Fotoniniai kristalai - Vilniaus universitetas
Fotoniniai kristalai - Vilniaus universitetas
Fotoniniai kristalai - Vilniaus universitetas
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
<strong>Fotoniniai</strong><br />
<strong>kristalai</strong><br />
Prof. habil. dr.<br />
Algirdas Petras STABINIS<br />
Šiuo metu asmeniniai kompiuteriai,<br />
kuriø veikimo sparta siekia kelis GHz<br />
(1GHz=10 9 Hz), jau nieko nestebina. Sukurti<br />
asmeninius kompiuterius, kuriø veikimo<br />
sparta siektø kelias deðimtis GHz,<br />
remiantis puslaidininkinëmis technologijomis<br />
yra pakankamai sudëtinga problema.<br />
Jei pavyktø signalams perduoti naudoti<br />
ne elektronus, bet fotonus, tai bûtø<br />
galima sukurti kompiuterius, kuriø veikimo<br />
sparta siektø ðimtus THz<br />
(1THz=10 12 Hz). Tam tikslui reiktø naudoti<br />
optinius komponentus, vadinamuosius<br />
fotoninius kristalus.<br />
Pirmà kartà sàvokà „fotoninis kristalas“<br />
pavartojo 1989 m. JAV fizikas Jablonovièius<br />
(Eli Yablonovitch). Pastaràjá<br />
deðimtmetá kasmet paskelbiama per<br />
4 Mokslas ir gyvenimas 2007 Nr. 7<br />
XX a. antrosios pusës informaciniø technologijø proverþá nulëmë galimybës<br />
valdyti elektronø srautà puslaidininkiuose. Fotonø srautas fotoniniuose kristaluose<br />
gali bûti valdomas ávairesniais ir lankstesniais bûdais. Todël manoma, kad<br />
fotoniniø kristalø technologijos bus XXI a. proverþis informacinëse technologijose,<br />
ir mikroelektronika pamaþu bus pakeista mikrofotonika ir nanofotonika.<br />
1 pav. Trimaèio fotoninio kristalo pavyzdys –<br />
ið silicio lazdeliø sudëtas darinys. Gardelës<br />
periodas apie 200 nm<br />
tûkstantá moksliniø straipsniø, kuriuose<br />
šis terminas pasitaiko pavadinime ar vartojamas<br />
kaip reikðminiai þodþiai. Gaminamas<br />
ið skirtingo lûþio rodiklio medþiagø<br />
fotoninis kristalas yra periodinis dvimatis<br />
ar trimatis optinis darinys. Paprastai<br />
tokio darinio gardelës periodas yra<br />
maþdaug lygus pusei šviesos bangos ilgio,<br />
o regimojoje srityje tai sudaro apie<br />
200–400 nanometrø. Todël fotoniniai <strong>kristalai</strong><br />
yra priskiriami optiniams nanodariniams.<br />
Toks trimatis periodinis darinys<br />
pavaizduotas 1 paveiksle. Vienmatis tokio<br />
fotoninio kristalo analogas yra paðalinanti<br />
ðviesos atspindá (praskaidrinanti)<br />
daugiasluoksnë plëvelë, kuria padengiamas<br />
ávairiø optiniø elementø pavirðius.<br />
Kaipgi sklinda šviesa tokiame fotoniniame<br />
kristale? Tai gali bûti suprasta<br />
nagrinëjant ávairios prigimties bangø<br />
(akustiniø, elektromagnetiniø, de Broilio<br />
(de Broglie) sklidimà periodiniuose dariniuose.<br />
Palyginkime ðviesos (fotonø<br />
srauto) sklidimà fotoniniame kristale su<br />
elektronø (de Broilio bangos) sklidimu<br />
puslaidininkyje, pvz., silicio kristale. Jame<br />
elektronai juda periodiniame potencialo<br />
lauke, kurá formuoja kristalo gardelës<br />
mazguose esantys atomai. Sàveikaujant<br />
elektronams su silicio atomø branduoliais<br />
Kulono (Coulomb) jëga susidaro<br />
leistinosios ir draustinës elektronø<br />
energijos juostos. Idealiame silicio kristale<br />
nëra elektronø, kuriø energija atitiktø<br />
draustinës juostos energijø vertes. Taèiau<br />
situacija keièiasi, kai kristale yra defektø<br />
ar priemaiðiniø atomø. Tuomet tokiame<br />
kristale gali bûti elektronø, kuriø<br />
energijos lygmenys patenka á draustinæ<br />
energijø juostà, ir kristalas pasiþymi puslaidininkio<br />
savybëmis. Visai analogiðkai<br />
fotonams sklindant fotoniniame kristale<br />
atsiranda draustinës daþniø (energijos)<br />
juostos fotonams. Tai reiðkia, kad ne bet<br />
kokio daþnio fotonas gali sklisti fotoniniu<br />
kristalu. Jei tokiame kristale specialiai<br />
bûtø sukurti defektai, pavyzdþiui, keièiant<br />
darinio elementø dydá tam tikrose<br />
vietose sugadintas periodiškumas, tai<br />
kristalo draustinëje energijos juostoje irgi<br />
atsirastø fotonø energijos lygmenys,<br />
o tai reikðtø, kad atitinkamo daþnio fotonai<br />
galës sklisti kristalu. Trimaèiame fotoniniame<br />
kristale ámanoma valdyti pasirinkto<br />
daþnio ðviesos sklidimà bet kuria<br />
reikalinga kryptimi. Kad fotoninis kristalas<br />
pasiþymëtø minëtomis savybëmis,<br />
darinio medþiagø lûþio rodikliai turi labai<br />
skirtis. Tik tuomet draustinë daþniø<br />
juosta gaunama pakankamai plati. Todël<br />
Rentgeno spinduliø sklidimas gamtiniuose<br />
kristaluose nëra tapatus ðviesos<br />
sklidimui fotoniniuose kristaluose, nors<br />
Rentgeno spinduliø bangos ilgis ir palyginamas<br />
su kristalo gardelës periodu,<br />
kuris lygus kelioms deðimtosioms nanometro<br />
dalims. Kadangi Rentgeno spinduliø<br />
lûþio rodikliai ávairiose kristalo vietose<br />
maþai tesiskiria, tai draustiniø daþniø<br />
tarpas yra labai siauras. Todël pasirinkto<br />
daþnio Rentgeno spinduliø atspindys<br />
nuo kristalo (Rentgeno spinduliø difrakcija)<br />
yra matomas tam tikra kryptimi,<br />
ir Rentgeno spinduliø sklidimas kristaluose<br />
yra panaðus á ðviesos sklidimà<br />
daugiasluoksnëse plëvelëse.<br />
Ðviesos sklidimas fotoniniuose kristaluose<br />
gali pasiþymëti specifiðkais dësningumais,<br />
kurie nebûdingi áprastoms<br />
medþiagoms, pavyzdþiui, neigiamu lû-<br />
2 pav. Ðviesos lûþio fotoniniame kristale<br />
pavyzdys. Brûkðniuotos linijos þymi<br />
statmenis<br />
þio rodikliu (2 pav.) ir anomalia dispersija<br />
skaidrioje terpëje. Ðie dësningumai<br />
pastebimi, kai ðviesos bangos daþnis<br />
patenka á fotoninio kristalo leistinosios<br />
daþniø juostos kraðtà ðalia draustinës<br />
juostos. Kai lûþio rodiklis yra neigiamas,<br />
lûþæs spindulys yra toje paèioje pusëje<br />
kaip ir kritæs spindulys atþvilgiu statmens<br />
á terpës pavirðiø.<br />
Ðviesà spinduliuojantys diodai yra
Change language