Фотоника является одной из альтернатив микроэлектроники: в качестве основных материалов, позволяющих преодолеть ограничения быстродействия кремниевой элементной базы, лежат фотонные кристаллы – пространственно упорядоченные системы со строгой периодической пространственной модуляцией диэлектрической проницаемости в масштабах, сопоставимых с длинами волн излучений в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах.
Яркими примерами фотонных кристаллов служат опаловые матрицы и самоорганизованные нано-пористые структуры на основе оксида алюминия [38].
Периодическая модуляция диэлектрической проницаемости среды, по аналогии с электронной зонной структурой в регулярной кристаллической решётке вещества, обуславливает возникновение фотонной запрещённой зоны – спектральной области, в пределах которой распространение света в фотонном кристалле подавлено во всех или в некоторых определённых направлениях.
Наличие фотонной запрещённой зоны обусловливает эффект локализации света, что позволяет использовать фотонно-кристаллические среды для создания разнообразных интегральных оптических устройств, включая беспороговые полупроводниковые лазеры, резонаторы с высокой добротностью, оптические волноводы, спектральные фильтры, поляризаторы и т.д. – т.е создание основы для нового поколения устройств и передовой элементной базы для оптоэлектроники и интегральной оптики. Разработка этого направления началась в 1986 году.
При определённых условиях в фотонных кристаллах можно создавать фотонные запрещённые зоны.
В этом смысле распространение света в фотонном кристалле похоже на распространение электронов и дырок в полупроводнике.
Электроны, проходя через полупроводник, движутся в периодическом потенциале упорядоченной решётки из атомов. Взаимодействие между электроном и периодическим потенциалом кристаллической решётки приводит к образованию энергетических запрещённых зон, в результате которого электрон не может распространяться в кристалле, если его энергия попадает в диапазон значений запрещённой энергетической зоны.
Наличие дефектов кристаллической решётки, или нарушение её периодичности приводят к локальному нарушению зонной структуры и появлению новых интересных свойств электронов, связанных с их локальными состояниями.
Если заменить электроны фотонами, а периодическую атомную решётку кристалла на периодическое изменение диэлектрической проницаемости среды, то оказывается возможным наблюдать аналогичные явления и для электромагнитных волн.
Для фотонных кристаллов постоянная решётки должна быть в диапазоне 100 нм – 1 мкм (1000 нм). Этот диапазон размеров в фотонных кристаллах может быть достигнут с использованием как обычных искусственных методов нанофабрикации, так и с помощью методов самосборки, наблюдаемых в объектах живой и неживой природы [39].
В фотонных 2D и 3D кристаллах также наблюдается запрещённая фотонная зона (рис.46-47), благодаря которой свет не может войти и распространяться в фотонном кристалле.
В России ведутся активные разработки устройств на основе микро-опто-электро-механических систем для различных задач – от измерительных приборов на основе интерферометров до безлинзовых цифровых голографических систем видения и новых типов оптических волокон [40].
Источники:
38. Игнатов А.Н. «Наноэлектроника. Состояние и перспективы развития»; Новосибирск: СибГУТИ, 2009, - 367 с
39. Сайт «РФФИ», URL: http://www.rfbr.ru/rffi/ru/books/o_1939898 (дата обращения 21.02.2017)
40. Сайт «Научно-Образовательный центр МГТУ им. Н.З. Баумана Фотоника и инфракрасная техника», URL: http://195.19.50.197/laboratories/photonics/ (дата обращения 23.02.2017)
Список статей канала по данной теме:
Парадигмальная модель развития электроники. Глава 1. Введение в парадигмальную теорию.
Глава 2. Взаимодополняющие законы развития науки, технологий и общества.
Глава 3. История развития мировой электроники. Часть 2. Парадигма вакуумной электроники.
Глава 3. История развития мировой электроники. Часть 3. Парадигма твердотельной электроники.
Глава 3. Смена стратегии развития электроники XXI века. Новые подходы. Часть 5. Спинтроника.
Глава 3. Смена стратегии развития электроники XXI века. Новые подходы. Часть 6. Фотоника.
Глава 3. Смена стратегии развития электроники XXI века. Новые подходы. Часть 7. Биоэлектроника.
Глава 4. Электроника. Вызовы XXI века. Перспективы дальнейшего развития.
