身体的

笼子灯

通过类似于固体物理和光学的类比,物理学家通过建造捕获,过滤和传送光子的光子晶体来控制光。这些晶体将用于明天的光学通信。

Jean-Michel Lourtioz和Daniel Maystre 科学#275
本文保留用于科学用户

镜子是控制光的最着名的方法:它反射并因此重新定位光线从它前面的源或物体的光线。所有的光线?不,因为物体在空间的所有方向上辐射,并且只有一小部分光线到达镜子。另外,入射光的一部分被吸收并转化为热量进入镜子。这种低吸收不会影响我们的视觉感知,但它降低了光学器件的效率。当我们将看到特殊的镜子时,光子晶体均以在所有空间方向上更好地控制光线的需要:如何优化诸如发光二极管等固态光源的性能?我们如何从发射机中恢复所有光子?

在制造第一光子晶体之后,在1991年,这种动机继续,但它不再是唯一一个。光子晶体的出现是光电子组分小型化的更通用过程的一部分。这种服务的新方法将引导它没有沿空间中可定义的波导的损失。然后,物理学家随之而来梦想光子“处理器”,其中电子将被光子代替,比当前处理器快得多。

在到达这种对光的最终控制之前,请注意光的传播与固体晶体中的电子的传播之间的类比。晶体是三维原子的周期性组装。在纯硅晶体中,四种价电子(或连接)用于形成周期性晶体的四个共价连杆。因此,没有更多的电子用于传导。要获得电子驱动器,您必须打破链接,需要能量。价条(电子与原子粘合),并且导电带由该能量分开,该能量限定禁止带。如果其能量在该频段中,则电子将不会在晶体中传播。

是否有相同类型的Photons禁区,这将使可以控制进度?考虑光学特性不同的透明材料的三维组装。光学特性,特别是确定介质中光速度的光学指标,为光子发挥类似的作用,对电子的原子电位的作用,并且禁止用于光子的这些带。这是能量范围的位置光子不能传播。由于这些材料是透明的,因此不受这些组件发射的光,而是反射在这些组件中的光,而不管其发生率方向。

该组件是光子晶体,也称为光子槽槽材料。固体晶体和光子晶体之间的链接是由控制电子(Schrödinger方程)和光传播方程的行为之间的等式之间存在的正式类比(MaxWell的方程):如果我们比较这些术语终端方程,它们具有相同的形式。在黎明的黎明 XX. e C世纪,量子力学的先驱培养了相反的类比,显示了每种粒子的粒状表示的二元性及其起伏性。如果是在黎明的时候,这可能是刚刚的东西 XXI. e 世纪,固体物理中积累的知识用于控制光波的流动。

不透明度的透明度

在电子和光子之间继续类比,我们将检查一叠透明刀片的堆叠如何能够获得禁止的光子胶带系统。然后,我们将看到一维案例可以在两个和三维中扩展。一些光子晶体的示例将使我们能够测量在将这些创新结构集成到电信工具之前仍有待采取的距离。

什么是透明材料?问题似乎是众所周知的,这两个目的都很熟悉:眼镜很常用。硅纤维,在没有减轻的情况下携带灯光超过几公里处于光学电信的核心。

透明材料,水,空气,玻璃或塑料薄膜是电介质。在外观上,光线穿过这些材料而不遇到障碍物。然而,放置在平静的湖岸上足以发现介电材料的存在作用于光的扩散。

通过观察湖的表面,我们可以在叠加一个放在湖底的鹅卵石和天空中的一只鸟。水从鹅卵石向表面传输光,空气完成传播直到眼睛。另一方面,对于鸟的形象,湖的表面充当镜子 (见图1)。因此,在通过两个透明介质之间,光被分成两个部件,一个传输,另一个反射。材料的透明度只是一种幻觉,因为无论其透明度的质量如何,通过始终改变变速器的界面观察到材料。

这种现象是由物理现实的:光不会以相同的透明电介质以相同的速度展开。在空气中的空气中,光线每秒移动约300,000公里。在水中,在玻璃和半导体中,它分别快速传播1.33倍,1.5倍和3至4倍。它是表征介质介质的一种方法:其光学指数或折射率,是真空中光速度的商和介质中的光的速度(水的指数为1.33,即玻璃为1.5等)。我们将看到我们可以使用这些差异来构建反射大大增加的系统,尤其是薄层。

用一维晶体的纤薄层

薄层是由两个平行的平面界定的一片介电材料,其将其与空气分开。通过垂直于层表面的入射光点燃薄层。在上界面处,光被分成两个部件:反射部分和另一个传输,其进入该层。透射组件再次分离到下边界,并且新的反射级分本身经历反射和传输到其上返回。该现象无限期地持续,因此初始光被分离成组分的无穷大。

就像水面上的阴影一样,光线是起伏的性质。让我们通过一些观察来继续这个类比。首先,当我们看看水面上的点时,我们看到这一点处的电平以给定的频率振荡。然后我们注意到,流体的顶点(或空心)通过恒定距离,波长分开。最后,我们注意到模糊的移动:波以给定的速度传播。在光的情况下,即使波不通过机械振荡表现出来,也适用于这些特性,而是通过电场和磁场的同时和协调的振动。波长λ是传播速度的商 v 和频率 f.

为了改变介电介质,光保持其频率,但由于其速度被修改,其波长也是(中间的波长是真空和中间指数中的波长的商)。在电介质刀片中,当波浪的最大值一致时,它们的振幅增加并且干扰是建设性的;如果它们被抵消,则干扰是破坏性的。通过选择相对于所使用的波长的叶片的厚度,获得了构造或破坏性干扰。

相协议或反对意见考虑了将最低指标环境传递给最高索引环境时光的相位变化:这对应于灯光的虚拟路径。半波长。相反,当传播的高索介质朝向弱指数的传播时,没有相位变化。现在通知垂直于刀片渗透到叶片的波浪之后返回到上界面的距离叶片厚度的距离之后。如果该距离是半波长的奇数倍数(换句话说,如果叶片厚度是波长的四分之一的奇数倍),则在波回和第一反射波之间会有相位协议。干扰将是建设性的,并且刀片的反射将是最大的 (见图3).

因此,通过等于三个光学指数介电叶片,并且干扰是建设性的波长,获得60%的入射光的反射,透射率为40%。该值大于单个空气介质界面的反射(约25%),但它不允许将刀片分为良好的反射器。如何进一步增加反射和减少传输?在常规距离堆叠薄层。

在第一次分析中,两层的透射将等于单层的传输的平方,因为在离开第二层之前到达第一层之前的波的波很不在传输。具有两层的透射值应等于16%(0.4×0.4),含有三层的6.4%,最后,百分之一,用五个叠加层。

事实上,这种分析忽略了分离层的空气中的反射。这些反射是有利可图的:它在空中层中创建了多个反射的系统,类似于介电层中存在的系统。当空隙的厚度也是波长的四分之一的奇数倍数时,这些层的最大反射与介电层的最大反射一致。然而,对于给出的入射光,空气中的波长将比电介质中的三倍大(如果光学指数等于三)。空气层的厚度应该是最佳效应,是介电层的三倍。利用一堆五个介电层,由四层足够的足够厚度分开,获得真正的反射装置,因为最大反射系数在干扰是建设性反射的波长范围内达到99.99%,这对应于禁止的带。

这种堆叠的介电层被称为布拉格镜,参考第一个实验在开始时的X射线衍射上 XX. e 世纪。当照明垂直于层时,布拉格镜真的有效,但对于倾斜的入射,禁止带(传输)变窄并且在波长中移位。

尺寸更高

在两个尺寸中,通过根据三角形图案在平面上分配杆作为层叠加的性质获得周期性结构。如在布拉格镜中,该结构是两个不同光学指数电介质的周期性组装:最低指标材料是最高空气,最高指数的最高折射率是布置在长长假设无限的平行圆柱体中的电介质。这种结构具有六边形对称性 (见图5).

该结构也可以作为一堆栅格或介电棒的行,由空气层分开。我们有“嘶哑”布拉格堆的介电刀片。类比进一步:当烤架堆叠垂直于发光波照射时,当网格的厚度和空气层靠近波长的四分之一时,获得最大反射条件。

由于这种结构的六边形对称性,光在六个六角方向上相同地传播。因此,当在六个方向中的一个中防止变速器时,它根据其他方向。二维晶体尚未成为反映各方向的光的结构,但它变得更近。然而,一些讲话,脾气暴躁。首先,六个等效方向位于杆的正交平面中:根据该计划之外的传播方向,二维晶体不会呈现相同的兴趣。然后,传输还依赖于我们尚未提及的光的特征,极化。

作为伴随水位的垂直位移的水面上的波,光波是横波:电场的振荡和磁场的振动垂直于波的方向传播。在该垂直平面中,允许所有摆动方向,但是,随着两个字段的振荡链接,场的振荡定义了另一个的振荡。电场的振荡方向被命名为极化方向。如果该方向是固定的,则波是直接的。在相同方向和相同频率中传播的两个波可以因极化而异,并且给定偏振的光子晶体的禁止传输条不一定是用于另一极化的禁止带。一旦发病率倾斜,或者一旦晶体是二维,极化就会起作用,带来额外的约束。

最后,二维光子晶体不是完美,有效的反射器,在所有传播方向上,无论是哪种偏振,但这是所有应用程序的展望的重要步骤 (见图2)。在该区域中,这是光纤二极管的激光二极管和其他部件的区域,光已经沿水平平面引导,并且二维晶体将允许控制光在另一个方向上的光计划。

实验证据

在20世纪90年代,Eli Yablonovich具有模仿现有的固体晶体的结构,更具体地,特别是半导体晶体,例如硅或锗。由于这些半导体对电子禁止宽带的能量,我们可以想象它对于光子来说是相同的。相应的结晶结构,其也是金刚石的结构,由具有居中面的两个立方结构的互锁产生(结晶网是立方体,并且原子位于立方体的面上和中央) ,一个四分之一的立方体大对角线向另一个移动。如何制作这样的结构?

已经研究和鉴定了这些结构的对称性,对半导体物理学至关重要,并详细识别了几十年。特别是,固体物理学家知道,在某些方向上,原子建筑内的真实渠道有空的杂志。换句话说,在这些方向上,我们可以在没有遇到原子的情况下穿过水晶:如果水晶更大,我们可以看到通过!硅晶体可以被认为是明智的无明显定向的画廊的刺穿块。

从高光学索引有机玻璃块,E. Yablonovich和他的团队根据三个方向刺穿120度,模拟硅晶画廊 (见图6)。通过传输措施,他们观察到这种结构是完全不透明的,无论光的发生率。这是一个完美的光子晶体。这种经验对于其说明性外观至关重要,但它涉及几厘米的波长,几个大于用于光学电信的微米波长的数量。在未来十年中,物理学家一直在努力降低这些三维模式的大小,想象解决结构小型物质的方法。

纳米结构

在20世纪90年代初,由于介电真空的沉积技术,刚刚掌握了由介质的第十个介质的十分之一的半导体多层组成的布拉格镜的制造,而使用微腔的第一光电部件经历过介电真空的技术。罕见的是那些在不到十年的物理学家中想象的人会在红外和可见场中制造两个和三个维度的第一个光子晶体:他们没有提供伴随着微电子在此期间的微电子进展的小型化进展世纪。

我们的计算机电路有数百万晶体管,其尺寸为几微米的尺寸。这些电路的多种制造技术扭转了光子晶体的制造。我们将呈现最近获得的结构的两个例子,其具有具有光子间电信波长的光子互通(约1.5微米)的优点。

1999年,Sebastian Rowson,Alexis Chelnokov和我们之一(J.-M.LOURTIOZ)通过光通气雕刻的硅衬底制成了一种二维晶体 (见图7A)。我们首先使用用孔刺穿孔的硅胶面膜,使我们想要得到的六角形图案。掩模沉积在硅衬底上,然后进行化学攻击,该化学攻击产生晶体图案的坯料。

然后,基板用作电化学浴中的阳极:底孔根据硅晶体的特征方向挖掘。在不到两小时的这种饮食中,获得100微米的深孔。所得到的结构类似于多孔砖,垂直孔扮演上述二维晶体的圆柱形杆的作用。通过减小孔(晶体周期)至0.680微米之间的距离,无论方向(在图7A)上的方向(在图7A)和极化上,都禁止在光电信(1.5微米)的波长处禁止传播。

同年,另一种结构已经在实验室制造 桑迪亚 ,在阿尔伯克基,由Shawn-Yu Lin和他的同事。通过沉积技术与硅和雕刻技术的组合,通过层和雕刻技术的组合是一个三维晶体制造的层。每个雕刻层是方形部分水平杆的网络 (见图7B)。相邻层的杆垂直,间隔层处的杆彼此平行,但是横向偏移,使得图案相同地重复每四层。所获得的堆叠再现原子晶体的结构:堆叠杆的交叉点根据两个立方体的立方网络布置,也是硅晶体的原子。获得禁用带的波长为10微米,然后在晶体时段的减小之后,用于1.5微米的波长。

这些例子不应该建议解决制造这种晶体的问题。获得三维晶体需要相当多的阶段,并且叠加只会是一段时间(四层)仍然是一个技术壮举。大自然的观察邀请我们谦虚,因为人只是重塑已经存在的东西:多孔硅和鸟翼之间的相似性在这方面引人注目 (见图8)。一些蝴蝶或蛋白石的翅膀也是天然光子晶体。

用光子的笼子

由固体原子的自发发光控制是光子晶体的工作的主要动机之一。然而,到目前为止,我们仅描述了像全向反射器这样的光子晶体。换句话说,我们描述了轻笼的条。如果要在晶体和陷阱光子中放置发射器,则需要在光子晶体内挖掘微腔。这种腔在擦伤晶体的周期性,产生故障,恢复固体物理学的术语。在这种缺陷中的光不能留下它,被完美反光墙壁的所有侧面包围。将抑制任何光的发射。

全部?实际上,幸运的是,陷阱不会总计,因为它将用波长提取光的光对应于腔的尺寸。即使有一个非常反光的墙壁(例如,百分比的反射),剩余传动也足以提取具有长度的所有光子

提供了足够的波浪,但材料的吸收损失真的可忽略不计:最终的光子不能被吸收将最终出现。

由于腔体的小尺寸和其镜子的强烈反射率,所放置在其内的发射器材料的自发排放甚至可以相对于它在自由空间中的内容而加强:据说发光是崇高。我们还讨论了无阈值激光,因为光子在腔内积聚,并且迅速导致雪崩效应,也就是说刺激发射的放大。发射器材料可以与构成光子晶体(例如半导体)的相同。它也可以是不同的材料,其被引入到腔中以其发光性能。

为了说明微腔的波长选择性效果,考虑介电棒的二维光子晶体,其中通过去除其中一个介电杆来创建故障 (见图9)。让我们将这种晶体的传输与周期性晶体的传输进行比较。在两种情况下,传输类似,在近红外线中,禁用传输带之间的禁用传输带。然而,在具有间隙的晶体的情况下,非常窄的透射峰出现为1.1微米的波长。该峰值,在透射靠近该单元的情况下,由晶体内的空腔的存在产生。在这种腔共振现象中,在电磁众所周知的情况下,最常见于许多频率(或波长)。这里,当晶体上的光发生变化时,共振频率是独特的并且保持不变。另外,峰值非常窄,由腔的良好反射率导致。

在该示例中,光来自腔的外部,而不是从内部的。让我们遵循它的旅程。在共振波长处,光进入晶体,蓄积在腔体中的几个时刻,并结束从等于进入流的流出的晶体。因此,在该波长处,光被腔“吸入”,其中储存强光能量。腔作为入射光的“继电器”用作“继电器”,然后将其容易地穿过晶体。它也是一个过滤器,因为围绕它的晶体对所有其他波长保持不透明。

另一个财产对于通信有用:问题的方向性。然而,其对称性是六边形的腔不能定向地发射,因为光子具有根据六个方向发射的等效概率。以同样的方式,在球形腔中,不会有特权方向。为了克服这个缺点,在光子晶体中产生不对称故障。

Alex Scherer及其同事在加州理工学院制造了由在复合半导体膜中钻的六边形孔形成的二维光子晶体,其具有发出1,5微米的性能。所有孔都是相同的,除了两个,上光线,界定微腔 (见图10)。破坏了对称性,可以在腔是最细长的方向上以特权方式进行排放。在此实验期间,物理学家将第一激光发射从插入光子晶体中的第一激光发射。这是有史以来最小的激光器之一,其体积小于三个立方体千分尺。类似的经验是由里昂市中心学派的皮埃尔维克托维奇队进行的。

计划建造

在制造晶体和蛀牙之前,物理学家评估结构的行为并优化它们的性能。这些研究从固体物理学的工作中受益匪浅,这使得可以预测固体材料中电子的性质,特别是预测所有允许或禁止的带。然而,与具有非常大的时段的原子晶体不同,实际光子晶体最常限于十几个时段。

结果,边缘效应防止了对固体物理学的处理治疗用于分析光子晶体的行为。然后需要在有限晶体中在空间中的发光波传播的详细描述。因此,这些建模包括求解麦克斯韦的方程,它描述了在复杂的几何形状中的电磁波行为。只有计算机建模只允许这项工作。

在非常复杂的情况下,特别是当与其他光学元件相关的光子晶体,例如发射器,所用的计算装置仅允许部分建模。

光子晶体领域正在蓬勃发展,物理学家在新结构和新应用的设计中与想象力竞争。但是,有必要小心:完全探索的领域的研究有时会导致意外的方向。我们强调,这项研究的显着动力涉及固态光源。因此,光子晶体微升光的发展是令人鼓舞的,但是在这种类型的源可以用于更精细的光电系统之前,路径仍然长。

物理学家还梦想能够发出这些来源,通过光子光子,放置在腔的中心,在半导体材料的微小发射极,名为Quantum盒子。光流量,光子通过光子的控制将在量子密码和光通信领域中打开前所未有的透视图。在该静脉中,即使在发光发光之前,也是最具体的应用,是光纤的输入和输出处的波长滤波。我们已经看到,由于选择性,光子晶体从腔中挖出蛀牙,以过滤透射或反射中的光。可以减少用于过滤波长的组件的大小。

较短,光子晶体研究可能导致微波领域的应用,其中开发了第一光子晶体。随着阶梯的浇口较大(毫米几英寸),便于在这些尺度处制造结构。然而,这些波长也是电信,民用或军队的波长,信号最常在空气中传播并且不再纤维。对于便携式电话,特别是光子晶体反射器肯定具有它们的作用。工程师认为他们用来消除,反射,不直接用于通信的手机的天线的辐射,这将降低用户的潜在风险。

今天与光子晶体打开的范围是巨大的。在这方面,能够围绕天线的单一主题研究和对极限光源的研究统一进行令人惊讶的是。在一种方式,光学器件的三维视图类似于在由金属平面分开的微电路堆叠的形式中出现的三维架构。除了能够实现的光子带材料和基本装置之外,物理学家将真实的光学或光电电路考虑到两三个维度。轻微的微通道,更常见的电磁波导,更换金属导体:引导件的壁将由用于所有入射角的反射光子晶体形成。这一概念显然构成了建模和制造的强大问题,并且在完成实际应用之前将需要大量努力。

用于光子晶体的热潮还保持光的传播与固体晶体中的电子波的传播之间的迷人类比。在科学中,类比很常见,因为它刺激了想象力,并且经常导致研究的物体的新视野。最近的工作进一步探索了这个分析

通过唤起,特别是声学和声学晶体中的非线性光子晶体的概念。

在第一种情况下,光学特性通过强烈的发光通量改变光学性质的周期性的交替。材料的表观结构将相应地通过照明的强度进行改变,并且其是透射条可以例如成为光子槽界带。换句话说,一个系统可以在数据波长下保护我们免受诸如电源激光器的强烈光流。在Sonic晶体的情况下,已知声音是材料圆的振动波,其传播方程非常接近光的传播方程。开发材料或物体只有一个步骤,以防止声音传播到频率范围和预先选择的空间的方向(Sonic禁止带)。从光到声音,这一步几乎交叉。

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