Оптические свойства фотонных кристаллов и волноведущих структур на их основе

• Автор: Спицын, Алексей Сергеевич
• Шифр специальности: 01.04.10
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 102 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 ФОТОННЫЕ КРИСТАЛЛЫ: ОСНОВНЫЕ

СВОЙСТВА, ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ

1.1. Предельные возможности микроэлектронных устройств обработки информации

1.2. Классификация и основные свойства фотонных кристаллов

1.2.1. Ш, 2Б и ЗБ фотонные кристаллы

1.3.2. Резонансные фотонные кристаллы

1.3. Материалы и технологии, используемые для создания

фотонных кристаллов
1.5. Применение фотонных кристаллов в интегральной
оптике
ВЫВОДЫ
ГЛАВА 2 МЕТОДЫ РАСЧЕТА ОПТИЧЕСКИХ
ХАРАКТЕРИСТИК ФОТОННЫХ КРИСТАЛЛОВ
2.1. Метод разложения собственных мод фотонного кристалла по плоским волнам
2.2. Зонная структура и распределение электромагнитного поля в Ю, 2Б и ЗБ фотонных кристаллах
2.2.1. Одномерные фотонные кристаллы
2.2.2. Двумерные фотонные кристаллы
2.2.3. Трехмерные фотонные кристаллы
2.3. Электромагнитное поле в фотонном кристалле с дефектом. Метод периодического продолжения решений
ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 3 СВОЙСТВА ЛОКАЛИЗОВАННЫХ МОД В
ВОЛНОВЕДУЩИХ СТРУКТУРАХ НА ОСНОВЕ ОДНОМЕРНЫХ ФОТОННЫХ КРИСТАЛЛОВ
3.1. Метод матриц переноса
3.2. Оптические свойства щелевого кремния
3.3. Структура брэгговского волновода на основе щелевого кремния
3.4. Дисперсия волноводных мод
3.5. Коэффициент локализации волноводных мод
3.6. Групповая скорость волноводных мод
ВЫВОДЫ
ГЛАВА 4 РЕЗОНАНСНЫЕ ФОТОННЫЕ КРИСТАЛЛЫ НА
ОСНОВЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВ А3В5
4.1. Теория экситонных поляритонов в периодических полупроводниковых структурах в представлении вторичного квантования
4.2. Гамильтониан прямых экситонов в сверхрешетках на основе полупроводников А3В5
4.3. Гамльтониан фотонов в сверхрешетках
4.4. Оператор электрон-фото иного взаимодействия
4.5. Закон дисперсии экситонных поляритонов в сверхрешетке на основе гетероструктуры Alo.3Gao.7As/GaAs
ВЫВОДЫ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ПРИЛОЖЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ
Потенциал информационной емкости световых волн в настоящее время уже используется для передачи информации по оптоволокну, однако эффективное управление оптическим сигналом в масштабе нескольких длин волн представляет собой весьма сложную задачу с точки зрения технической реализации. Одно из решений подобной задачи - это использование вместо однородных материалов, обычно применяемых в интегральной оптике, периодических структур, обладающих уникальными оптическими свойствами. Такие структуры, имеющие периодическую модуляцию диэлектрической проницаемости, получили название фотонных кристаллов (ФК). На сегодняшний день исследование свойств ФК представляет собой актуальную задачу экспериментальной и теоретической физики.
Распространение световых волн в фотонных кристаллах во многом аналогично распространению электронов в обычной кристаллической решетке, поэтому для исследования оптических свойств ФК широко применяют методы и математические модели, используемые в физике твердого тела. В связи с этим, основной характеристикой фотонного кристалла является его зонная структура, т.е. зависимость частоты собственных мод от волнового вектора. Поэтому основной задачей теоретического анализа ФК является расчет его зонной структуры и определение свойств собственных мод. В большинстве работ, посвященных данной тематике, основное внимание уделялось расчету зонной структуры, без подробного анализа свойств собственных мод. В связи с этим актуальной является задача изучения свойств собственных состояний электромагнитного поля в фотонных кристаллах.
Особый практический интерес представляют собой волноведущие структуры на основе фотонных кристаллов, в которых возможно прохождение электромагнитной волны практически без рассеяния в любом, заранее выбранном, направлении. Именно такие структуры предполагается использовать для передачи информации от процессоров к модулям памяти в высокопроизводительных компьютерах следующего поколения. Однако практическая реализация элементов интегральной оптики на основе фотонных кристаллов с необходимыми свойствами весьма сложная задача. В многочисленных публикациях, посвященных этой проблеме, говорится о

2.2.3. Трехмерные фотонные кристаллы
Рассмотрим структуру, состоящую из кремниевой матрицы с упорядоченными прямоугольными полостями, которые формируют кубическую решетку. Закон дисперсии для такого трехмерного фотонного кристалла с полостями в виде кубиков с ребром а= 1 мкм и периодом сі=-2 мкм представлен на рис. 2.7. Расчет произведен по направлениям высокой симметрии зоны Бриллюэна (см. вставку). Как видно из рисунка, такая структура не обладает полной запрещенной зоной, существует лишь небольшая стоп-зона по направлению Г-Х. Сравнивая зонные структуры для 20 ФК с квадратной решеткой (рис. 2.5.(а)) и ЗО ФК с кубической решеткой можно обратить внимание на то, что в двумерной структуре различие между поляризациями электромагнитного поля проявляется гораздо сильней по сравнению с трехмерным кристаллом. Об этом говорит большое число вырожденных дисперсионных ветвей на зонной структуре 30 ФК, в то время как на зонной структуре 2Т) ФК вырожденных дисперсионных ветвей практически нет.