25 Straty w pustych światłowodach większy rdzeń = mniejsza penetracja zewnętrznej warstwy przez pole EMG 13dB/km Corning over ~ [ Smith, et al., Nature 424, 657 (2003) ] 1.7dB/km BlazePhotonics over ~ [ Mangan, et al., OFC 2004 PDP24 ] Straty w pustych światłowodach ale większy rdzeń= więcej stanów powierzchniowych 100nm 20nm 25

26 Straty w pustych światłowodach najlepszy dotychczasowy wynik: 0.28 [ Tajima, ECOC 2003 ] Światłowody puste w środku W ten sam sposób można robić rozgałęzienia światłowodów. 26

27 Literatura P.E. Bagnoli et al., Dipartimento di Fisica Enrico Fermi, Universita di Pisa. S.G. Johnson, Applied Mathematics, MIT. Ertan Salik, OAO Corporation. Andrea Macella, Università degli Studi di Lecce 27

Podobne dokumenty

Fotonika. Plan: Wykład 11: Kryształy fotoniczne

Fotonika. Plan: Wykład 11: Kryształy fotoniczne Fotonika Wykład 11: Kryształy fotoniczne Plan: Kryształy fotoniczne Homogenizacja długofalowa Prawo załamania dla kryształów fotonicznych, superkolimacja Tw. Blocha, kryształy, kryształy fotoniczne, kryształy