Фотонные кристаллы — альтернатива полупроводникам

Американский ученый Эли Яблонович в 2015 году удостоен международной награды за достижения в области физики — медали Ньютона — за создание первых фотонных кристаллов. Уникальный материал может отражать, улавливать и перенаправлять фотоны света.

Кристалл состоит из нескольких материалов с разными коэффициентами преломления. Выглядит это как двойная решетка, размер клетки которой сопоставим с длинами волн видимого света (380-780 Нм). На практике это означает, что когда на поверхность материала падает фотон света, обладающий определенной длинной волны, он «натыкается» на границу раздела сред и отклоняется от первоначального направления движения. Таким образом, фотонные кристаллы имеют разрешенные и запрещенные зоны распространения фотонов, аналогичные зонам, образующимся в полупроводниках для движения заряженных частиц.

Фотонные кристаллы подразделяются на одномерные, двумерные и трехмерные по количеству направлений, в которых проявляются запрещенные зоны. Количество запрещенных зон, их положение, а также длины волн преломляемых лучей зависят от геометрических характеристик решетки кристалла, а также от показателей преломления. Это дает возможность управлять эффектом конкретного кристалла, регулируя размер областей с различными коэффициентами преломления, а также изменяя значение показателей преломления с помощью воздействий извне.

Современные технологии изготовления наноматериалов позволяют добиться высокой точности расположения кристаллической решетки. Один из способов изготовления фотонных кристаллов (метод травления) очень похож на процесс внесения примесей в материал полупроводника.

Почему так часто подчеркивается сходство фотонных кристаллов и полупроводниковых материалов? Применяемые в настоящий момент полупроводниковые устройства имеют существенные ограничения по быстродействию, что тормозит прогресс в микроэлектронике и развитие информационных технологий. Вполне возможно, что будущее кибернетики за фотоникой. Фотоны, в отличие от электронов, распространяются со скоростью, близкой к скорости света. Световое излучение имеет широкий диапазон частот, что позволяет в одном физическом проводе создавать множество разделенных по частоте каналов передачи, что увеличивает количество информации, передаваемой в единицу времени.

Отражатели на фотонных кристаллах обладают лучшими свойствами, чем граница раздела обычного материала и воздуха. Именно поэтому такие отражатели широко применяют в оптических фильтрах, сенсорах, оптоволоконных усилителях.

Лазерные лучи давно применяются для передачи информации на расстояние (меньший коэффициент затухания по сравнению с электропроводами). Одним из существенных минусов оптоволокна является процесс преобразования электрического импульса в свет и обратно. Использование фотонных кристаллов позволит создать быстродействующие, полностью оптические переключатели потоков информации.

Недостатком фотонных кристаллов является сложность процесса изготовления. Полученный материал должен содержать чистые области без дефектов площадью более 1000 мкм2, что требует идеальных условий производства, постоянной температуры и влажности.

Природным фотонным кристаллом является опал. Да, именно тот камень, применяемый в ювелирном деле. Красивые разноцветные переливы на его поверхности объясняются чередованием слоев кристалла с различающимися коэффициентами преломления света. Часто в фотонных устройствах используют синтетические опалы и материалы на их основе.