Оптоинформатика (стр. 18 из 19)

Рис. 11. Распределение электрического поля в двухмерном фотонном кристалле с Г-образным линейным дефектом [29]

В недавних работах [30, 31] показано, что, используя двумерный фотонный кристалл, в котором показатель преломления структуры зависит от интенсивности падающего излучения, можно создать оптический ограничитель (лимитер). На рис. 6 приведен спектр пропускания наноканальной пластины с воздушными отверстиями в направлении Г – М первой зоны Бриллюэна гексогональной кристаллической решетки. В данном случае фотонная запрещенная зона расположена в области 510…560 нм, где отражение высоко и пропускание падает до 10^-4 [32]. Если воздушные промежутки заполнить жидкостью с показателем преломления, близким по величине показателю преломления стеклянной матрицы, то эффект фотонного кристалла исчезнет и данная структура будет пропускать свет во всем диапазоне спектра. Заполнив каналы нелинейной средой с показателем преломления, соответствующим стеклянной матрице, можно получить управляемую светом структуру. При низкой интенсивности излучения структура прозрачна, при высокой интенсивности показатель преломления изменяется, структура превращается в фотонный кристалл и не пропускает излучение в зеленом диапазоне спектра. Первые фотонно-кристаллические лимитеры использовали тепловую нелинейность, а в качестве нелинейной среды - поглощающую жидкость [33], сильно изменяющую показатель преломления при изменении температуры среды. Изменение показателя преломления было достаточно для появления фотонной запрещенной зоны при плотности мощности падающего излучения 100…200 мДж/см². Вследствие того, что тепловая нелинейность развивается достаточно медленно, данный лимитер эффективен для миллисекундных лазерных импульсов.

Лучшее и более быстрое ограничение может быть достигнуто в фотонно-кристаллическом лимитере при использовании дополнительных нелинейных механизмов. Недавние исследования оптических свойств фталоцианиновых красителей привели к созданию нелинейных сред с большим нелинейным поглощением и рефракцией [34]. В этих средах нелинейный отклик обусловлен поглощением с возбужденных уровней, нелинейной рефракцией на возбужденных уровнях и выделением тепла вследствие поглощения. Использование данных сред в качестве заполнения наноканальной пластины привело к созданию фотонных кристаллов с большой нелинейностью. Экспериментальные исследования такого фотонно-кристаллического лимитера показали его быстродействие и более низкий порог ограничения.

Рис. 12. Характеристика фотонно-кристаллического лимитера [32]

На рис. 12 приведен график прохождения импульсного излучения второй гармоники неодимового лазера с длительностью 5 нс сквозь такую структуру. Из рисунка видно, что уровень ограничения составляет приблизительно 250 нДж при уровне входного излучения 12 мкДж. Следует отметить, что вследствие отражения световое излучение, попадающее внутрь среды, сильно ослаблено и, соответственно, повышается порог разрушения лимитера. Таким образом, фотонно-кристаллические лимитеры обладают большими потенциальными возможностями, причем, изменяя геометрию кристалла и заполняющую жидкость можно создавать устройства для любой длины волны - от УФ до дальнего ИК.

Нелинейно-оптические свойства фотонных структур можно использовать для создания оптических переключателей и логических ячеек. Рассмотрим ячейку из наноканальных пластин (рис. 6), воздушные промежутки которой заполнены эффективной нелинейной средой с показателем преломления n₀, превышающим показатель преломления матрицы и положительным нелинейным показателем преломления n₂. В данном случае при подаче интенсивного сигнала разность показателей преломления между матрицей и заполнением будет увеличиваться, вследствие увеличения показателя преломления нелинейной среды:

n_N = n₀ + n₂×I_p. (1) Согласно вычислениям [35], увеличение разности показателей преломления приводит к увеличению ширины запрещенной зоны (рис. 13).

Рис. 13. Увеличение ширины запрещенной зоны нелинейного фотонного кристалла при увеличении мощности падающего излучения [35]

При одновременной подаче на такую ячейку малоинтенсивного сигнала с длиной волны, соответствующей краю запрещенной зоны, и мощного управляющего сигнала на частоте, несколько большей края запрещенной зоны, происходит смещение края зоны, частота малоинтенсивного сигнала попадает в запрещенную зону, и он полностью отражается. В отсутствие интенсивного управляющего сигнала пробный (логический) сигнал проходит, и таким образом можно осуществить управление световыми потоками. Комбинируя подобного рода фотонно-кристаллические ячейки, можно осуществить любые логические операции, подобно системам S-SEED [8].

Из рассмотрения характера дисперсионной кривой для фотонного кристалла следует, что на краю запрещенной зоны скорость распространения света стремится к бесконечности, и таким образом фотонный кристалл имитирует среду с эффективной диэлектрической проницательностью, близкой к нулю [36]. На рис. 14 приведен график изменения эффективной диэлектрической проницаемости фотонного кристалла в виде наноканальной пластины в зависимости от длины волны.

Рис. 14. Зависимость эффективной диэлектрической проницаемости фотонного кристалла от длины волны [37]

Вдали от запрещенной зоны эффективная проницаемость определяется средней величиной проницаемости элементарной ячейки кристалла. Внутри запрещенной зоны эффективная проницаемость должна быть отрицательна, так как электрическое поле затухает внутрь структуры, и, соответственно, на краю запрещенной зоны должна существовать переходная область, в которой проницаемость обращается в нуль. Как показывают расчеты и эксперименты [37, 38], при падении на такой слой излучения с длиной волны, соответствующей переходной области, пучок света испытывает рефракцию с большим углом, направление которой противоположно классическим материалам с проницаемостью больше единицы (рис. 15). Это явление получило название суперпризмы и

Рис. 15. Преломление расходящегося пучка в фотонном кристалле [37]

может быть использовано для создания сверхминиатюрных спектрометров высокого разрешения на одном чипе [38]. На рис. 16 приведены результаты одного из экспериментов, проведенных исследователями японской фирмы NEC, работающими в области создания и использования фотонных структур в системах связи. Они изготавливают фотонные кристаллы, используя стандартное оборудование для изготовления обычных полупроводников, и ими предложена технология с использованием подложки из кремния, на которой методами литографии изготавливается рельеф в виде периодически расположенных полушарий, куда затем последовательно наносятся 20 чередующихся слоев окиси кремния и чистого кремния (рис. 17). Преимущество данной технологии в том, что фотонная структура самоорганизуется, а материалы абсолютно не токсичны.

Рис. 16. Эксперимент по созданию суперпризмы на основе фотонного кристалла [38]

Рис. 17. Пример фотонного кристалла, изготовленного фирмой NEC [39]

В последнее время фотонно-кристаллические и микроструктурные волокна привлекают все большее внимание в связи с их уникальными свойствами [40 - 43]. Как правило, эти волокна включают периодическую структуру воздушных пустот в пределах кварцевой сердцевины, причем в центре находиться либо кварцевое ядро (рис. 18), либо ядро в виде полого воздушного волновода (рис. 19).

Рис. 18. Микроструктурное волокно с кварцевым ядром [43]

Рис. 19. Фотонно-кристаллическое волокно с воздушным ядром [45]

Волноводный эффект в таких структурах осуществляется благодаря внутреннему отражению от периодической структуры «воздух-кварц» и созданию широкой запрещенной зоны для излучения, распространяющегося вдоль такой структуры [41 - 42]. В отличии от обычных волокон, в фотонно-кристаллических расположение и размер воздушных полостей позволяют в широких пределах варьировать их параметры. Микроструктурные волокна сохраняют одномодовый характер распространения с минимальными потерями в широкой области спектра, могут обладают нулевой дисперсией групповых скоростей вплоть до 650 нм [44] (для примера обычные кварцевые волокна не могут иметь нулевую дисперсию ниже длины волны 1.28 мкм).

Фотонно-кристаллические волокна менее чувствительны к изгибам волокна и к его кручению. Возможность создания волокон с аномальной дисперсией групповых скоростей в ближнем ИК диапазоне создает перспективы для создания солитонных линий связи [45] с длительностью отдельного импульса в фемтосекундном диапазоне, поскольку именно в этом диапазоне спектра наиболее развита фемтосекундная лазерная техника. Волокна с воздушным ядром способны пропускать значительно более мощное лазерное излучение, поскольку воздух имеет высокий порог оптического пробоя. В настоящее время разрабатываются технологии создания промышленного изготовления таких волокон и достигнуты определенные успехи. Создание волокон с дисперсией групповых скоростей, близкой к нулю в широком диапазоне спектра, позволит увеличить как скорость передачи в одном информационном канале, так и число спектральных каналов в системах частотного мультиплексирования (уплотнения) оптических сигналов.