Оптическая транспортация микрочастиц.

Трехмерные фотонно-кристаллические структуры

Необходимо отметить, что на ряду с исследованием, разработкой и изготовлением одномерных и двумерных фотонных кристаллов, изучаются и создаются трехмерные фотонно-кристаллические структуры. Хотя фотонные кристаллы в природе большая редкость, однако существуют минералы для которых свойственно такое оптическое явление, как иризация (от греч. iris – радуга). Радужная игра света характерна для таких минералов, как кальцит, лабрадор, опал. Кластерная сверхрешетка опала послужила прототипом для создания искусственных фотонных кристаллов. Например, в одной из самых первых работ по синтезу фотонных кристаллов, выполненной в Физико-техническом институте (Санкт-Петербург) и МГУ в 1996 году, была создана технология получения оптически совершенных синтетических опалов на основе сфер микроскопического размера из двуокиси кремния. Технология позволяла варьировать параметры синтетических опалов: диаметр сфер, пористость, показатель преломления. Решетки, образованные плотноупакованными сферами из двуокиси кремния, содержат пустоты, занимающие до 25% от общего объема кристалла, которые могут заполняться веществами другого сорта. Изменение оптических свойств опалов при наполнении пустот водой было известно уже ученым древнего мира: очень редкая разновидность опала - гидрофан (hydrophane), на старорусском - водосвет, становится прозрачной при погружении в воду. В современных разработках это свойство фотонного кристалла пытаются использовать для создания переключателя света – оптического транзистора. Примером подобных работ являются исследования, проведенные в университете Торонто, в которых использовалась кремниевая реплика искусственного опала (если узлы обычного опала представляют собой огромные по атомным меркам шары, то узлами реплики будут того же размера шарообразные пустоты). Полученный кристалл не пропускает излучение в узкой полосе длин волн от 1, 38 мкм до 1, 62 мкм. Дополнительные свойства ему придали, покрыв внутреннюю поверхность узлов-пустот – тонким слоем вещества с другим коэффициентом преломления. Для этого была использована жидкокристаллическая композиция, что позволило управлять положением запрещенной зоны с помощью магнитного и электрического полей и таким путем - манипулировать световыми потоками в кристалле.

Кроме того, для создания фотонных кристаллов используют технику оптической литографии, ее применяет, например Sandia National Laboratories. Тип создаваемых таким образом структур был назван дровяной поленницей (рис.3.13).

Цели получения фотонных кристаллов в лабораториях Sandia – создание микромощных лазеров, оптических компьютеров и средств связи. Методы оптической литографии развивают также группы исследователей из Оксфордского университета (Англия) и университета Осаки (Япония).

Рис.3.13. Фрагмент трехмерного фотонного кристалла. Электронная микрофотография, сделанная Sandia National Laboratories

Они применяют трехмерную голографическую литографию: в качестве рабочего материала используется полимерный фоторезист, в котором создается трехмерное изображение будущего фотонного кристалла, и в местах, подвергшихся интенсивному облучению, полимер переходит в нерастворимую форму. Эта решетка своей трехмерной архитектурой напоминает штабель из соответствующего материала. Брусочки решетки сделаны из поликристаллического кремния, между ними – вакуум. У всех брусочков одинаковые прямоугольные сечения шириной 1, 2мкм и высотой 1, 5мкм. Решетка представляет собой единое целое и изготовлена по сложной технологии. Параметры этой структуры – размеры брусочков и шаг между ними – определялись расчетным путем по законам квантовой механики таким образом, чтобы внутри решетки было абсолютно запрещено существование электромагнитного излучения с длинами волн, лежащими в узком спектральном диапазоне порядка 10мкм в инфракрасной области.

Таким образом, параллельно с волноводами на основе фотонных кристаллов ведутся технологические проработки других компонентов телекоммуникационной техники, в первую очередь - пассивных оптических фильтров, прерывателей и низкопороговых лазеров. Исследования фотонно-кристаллических структур проводят ведущие научно-исследовательские центры всего мира.