Egydimenziós fotonikus kristály sávköze. Fotonikus kristály gyártási módszerek

A fotonikus kristályok három fő osztályba sorolhatók a törésmutató változásának jellege szerint:

1. Egydimenziós, amelyben a törésmutató periodikusan változik egy térbeli irányba, ahogy a 2. ábrán látható. Ezen az ábrán az L szimbólum a törésmutató változásának periódusát jelöli, és - két anyag törésmutatóját (de általában , tetszőleges számú anyag lehet jelen). Az ilyen fotonikus kristályok különböző anyagokból álló, egymással párhuzamos, különböző törésmutatókkal rendelkező rétegekből állnak, és tulajdonságaikat a rétegekre merőleges térbeli irányban mutathatják meg.

1. ábra - Egydimenziós fotonikus kristály sematikus ábrázolása

2. Kétdimenziós, amelyben a törésmutató periodikusan változik két térbeli irányban a 2. ábrán látható módon. Ezen az ábrán a fotonikus kristályt törésmutatójú téglalap alakú régiók hoznak létre, amelyek törésmutatójú közegben vannak. . Ezenkívül a törésmutatóval rendelkező tartományok egy kétdimenziós köbőrácsban vannak rendezve. Az ilyen fotonikus kristályok két térbeli irányban mutathatják meg tulajdonságaikat, és a törésmutatójú régiók alakja nem korlátozódik a téglalapokra, mint az ábrán, hanem bármilyen lehet (körök, ellipszisek, tetszőleges stb.). A kristályrács, amelyben ezek a régiók rendeződnek, szintén eltérő lehet, és nem csak köbös, mint a fenti ábrán.

- 2. ábra Egy kétdimenziós fotonikus kristály sematikus ábrázolása

3. Háromdimenziós, amelyben a törésmutató periodikusan három térbeli irányban változik. Az ilyen fotonikus kristályok három térbeli irányban mutathatják meg tulajdonságaikat, és háromdimenziós kristályrácsba rendezett térfogati régiók (gömbök, kockák stb.) tömbjeként ábrázolhatók.

Az elektromos közegekhez hasonlóan a tiltott és engedélyezett zóna szélességétől függően a fotonikus kristályok vezetőkre oszthatók - amelyek kis veszteséggel képesek nagy távolságra fényt vezetni, dielektrikumok - szinte ideális tükrök, félvezetők - anyagok, amelyek pl. visszaverő bizonyos hullámhosszú fotonok és szupravezetők, amelyekben a kollektív jelenségek miatt gyakorlatilag korlátlan távolságra képesek a fotonok terjedni.

Különböztesse meg a rezonáns és nem rezonáns fotonikus kristályokat is. A rezonáns fotonikus kristályok abban különböznek a nem rezonáns kristályoktól, hogy olyan anyagokat használnak, amelyekben a dielektromos állandónak (vagy törésmutatónak) a frekvencia függvényében van egy pólusa egy bizonyos rezonanciafrekvencián.

A fotonikus kristályok minden megszakadását fotonikus kristályhibának nevezzük. Az ilyen területeken gyakran koncentrálódik az elektromágneses tér, amelyet a fotonikus kristályok alapján épített mikroüregekben, hullámvezetőkben használnak fel.

Az elektromos közegekhez hasonlóan a tiltott és engedélyezett zóna szélességétől függően a fotonikus kristályok vezetőkre oszthatók - amelyek kis veszteséggel képesek nagy távolságra fényt vezetni, dielektrikumok - szinte ideális tükrök, félvezetők - anyagok, amelyek pl. visszaverő bizonyos hullámhosszú fotonok és szupravezetők, amelyekben a kollektív jelenségek miatt gyakorlatilag korlátlan távolságra képesek a fotonok terjedni. Különböztesse meg a rezonáns és nem rezonáns fotonikus kristályokat is. A rezonáns fotonikus kristályok abban különböznek a nem rezonáns kristályoktól, hogy olyan anyagokat használnak, amelyekben a dielektromos állandónak (vagy törésmutatónak) a frekvencia függvényében van egy pólusa egy bizonyos rezonanciafrekvencián.

A fotonikus kristályok minden megszakadását fotonikus kristályhibának nevezzük. Az ilyen területeken gyakran koncentrálódik az elektromágneses tér, amelyet a fotonikus kristályok alapján épített mikroüregekben, hullámvezetőkben használnak fel. Számos analógia létezik az elektromágneses hullámok fotonikus kristályokban való terjedésének és a kristályok elektronikus tulajdonságainak leírására. Itt van néhány közülük.

1. A kristályon belüli elektron állapotát (a mozgás törvényét) a Schrldinger-egyenlet megoldása határozza meg, a fény terjedése a fotonikus kristályban a hullámegyenletnek engedelmeskedik, ami a Maxwell-egyenletek következménye:

• 2. Az elektron állapotát a w (r, t) skaláris hullámfüggvény írja le, az elektromágneses hullám állapotát vektormezők - a mágneses vagy elektromos komponensek erőssége, H (r, t) vagy E (r, t).
• 3. A w (r, t) elektronhullámfüggvény kiterjeszthető wE (r) sajátállapotok sorozatára, amelyek mindegyike a saját E energiájának felel meg. A H (r, t) elektromágneses térerősséget egy monokromatikus komponensek (módok) szuperpozíciója Hw (r) elektromágneses térben, amelyek mindegyike megfelel a saját értékének - az u frekvenciájának:

4. A Schrldinger- és Maxwell-egyenletben szereplő U (r) atompotenciál és e (r) dielektromos állandó periódusos függvények, amelyek periódusai megegyeznek a kristály, illetve a fotonikus kristályrács bármely R vektorával:

U (r) = U (r + R), (3)

5. Az elektron hullámfüggvényére és az elektromágneses tér erősségére a Bloch-tétel teljesül az u k és a periodikus függvényekkel. u k.

• 6. A k hullámvektorok lehetséges értékei kitöltik egy kristályrács Brillouin zónáját vagy egy fotonikus kristály egységcelláját, a reciprok vektorok terében.
• 7. Az E elektronenergia, amely a Schrldinger-egyenlet sajátértéke, és a hullámegyenlet sajátértéke (a Maxwell-egyenletek következményei) - az ui módusfrekvencia - összefügg a Bloch-függvények k hullámvektorainak értékeivel. (4) az E (k) és ui (k) diszperziós törvény szerint.
• 8. Az atomi potenciál transzlációs szimmetriáját megbontó szennyezőatom kristályhiba, és a hiba környezetében lokalizált szennyezőelektronikus állapotot hozhat létre. A fotonikus kristály egy bizonyos tartományában bekövetkezett átengedési változás megtöri az e (r) transzlációs szimmetriát, és egy megengedett módus megjelenéséhez vezet a fotonikus sávban, amely annak térbeli környezetében található.

2014 G.

Fotonikus kristályok

A fotonikus kristályok (PC-k) olyan szerkezetek, amelyeket a tér dielektromos állandójának periodikus változásai jellemeznek. A PC-k optikai tulajdonságai nagyon eltérnek a folytonos adathordozók optikai tulajdonságaitól. A közeg periodicitása miatt a fotonikus kristályon belüli sugárzás terjedése hasonlóvá válik egy közönséges kristályon belüli elektron mozgásához, periodikus potenciál hatására. Ennek eredményeként a fotonikus kristályokban lévő elektromágneses hullámok sávspektruma és koordinátafüggése hasonló a közönséges kristályokban lévő elektronok Bloch-hullámaihoz. Bizonyos körülmények között rések keletkeznek a fotonikus kristályok sávszerkezetében, hasonlóan a természetes kristályok elektrontilott sávjaihoz. A PC spektruma a konkrét tulajdonságoktól (az elemek anyagától, méretétől és rácsperiódusától) függően kialakulhat teljesen tiltott frekvenciazónában, ahol a sugárzás terjedése polarizációjától és irányától függetlenül nem lehetséges, és részben tiltott is. (stop-zónák), ​​amelyekben a terjedés csak a kiválasztott irányokban lehetséges.

A fotonikus kristályok mind alapvető szempontból, mind számos alkalmazás szempontjából érdekesek. A fotonikus kristályok, optikai szűrők, hullámvezetők (különösen a száloptikai kommunikációs vonalakban) alapján a hősugárzás szabályozását lehetővé tevő eszközöket hoznak létre és fejlesztenek, fotonikus kristályok alapján, alacsony szivattyúzási küszöbű lézerek tervezését javasolták.

A reflexiós, átviteli és abszorpciós spektrum megváltoztatásán túlmenően a fém-dielektromos fotonikus kristályok fotonikus állapotuk fajlagos sűrűségével rendelkeznek. A megváltozott állapotsűrűség jelentősen befolyásolhatja a fotonikus kristály belsejében elhelyezett atom vagy molekula gerjesztett állapotának élettartamát, és ennek következtében megváltoztathatja a lumineszcencia jellegét. Például, ha a fotonikus kristályban található indikátormolekulában az átmenet frekvenciája a tiltott sávba esik, akkor ezen a frekvencián a lumineszcencia elnyomódik.

Az FC-k három típusra oszthatók: egydimenziós, kétdimenziós és háromdimenziós.

Egy-, két- és háromdimenziós fotonikus kristályok. A különböző színek különböző dielektromos állandójú anyagoknak felelnek meg.

A különböző anyagokból készült, váltakozó rétegű PC-k egydimenziósak.

Egy egydimenziós számítógép elektronikus képe, amelyet lézerben használnak Bragg többrétegű tükörként.

A kétdimenziós FC-k geometriája változatosabb lehet. Ide tartoznak például a hossz mentén végtelen hengersorok (keresztméretük sokkal kisebb, mint a hosszantié), vagy a hengeres furatok periodikus rendszerei.

Háromszögrácsos kétdimenziós előre és hátra PC-k elektronikus képei.

A háromdimenziós PC-k felépítése igen változatos. Ebben a kategóriában a leggyakoribbak a mesterséges opálok - a gömb alakú diffúzorok rendezett rendszerei. Az opáloknak két fő típusa van: közvetlen és inverz opál. A közvetlen opálról a fordított opálra való átmenet úgy történik, hogy az összes gömb alakú elemet üregekkel (általában levegővel) helyettesítik, miközben az üregek közötti teret valamilyen anyaggal töltik ki.

Az alábbiakban egy PC felülete látható, amely egy egyenes opál, önösszeálló gömb alakú polisztirol mikrorészecskékre épülő köbös ráccsal.

A PC belső felülete önszerveződő gömb alakú polisztirol mikrorészecskékre épülő köbös ráccsal.

A következő szerkezet inverz opál szintetizálása többlépcsős kémiai folyamat eredményeként: polimer gömbszemcsék önösszeillesztése, a keletkező anyag üregeinek anyaggal való impregnálása és a polimer mátrix eltávolítása kémiai maratással.

Kvarc inverz opál felülete. A fénykép pásztázó elektronmikroszkóppal készült.

A háromdimenziós PC-k egy másik típusa a rönkcölöpök, amelyeket keresztezett négyszögletes paralelepipedonok alkotnak, általában derékszögben.

Fém paralelepipedonokból készült FC elektronikus fényképe.

Az elmúlt évtizedben a mikroelektronika fejlődése lelassult, mivel a szabványos félvezető eszközök sebességi korlátait gyakorlatilag már elérték. Egyre több tanulmány foglalkozik a félvezető elektronika alternatív területeinek fejlesztésével, mint például a spintronika, a szupravezető elemekkel rendelkező mikroelektronika, a fotonika és néhány más.

Az az új elv, amely szerint az információ továbbítása és feldolgozása nem elektromos, hanem fény segítségével történik, felgyorsíthatja az információs korszak új szakaszának kezdetét.

Az egyszerű kristályoktól a fotonikusig

A jövő elektronikai eszközeinek alapja a fotonikus kristályok lehet - ezek szintetikus rendezett anyagok, amelyek dielektromos állandója periodikusan változik a szerkezeten belül. A hagyományos félvezető kristályrácsában az atomok elrendezésének szabályszerűsége, periodicitása az úgynevezett energiasáv-struktúra kialakulásához vezet - megengedett és tiltott sávokkal. Egy elektron, amelynek energiája a megengedett zónába esik, át tud mozogni a kristályon, míg a tiltott zónában energiával rendelkező elektron „lezáródik”.

Egy közönséges kristállyal analógiaként felmerült a fotonikus kristály ötlete. Ebben a dielektromos állandó periodicitása határozza meg a fotonikus zónák, különösen a tiltott zónák megjelenését, amelyeken belül elnyomják a bizonyos hullámhosszú fény terjedését. Ez azt jelenti, hogy az elektromágneses sugárzás széles spektrumának átlátszósága miatt a fotonikus kristályok nem adják át a kiválasztott hullámhosszú fényt (amely az optikai út mentén a szerkezet periódusának kétszeresével egyenlő).

A fotonikus kristályok különböző méretűek lehetnek. Az egydimenziós (1D) kristályok váltakozó rétegekből álló, különböző törésmutatókkal rendelkező többrétegű szerkezetek. A kétdimenziós fotonikus kristályok (2D) különböző dielektromos állandókkal rendelkező rudak periodikus szerkezeteként ábrázolhatók. A fotonikus kristályok első szintetikus prototípusai háromdimenziósak voltak, és az 1990-es évek elején hozták létre a kutatóközpont alkalmazottai. Bell laborok(USA). Ahhoz, hogy egy dielektromos anyagban periodikus rácsot kapjanak, amerikai tudósok hengeres lyukakat fúrtak úgy, hogy háromdimenziós üreghálózatot kapjanak. Annak érdekében, hogy egy anyagból fotonikus kristály legyen, a dielektromos állandóját mindhárom dimenzióban 1 centiméteres periódussal modulálták.

A fotonikus kristályok természetes analógjai a kagylók gyöngyház bevonata (1D), a tengeri egér antennái, a polichaeta féreg (2D), egy afrikai vitorlás pillangó szárnyai és féldrágakövek, például opál (3D).

De még ma is az elektronlitográfia és az anizotróp ionmaratás legmodernebb és legdrágább módszerei segítségével nehéz 10 szerkezeti cellát meghaladó vastagságú, hibamentes, háromdimenziós fotonikus kristályokat előállítani.

A fotonikus kristályokat széles körben alkalmazni kell a fotonikus integrált technológiákban, amelyek a jövőben felváltják az elektromos integrált áramköröket a számítógépekben. Amikor az információt elektronok helyett fotonokkal továbbítjuk, az energiafogyasztás meredeken csökken, az órajelek frekvenciája és az információátviteli sebesség nő.

Fotonikus titán-oxid kristály

A titán-oxid TiO2 olyan egyedi tulajdonságokkal rendelkezik, mint a magas törésmutató, a kémiai stabilitás és az alacsony toxicitás, ami a legígéretesebb anyaggá teszi az egydimenziós fotonikus kristályok létrehozásához. Ha figyelembe vesszük a fotonikus kristályokat a napelemekhez, akkor a titán-oxidnak előnyös a félvezető tulajdonságai. Korábban a napelemek hatékonyságának növekedését mutatták ki, amikor egy fotonikus kristály periodikus szerkezetű félvezető réteget használtak, beleértve a titán-oxid fotonikus kristályait.

De eddig a titán-dioxid alapú fotonikus kristályok használatát korlátozza a reprodukálható és olcsó technológia hiánya a létrehozásukhoz.

A Moszkvai Állami Egyetem Kémiai és Anyagtudományi Karának alkalmazottai - Nina Sapoletova, Sergey Kushnir és Kirill Napolsky - javították a porózus titán-oxid filmeken alapuló egydimenziós fotonikus kristályok szintézisét.

„A szelepfémek, köztük az alumínium és a titán eloxálása (elektrokémiai oxidációja) hatékony módszer porózus oxidfilmek nanométeres méretű csatornákkal történő előállítására” – magyarázta Kirill Napolsky, az elektrokémiai nanostrukturáló csoport vezetője, Ph.D.

Az eloxálást általában kételektródos elektrokémiai cellában végzik. Két fémlemezt - a katódot és az anódot - leengedik az elektrolitoldatba, és elektromos feszültséget kapcsolnak rá. A katódon hidrogén szabadul fel, az anódon pedig a fém elektrokémiai oxidációja megy végbe. Ha a cellára adott feszültséget periodikusan változtatjuk, akkor az anódon adott vastagságú porózus film képződik.

Az effektív törésmutató modulálódik, ha a pórusátmérő periodikusan változik a szerkezeten belül. A korábban kifejlesztett titán eloxálási technikák nem tették lehetővé a nagyfokú szerkezeti periodicitású anyagok előállítását. A Moszkvai Állami Egyetem kémikusai kifejlesztettek egy új fémeloxálási módszert az eloxáló töltéstől függő feszültségmodulációval, amely lehetővé teszi porózus anódos fémoxidok nagy pontosságú előállítását. A vegyészek anódos titán-oxidból készült egydimenziós fotonikus kristályok példáján mutatták be az új technikában rejlő lehetőségeket.

Az eloxálási feszültség 40-60 V tartományban szinuszos törvény szerint történő megváltoztatása eredményeként a tudósok állandó külső átmérőjű és időszakosan változó belső átmérőjű anódos titán-oxid nanocsöveket kaptak (lásd az ábrát).

„A korábban alkalmazott eloxálási technikák nem tették lehetővé a magas fokú szerkezeti periodicitású anyagok előállítását. Új technikát fejlesztettünk ki, melynek kulcseleme az in situ(közvetlenül a szintézis során) az eloxáló töltés mérése, amely lehetővé teszi a kialakult oxidfilmben a különböző porozitású rétegek vastagságának nagy pontosságú szabályozását” – magyarázta a munka egyik szerzője, a kémiai tudományok kandidátusa, Sergey Kushnir.

A kifejlesztett technika leegyszerűsíti az anódos fémoxidokon alapuló modulált szerkezetű új anyagok létrehozását. „Ha az anódos titán-oxidból származó fotonikus kristályok napelemekben való alkalmazását a technika gyakorlati alkalmazásának tekintjük, akkor az ilyen fotonikus kristályok szerkezeti paramétereinek a napelemekben történő fényátalakítás hatékonyságára gyakorolt ​​hatásának szisztematikus vizsgálata végre kell hajtani” – mondta Szergej Kushnir.

Kimutatták, hogy a fotodiódák rezonátorba való beépítésének polaritásától függően a válasz frekvenciaeltolása a frekvenciában felfelé vagy lefelé történik a megvilágítás növekedésével. Javasoljuk egy csatolt gyűrűs rezonátor rendszer alkalmazását a vizsgált rezonátorok érzékenységének növelésére a megvilágítási értékre. Megmutatták, hogy a csatolt rezonátorok közötti fix távolság esetén a rendszer válaszának frekvenciafelosztása páros (világos) és páratlan (sötét) módokra történik a fény segítségével. Biztosak vagyunk abban, hogy a hangolható gyűrűrezonátorok létrehozására javasolt módszer lehetővé teszi a fényvezérelt metaanyagok új osztályának létrehozását.

Ezt a munkát az Orosz Föderáció Oktatási Minisztériuma (14.В37.21.1176. és 14.В37.21.1283. számú megállapodás), a Dinasztia Alapítvány, az Orosz Alapkutatási Alapítvány (projekt sz. 13-02-) támogatta. 00411), az Orosz Föderáció elnökének ösztöndíja fiatal tudósok és végzős hallgatók számára 2012.

Irodalom

1. Linden S., Enkrich C., Wegener M., Zhou J., Koschny T., Soukoulis C. M. Metaanyagok mágneses válasza 100 terahertzen // Tudomány. - 2004. - V. 306. - P. 1351-1353.

2. Shelby R., Smith D.R. és Schultz S. Negatív törésmutató kísérleti ellenőrzése // Tudomány. - 2001. - V. 292. - P. 77-79.

3. Gansel J. K., Thiel M., Rill M. S., Decker M., Bade K., Saile V., von Freymann G., Linden S., Wegener M. Gold Helix Photonic Metamaterial as Broadband Circular Polarizer // Science. - 2009. - V. 325. - P. 15131515.

4. Belov P.A., Hao Y. Szubhullámhosszú képalkotás optikai frekvenciákon csatornarendszerben működő periodikusan rétegzett fém-dielektromos szerkezet által alkotott átviteli eszköz segítségével // Fizikai áttekintés B. - 2006. - V. 73. - P. 113110.

5. Leonhardti U. Optikai konform leképezés // Tudomány. - 2006. - V. 312. - P. 1777-1780.

6. Kivshar Yu.S., Orlov A.A. Hangolható és nemlineáris metaanyagok // Tudományos és műszaki közlemény az információs technológiákról, mechanikáról és optikáról. - 2012. - 3. szám (79). - C. 1-10.

7. Shadrivov I.V., Morrison S.K. és Kivshar Yu.S. Hangolható osztott gyűrűs rezonátorok nemlineáris negatív indexű metaanyagokhoz // Opt. Expressz. - 2006. - V. 14. - P. 9344-9349.

8. Kapitanova P.V., Maslovski S.I., Shadrivov I.V., Voroshilov P.M., Filonov D.S., Belov P.A. és Kivshar Y.S. Osztott gyűrűs rezonátorok vezérlése fénnyel // Applied Physics Letters. - V. 99. - P. 251914 (1-3).

9. Marques R., Martin F. és Sorolla M. Metaanyagok negatív paraméterekkel: elmélet, tervezés és mikrohullámú alkalmazások. - NJ: Wiley & Sons, Inc., Hoboken, 2008 .-- 315 p.

Kapitonova Polina Vyacheslavovna - Szentpétervári Nemzeti Kutatóegyetem

informatika, mechanika és optika, a műszaki tudományok kandidátusa, kutató, [e-mail védett], [e-mail védett]

Belov Pavel Alexandrovich - Szentpétervári Nemzeti Kutatóegyetem

informatika, mechanika és optika, a fizika és a matematika doktora. Sci., vezető kutató, [e-mail védett]

RÖVID OPTIKAI HOSSZÚ RÉTEGEK FOTONOS KRISTÁLYÁNAK SÁVSZERKEZETÉNEK ELEMZÉSE A TERAHERTZ TARTOMÁNYBAN

Ó. Deniszultanov, M.K. Khodzitsky

A végtelen fotonikus kristályra vonatkozó diszperziós egyenletből képletek származnak a tiltott zónák határainak, a tiltott zónák szélességének és a tiltott zónák középpontjainak pontos helyzetének pontos kiszámításához több optikai hosszúságú fotonikus kristályok esetében. rétegek egy kétrétegű cellában a 0,1 és 1 THz közötti terahertzes frekvenciatartományban. A képleteket a fotonikus kristályok numerikus szimulációjában igazoljuk átviteli mátrix módszerrel, valamint az időtartomány véges különbségeinek módszerével az első, második és harmadik optikai hosszra egy fotonikus kristály kétrétegű cellájában. A második hajtás képleteit kísérletileg megerősítették. Kulcsszavak: fotonikus kristály, sávköz, vágási frekvenciák, többszörös optikai hossz, transzfer mátrix, metaanyag.

Bevezetés

Az elmúlt években a szokatlan tulajdonságokkal rendelkező mesterséges közegek ("metaanyagok") kutatása a tudósok és mérnökök meglehetősen nagy körének érdeklődését felkeltette, ami annak köszönhető, hogy ezeket a médiákat ígéretesen használják az ipari és katonai iparban a fejlesztésben. új típusú szűrők, fázisváltók, szuper lencsék, álcázó bevonatok stb. .d. ... A metaanyagok egyik fajtája a fotonikus kristály, amely periodikus réteges szerkezet

síváltó törésmutató. A fotonikus kristályokat (PC-ket) aktívan használják a lézeres technológiákban, kommunikációs eszközökben, szűrésben, olyan egyedi tulajdonságok miatt, mint a sávszerkezet jelenléte a spektrumban, szuperfelbontás, szuperprizmahatás stb. ... Különösen érdekes a terahertz (THz) tartományú fotonikus kristályok tanulmányozása új típusú anyagok és biológiai objektumok spektroszkópiai és tomográfiás vizsgálatához. A kutatók már kifejlesztettek kétdimenziós és háromdimenziós PC-ket a THz-es frekvenciatartományra, és tanulmányozták azok jellemzőit, de sajnos jelenleg nincsenek pontos képletek a fotonikus kristályok sávszerkezetének jellemzőinek kiszámítására, mint pl. sávköz, a sávköz középpontja és a sávszélesség határai. Ennek a munkának az a célja, hogy képleteket állítsunk elő egydimenziós fotonikus kristály jellemzőinek kiszámításához kétrétegű PC-cellában az optikai hosszok első, második és harmadik többszörösére, és ezeknek a képleteknek az ellenőrzése a módszerrel numerikus modellezéssel. átviteli mátrixok és az időtartomány véges különbségeinek módszere, valamint egy kísérlet a THz-es tartomány frekvenciáiban.

Analitikai és numerikus modellezés

Tekintsünk egy végtelen fotonikus kristályt egy kétrétegű cellában lévő n1 és n2 rétegek törésmutatóival, illetve d1 és d2 rétegvastagsággal. Ezt a szerkezetet egy lineárisan polarizált keresztirányú elektromos hullám (TE hullám) gerjeszti. A k hullámvektor a PC rétegeire merőlegesen irányul (1. ábra). Az ilyen fotonikus kristályok diszperziós egyenlete, amelyet a Floquet-tétel és a réteghatáron lévő tangenciális térkomponensek folytonossági feltétele alapján kaptunk, a következő alakú:

C08 [q (dx + d2)] = co8 [kg d ^] x co $ [k2 d2] -0,5)

s bt [kg d1] x bt [kg d2

ahol kv a Bloch-hullámszám; k ^ =

vajon fénytörés; d1, d2 - rétegvastagságok.

2 l x / x n1

; / - gyakoriság; ng, n2 - indikátor

Rizs. 1. A vizsgált réteges periodikus szerkezet

L. és L. 1! én x. ] l!/l Peel! l "

és "és | Г ¡4 1! 1) 1 1 N V és | 1 У" 11

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

Frekvencia / THz

Rizs. 2. A komplex Bloch-hullámszám frekvencia diszperziója

Az (1) egyenlet felhasználásával kapott komplex Bloch-hullámszám varianciáját a ábra mutatja. 2. Amint az a 2. ábráról látható. 2, a tiltott zónák határain a kv koszinusz argumentuma (d1 + d2) 0 vagy n értéket vesz fel. Ezért e feltétel alapján lehet számolni

a fotonikus kristály vágási frekvenciáinak, sávhézagainak és középpontjainak meghatározásához. Azonban egy kétrétegű cellán belül nem több optikai réteghosszúságú fotonikus kristály esetében ezek a képletek csak implicit módon kaphatók meg. A képletek kifejezett formában történő megszerzéséhez több optikai hosszt kell használnia: пхех = п2ё2; пхх = 2хп2ё2; пхх = 3хп2ё2 .... A munka az 1., 2. és 3. multiplicitás képleteit vette figyelembe.

Az első multiplicitású fotonikus kristálynál (nxyx = n2e2) a határfrekvenciák képlete, szélesség

a sávköz és a sávköz közepe a következő:

(/ p 1 l (/ p "és 1 l

0,256-1,5. „AGSSO81 --- I + 2lt

a / = / 1 - / 2; / 33 = / + / 2-; / pz =

/ 2a; / 2 = i (t +1)

0,256-1,5. „, 1CH -agsso81 ----- | + 2L (t +1)

ahol / 1 és / 2 - a tiltott zóna alacsony frekvenciájú és nagyfrekvenciás határai; А / a tiltott zóna szélessége; / Зз - a tiltott zóna közepe; c a fénysebesség; / - a megengedett középpontja

o nx n2 6. zóna = - + -;

nx = 2,9 rétegparaméterekkel rendelkező PC-k esetén; n2 = 1,445; ex = 540 mikron; d2 = 1084 μm a második tiltott zónára a 0,1-1 THz tartományban, a sávstruktúra következő paraméterei érvényesülnek: / 1 = 0,1332 THz; / 2 = 0,1541 THz; A / = 0,0209 THz; / sz = 0,1437 THz.

Egy fotonikus kristály esetében, amelynek rétegeinek optikai hosszát az nxyx = 2n2e2 egyenlőség hozza összefüggésbe, a következő képleteket kaptuk a sávszerkezet paramétereire:

4 + b + u b2-4 6 + 3v-4v2 -4

4 + b-V b2 - 4 6 + 3b + ^ b2 - 4

2 + v -V v2 - 4

2yat x arsoB-vel

B - # ^ 4 2 + b + 4 b2 - 4

B - # ^ 4 2 + b + l / b2 - 4

4 + v-Vv2 -4 6 + 3v + 4v2 - 4

4 + b + uv2 - 4 6 + 3v-4v2 -4

ahol (/ 1 és / 11), (/ 2 és / 21), (/ 3 és / 31), (/ 4 és / 41) a kis- és nagyfrekvenciás határok

zónák számokkal (4t + 1), (4t + 2), (4t + 3), (4t + 4); c a fénysebesség; P = - + -;

t = 0,1,2, .... A sávközt a következőképpen számítjuk ki: A / = / - / x; a tiltott zóna közepén

, / + / x. d / sz = ^; / рз - a megengedett zóna közepe.

FC esetén nx = 2,9 paraméterrel; n2 = 1,445; ex = 540 mikron; d2 = 541,87 μm a második tiltott zónára a 0,1-1 THz tartományban

/ 2 = 0,116 THz; / 2x = 0,14 THz; A / = 0,024 THz; /zz = 0,128 THz.

Egy fotonikus kristály esetében, amelynek optikai hosszát az nxyx = 3n2e2 egyenlőség hozza összefüggésbe, a következő képleteket kapjuk a sávszerkezet paramétereire:

1-0,5ß + ^ / 2,25ß2 -ß-7 3 + 2,5ß - ^ / 2,25ß2-ß-7

1 -0,5ß- ^ 2,25ß2 -ß-7 3 + 2,5ß + V 2,25ß2-ß-7

1 -0,5ß-J2,25ß2 -ß-7 3 + 2,5ß + il2,25ß2 - ß - 7

1 - 0,5ß + 72,25ß2 - ß - 7 3 + 2,5ß-sj2,25ß2 -ß-7

ahol (/ 1 és / 11), (/ 2 és / 2), (/ 3 és /) a tiltott zónák kis- és nagyfrekvenciás határai

számok (3t + 1), (3t + 2), (3t + 3); c a fénysebesség; p = - + -; t = 0,1,2, .... Szélesség

a tiltott zóna kiszámítása D / = / - / 1; a tiltott zóna közepe / zz =

engedélyezett terület.

FC esetén n1 = 2,9 paraméterrel; n2 = 1,445; = 540 μm; d2 = 361,24 μm a második tiltott zónára a 0,1-1 THz tartományban

/ 2 = 0,1283 THz; = 0,1591 THz; D / = 0,0308 THz; / sz = 0,1437 THz.

Egy véges hosszúságú fotonikus kristály szimulálásához szükséges a transzfer mátrix módszer, amely lehetővé teszi a 2. réteg tetszőleges pontjában a fotonikus kristályon áthaladó hullám elektromágneses tere értékének kiszámítását. Az egyik réteg átviteli mátrixa a következő:

cos (k0 x n x p x sin (k0

: z x cos 0) x n x z x cos 0)

(-i / p) x sin (k0 x n x z x cos 0)

ahol k0 = -; p = - cos 0; n =; z - koordináta az Oz tengelyen; 0 a hullám beesési szöge az első rétegen.

Transzmissziós mátrixok módszerével a MATLAB matematikai csomagban egy fotonikus kristály sávszerkezetét konstruáltuk meg az 1., 2. és 3. hajtás kétrétegű cellájában lévő rétegek optikai hosszára, THz frekvencia tartományban. (0 = 0 esetén) 10 elemi cellával a fent jelzett rétegparaméterekkel (3. ábra).

ábrából látható. A 3. ábra szerint az 1-es, 2-es és 3-as multiplicitású fotonikus kristályok átviteli spektrumában a nem többszörös optikai hosszúságú fotonikus kristályok sávszerkezetéhez képest kettő, három, illetve négy többszörös sávközök esnek ki. rétegek az egységcellán belül. A multiplicitás mindhárom esetére a végső fotonikus kristály sávszerkezetének paramétereinek kiszámításánál a relatív hiba nem haladja meg az 1%-ot a végtelen fotonikus kristály képleteivel összehasonlítva (a sávrés 0,5-es szintjén lett kiszámítva). a végső fotonikus kristály átviteli együtthatója).

Ezenkívül az egydimenziós PC szerkezetét véges-differencia módszerrel számítottuk ki az időtartományban a CST Microwave Studio háromdimenziós szimulációs szoftvercsomag segítségével (4. ábra). A végső fotonikus kristály sávszerkezetének ugyanaz a viselkedése látható, mint az átviteli mátrixok módszerével kapott transzmissziós spektrumok esetében. Ebben a szimulációs csomagban a véges fotonikus kristály sávszerkezetének kiszámításakor a relatív hiba nem haladja meg a 3%-ot a végtelen fotonikus kristály képleteivel összehasonlítva.

Tszh.M "." Sh ShchSh Sh Shch "DC Shch

psshshshsh) shshm

пхх = 3п2ё2 Frekvencia / THz

Rizs. 3. A fotonikus kristály sávszerkezete három hajtásra, rétegek optikai hossza egy kétrétegű cellában a THz frekvenciatartományban (a számok a

tiltott zónák)

I-e-e t o

пхх = 2п2ё2 -DA / ut1

пхх = 3п2ё2 Frekvencia, THz

Rizs. 4. A PC háromdimenziós modellje az MA-ban (a) és a PC áteresztőképessége három hajtáshoz (b)

kísérleti rész

A 2. szer esetét kísérletileg igazoltuk folyamatos THz spektroszkópiával 0,1-1 THz tartományban. A THz-es sugárzás előállításához az infravörös sugárzás frekvenciáinak fotokonduktív (FP) antennán történő keverésének módszerét alkalmazták. A második FP antennát vevőként használták. A kibocsátó és a vevő FP antenna közé egy összeszerelt PC került beépítésre (5. ábra).

A vizsgált fotonikus kristály a következő paraméterekkel rendelkezik: a kétrétegű sejtek száma -3; a rétegek törésmutatói - nx = 2,9 és n2 = 1,445; rétegvastagságok - ex = 540 mikron és d2 = 520 mikron (d2 21 mikronnal kisebb, mint az ideális 2. hajtás esetén). ábrán. Az 5. ábra a kísérleti és az elméleti spektrumok összehasonlítását mutatja 4 és 5 sávos távolságra. Amint a kísérleti grafikonon és a szimulációnál is látható, a háromszoros sávrés kiesése figyelhető meg a nem többszörös optikai réteghosszúságú fotonikus kristály sávszerkezetével összehasonlítva. az egységcellán belül. Kis eltérés a tiltott zónák középpontjai között a kísérleti és az elméleti

a kísérleti spektrumban a kísérletben a teflonrétegek vastagságának az ideális 2-szorosához képesti különbségével jár.

1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3

0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 Frekvencia, THz

Kísérlet

Modellezés

Rizs. 5. Fénykép a beállításról, fénykép a fotonikus kristály modelljéről (a) és egy három elemi fotonikus kristály kísérleti és elméleti áteresztőképességének összehasonlító grafikonja

cellák (b)

Következtetés

Így pontos képleteket kaptunk a kétrétegű egységcellán belül több optikai réteghosszúságú egydimenziós fotonikus kristályok sávszerkezetének paramétereinek (sávszélesség, sávköz és sávközéppont) kiszámítására az esetre. egy TE-hullám, amelynek hullámvektora merőleges a fotonikus rétegek síkjaira.kristály. Egy 1., 2. és 3. magnitúdójú fotonikus kristályon kimutatták a tiltott rések eltűnését, kettő, három, négy többszöröse, összehasonlítva a nem többszörös optikai réteghosszúságú fotonikus kristályok sávszerkezetével. egységcella. Az 1., 2. és 3. hajtás képleteit átviteli mátrix módszerrel és 3D numerikus szimulációval a véges különbség időtartomány módszerével ellenőriztük. A 2. szeresedés esetét kísérletileg igazoltuk a 0,1 és 1 THz közötti THz-es frekvenciatartományban. A kapott képletek felhasználhatók fotonikus kristályokon alapuló szélessávú szűrők fejlesztésére ipari, katonai és orvosi alkalmazásokhoz anélkül, hogy a fotonikus kristály sávszerkezetét különféle matematikai csomagokban kellene modellezni.

Ezt a munkát részben a 14.132.21.1421 számú támogatás támogatta az "Innovatív Oroszország tudományos és tudományos-pedagógiai személyzete" 2009-2013 közötti szövetségi célprogram keretében.

Irodalom

1. Vendik I.B., Vendik O.G. Metaanyagok és alkalmazásuk a mikrohullámú technológiában (Review) // Journal of Technical physics. - SPbGETU "LETI". - 2013. - T. 83. - szám. 1. - S. 3-26.

2. Vozianova A.V., Khodzitsky M.K. Spirálrezonátorokon alapuló maszkoló bevonat // Információs technológiák, mechanika és optika tudományos és műszaki közleménye. - 2012. - 4. szám (80). -VAL VEL. 28-34.

3. Terekhov Yu.E., Khodzitsky M.K., Belokopytov G.V. Metafilmek jellemzői a terahertzes frekvenciatartományhoz geometriai paraméterek skálázásakor // Információs technológiák, mechanika és optika tudományos és műszaki közleménye. - 2013. - 1. szám (83). - S. 55-60.

4. Yablonovitch E. Gátolt spontán emisszió a szilárdtestfizikában és az elektronikában // Physical Review Letters. - 1987. - V. 58. - 20. sz. - P. 2059-2062.

5. Figotin A., Kuchment P. Periodikus dielektromos és akusztikus közegek spektrumának sávrés szerkezete. II. Kétdimenziós fotonikus kristályok // SIAM Journal on Applied Mathematics. - 1996. - V. 56. - 6. sz. - P. 1561-1620.

6. Smolyaninov Igor I., Davis Christopher C. Szuperfelbontású optikai mikroszkópia fotonikus kristály anyagokon // Fizikai áttekintés B. - 2005. - V. 72. - P. 085442.

7. Kosaka Hideo, Kawashima Takayuki, Tomita Akihisa. Szuperprizma jelenségek fotonikus kristályokban // Fizikai áttekintés B. - 1998. - V. 58. - No. 16. - P. 10096-10099.

8. Kurt Hamza, Erim Muhammed Necip, Erim Nur. Különféle fotonikus kristály bio-szenzor konfigurációk optikai felületi módokon alapulóan // Villamos és Elektronikai Mérnöki Tanszék. - 2012. - V. 165. - 1. sz. - P. 68-75.

9. Ozbay E., Michel E., Tuttle G., Biswas R., Sigalas M. és Ho K.M. Mikromegmunkált milliméterhullámú fotonikus sávrés kristályok // Appl. Phys. Lett. - 1994. - V. 64. - 16. sz. - P. 2059-2061.

10. Jin C., Cheng B., Li Z., Zhang D., Li L.M., Zhang Z.Q. Kétdimenziós fémes fotonikus kristály a THz tartományban // Opt. Commun. - 1999. - V. 166. - 9. sz. - P. 9-13.

11. Nusinsky Inna és Hardy Amos A. Egydimenziós fotonikus kristályok sávrés elemzése és a részárás feltételei // Fizikai áttekintés B. - 2006. - V. 73. - P. 125 104.

12. Basszus F.G., Bulgakov A.A., Tetervov A.P. Szuperrácsos félvezetők nagyfrekvenciás tulajdonságai. - M .: Tudomány. Ch. szerk. fiz.-mat. lit., 1989 .-- 288 p.

13. Született M., Wolf E. Az optika alapjai. - M .: Tudomány. Ch. szerk. fiz.-mat. lit., 1973 .-- 733 p.

14. Gregory I.S., Tribe W.R., Baker C. Continuous-wave terahertz system with a 60 dB dynamic range // Applied Phisics Letters. - 2005. - V. 86. - P. 204104.

Deniszultanov Alaudi Khozhbaudievich

Khodzitsky Mihail Konstantinovics

St. Petersburg National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics, hallgató, [e-mail védett]

St. Petersburg National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics, Ph.D. tudományok, asszisztens, [e-mail védett]

Ilya Polishchuk, a fizika és a matematika doktora, a Moszkvai Fizikai és Technológiai Intézet professzora, a "Kurchatov Institute" Nemzeti Kutatóközpont vezető kutatója

A mikroelektronika információfeldolgozási és kommunikációs rendszerekben való felhasználása gyökeresen megváltoztatta a világot. Kétségtelen, hogy a fotonikus kristályok és az ezekre épülő eszközök fizikája terén a tudományos kutatás fellendülésének következményei jelentőségükben hasonlóak lesznek a több mint fél évszázaddal ezelőtti integrált mikroelektronika létrejöttéhez. Az új típusú anyagok lehetővé teszik optikai mikroáramkörök létrehozását a félvezető elektronika elemeinek "képében és hasonlatosságában", és alapvetően új, ma a fotonikus kristályokon kifejlesztett információátviteli, tárolási és -feldolgozási módszereket találnak majd. alkalmazása a jövő félvezető elektronikájában. Nem meglepő, hogy ez a kutatási terület az egyik legforróbb a világ legnagyobb tudományos központjaiban, high-tech vállalataiban és a hadiipari komplexumban. Ez alól természetesen Oroszország sem kivétel. Ezenkívül a fotonikus kristályok hatékony nemzetközi együttműködés tárgyát képezik. Példaként említsük az orosz Kintech Lab LLC és a jól ismert amerikai General Electric cég több mint egy évtizedes együttműködését.

A fotonikus kristályok története

Történelmileg a háromdimenziós rácsokkal történő fotonszórás elmélete a λ ~ 0,01-1 nm hullámhossz-tartományból kezdett intenzíven kifejlődni, amely a röntgensugár tartományába esik, ahol maguk az atomok a fotonikus kristály csomópontjai. 1986-ban Eli Yablonovich, a Los Angeles-i Kaliforniai Egyetem munkatársa azzal az ötlettel állt elő, hogy a közönséges kristályokhoz hasonló háromdimenziós dielektromos szerkezetet hozzon létre, amelyben egy bizonyos spektrális sáv elektromágneses hullámai nem terjedhetnek. Az ilyen struktúrákat fotonikus sávszélességű struktúráknak vagy fotonikus kristályoknak nevezik. 5 év elteltével nagy törésmutatójú anyagba milliméteres lyukakat fúrva készítettek ilyen fotonikus kristályt. Egy ilyen mesterséges kristály, amelyet később Yablonovite-nak neveztek el, nem sugárzott át milliméteres hullámú sugárzást, és valójában egy tiltott résszel rendelkező fotonikus szerkezetet valósított meg (egyébként a fázisos antennatömbök a fizikai objektumok azonos osztályához köthetők).

Azok a fotonikus szerkezetek, amelyekben az elektromágneses (különösen az optikai) hullámok egy-, két- vagy háromirányú frekvenciasávban történő terjedése tilos, e hullámok szabályozására szolgáló optikai integrált eszközök létrehozására használhatók. Jelenleg a fotonikus struktúrák ideológiája a küszöb nélküli félvezető lézerek, a ritkaföldfém-ionokon alapuló lézerek, a nagy Q rezonátorok, az optikai hullámvezetők, a spektrális szűrők és a polarizátorok létrehozásának hátterében. Ma már több mint kéttucat országban, köztük Oroszországban is folynak fotonikus kristályokkal kapcsolatos kutatások, és az e területen megjelent publikációk, valamint a szimpóziumok és tudományos konferenciák és iskolák száma exponenciálisan növekszik.

A fotonikus kristályban végbemenő folyamatok megértéséhez összehasonlítható a félvezető kristállyal, és a fotonok terjedése a töltéshordozók - elektronok és lyukak - mozgásával. Például az ideális szilíciumban az atomok gyémántszerű kristályszerkezetben helyezkednek el, és a szilárdtest sáv elmélete szerint a töltött hordozók a kristályon keresztül terjedve kölcsönhatásba lépnek az atommagok periodikus térpotenciáljával. Ez az oka a megengedett és tiltott zónák kialakulásának - a kvantummechanika tiltja az energiatartománynak megfelelő energiájú elektronok létezését, amelyet tiltott zónának neveznek. A közönséges kristályokhoz hasonlóan a fotonikus kristályok is nagyon szimmetrikus egységcellákat tartalmaznak. Sőt, ha egy közönséges kristály szerkezetét az atomok helyzete határozza meg a kristályrácsban, akkor a fotonikus kristály szerkezetét a közeg dielektromos állandójának periodikus térbeli modulációja határozza meg (a modulációs skála a hullámhosszhoz hasonlítható). a kölcsönható sugárzás).

Fotonikus vezetők, szigetelők, félvezetők és szupravezetők

Folytatva az analógiát, a fotonikus kristályokat vezetőkre, szigetelőkre, félvezetőkre és szupravezetőkre oszthatjuk.

A fotonikus vezetők széles megengedett sávokkal rendelkeznek. Ezek átlátszó testek, amelyekben a fény nagy távolságra jut el, gyakorlatilag nem nyelődik el. A fotonikus kristályok másik osztálya - a fotonikus szigetelők - széles tiltott réseket tartalmaz. Ezt a feltételt például a széles hatótávolságú többrétegű dielektromos tükrök teljesítik. Ellentétben a közönséges átlátszatlan közegekkel, amelyekben a fény gyorsan lebomlik, és hővé alakul, a fotonikus szigetelők nem nyelnek el fényt. Ami a fotonikus félvezetőket illeti, szűkebb a sávszélességük, mint a szigetelőké.

A fotonikus kristály hullámvezetőket fotonikus textíliák készítésére használják (a képen). Az ilyen textíliák most jelentek meg, és még alkalmazási körük sem teljesen ismert. Készíthetünk belőle például interaktív ruhákat, vagy puha kijelzőt

Fotó: emt-photoniccrystal.blogspot.com

Annak ellenére, hogy a fotonikus sávok és a fotonikus kristályok gondolata az optikában csak az elmúlt néhány évben honosodott meg, a fizikusok már régóta ismerték a törésmutatóban rétegesen változó szerkezetek tulajdonságait. Az ilyen szerkezetek egyik első gyakorlatilag fontos alkalmazása az egyedi optikai jellemzőkkel rendelkező bevonatok gyártása volt, amelyek segítségével nagy teljesítményű spektrális szűrőket hoznak létre, és csökkentik a nem kívánt visszaverődést az optikai elemekről (az ilyen optikát tükröződésgátlónak nevezik) és a reflexiós együtthatóval rendelkező dielektromos tükröket. közel 100%. Az 1D fotonikus szerkezetek másik jól ismert példájaként említhetők az elosztott visszacsatolású félvezető lézerek, valamint a fizikai paraméterek (profil vagy törésmutató) periodikus longitudinális modulációjával rendelkező optikai hullámvezetők.

Ami a közönséges kristályokat illeti, a természet nagyon nagylelkűen ad nekünk. A fotonikus kristályok nagyon ritkák a természetben. Ezért ha ki akarjuk használni a fotonikus kristályok egyedi tulajdonságait, kénytelenek vagyunk különféle termesztési módszereket kidolgozni.

Hogyan neveljünk fotonikus kristályt

Az elmúlt tíz évben az anyagtudomány egyik elsődleges feladata maradt egy háromdimenziós fotonikus kristály létrehozása a látható hullámhossz-tartományban, melynek megoldására a legtöbb kutató két, egymástól alapvetően eltérő megközelítésre összpontosított. Az egyik a sablon módszert használja - a sablon módszert. Ez a módszer megteremti a szintetizált nanorendszerek önszerveződésének előfeltételeit. A második módszer a nanolitográfia.

Az első csoportba tartozó módszerek közül azok a legelterjedtebbek, amelyek monodiszperz kolloid gömböket használnak sablonként periodikus pórusrendszerű szilárd anyagok létrehozására. Ezek a módszerek lehetővé teszik fémek, nemfémek, oxidok, félvezetők, polimerek stb. alapú fotonikus kristályok előállítását. Az első szakaszban a hasonló méretű kolloid gömböket egységesen háromdimenziós (esetenként kétdimenziós) keretek formájában "pakolják", amelyek később a természetes opálhoz hasonló sablonokként működnek. A második szakaszban a sablon szerkezetében lévő üregeket folyadékkal impregnálják, amely ezt követően különféle fizikai és kémiai hatások hatására szilárd vázzá alakul. A sablon üregeinek anyaggal való feltöltésének egyéb módjai az elektrokémiai módszerek vagy a CVD (Chemical Vapor Deposition).

Az utolsó szakaszban a sablont (kolloid gömböket) eltávolítják természetétől függően oldódási vagy termikus bomlási folyamatokkal. Az így létrejövő struktúrákat gyakran az eredeti kolloid kristályok másaiként vagy "fordított opálokként" nevezik.

A gyakorlati felhasználás érdekében a fotonikus kristály hibamentes tartományai nem haladhatják meg az 1000 μm2-t. Ezért a kvarc és polimer gömbszemcsék rendezésének problémája az egyik legfontosabb a fotonikus kristályok létrehozásában.

A második módszercsoportban az egyfotonos fotolitográfia és a kétfotonos fotolitográfia 200 nm-es felbontású háromdimenziós fotonikus kristályok létrehozását teszi lehetővé, és felhasználja egyes anyagok, például polimerek tulajdonságát, amelyek érzékenyek az egy-, ill. kétfotonos besugárzás, és ennek a sugárzásnak a hatására megváltoztathatják tulajdonságaikat. Az elektronsugaras litográfia drága, de nagy pontosságú módszer kétdimenziós fotonikus kristályok előállítására. Ebben a módszerben egy fotoreziszt, amely megváltoztatja tulajdonságait egy elektronsugár hatására, meghatározott helyeken egy sugárral besugározva térbeli maszkot képez. A besugárzás után a fotoreziszt egy részét lemossák, a többit pedig maszkként használják maratáshoz a következő technológiai ciklusban. Ennek a módszernek a maximális felbontása 10 nm. Az ionsugaras litográfia elvileg hasonló, azzal a különbséggel, hogy elektronsugár helyett ionnyalábot használnak. Az ionsugaras litográfia előnyei az elektronlitográfiával szemben, hogy a fotoreziszt érzékenyebb az ionsugarakra, mint az elektronokra, és nincs "közelségi effektus", amely korlátozza az elektronsugaras litográfiában egy terület lehetséges legkisebb méretét.

Megemlítünk néhány más fotonikus kristály termesztési módszert is. Ide tartoznak a fotonikus kristályok spontán képződésének módszerei, maratási eljárások, holografikus módszerek.

Foton jövő

A jóslatok készítése éppoly veszélyes, mint csábító. A fotonikus kristályeszközök jövőjével kapcsolatos jóslatok azonban nagyon optimisták. A fotonikus kristályok felhasználási területe gyakorlatilag kimeríthetetlen. Jelenleg a világpiacon már megjelentek (vagy a közeljövőben fognak megjelenni) a fotonikus kristályok egyedi tulajdonságait felhasználó eszközök vagy anyagok. Ezek fotonikus kristályokkal rendelkező lézerek (alacsony küszöbű és nem küszöbű lézerek); fotonikus kristályokon alapuló hullámvezetők (kompaktabbak és kisebb a veszteségük a hagyományos szálakhoz képest); negatív törésmutatójú anyagok, amelyek lehetővé teszik a fény egy hullámhossznál kisebb pontra történő fókuszálását; a fizikusok álma a szuperprizma; optikai tároló és logikai eszközök; fotonikus kristályokon alapuló kijelzők. A fotonikus kristályok a színt is módosítják. Már kifejlesztettek egy hajlítható, nagy formátumú, fotonikus kristályokon nagy spektrális tartományú - infravöröstől az ultraibolya sugárzásig - kijelzőt, amelyben minden pixel egy fotonikus kristály - szilícium mikrogömbök tömbje, amelyek a térben, szigorúan meghatározott módon helyezkednek el. Fotonikus szupravezetők készülnek. Az ilyen szupravezetők felhasználhatók optikai hőmérséklet-érzékelők létrehozására, amelyek viszont nagy frekvencián működnek, és fotonikus szigetelőkkel és félvezetőkkel kombinálhatók.

Az ember még csak tervezi a fotonikus kristályok technológiai felhasználását, a tengeri egér (Aphrodite aculeata) pedig már régóta használja ezeket a gyakorlatban. Ennek a féregnek a bundája olyan kifejezett irizáló jelenséggel rendelkezik, hogy a spektrum teljes látható tartományában - a vöröstől a zöldig és a kékig - képes szelektíven, közel 100%-os hatékonysággal visszaverni a fényt. Egy ilyen speciális „fedélzeti” optikai számítógép segít ennek a féregnek a túlélésben akár 500 méteres mélységben is. Biztosan vitatható, hogy az emberi intelligencia sokkal tovább megy a fotonikus kristályok egyedi tulajdonságainak felhasználásában.