Ученые нашли способ экспериментально исследовать свойства фотонного кристалла с помощью люминесцентных измерений с угловым разрешением. Такой метод проще и дешевле, чем используемые сейчас, поскольку он не требует сложного оборудования. Кроме того, разработанный подход позволяет измерять слабые световые сигналы, которые недоступны другим методам. Поэтому разработка будет полезна при создании фотонных вычислительных схем и фотонных компьютеров, которые по скорости работы превзойдут традиционные устройства.
Фотонных компьютеров еще не существует, однако идея использовать кванты света — фотоны — для передачи информации в вычислительных машинах перспективна, поскольку это значительно ускорит обработку информации. Для работы таких компьютеров нужен эффективный источник излучения. Кремний — основной элемент современных микросхем и транзисторов — сам по себе почти не излучает свет, и, чтобы придать ему это свойство, нужно вырастить на нем наноостровки германия и сформировать в полученной структуре фотонный кристалл. В такой структуре наноостровки излучают свет, который, взаимодействуя с фотонным кристаллом, усиливается.
Ученые исследуют особенности излучения фотонных кристаллов с помощью дорогостоящих камер сложной конструкции, что затрудняет работу. Фотонный кристалл светит во все стороны, но обычно измеряется сигнал, ограниченный углами, которые определяются используемым объективом. Раньше без специальных камер невозможно было проанализировать угловое распределение излучения — то есть диаграмму направленности всех лучей от кристалла — и выявить в ней фундаментальные явления, позволяющие эффективно управлять излучающими свойствами наноостровков германия.
Ученые из Института физики микроструктур РАН (Нижний Новгород) разработали новый метод изучения сигналов фотонных кристаллов с помощью спектрометра — прибора, который есть в любой физической лаборатории. Для этого авторы решили улучшить обычную схему измерений без углового разрешения. Исследователи поместили диафрагму (пластину с отверстием, сквозь которую проходит свет, генерируемый фотонным кристаллом) в центр параллельного пучка света, формируемого объективом, а затем смещали ее в разные стороны. Это позволило авторам исследовать, как излучение выходит из фотонного кристалла под разными углами, а не только вертикально вверх. Как выяснили ученые, в направлениях, отличных от вертикального, также наблюдается ряд интересных эффектов и уникальных состояний, открывающих возможности управления излучением. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в Journal of Applied Physics.
Оказалось, что с помощью предложенного подхода можно проанализировать, как фотонный кристалл светит в разные углы относительно нормали (направления, перпендикулярного фотонному кристаллу). В перспективе это может позволить передавать информацию с помощью фотонных кристаллов и использовать их для сенсорики (в высокочувствительных датчиках).
Сейчас при создании фотонных схем 35 процентов их цены составляют затраты на тестирование и отладку. Последняя нужна для того, чтобы понять, хороша ли схема, которую изготовили на производстве. Далее схему необходимо протестировать — для этого в качестве тестовых источников излучения можно использовать фотонные кристаллы. Такой подход удобен, так как фотонные кристаллы возможно вырастить вместе со схемой, а не прикреплять к ней. Если схема хорошая, то к ней можно пристыковывать рабочий лазер (другой, не на фотонных кристаллах с наноостровками). Если же сделать это, не протестировав схему на фотонных кристаллах, вся конструкция может оказаться некачественной и непригодной для использования.
«В дальнейшем мы планируем исследовать поляризацию света, излучаемого фотонными кристаллами. Мы хотим узнать, как именно в фотонных кристаллах формируется поляризованное излучение и как можно это свойство использовать на практике. В перспективе это может быть полезно для дополнительного кодирования информации поляризацией. В целом наша дальнейшая работа будет направлена на изучение того, как еще можно управлять излучением фотонных кристаллов. Мы будем использовать накопленный опыт и поймем, как подобрать параметры фотонного кристалла так, чтобы создать ровно тот источник излучения, который нужен для прикладных задач, например, для сенсорики или для передачи информации», — рассказывает исполнитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Артем Перетокин, аспирант Института физики микроструктур РАН.