Оптоэлектроника. Возможности оптического компьютера

В современной оптоэлектронике электронные и фотонные разрешенные и запрещенные зоны приходится рассматривать в совокупности: например, электрон и дырка не могут рекомбинировать с выделением фотона, если энергия их рекомбинации (энергия испускаемого фотона) попадает в запрещенную фотонную зону. В этом случае время жизни возбужденного атома может быть увеличено во много раз.

Исторически теория дифракции на трехмерных решетках начала интенсивно развиваться с 1912 г., когда в качестве трехмерной решетки был взят кристалл и использовано излучение с длиной волны в диапазоне 0,01-1 нм, что соответствует рентгеновскому Дипа зону шкалы электромагнитных излучении. В 1915 г. отец и сын Брэгги (Генри и Лоуренс Брэгги) получили Нобелевскую премию за развитие метода рентгеноструктурного анализа кристаллов. Заметим, что именно в лаборатории Брэгга были впоследствии расшифрованы структуры гемоглобина и миоглобина и структура ДНК (Нобелевские премии 1962 г.: М. Перутц - Д. Кендрю и Д. Уотсон - Ф. Крик).

Теперь, спустя почти 100 лет, оптоэлектроника, изучая и создавая искусственные фотонные кристаллы, в свою очередь использует результаты и достижения рентгеноструктурного анализа. Одновременно оптоэлектроника эксплуатирует представления классической зонной теории для электронов.

В последние 10-15 лет число научных работ и проектов по фотонным кристаллам резко увеличилось» в основном из-за больших технических возможностей этих структур. Повышенный интерес к фотонным кристаллам и устройствам на их основе проявляют ведущие предприятия высоких технологий и военно-промышленные комплексы. Ситуацию сравниваются периодом бурного развития в 1960-х гг. интегральной! микроэлектроники, так как появилась возможность со- I здания оптических микросхем по аналогии со схемами! микроэлектроники. Открылась возможность принципиально новых способов хранения, передачи и обработки информации на базе материалов нового типа, определены пути реализации оптических компьютеров с! тактовыми частотами порядка 1 ТГц. Предполагается! создание лазеров нового типа с низким порогом генерации.

Получение фотонных кристаллов

Однако создание трехмерных фотонных кристаллом (именно они должны привести к принципиальным изменениям в технике) является достаточно сложной задачей. Запрещенная, или стоп - зона (stop-band), может оказаться неполной: по некоторым направлениям электромагнитные волны данной частоты все же смогут распространяться. Между тем наиболее перспективные технические приложения связаны именно с существованием полной фотонной запрещенной зоны. Чтобы добиться нужного эффекта, меняют соотношение коэффициентов преломления п₁ и п₂ периодически чередующихся областей, составляющих фотонный кристалл, их размер и форму, геометрическое расположение в пространстве.

Н аибольший технический интерес представляют возможности создания сверхрешеток для видимого диапазона волн, а также инфракрасной и ультрафиолетовой областей. Для этого нужно, чтобы периодически повторяющиеся области сверхрешетки имели размеры порядка микрона и находились строго на одинаковом расстоянии друг от друга. Выполнение этого условия вызывает большие технические трудности. Кроме того, необходима достаточно большая разница в значениях коэффициента преломления для матрицы и областей сверхрешетки.

Первую искусственную сверхрешетку для миллиметрового диапазона электромагнитных волн создал в 1989 г. Яблонович. Это был просто образец из диэлектрика с показателем преломления п = 3,6, в котором на расстояниях порядка 1 мм были просверлены под определенными углами каналы диаметром 1 мм. Пересечение каналов создавало периодически повторяющиеся полости. Этот классический объект получил название «яблоновит» в честь Яблоновича и являлся фотонным кристаллом для миллиметрового диапазона.

Во многих работах по созданию фотонных кристаллов моделью служит кластерная сверхрешетка опала. Опал является примером природного, хотя и не вполне совершенного фотонного кристалла. В нем периодическую решетку образуют достаточно крупные по сравнению с атомами кластеры кремнезема SiО₂ (рис. 5.2, а). Крупные кластеры, размером порядка сотен нанометров, могут, в свою очередь, состоять из более мелких, диаметром в десятки нанометров. Шарики кремнезема погружены в гелеобразную массу, состоящую в основном из SiО₂. От названия опала произошел термин «опалесценция», или «опализация»: характерная игра света в благородном опале - одном из видов этого прекрасного камня.

Матрица между сферами занимает существенную часть объема, порядка 25%, что хорошо видно на рисунке 5.2.

Именно кластерная сверхрешетка опала служит моделью во многих работах по созданию искусственных I фотонных кристаллов.

Так, в 1996 г. российские ученые разработали технологию получения оптически совершенных синтетических опалов на основе микроскопических сфер из двуокиси кремния с полостями между ними. Меняя размеры сфер, можно варьировать период сверхрешетки и тем самым менять свойства фотонного кристалла. В одной из работ был использован принцип снятия реплики, т.е. отпечатка (инвертированная решетка опала): кремниевая реплика опала дает вместо микроскопических сфер пустоты такого же размера в некоторой матрице (рис. 5.2, б). Обрабатывая внутреннюю поверхность полости различными веществами, можно тем самым управлять коэффициентом преломления, а значит, и свойствами фотонного кристалла.

В настоящее время предложен ряд способов самосборки системы сферических микрочастиц в плотноупакованный фотонный кристалл. Например, используется подъем суспензии кварцевых или полимерных микросфер, погруженных в жидкость, за счет капиллярных сил вверх по подложке, на которой на определенных расстояниях нанесены искусственные» «канавки» (рис. 5.3, а). Затем жидкость испаряется, и сканирующий электронный микроскоп фиксирует наличие упорядоченной структуры (рис. 5.3, б). Она ис­пользуется как реплика для получения структуры, где вместо шариков - сферические полости.

Это типичный для нанотехнологии процесс «снизу вверх».

Другие способы получения фотонных кристаллов основаны на широко используемом в микроэлектронике методе литографии и соответствуют процессу «сверху вниз».

Заметим, что чем выше частота используемого электромагнитного излучения (меньше длина волны), тем труднее создать трехмерный фотонный кристалл с широкой запрещенной зоной: меньше технических возможностей и для создания сверхрешетки с малым периодом, и для нужного сочетания коэффициентов преломления п_г и п₂. В атомных кристаллических решетках очень мала вариация п, по этой причине запрещенные зоны в рентгеновском спектре крайне узки и практически не играют роли.

Ф отонные кристаллы должны иметь очень однородную структуру. Поэтому японские ученые планируют отработать их технологию в условиях невесомости, на МКС. Проект рассчитан на 5 лет, его предварительная I стоимость около 5 млн долларов.