close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Gluwenko Gluwenko Nanomaterialy i nanotehnologii

код для вставкиСкачать
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования
«ПОВОЛЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ И ИНФОРМАТИКИ»
Кафедра физики
А.Г. Глущенко, Е.П.Глущенко
НАНОМАТЕРИАЛЫ И
НАНОТЕХНОЛОГИИ
Учебное пособие
Самара
2017
УДК 621.537
Рекомендовано к изданию методическим советом ПГУТИ,
протокол № , от . .2017 г.
Рецензент:
д.ф.м.н., проф. каф. ЭиА Арефьев А.Н.
Глущенко А.Г.
Наноматериалы и нанотехнологии: учебное пособие /А.Г.
Глущенко, Е.П.Глущенко. – Самара: ФГОБУВО ПГУТИ, 2017. –
269 с.
В учебном пособии представлены физические свойства основных материалов, применяемых в оптике и нанооптике, их
параметры и методы изготовления, применения, основные типы
элементов интегральной оптики и нанооптики и основы работы
функциональных элементов интегральной нанооптики, основные методы производства элементов интегральной оптики, интегрально-оптических устройств. Учебное пособие является
введением в предмет и авторами не ставилась задача сколь нибудь полного охвата известного к настоящему времени материала, имеющейся литературы и авторства представленных материалов. Учебное пособие разработано в соответствии с ФГОС ВПО
по направлению подготовки 200600 - Фотоника и оптоинформатика и предназначено для студентов 3 курса для подготовки к
практическим и семинарским занятиям, для самостоятельной
подготовки и может быть полезно для студентов, обучающихся
по направлению 210400 Телекоммуникации, специалистов по
волоконной и интегральной оптике.
 Глущенко А.Г., Глущенко Е.П., 2017
2
Список используемых сокращений
ВОЛС – волоконно-оптическая линия связи,
ВЧ – высокочастотный,
ЖИГ – железоиттриевые гранаты,
ЗУ – запоминающее устройство,
ИК – инфракрасный,
ИО – интегральная оптика,
ОИС – оптическая интегральная схема,
НС – неорганическое стекло,
ЛК – лёгкие кроны,
ЛФ – лёгкие флинты,
МО – магнитооптические,
ОВ – оптическое волокно,
ПОВ – пластиковое оптоволокно,
РЗ – редкоземельные,
СТК – сверхтяжёлые кроны,
СТФ – сверхтяжёлые флинты,
ТКР – температурный коэффициент расширения,
ТКЛР – температурный коэффициент линейного расширения,
ТК – тяжелые кроны,
ТФ – тяжелые флинты,
УФ – ультрафиолетовый,
ФИС – фотонная интегральная схема,
ФЗЗ – фотонно-запрещенная зона,
ФКВ – фотонно-кристаллическое волокно,
ФК – фотонный кристалл.
3
ПРЕДИСЛОВИЕ
В системах передачи и обработки информации наиболее перспективным в настоящее время является использование оптических технологий. В устройствах интегральной оптики носителями сигналов являются электромагнитные волны оптического диапазона, и при разработке интегрально-оптических устройств необходимы оптические материалы, обеспечивающие распространение и эффективное управление
оптическими сигналами с минимальными потерями энергии. Именно
успехи в создании таких оптических материалов (новых и совершенствовании уже известных) позволили перейти к построению оптических
систем связи. В настоящее время наблюдаются стремительные изменения в оптике, которые связаны с появлением новых классов оптических материалов: метаматериалов, фотонных кристаллов, плазмонных
структур, наноматериалов. Тематика нанооптики и фотонных кристаллов весьма актуальна в настоящее время в научной литературе и электронных средствах информации, однако в учебной литературе отсутствует. В настоящем курсе лекций этот пробел частично восполняется:
описаны свойства оптических материалов интегральной оптики, физические основы интегральной технологии фотоники, функциональных
элементов интегральной оптики, методы технологии производства материалов и устройств интегральной оптики. Задача данного курса –
введение в современное состояние интегральной оптики, описание
важных результатов исследований. Из-за ограниченного объема вопросы истории и приоритетов остались за рамками курса. Приводятся
необходимые сведения об основных типах, свойствах и параметрах
материалов, используемых в интегральной оптике; рассмотрены физические принципы работы оптических устройств и технологии их изготовления. В учебное пособие включено достаточно большое число
сведений справочного характера, полезных для проведения расчетов,
доступных в электронных системах информации.
Целью курса является формирование у студентов знаний, умений и
навыков в областях: физических свойств материалов интегральной
нанооптики, характеристик и технологии их синтеза, технологии производства функциональных элементов и схем интегральной оптики.
4
СОДЕРЖАНИЕ
Список сокращений……………………………………………………………..
Предисловие………………………………………………………………………
ЧАСТЬ 1. МАТЕРИАЛЫ НАНООПТИКИ ………………
1 .1. Интегральная оптика. Фотонные интегральные схемы
1. 2. Оптические стекла……………………………………….
1.3. Кристаллы …………………………………………………
1. 4. Жидкие кристаллы……………………………………….
1. 5. Метаматериалы, фотонные кристаллы……………
1. 6. Полупроводники, магнетики…………………………...
1. 7. Металлооптика……………………………………………
1. 8. Материалы нанооптики…………………………………
ЧАСТЬ 2. ВОЛНОВОДЫ И ЭЛЕМЕНТЫ НАНООПТИКИ
2.1. Волноводы интегральной оптики ……………………
2.2. Волноводы и устройства на фотонных кристаллах
2.3. Наноплазмоника………………………………………..…
2.4. Элементы наноэлектроники и нанооптики…..……
ЧАСТЬ 3. ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА НАНООПТИКИ …
3.1. Основы технологии выращивания пленок…….……
3.2. Методы изготовления волноводов интегральной оптики
3.3. Методы изготовления фотонных кристаллов……
3.4. Методы технологии изготовления элементов нанооптики
Заключение
Краткий словарь терминов ……………………………………………….……
Список основной и дополнительной литературы …………
Приложение 1. Этапы процесса изготовления волноводных структур
Приложение 2. Методы выращивания монокристаллов …………………
Приложение 3. Фотонные кристаллы – оптические сверхрешетки
Приложение 4. Оптические наноантенны ………………………………..…
5
3
4
6
6
15
43
57
62
79
94
106
114
114
123
151
159
170
170
205
221
235
250
256
258
260
264
267
Часть 1. МАТЕРИАЛЫ НАНООПТИКИ
1.1. Интегральная оптика. фотонные интегральные схемы
Требования к материалам и к компонентам интегрально-оптических
схем, классификация материалов интегральной оптики
Интегральная оптика (ИО) – область технологий современной
оптики: изучающая процессы генерации, распространения и преобразования света в тонкоплёночных световодах; занимающаяся разработкой принципов и методов создания на единой подложке (интеграция) оптических и оптоэлектронных волноводных устройств (лазеров, модуляторов, дефлекторов, переключателей и т. д.), технологией изготовления материалов и функциональных устройств.
Интегрально-оптические устройства включают элементы:
- волновод или систему волноводов, расположенных на подложке,
устройства ввода и вывода оптических сигналов, вспомогательные
элементы, обеспечивающие технологичность и надежность устройства.
Вспомогательные элементы включают в себя электроды для подачи электрических управляющих сигналов, для вывода электрических
сигналов с фотоприемников, механические и конструктивные элементы, узлы крепления и др.;
- промежуточные слои обеспечивают адгезию оптических пленок к
подложке и согласование их температурных коэффициентов расширения;
- согласующие слои предназначены для оптического согласования
отдельных элементов интегрально-оптического устройства, а также
для обеспечения оптимальных условий для распространения оптического сигнала по волноводам. Такие слои помогают формировать оболочку волновода и обеспечивать необходимый зазор связи между волноводами;
- защитные слои используются для предохранения элементов интегрально-оптического устройства от внешних воздействий, например,
от окисления материалов кислородом. К функциям защитных слоев
относятся также защита элементов схем от внешних излучений, а также электрическая изоляция.
Фотонная интегральная схема (ФИС) (photonic integrated circuit
(PIC)) или оптическая интегральная схема (ОИС) (integrated optical circuit) – многокомпонентное фотонное устройство (монолитная или
гибридная интегральная схема), изготовленное на подложке и выполняющее функции обработки оптических сигналов. Это устройство со6
держит один или несколько оптических элементов и выполняет определенные оптические или электрооптические функции.
Фотонная интегральная схема обеспечивает функциональные возможности для работы с информационными сигналами на оптической
длине волны (обычно, в видимом или ближнем инфракрасном диапазоне – 850-1650 нм). Ожидается, что ФИС становятся основным направлением в развитии оптической связи.
Устройства, все компоненты которых изготовлены путем введения примесей или искусственного структурирования материала
подложки, называются монолитными ФИС. В качестве материала подложек для монолитных ФИС обычно используются GaAs или InP, которые называются АIII-BV соединениями, т.к. состоят из элементов,
расположенных в III и V столбцах периодической таблицы Менделеева. В элементной базе ИО используются примеси материалов, позволяющие управлять шириной запрещенной зоны и, следовательно, рабочей длиной волны и др. паметрами активных устройств – лазеров и
усилителей.
ФИС, не являющиеся монолитными, называются гибридными. Их
обычно изготавливают на подложке из ниобата лития, кремния, стекла,
реже – на подложке из полимеров. Ниобат лития используется в качестве подложки из-за его высокого электрооптического коэффициента.
Кремний – перспективный материал для создания ФИС, т.к. позволяет
использовать технологии, уже разработьанные для электронных интегральных схем в ИО, и, кроме того, позволяет объединять фотонные и
электронные интегральные схемы. Стекло и оргстекло (полиметилметакрилат) имеют низкую себестоимость, широко распространены,
технология хорошо освоена. Кроме того, на основе ряда стекол, легированных редкоземельными элементами, можно изготавливать лазеры
и оптические усилители. Однако из таких материалов не удается изготавливать монолитные устройства, поскольку некоторые функциональные устройства (к примеру, полупроводниковые лазеры) проще
вклеить, чем интегрировать в материал подложки.
В отличие от электронных интегральных схем, при изготовлении
которых основным материалом является кремний, фотонные интегральные схемы могут изготавливаться на основе множества различных материалов и систем, включая, оксид кремния, различные полимеры и полупроводниковые материалы (которые также используются
для изготовления полупроводниковых лазеров, такие как GaAs и InP):
стекла, монокристаллы, пленки диэлектриков, ферритов, полупроводников, металлов, метаматериалов, фотонных кристаллов.
7
Использование различных материальных систем при изготовлении
ФИС обусловлено тем, что каждая из них обеспечивает определенные
преимущества или же накладывает определенные ограничения в зависимости от того, какой конкретно элемент должен быть интегрирован
в ФИС.
В отличие от электронных схем, где ключевым элементом является транзистор, в ФИС нет единого доминирующего элемента. Спектр
устройств, требуемых на чипе, включает в себя волноводные межсоединения с низкими потерями, делители мощности, оптические усилители, оптические модуляторы, фильтры, лазеры и детекторы. Все эти
устройства требуют самых различных материалов и техник производства, что делает сложной реализацию всех этих частей на одном чипе.
Технология производства ФИС похожа на технологию, используемую при производстве электронных ИС, где фотолитография применяется для разметки подложки с целью проведения травления и нанесения необходимых материалов.
На сегодняшний день оптические интегральные схемы уже широко применяются, при этом, ключевой областью их использования являются оптические сети и системы связи. Использование ФИС позволяет изготавливать оптические системы более компактные и с более
высокой производительностью по сравнению с системами на основе
дискретных оптических компонент. Имеется возможность их интеграции с электронными схемами. На рис. 1.1 показана схематическая модель ФИС. Эволюция фотонной технологии привела на настоящем
этапе к симбиозу фотоники и электроники: передаваемая информация
генерируется, обрабатывается и сохраняется устройствами, в которых
существенную роль играют как фотоны, так и электроны. В тоже время чисто фотонные устройства на сегодня пока не конкурентоспособны.
Рис. 1.1. Модель фотонной интегральной схемы
8
Фотоны представляют собой частицы с нулевой массой покоя и
нулевым электрическим зарядом, вследствие чего проявляются многочисленные преимущества в использовании света для передачи и обработки информации:
- возможность параллельной передачи и обработки изображений
одним световым пучком;
- возможность использования прозрачных сред для хранения, обработки и коммутации информации;
- возможность использования поляризации, возможность одновременной, параллельной работы с различными длинами волн;
- возможность работы на очень высокой опорной частоте излучения (порядка 103 ТГц).
- защита информации. Оптическая система практически ничего не
излучает во внешнюю среду, обеспечивая защиту компьютера от перехвата информации. И обратно: оптическая система хорошо защищена
от сторонних электромагнитных наводок.
- основным достоинством устройств интегральной оптики является
их высокое быстродействие (уже созданы интегрально-оптические
переключатели со временем переключения ~10 фс). Такое быстродействие из-за физических ограничений недостижимо для традиционных
устройств полупроводниковой электроники. Сопоставление с другими
методами показывает, что быстродействие оптических переключателей на несколько порядков выше, однако, они проигрывают джозефсоновским переключателям по уровню мощности управления. Благодаря
высокому быстродействию оптические переключатели являются наиболее перспективными устройствами для оптических линий связи, оптических компьютеров и систем обработки информации.
Основной задачей оптической телекоммуникации является передача информации по волоконно-оптическому кабелю на большое расстояние. Она также должна быть способной преобразовывать информационные электрические сигналы в световые, а в приемнике преобразовать свет обратно в электрический сигнал. Первым наиболее распространенным и известным материалом фотоники является стекло, однако, это только один из материалов фотонной технологии. В настоящее
время в фотонике используются: диэлектрики, магнитные материалы,
полупроводники, металлы, метаматериалы, в том числе, фотонные
кристаллы. Для фотоники были получены совершенно новые полупроводниковые соединения, свойства которых абсолютно не похожи на
хорошо известные свойства кремния. Новые сплавы называют полупроводниковыми соединениями типа АIII-ВV по номерам групп периодической системы, к которым принадлежат составляющие их элемен9
тарные компоненты. Они используются в разнообразных твердотельных лазерах и светоизлучающих диодах для генерации световых сигналов, в электрооптических повторителях, усиливающих сигнал после
прохождения через волокно, в детекторах, превращающих сигнал в
электронный импульс. Качество очистки силикатного стекла (SiO2),
применяемого в настоящее время в оптических волокнах с малыми
потерями, приближается к физическому пределу, обусловленному
свойствами самого материала. Этот успех был достигнут в результате
устранения всех факторов, обусловливающих оптические потери:
- концентрации таких включений, как медь, железо и ванадий, воды и гидроксила (ОН) были снижены до нескольких элементов на
миллиард;
- допуски на точность изготовления сердцевины выпускаемых
сейчас волокон на размеры и степень отклонения от кругового сечения
составляют менее одного микрона на километры длины;
- пузырьки и дефекты поверхности за счет её обработки по существу устранены.
Интегрально-оптические устройства используются в настоящее
время преимущественно в устройствах телекоммуникации в «прозрачном» для ВОЛС диапазоне длин волн λ = 0,8-1,6 мкм.
Рис. 1.2. Зависимость затухания от длины волны (отмечены области
длин волн, используемые в ВОЛС)
Этот диапазон исторически стал осваиваться как диапазон с минимальным уровня затухания в кварцевых стеклах – первых материалах,
применявшихся в интегральной и волоконной оптике.
10
Основные требования к компонентам ИО
Интегрально-оптическое устройство может формироваться на поверхности подложки из различных материалов, но может также изготавливаться из материала самой подложки на ее поверхности или в
объеме.
Требования к материалу подложки:
механическая прочность, химическая инертность, высокая температура плавления или размягчения, минимальное отличие температурного коэффициента расширения (ТКР) подложки от ТКР остальных элементов устройства, технологичность изготовления и обработки, возможность создания поверхности оптического качества, в
ряде случаев требуются изолирующие свойства, минимальный коэффициент поглощения и заданный показатель преломления.
Требования к материалам волноводов:
минимальный коэффициент поглощения в рабочем спектральном
интервале частот или длин волн; заданный показатель преломления,
механическая прочность, минимальное отличие температурного коэффициента расширения (ТКР) волновода от ТКР остальных элементов устройства, технологичность изготовления, в ряде случаев –
специальные оптические свойства, например, наличие электрооптического эффекта, нелинейно-оптические свойства и др.
Оптический сигнал может формироваться непосредственно в интегрально-оптическом устройстве и преобразовываться в электрический
сигнал на выходе устройства. В этом случае для ввода и вывода оптического сигнала используются соответственно полупроводниковые
лазеры и фотоприемники, встроенные в интегрально-оптическое устройство и оптически согласованные с волноводными структурами. К
материалам лазеров и фотоприемников предъявляются стандартные
требования, обеспечивающие их оптические параметры и технологичность.
Если оптический сигнал вводится в интегрально-оптическое устройство извне, например, оптической призмой или волокном и выводится из устройства также в оптическом виде, то материалы и устройства ввода и вывода оптического сигнала должны отвечать следующим
требованиям: минимальные оптические потери; минимальное светорассеяние и отражение; возможность конструктивного, механического и оптического согласования с интегрально-оптическим устройством; технологичность изготовления.
К буферным, согласующим и защитным слоям и пленкам интегрально-оптических устройств предъявляются следующие требования:
высокие механическая прочность и адгезионная способность; химиче11
ская инертность; технологичность; заданный показатель преломления; в ряде случаев - специальные оптические свойства, например,
высокий коэффициент поглощения, наличие электрооптического эффекта, нелинейно-оптические свойства.
Требования, предъявляемые к материалам вспомогательных элементов, определяются их функциональной нагрузкой. Однако и для
них справедливы требования, предъявляемые ко всем элементам интегрально-оптических устройств: механическая прочность; возможность конструктивного, механического и оптического согласования с
интегрально-оптическим устройством; технологичность изготовления.
Классификация материалов интегральной оптики
Основные материалы интегральной оптики: кристаллические, поликристаллические, аморфные стекла, жидкокристаллические среды,
композитные материалы, фотонные кристаллы, метаматериалы, полупроводники, магнетики, металлы, предназначенные для передачи или
преобразования света в различных участках спектрального диапазона.
Они различаются по строению, свойствам, функцией, назначению, а
также по технологии изготовления. Материалы оптики исторически
принято называть стеклами. Первоначально стеклом называли лишь
всем известный и наиболее распространённый продукт стеклоделия,
относимый с некоторых пор в научном обиходе к силикатным стёклам. Когда была установлена идентичность строения, состава и
свойств стекла многим минералам, последние стали квалифицироваться как разновидности его природного аналога, именуясь в соответствии с условиями формирования (некристаллизовавшиеся производные
быстро остывшей лавы) – вулканическим стеклом, метеоритным. .
Особый класс стеклообразных минералов представляют фульгуриты,
которые образуются из силикатных отложений (SiO2 – песка, кварца,
кремнезёма), в результате удара мощного разряда молнии.
К аморфным оптическим материалам относятся как неорганические, так и органические вещества. Среди первых наиболее распространены аморфный Si, SiO2, оксиды II-VI групп, соединения типа AIIBVI, среди вторых – различные полимеры: полиметилметакрилат (оргстекло), полистирол, фторопласты.
К особому классу относятся оптические материалы с непрерывно
изменяющимся составом и оптическими свойствами, используемые в
градиентных оптических волокнах или фокусирующих градиентных
оптических элементах (например, селфок, или градан).
По спектральному диапазону различают оптические материалы,
пропускающие в УФ, видимой и ИК областях спектра. Для работы в
12
УФ (> 0,2 мкм), видимой и ближней ИК областях спектра применяют
кварцевые фториды Li и Na; для работы в средней и дальней областях
ИК спектра – бескислородные оптические материалы. Такие оптические материалы, как Si, Ge, GaAs, InSb пропускают только ИК излучение; галогениды щелочных металлов, BaF2, ZnSe прозрачны в видимой, ближней и средней ИК областях спектра; КСl, GaAs, TlBr-TlI и
др. пропускают интенсивное лазерное ИК излучение.
По назначению различают: оптические материалы для элементов
оптических устройств; просветляющие, отражающие и поглощающие
покрытия; электрооптические, магнитооптические, акустооптические
и пьезооптические материалы.
В зависимости от состава и назначения оптических материалов для
их получения применяют различные методы. Общим является то, что
все оптические материалы получают из сырья, максимально очищенного от примесей (для оптических материалов, работающих в видимой
и ближней ИК областях, основные красящие примеси – Fе, Mn, Cu, Cr,
Ni, Co). Содержание нежелательных примесей в сырье обычно не
должно превышать 0,01 % по массе, что обеспечивает коэффициент
поглощения менее 10-2 см-1, а в случае волоконно-оптических материалов содержание примесей в сырье не должно превышать 10-5-10 -7 % по
массе.
Для получения монокристаллов используют методы выращивания, для получения оксидной керамики – методы спекания, для получения поликристаллических оптических материалов из порошков –
горячее прессование.
Для изготовления кварцевых оптических волокон наибольшее распространение получило химическое осаждение из газовой фазы по
реакции: SiCl4+O2 SiO2+2Сl2. Образующиеся при высокой температуре частицы SiO2 осаждают (в виде слоев): 1) на внутреннюю поверхность кварцевой трубки (CVD-метод (chemical vapor deposition)), 2) на
внешнюю поверхность цилиндрической подложки (OVD-метод (outer
vapor deposition)), 3) на торец затравочного кварцевого стержня (VADметод (vapor axial deposition)). Затем при нагревании заготовка оплавляется и вытягивается в тонкое оптическое волокно. Для изменения
состава и оптических параметров кварц легируют Ge, F и др.
Выводы:
 Оптические технологии имеют ряд преимуществ перед технологией
электронных схем: широкая полоса пропускания, возможность передачи и
обработки огромного количества информации, высокое быстродействие,
экономичность, взрывобезопасность (используется электромагнитное
13
излучение малой мощности, исключается возможность пробоя), низкие потери, нечувствительность к электромагнитным полям (устойчивость к
помехам), миниатюрность, секретность.
 Максимальная реализация преимуществ технологии ИО ожидается при
переходе на фотон-электрон-атомную элементную базу.
 Основные материалы интегральной оптики – это кристаллические,
поликристаллические, аморфные или композитные материалы, предназначенные для передачи или преобразования света в различных участках спектрального диапазона.
 К материалам ИО предъявляются следующие требования:
минимальный коэффициент поглощения в рабочем интервале частот или
длин волн; заданный показатель преломления; механическая прочность;
минимальное отличие температурного коэффициента расширения (ТКР)
волновода от ТКР остальных элементов устройства; технологичность
изготовления; в ряде случаев требуются специальные оптические свойства, например, наличие электрооптического эффекта, нелинейнооптические свойства и др.
 По спектральному диапазону различают оптические материалы, пропускающие в УФ, видимой и ИК областях спектра. Для работы в УФ (> 0,2
мкм), видимой и ближней ИК областях спектра применяют кварц, фториды
Li и Na; для работы в средней и дальней областях ИК спектра – бескислородные оптические материалы. Такие оптические материалы, как Si, Ge,
GaAs, InSb пропускают только ИК излучение; галогениды щелочных металлов, BaF2, ZnSe прозрачны в видимой, ближней и средней ИК областях спектра; КСl, GaAs, TlBr-TlI и др. пропускают интенсивное лазерное ИК излучение.
 Для получения монокристаллов используют методы выращивания, для
получения оксидной керамики: это методы спекания, для получения поликристаллических оптических материалов из порошков это горячее прессование, оптические стекла получают методом варки.
Вопросы для самоконтроля:
1. Что такое интегральная оптика?
2. Что такое фотонная интегральная схема?
3. Какие методы технологии используются в ФИС?
4. Каковы основные преимущества ИО?
5. За счет чего достигается защита информации в ФИС?
6. Каковы направления развития ФИС?
7. Какие основные требования к материалам интегральной оптики?
8. Перечислите основные материалы ИО для УФ, видимой и ИК областей спектра.
9. Какие технологии используются в получении материалов ИО?
14
1.2. Оптические стекла
Стекла, основные оптические параметры, типы оптических стёкол,
кварцевое стекло, применение оптических стекол, монокристаллические стекла, стекла для оптических волокон, оптические ситаллы
Стекло – это неорганическое вещество, твёрдое тело, структурно- аморфное и изотропное. Агрегатное состояние стёкол при
формировании преобразуется от вязкого жидкого до так называемого
стеклообразного. Это происходит в процессе остывания расплавленного материала со скоростью, достаточной для предотвращения кристаллизации расплавов, получаемых плавлением сырья (шихты). Температура варки стёкол (от 300 до 2500 °C) определяется компонентами этих
стеклообразующих расплавов (оксидами, фторидами, фосфатами и
др.).
Структура и свойства материалов
По строению оптические стекла подразделяют на моно- и поликристаллические стекла, аморфные стекла, жидкокристаллические
среды. Природные монокристаллы, например, флюорит CaF2, кварц
SiO2, кальцит СаСО3, слюда, каменная соль и др., давно используются
в качестве оптических материалов. Кроме того, на практике используют большое количество синтетических монокристаллов, обладающих
прозрачностью в различных участках оптического диапазона и имеющих высокую однородность (рис.2.1).
Поликристаллические оптические материалы характеризуются,
прежде всего, прозрачностью, по величине сходной с прозрачностью
монокристаллов. Наибольшее применение находит оптическая керамика на основе Аl2О3 (поликор), Y2O3 (иттралокс), MgAl2O4, SiO2
(кварцевая оптическая керамика), цирконато-титанаты Pb, La (электрооптическая керамика), а также бескислородные поликристаллические оптические материалы для инфракрасной (ИК) области спектра –
LiF, MgF2, ZnS, ZnSe и др.
Оптические стекла характеризуются высокой прозрачностью в
различных спектральных диапазонах, высокой однородностью структуры, позволяющей сохранять неизменность фронта световой волны
при ее распространении в толще стекла, коррозионностойкостью,
хорошими конструкционными свойствами, простой технологией изготовления крупногабаритных изделий и изделий со сложной конфигурацией. В качестве оптических материалов используются бесцветные
или цветные оксидные и бескислородные стекла.
15
Большинство оксидных оптических стекол – силикатные (более
30-40% SiO2 по массе), свинцово- или боросиликатные, а также многокомпонентные оксидные системы из 10-12 различных оксидов, например, алюмосиликатфосфатные стекла, содержащие Аl2О3, SiO2, P2O5.
Рис. 2.1. Оптическая прозрачность материалов в ИК области спектра
16
Несиликатные оксидные стекла содержат окислы Р2О5, В2О3,
GeO2 или ТеО2. При изменении состава стекол изменяются показатель
преломления nD и коэффициент дисперсии света vD. В зависимости от
величин этих характеристик на диаграмме nD–vD (диаграмма Аббе)
материалы делятся на типы: кроны и флинты (рис.2.2). Флинты характеризуются малым коэффициентом дисперсии (vD < 50), кроны –
большим (vD > 50). Стекла обоих типов называются легкими или тяжелыми в зависимости от величины показателя преломления. Обе разновидности стекол имеют общие компоненты – SiO2, Na2O, К2О. Кроме
того, для увеличения vD в состав кронов добавляют окислы В2О3,
А12О3, ВаО, СаО, в состав флинтов – PbO, TiO2, ZnO, MgO, Sb2O3. Осветлители стекол – это окислы As2O3 и Sb2O3. Наиболее высокими значениями vD обладают фосфатные флинты на основе Р 2О5 (особенно
при введении фторидов металлов).
Рис. 2.2. Классификация оптических стекол (диаграмма Аббе) в зависимости от их показателя преломления (nD) и коэф. дисперсии света (vD): ЛК –
легкие кроны; ФК – фосфатные кроны; ТФК – тяжелые фосфатные кроны; К –
кроны; БК – баритовые кроны; ТК – тяжелые кроны; КФ – кронфлинты: БФ
– баритовые флинты; ТБФ – тяжелые баритовые флинты; ЛФ – легкие флинты; Ф – флинты; ТФ – тяжелые флинты; СТФ – сверхтяжелые флинты; СТК –
сверхтяжелые кроны
Особое место среди стекол занимают фотохромные стекла.
Кварцевые стекла выделяются высокой термо- и химической стойкостью. Стеклообразный SiО2 – основной компонент кварцевых оптических волокон для протяженных волоконно-оптических линий связи;
такие волоконно-оптические материалы характеризуются минимальными оптическими потерями на поглощение (~ 10-6 см-1). Для линий
17
малой протяженности (~10-100 м) используют также оптические волокна на основе поликомпонентных стекол и полимеров.
Оптические потери у бескислородных стекол на 1-3 порядка
ниже, чем у оксидных. В качестве таких материалов для ИК диапазона
используют обычно различные халькогенидные стекла, содержащие
As, S (Se, Те), Sb, P, Tl, Ge и др. Наименьшими оптическим потерями в
ИК диапазоне обладают оптические волокна на основе галогенидов
Ag, Tl, на основе фтороцирконатных (содержат Zr, F с добавлением
Ва, Na) и халькогенидных стекол (содержат As-S(Se)-Ge).
Кварцевое стекло (плавленый кварц) – это однокомпонентное
стекло из чистого диоксида кремния SiO2, получаемое плавлением
природных разновидностей кремнезёма (горного хрусталя, жильного
кварца и кварцевого песка, рис.2.3), а также синтетической двуокиси
кремния в водородно-кислородном пламени, а также высокотемпературным парофазным гидролизом или парофазным окислением SiCl 4 в
кислородном пламени или низкотемпературной плазме. Обладает значительной термостойкостью, огнеупорностью, высокой химической
стойкостью к воздействию щелочей и кислот (кроме HF и Н3РО4 при
температуре >300 0С), радиационной стойкостью.
Кварц (нем. quarz – твёрдый) – самый
распространённый минерал в земной коре,
породообразующий минерал большинства
магматических и метаморфических пород.
Рис. 2.3. Разновидности природного кварца:
бесцветный, розовый, «волосатик», сердолик, агат,
«тигровый глаз»
Основные параметры кварцевого (SiO2) стекла
Традиционные названия
Плавленый (аморфный) кварц
Плотность
2,20.103 кг/м³
Предел прочности
~50 Н/мм²
Примеси
10-1000 ppm
Температура кипения
2230 °C
Теплопроводность
1,38 Вт/(м·K)
Коэффициент теплового расширения
0,54·10-6
Температура размягчения
1400°
Диапазон прозрачности
160-3500 нм
Показатель преломления
1,46
Угол Брюстера
55,58°
18
Прозрачное кварцевое стекло содержит 99,99% SiO2; обладает
наименьшим среди силикатных стекол показателем преломления (nD
=1,4584). Оптическое прозрачное кварцевое стекло, получаемое плавлением горного хрусталя, совершенно однородно и не содержит видимых газовых пузырьков. Кварцевое стекло – хороший диэлектрик,
удельная электрическая проводимость при 20 0С достигает 10-14÷10-16
Ом-1·м-1, тангенс угла диэлектрических потерь tg э ~ 0,0025÷0,0006
при температуре 20 0C и частоте 1016 Гц. Дисперсия кварцевого стекла
приближённо описывается формулой Селлмейера:
 1
a12
2  12

a22
2   22

a32 ,
2   23
где a1=0,69616630, 1=0,068404300, а2=0,40794260, 2=0,11624140,
а3=0,89747940, 3=9,8961610 и длина волны λ задается в микрометрах.
Прозрачное кварцевое стекло применяют для изготовления: устройств
УФ и ИК оптики (линзы, лампы, трубки излучения), лабораторных
приборов, аппаратуры для радиотехники и радиоэлектроники, стеклянных волокон, смотровых стекол, люков и др.
Рис. 2.4. Спектр пропускания света синтетическим кварцевым стеклом
Suprasil 300, оптическим стеклом BK 7 и обычным оконным стеклом
Кристаллический кварц (рис. 2.5) и кварцевое стекло (рис. 2.6) – это
различные формы оксида кремния (SiO2). В кварцевом стекле оксид
кремния находится в аморфной форме и поэтому не растрескивается
при резком перепаде температур, имеет чрезвычайно низкий коэффициент температурного расширения и теплопроводности. В отличие от
обычного стекла содержит малое количество примесей. Поэтому кварцевое стекло обладает чрезвычайно широким спектром пропускания. В
инфракрасном диапазоне часть спектра (особенно около λ =1,5 мкм)
чистый кварц имеет чрезвычайно низкое поглощение 0,2 дБ/км. Высо19
кая прозрачность в области длины волны 1,4 мкм достигается при низкой концентрации гидроксильных групп (ОН). Наоборот, высокая концентрация кислорода (O) предпочтительна для передачи энергии в
ультрафиолетовой (УФ) области.
Рис. 2.6. Аморфная структура гладкого кварца (SiO2)
Рис. 2.5. Четырёхгранная структурная
решётка кварца (SiO2)
Достоинства кварца в оптических устройствах: кварц может быть
использован в волокнах при относительно высоких температурах и
имеет довольно широкий диапазон стеклопреобразования; волокно
кварца имеет высокую механическую прочность на разрыв при растяжении и изгиб; кварц химически инертен; не является гигроскопическим (не поглощает воду); стекло кварца может легироваться различными материалами.
Цель легирования состоит в том, чтобы:
1) увеличить коэффициент преломления (например, с диоксидом
германия (GeO2) или окисью алюминия (Al2O3), или, наоборот),
2) или понизить коэффициент преломления (например, смешение с
фтором или с трёхокисью бора (B2O3)).
Стёкла из кварцевого стекла не мешают даже загорать, характеризуются малым поглощением света (обычное оконное стекло поглощает столько же света, сколько и кварцевое стекло толщиной в 100
метров), высокой оптической гомогенностью, стойкостью к ионизирующим и лазерным излучениям высокой интенсивности, низким коэффициентом температурного расширения (примерно в 20 раз меньше
по сравнению с обычным стеклом), высокой рабочей температурой
(более 1200 0С, что примерно в 4 раза больше, чем для обычного стек20
ла). Это обуславливает широкое применение кварцевого стекла в оптике.
В силу высоких и разнообразных требований, предъявляемых к
качеству изображения оптических систем, возникла необходимость в
изготовлении широкого ассортимента специальных сортов стекла, различных по своим параметрам.
Основные параметры оптического стекла – это показатель
преломления, средняя дисперсия и коэффициент дисперсии.
Показатель преломления. До недавнего времени, для характеристики оптических стёкол использовался показатель преломления nD,
определяемый для жёлтой спектральной D-линии натрия (λ = 589,3
нм).
Для оптических стёкол nD  1,43÷2,17. Допустимое отклонение
зависит от категории оптического стекла и нормируется величиной
±(3÷20)10-4. Однако, поскольку эта спектральная линия не одиночная,
а так называемый, "натриевый дублет", поэтому сейчас в качестве
главного показателя преломления nλ стали принимать его значение
либо для жёлтой d-линии гелия с λ = 587,56 нм, либо для жёлтозелёной e-линии ртути с λ = 546,07 нм.
Средняя дисперсия. Средняя дисперсия определяется, как разность показателей преломления nF для синей линии спектра с λ = 488,1
нм и nC для красной линии спектра с λ = 656,3 нм кадмия. Величина
средней дисперсии представляется как (nF – nC)105 и лежит в диапазоне значений длин волн λ  639-3178 нм, с допустимым отклонением
±(3÷20)10-5.
Коэффициент дисперсии (число Аббе, νλ) задаётся соотношением:
D 
nD  1
nF  nC
где nD – показатель преломления для жёлтой спектральной линии
натрия. В настоящее время основными вариантами коэффициента дисперсии являются:
e 
ne  1
nF  nC
или  d  nd  1 ,
nF  nC
Для промышленных оптических стёкол значения νе  17÷95. Коэффициент поглощения света в видимой части спектра не более 0,2-3 %.
Основные физические свойства и характеристики неорганического стекла:
 Вещества изотропны, т.е. свойства их одинаковы во всех направлениях.
21
 При нагревании они не плавятся как кристаллы, а постепенно размягчаются при переходе из хрупкого в высоковязкое и в конце – в капельножидкое состояние, при этом не только вязкость, но и другие
свойства изменяются непрерывно.
 Расплавляются и отвердевают обратимо, выдерживают неоднократный разогрев до расплавленного состояния, после охлаждения
вновь приобретают первоначальные свойства при одинаковых режимах перехода (если не произойдет кристаллизация или ликвация). Обратимость процессов и свойств указывает на то, что стеклообразующие расплавы и затвердевшее стекло являются растворами в чистом
виде. Обратимость – признак настоящего раствора.
 Определение неорганического стекла как переохлаждённой жидкости вытекает из способа получения стекла. Для перевода кристаллического тела в стеклообразное состояние его необходимо расплавить и
затем переохладить снова. Переход вещества из жидкого состояния в
твердое при понижении температуры происходит двумя путями: вещество кристаллизуется, либо застывает в виде стекла. По первому пути
могут следовать почти все вещества. Однако кристаллизация присутствует только в тех веществах, которые, будучи в жидком состоянии,
обладают малой вязкостью и вязкость которых возрастает сравнительно медленно, почти до момента кристаллизации. К таким веществам
относится, например, оксид висмута, который в чистом состоянии
практически не образует стекол.
Свойства стекла могут оцениваться по следующим параметрам:
o Молярный объём;
o Показатель преломления;
o Дисперсия;
o Термический коэффициент линейного расширения;
o Диэлектрическая проницаемость;
o Модуль упругости;
o Удельная теплоемкость;
o Коэффициент теплопроводности.
Оптическое стекло
Физико-химические свойства и характеристики зависят от химического состава стекол и могут быть определены расчетным путем. Прозрачность, механическая прочность, деформация, теплопроводность и
другие свойства одинаковы (изотропны) по всем направлениям.
С течением времени стекло мутнеет. Помутнение вызвано появлением внутри стекла мелких кристаллов, оптические свойства которых
иные, чем у окружающей их аморфной среды в связи с неустойчивым
22
состоянием аморфного вещества. Со временем аморфные вещества
переходят в кристаллические. Центрами кристаллизации могут быть
пылинки, вокруг которых начинается перегруппировка молекул, постепенно образующих кристаллическую решётку. Говорят, что стекло
"стареет".
Таблица физических свойств основных видов оптического стекла
Свойства
Оптическое
стекло
Химический состав, в %
41.2 SiO2, 34.1
PbO, 12.4 BaO,
6.3ZnO, 3.0K2O,
2.5 CaO,
0.35 Sb2O3, 0.2
As2O3
500-690°C:
A = -35.59
B = 60930
To = -741
7
1140-2320°C:
A = -7.766
B = 27913
To = -271.7
0.55
3.86
2.203
3.65 [7]
4.16
1.650
1.459
1.608
1.7
169
67.8
146
67
72
43.3
1715
1115
44
52
Вязкость
log(η, в Па·с) = A +
B / (T в °C - To)
Коэфф. тепл.
расширения,
ppm/K ~100-300°C
Плотность при
20°C, г/см³
Коэфф. преломл
nD при 20°C
Дисперсия (света)
при 20°C,
104×(nF-nC)[8]
Модуль упругости
E,при 20°C, МПа
Температура
плавления, в °C
Теплоёмкость при
20°C,Дж/(K·моль)
51
Кварцевое
стекло
SiO2
Германиевое стекло
GeO2
Германийкремниевое
стекло
GeSe2
515-1540°C:
A = -11.044
B = 30979
To = -837
7.3
Химическая устойчивость неорганического стекла (НС) видна по
устойчивому отношению его к различным агрессивным средам. Это
одно из важных свойств стекол. Но весь диапазон возможных стеклообразных систем, их химическая устойчивость может различаться – от
предельно устойчивого кварцевого стекла до растворимого (жидкого)
стекла. Процесс разрушения стекла в агрессивных жидкостях различают в двух видах: растворение и выщелачивание.
При растворении компоненты стекла переходят в раствор в одинаковых пропорциях, в каких они находятся в стекле. Многие стекло23
образные системы растворяются с некоторой скоростью в плавиковой
кислоте и в концентрированных горячих растворах щелочей.
При выщелачивании наблюдается механизм взаимодействия стекла с
водой и кислотами, кроме плавиковой кислоты. При выщелачивании в
раствор переходят в основном избранные компоненты – оксиды щелочных и щелочноземельных металлов. В результате перехода на поверхности стекла образуется защитная пленка, которая по своему составу максимально приближена к составу стекла. Переход от выщелачивания к растворению возможен при взаимодействии стекла с водой
или с HCl, H2SO4, HNO3 и. т. п. только в том случае, если стекло сильно обогащено щелочами.
Химическая устойчивость НС определяется по потере массы образца после обработки в агрессивной среде в течении заданного промежутка времени и по глубине разрушенного слоя.
Типы оптических стёкол
Исторически оптические стёкла состояли почти исключительно
из кремнезёма в соединении с окислами натрия, калия, кальция и
свинца. Для таких стёкол существует функциональная зависимость
между показателями преломления n и коэффициентами средней дисперсии νD. С возрастанием показателя преломления, коэффициент дисперсии, как правило, уменьшался. Были выделены два основных типа
оптических стёкол: кроны (стёкла с низким показателем преломления
и высоким значениями коэффициента дисперсии) и флинты (стёкла с
низкими значениям коэффициента дисперсии и высоким показателем
преломления). При этом к группе кронов относились натриевосиликатные стекла, а к группе флинтов – стёкла содержащие свинец.
В дальнейшем, в связи с ростом числа оптических стёкол, потребовалось выделить лёгкие (ЛК), тяжелые (ТК) и сверхтяжёлые кроны
(СТК), а для флинтов – лёгкие (ЛФ), тяжелые (ТФ) и сверхтяжёлые
флинты (СТФ).
Химический состав. В основном в состав оптического стекла
входит: кремнезём, сода, борная кислота, соли бария, окись свинца,
фтористые соли и другие вещества.
По своему химическому составу стекла делятся на два основных
класса: оксидные и бескислородные стекла.
Оксидные стекла представляют собой широкий класс оптических материалов, в котором наиболее важное место занимают силикатные, фосфатные и германатные стекла. В этих стеклах основой
является соответственно молекулы SiO2, P2O5 и GeO2, а в качестве добавок, определяющих свойства стекла используются оксиды металлов:
Na, K, B, Al, Ba, Zn и др. Достоинствами оксидных стекол являются их
24
низкая стоимость, высокое оптическое качество, химическая устойчивость и механическая прочность. Оксидные стекла используют в качестве основы для создания оптических ситаллов и композитных материалов. В этом случае в стекла внедряются полупроводниковые, диэлектрические или металлические наночастицы. Легирование оксидных стекол ионами редкоземельных металлов позволяет получать активные среды для лазеров и усилителей, а также стекла с ярко выраженными магнитооптическими свойствами. Оксидные стекла изготавливают высокотемпературной варкой из шихты, вакуумным нанесением и золь-гель методом. Для изменения оптических свойств тонких
слоев оксидных стекол используются методы диффузии и ионного
обмена.
К бескислородным стеклам относятся халькогенидные и галогенидные стекла.
Основу халькогенидных стекол составляют сульфиды, селениды
и теллуриды мышьяка и германия. Особенностью данного класса стекол является их высокий показатель преломления (n = 2 ÷3 ) и прозрачность в среднем ИК диапазоне. На основе халькогенидных стекол создают оптические волноводы, волноводные голограммы, акустооптические и нелинейно-оптические устройства для интегральной оптики.
К галогенидным стеклам, в основном относятся фторидные и
хлоридные стекла. Примерами фторидных стекол являются фтороцирконатные стекла имеющие состав: ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3-NaF, а также
фтороиндиевые стекла состава: BaF2-InF3-GaF3-LaF3-GdF3. Такие стекла, легированные ионами редкоземельных металлов применяются для
создания волноводных усилителей и конвертеров для преобразования
ИК излучения в видимое.
Хлоридные стекла изготавливают на основе хлорида висмута с
концентрацией BiCl3 до 75%, например: NaCl-TlCl-PbCl2-BiCl3 или
KBr-PbCl2-BiCl3. Такие стекла прозрачны в спектральном интервале до
 = 14 мкм и имеют высокий показатель преломления (n = 1,95÷2 ,3 ).
Особенностью висмутсодержащих хлоридных стекол является их ярко
выраженная нелинейность оптических параметров.
Основными недостатками халькогенидных и галогенидных стекол являются их низкая механическая прочность, пониженная химическая устойчивость и высокое содержание токсичных материалов – несоответствие экологическим требованиям. Галогенидные стекла обладают повышенной склонностью к кристаллизации, что со временем
приводит к изменению их оптических характеристик. Для изготовления халькогенидных и галогенидных стекол используют высокотемпературную варку и технологии вакуумного нанесения пленок.
25
Для улучшения характеристик изделия может быть произведено
просветление оптики путем нанесения тонких прозрачных плёнок диэлектриков. Эти плёнки улучшают оптические характеристики и могут
улучшать механические свойства, например, защищать стекло от помутнения при длительном нахождении в агрессивной атмосфере.
Применение оптических стекол
Из большинства видов стекол самым низким поглощением в видимой и ближней инфракрасной области спектра обладает плавленый
кварц – при условии высокой степени очистки и гомогенности. Значительные преимущества кварца обусловлены малыми внутренними потерями на рассеивание. Для оптических волокон (ОВ) из плавленого
кварца самое низкое значение поглощения составляет: 1,9 дБ/км – на
длине волны 0,85 мкм; 0,291 дБ/км – на длине волны 1,3 мкм; 0,154
дБ/км – на длине волны 1,55 мкм. Высокая температура плавления
кварца, с одной стороны, требует специальной технологии для изготовления оптического волокна (ОВ), а с другой – помогает избавиться
от различных примесей, которые испаряются в процессе плавления за
счет диффузии уже при более низких температурах.
Стекла, применяемые для изготовления световодов (сердцевины
и оптической оболочки), различаются показателями преломления n.
При добавлении оксида бора может быть снижен показатель преломления, длительный отжиг боросиликатного стекла приводит к увеличению n.
Другой способ понизить показатель преломления плавленого
кварца – добавить в него фтор. В отличие от метастабильного характера изменения этого показателя у чистого боросиликата, снижение его у
боросиликатного стекла с добавкой фтора – внутреннее свойство атомов фтора в матрице SiO2. Разность показателей преломления чистого
SiO2 и материала с добавкой фтора увеличивается линейно с повышением молярной концентрации фтора до нескольких процентов. При
этом оптические свойства кварца не ухудшаются. Фторирование кварца позволяет уменьшить рассеивание Рэлея и минимизировать волновые потери. Однако легирование фтором увеличивает вероятность
возникновения трещин и уменьшает прочность стекла.
Все другие добавки окислов к плавленому кварцу (GeO2, P2O5,
TiO2, Al2O3, Sb2O3) приводят к увеличению показателя преломления по
сравнению с чистым кварцем без заметного ухудшения его оптических
свойств. Молярные доли этих оксидов в кварце могут меняться в пределах от 1 до 15%. Показатель преломления увеличивается на 0,001
при увеличении молярной доли оксида германия GeO2 на 1%. Кварц с
добавкой германия, который может быть использован в качестве мате26
риала сердцевины оптического волокна, имеет широкое окно прозрачности вплоть до 1,7 мкм.
Более предпочтительным в качестве легирующего материала
(как более дешевого) является фосфорный ангидрид Р 2О5. При добавлении к плавленому кварцу Р2О5 для образования бинарного стекла
внутреннее поглощение материала и рэлеевское рассеяние увеличиваются весьма незначительно. Фосфорный ангидрид сублимируется при
температуре 300 0С, гигроскопичен и имеет температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) почти в 25 раз больше, чем у плавленого кварца. Однако он образует с ним (кварцем) устойчивое бинарное стекло, тепловое расширение которого сравнимо с тепловым расширением чистого кварца при молярных концентрациях Р 2О5 до 25%.
Полученное стекло не проявляет почти никакой тенденции к кристаллизации. Оно также устойчиво к воздействию воды. Показатель преломления фосфоросиликатного стекла увеличивается линейно с увеличением концентрации Р2О5.
Для повышения показателя преломления можно использовать
оксид алюминия (Al2O3), потери на рассеивание у которого ниже, чем
у двуокиси германия. К тому же оксид алюминия очень стойкий в противоположность оксиду германия GeO2, который может образовывать
летучие продукты GeO и GeCl4; весьма стабилен, поэтому высока эффективность введения его в стекло. При изготовлении заготовки стекло с Al2O3 менее чувствительно к воздействию парциального давления
кислорода и хлора, нежели стекло с добавками GeO2. Стекло, легированное Al2O3, обладает более низким значением вязкости, что ускоряет
процессы затвердевания.
Чистота исходных веществ, применяемых для изготовления
стекла, в значительной степени определяет его качество по всем контролируемым параметрам. В случае с оксидными стеклами, к которым
относится и кварцевое стекло, основные потери связаны с поглощением ионами переходных металлов (ванадия, железа, хрома, меди, кобальта, никеля, марганца), а также с гидроксильными группами.
Гидроксильные группы OH являются основной примесью в
кварцевых стеклах, которая приводит к значительным потерям. Причина – реакция групп OH с водородом, содержащимся в атмосфере.
Особенно большие потери возникают на длинах волн 0,95 и 1,4 мкм.
Слабые полосы поглощения появляются на длинах волн 0,725, 0,825 и
0,875 мкм, которые являются гармониками основного резонанса при λ
= 2,7 мкм.
Снижения потерь в стекле можно добиться, уменьшая содержание гидроксильных групп до уровня нескольких десятков миллиграмм
27
на килограмм материала. При этом коэффициент затухания на длине
волны 1,2 мкм может снизиться до 0,5 дБ/км.
Влияние OH особенно заметно в кварцевых стеклах, легированных двуокисью германия, содержащих примеси алюминия и натрия,
достигающих в натуральном кварце 10-15 частиц на миллион, а в синтетическом – менее 3 частиц на миллион. В кварцевом стекле, легированном P2O5 и GeO2, присутствие группы OH приводит к увеличению
потерь пропорционально концентрации P2O5.
У тройных или более сложных стеклообразующих систем сравнительно низкая температура плавления: натрий-кальций-силикатное
стекло (Na2O, CaO, SiO2) – 1400 0C; щелочно-свинцовое стекло (Na2O,
PbO, SiO2) – 1400 0C; натрий-алюминий-силикатное стекло (Al2O3,
Na2O, SiO2) – 1450 0C; натрий-боро-силикатное стекло (Na2O, B2O3,
SiO2) –1250 0C. Эти стекла обладают также более высоким показателем
преломления и могут быть модифицированы для получения материала
с низким показателем преломления (для оптической оболочки). Показатели преломления натрий-боро-силикатного стекла можно уменьшить на 3%, натрий-кальций-силикатного на 4%, щелочносвинцового
силикатного почти на 10%. При этом все модификации согласуются
между собой по остальным свойствам и могут использоваться как материалы для сердцевины и оптической оболочки ОВ.
Недостаток низкоплавких многокомпонентных стекол заключается в большей вероятности загрязнения по сравнению с плавким
кварцем. Это затрудняет их очистку от примесей, которая необходима
для снижения показателя поглощения и рассеивания. Из-за низких
температур при размягчении и плавлении возможно загрязнение стекла (и оптических элементов на их основе) на всех стадиях производства.
Для формирования многокомпонентных ОВ необходимо подобрать пару стекол для сердцевины и оптической оболочки, которые
удовлетворяли бы следующим требованиям:
 минимум диффузионных процессов на границе раздела пары стекол, что достигается путем уравновешивания их состава по роду и
концентрации щелочных оксидов. Это позволяет максимально сохранить исходные значения показателя преломления каждого стекла из
пары и ожидаемой числовой апертуры световода;
 максимальная совместимость пары стекол, когда на границе их
раздела при вытягивании волокна и возможных последующих термообработках не возникают новообразования, газовые пузырьки и ликвация;
28
 низкотемпературное плавление при 1250-1350 0С высокочистой
гомогенной шихты в тигле из чистого кварцевого стекла при минимальном его растворении расплавом, особенно стекла сердцевины.
Таким образом, в большинстве случаев предпочтительно применять кварцевые стекла с высокой степенью чистоты двуокиси кремния.
Стекла для оптических волокон в ИК области должны обладать
минимальными потерями в этом диапазоне длин волн. Спектральные
характеристики потерь различных типов стекол показывают, что минимум потерь приходится на область между длинами волн собственного УФ и ИК поглощения.
Использование волн ИК диапазона для ОВ приводит к уменьшению рэлеевских потерь, что в свою очередь позволяет значительно
увеличить дальность передачи и улучшить экономические показатели
оптических систем связи. Для этого предлагается заменить кварцевые
стекла, работающие на длинах волн до 1,7 мкм, на стекла, легированные германием и содержащие добавки Bi2O3, Tl2O, PbO. Например, для
германиевых стекол: плотность (5,4-7,66) г/см3, ТКЛР = (10,6÷5,9)10-6
С-1, n = 1,9394÷2,2855, дисперсия равна нулю в диапазоне λ = 2,08÷2,81
мкм и минимальные потери менее 0,1 дБ/км.
Халькогенидные стеклообразные полупроводники изготавливают на основе элементов Ge, P, As, Sb, S, Se, Te. В состав входят халькогены VI группы периодической таблицы Менделеева. Типичные
представители – сульфид и селенид мышьяка. Типичные композиции:
GeS, GeSe, AsS, AsSe, GeSP, GeAsSe, GeSeTe, AsSeTe, GeAsSeTe и др.
Халькогенидные стекла обладают высокой прозрачностью в ИК
области спектра от 1 до 18 мкм. Для стекла As2S материальная дисперсия равна нулю на длине волны 4,85 мкм. Для стекол на основе AsS и
AsSe область, в которой материальная дисперсия равна нулю, находится в диапазоне длины волны 46 мкм. Теоретически ожидаемые минимальные оптические потери для этих стекол в области прозрачности
материала, а также с учетом потерь на рэлеевское рассеивание составляют (2-3)10-2 дБ/км. Халькогенидные стекла на основе GePS могут
иметь потери порядка (10-1÷10-2) дБ/км на длине волны 5,5 мкм.
Халькогенидные стекла трудно совместимы со стеклами других
типов. Это объясняется резким отличием температуры их стеклования
(139÷400) 0С и ТКЛР = (11÷30)10-6С-1 от тех же параметров у стекол
из других составов. В частности, для стекол As2Se3 ТКЛР = 2510-6С-1, а
для As2S3 ТКЛР =1910-6С-1.
Показатель преломления для As2Se3 на длине волны 5 мкм n =
2,481, а для As2S3 n = 2,406. При этом соотношение показателей пре29
ломления As2Se3 и As2S3 в области длин волн 2÷12 мкм остается примерно равным. Модуль Юнга халькогенидных стекол ~ 20÷41 ГПа.
Близкие значения ТКЛР селенида и сульфида мышьяка и отмеченные выше свойства показателей преломления могут быть применены
при изготовлении ОВ, в которых один из материалов используется в
качестве сердцевины, а другой – оптической оболочки.
В настоящее время разработаны физико-химические методы получения серы, селена, теллура и мышьяка с низким содержанием газообразующих примесей в форме взвешенных частиц. Разработаны физико-химические основы и методы получения высокочистых стекол систем AsS, AsSe, GeAsSe с содержанием газообразующих примесей 10-410-6 % атм., субмикронных включений менее 1·104 см3, с оптическими
потерями халькогенидных стекол 25÷100 дБ/км в среднем ИК диапазоне.
Галогенидные стекла (галиды) имеют в своей основе хлориды и
фториды различных металлов. Известны стекла на основе хлоридов
калия и натрия. У хлоридных стекол минимальные внутренние потери,
но они более чувствительны к загрязнению (чем стекла на основе фторидов) и растворимы в воде.
Фторидные фтор-хлор-содержащие стекла (BeF2 и ZnCl2) в перспективе могут обеспечить коэффициент затухания 10 -2÷10-3 дБ/км
соответственно. Однако берилловые стекла весьма токсичны, а цинковые обладают высокой гигроскопичностью.
Стекла на основе фторидов циркония и гафния с добавками BaF 2
(30÷40%), некоторого количества щелочи, щелочной земли, фторидов
редкоземельных элементов, обеспечивающие стабильность стекла,
характеризуются коэффициентом затухания (5÷8)·10-3 дБ/км на λ = (2,4
± 0,1) мкм. Кроме того, фторидные стекла имеют относительно узкую
область стеклообразования и малую термостабильность, приводящую
к расстекловыванию, а в некоторых стеклах к появлению кристаллов
размером от 10 до 50 мкм. В этой связи основной упор делается на
разработку комплексных композиций, содержащих 46 фторидных
компонентов, чтобы повысить стабильность и достичь вязкости, обеспечивающей вытяжку ОВ.
Чтобы улучшить технологичность при вытяжке ОВ в композицию
могут быть добавлены фториды Ce, Gd, Lu, Al, Nd. Введение ионов
Nd+3 в стекло дает возможность генерировать лазерное излучение с λ ~
1,06 мкм.
Введение в стекла ZrBaLaAlNa добавок Nd +3 или Er+3 обеспечивает
создание нового класса ОВ, так называемых активных ОВ, обладаю30
щих усиливающими свойствами и позволяющих реализовать их на
длинах волн 1,3 и 1,55 мкм.
У фторидных стекол наблюдается тенденция к поверхностной рекристаллизации в результате воздействия атмосферной влаги и кислорода. Для их защиты необходимо нанесение покрытий на волокно.
Фторидные стекла характеризуются высокой прозрачностью в широком диапазоне длин волн от ближней ультрафиолетовой (0,3 мкм) до
средней и дальней ИК областей. Они имеют следующие параметры:
температура стеклования 300÷450 0С, n = 1,47-1,53.
Стекла на основе фторида бария, торий иттрия, цинка, алюминия с
добавками фторида индия, заменяющими фторид алюминия, дают хорошую стабильность и прозрачность в ИК области от 7 до 8 мкм.
Иодидные и бромидные стекла обладают малой стабильностью.
Для применения в дальнем ИК диапазоне могут быть использованы
поликристаллические стекла на основе галидов таллия и серебра.
Стекла для инфракрасных световодов
В 1979 г. в волоконных световодах из кварцевых стекол был достигнут максимально возможный для них предел прозрачности. В настоящее время появляется второе поколение материалов для волоконной оптики, которые позволяют передавать излучение в более длинноволновой инфракрасной области спектра. Имеется три класса таких
материалов: галогенидные кристаллы, халькогенидные стекла и стекла
на основе фторидов тяжелых металлов.
Все эти материалы могут быть более прозрачными в инфракрасной
области, чем световоды на основе кварцевых стекол, поэтому их уже
сейчас испытывают для многих новых применений. Инфракрасные
световоды могут передавать простые инфракрасные изображения
предметов или информацию о температуре труднодоступных или
сильно удаленных объектов. Такие световоды в виде гибкого оптического кабеля можно будет использовать для передачи мощного лазерного излучения, применяемого в промышленности для резки, сварки
или сверления металлов.
Особый интерес инфракрасные световоды представляют для дальней оптической связи. Если в них удастся достичь максимально возможной прозрачности, то они будут иметь явное преимущество перед
другими световодами, используемыми в более коротковолновой области спектра.
При прохождении излучения по световоду от источника к приемнику часть световой энергии теряется и сигнал может стать настолько
слабым, что выйдет за пределы чувствительности приемника и окажется потерянным. Поэтому передаваемые на большие расстояния
31
сигналы должны периодически усиливаться. Но производство, эксплуатация и ремонт таких усилителей требуют немалых затрат. Оптические сигналы, передаваемые по промышленным кварцевым световодам, должны усиливаться через каждые 10-50 км, а электрические сигналы, передаваемые по медным проводам – через каждые 4-6 км. В
системах же связи на основе инфракрасных световодов расстояние
между усилителями-ретрансляторами может составлять сотни и даже
тысячи километров.
В высокопрозрачном твердом материале затухание света обусловливается тремя независимыми процессами: электронным поглощением, рассеянием света и колебательным поглощением. Электронное поглощение определяет затухание сигналов с короткими длинами
волн. Световод в своей основе состоит из атомов, соединенных между
собой электронами, образующими химические связи. Когда излучение
с некоторой длиной волны вводится в световод, оно может быть поглощено электронами и затем потеряться в виде тепла. Поскольку в
твердых материалах именно короткие длины волн соответствуют энергиям химических связей, коротковолновое излучение будет поглощаться за счет этого процесса более интенсивно, чем длинноволновое.
Рассеяние света определяет затухание излучения на более длинных
волнах. Одним из общих видов рассеяния присущих жидкостям, газам
и многим твердым средам, включая стекла, является рассеяние Рэлея.
Оно возникает из-за непостоянства показателя преломления среды,
обусловленного флуктуациями ее плотности и состава. Интенсивность
рэлеевского рассеяния быстро падает с увеличением длины волны света и зависит от конкретного состава материала.
Колебательное поглощение является основным фактором ослабления для излучения еще более длинноволновой области. Оно сложным
образом зависит от масс, размеров и эффективных зарядов атомов, из
которых состоит данное твердое вещество. В кристаллах или стеклах
связи между атомами могут рассматриваться как притяжение между
положительно и отрицательно заряженными ионами (катионами и
анионами соответственно). Два иона, соединенные между собой химической связью, непрерывно колеблются подобно двум грузикам, сцепленным жесткой пружиной. Если на атомные связи воздействовать
светом с соответствующими резонансными длинами волн, то энергия
света будет преобразовываться в колебательную энергию ионов. Интенсивность светового сигнала при этом уменьшится из-за поглощения
его энергии колебательной системой. По мере все большего уменьшения длины волны света по сравнению с резонансной длиной волны
32
колебательное поглощение падает, и материал становится все более
прозрачным.
Резонансная длина волны определяется массами ионов и силой
связи между ними. Она тем короче, чем меньше массы ионов и чем
сильнее межатомные связи. В диоксиде кремния, например, каждый
катион кремния окружен четырьмя анионами кислорода. Кремний
имеет сильную связь с кислородом, а массы обоих атомов малы по
сравнению с массами атомов в инфракрасных оптических материалах.
Поэтому у кварцевого стекла наблюдается высокий уровень поглощения в коротковолновой части инфракрасной области спектра. Оно может пропускать излучение только до длин волн 2,5 мкм.
Для разупорядоченных атомных структур, которые характерны
для стекол и даже для хорошо упорядоченных решеток кристаллов,
колебательное поглощение начинает проявляться и постепенно растет
при приближении к резонансным длинам волн. Это приводит к так
называемой колебательной границе поглощения (пропускания) материала. Для многих веществ интенсивность поглощения экспоненциально падает при удалении от резонансной области в сторону коротких
длин волн.
Рис. 2.7. Уровень оптических потерь в зависимости от длины волны в
ультрафиолетовом, видимом и инфракрасном диапазонах
33
Электронное поглощение, рэлеевское рассеяние и колебательное
поглощение считаются собственными видами оптических потерь,
поскольку они присущи самому материалу. Знание собственных
свойств позволяет предсказать уровень максимальной прозрачности,
который может быть достигнут в каждом твердом материале. При выборе материала также должны учитываться несобственные оптические
потери, обусловленные поглощением примесями, рассеянием на
больших включениях или пустотах, а также потери за счет непостоянства диаметра световода по его длине и отклонений от требуемых значений показателя преломления по сечению световода.
Суммарные потери мощности света за счет собственных и несобственных механизмов характеризуются коэффициентом затухания.
Для протяженных линий связи требуют снижения уровня потерь до
0,01 дБ/км.
Массы атомов и силы связи между ними определяют длины волн,
на которых это поглощение наиболее сильное. Увеличение масс атомов и ослабление силы связи между ними приводят к увеличению этих
длин волн.
Рис. 2.8. Резонансные длины волн молекул
Именно поэтому тетрафторид циркония – основной компонент
стекол из фторидов тяжелых металлов, а также халькогенидное стекло
– триселенид мышьяка наиболее сильно ослабляют сигналы в длинноволновой инфракрасной области. Ионы кремния и кислорода имеют
меньшие массы и более сильную связь, поэтому кварцевое стекло (диоксид кремния) наиболее сильно поглощает сигналы в средней инфракрасной области. Кристаллические материалы образуют первый класс
веществ, которые могут эффективно использоваться в инфракрасной
волоконной оптике. Теоретически многие двухкомпонентные кристал34
лы: бромид серебра, селенид цинка и даже хлорид натрия имеют низкое собственное затухание. Однако на практике получение монокристаллов в виде волоконных световодов большой длины связано с рядом серьезных проблем. Скорости роста монокристаллических волокон очень малы и часто составляют всего несколько сантиметров в
минуту. Столь низкие скорости роста увеличивают вероятность того,
что размеры световода будут иметь разброс. Значительно более перспективными являются поликристаллические материалы, главным образом на основе галогенидов таллия и серебра. Были тщательно изучены световоды на основе смешанных соединений бромида и иодида
таллия. Конечно, высокий показатель преломления кристаллов галогенидов таллия (n~2,7) предполагает высокий уровень рассеяния в них.
Однако граница колебательного поглощения у них сдвинута в длинноволновую инфракрасную область, что позволяет передавать инфракрасное излучение в таких материалах с длинами волн, на которых
рассеяние уже значительно меньше. Согласно теоретическим оценкам
можно изготовить монокристаллы галогенидов таллия с коэффициентом затухания менее 0,01 дБ/км на длинах волн близких к 7 мкм. Однако в процессе получения поликристаллических световодов в них
создается зернистая микроструктура, которая сильно рассеивает свет.
Этот несобственный механизм рассеяния в совокупности с поглощением, обусловленным присутствием примесей, приводит к затуханию
в поликристаллических световодах на основе галогенидов таллия в
пределах от 150 до 400 дБ/км. Такой относительно небольшой уровень
затухания сохраняется в широком диапазоне длин волн λ ~ 6÷15 мкм.
Другой материал для поликристаллических световодов состоит
из серебра, хлора и брома. Получены световоды с затуханием менее
103дБ/км на длинах волн λ > 6 мкм. Световоды как из галогенидов таллия, так и из галогенидов серебра могут передавать излучение лазера
на диоксиде углерода с длиной волны 10,6 мкм. Поэтому эти материалы пригодны для передачи мощного лазерного излучения, например
для таких применений, как лазерная хирургия.
Второй класс прозрачных в инфракрасной области спектра материалов для волоконной оптики образуют халькогенидные стекла. Их
получают соединением металлов с более тяжелыми элементами кислородной группы – халькогенами, т.е. серой, селеном и теллуром. Трисульфид мышьяка и триселенид мышьяка являются характерными
представителями халькогенидных стекол. Электронное поглощение
для трисульфида мышьяка лежит в середине видимой области спектра,
для триселенида мышьяка – в ближней инфракрасной области. Поэтому первое стекло имеет красный цвет, а второе – черный.
35
Вследствие высоких значений показателя преломления
(n~2,4÷2,7) рэлеевское рассеяние в халькогенидных стеклах, несмотря
на низкие температуры стеклования (150÷175 0С), превышает в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах в несколько раз рассеяние в
кварцевых стеклах. В среднем же инфракрасном диапазоне, где световоды из кварцевых стекол уже непрозрачны, рэлеевское рассеяние в
халькогенидных стеклах, благодаря своему быстрому уменьшению
при увеличении длины волны, снижается на несколько порядков и
становится ниже, чем в кварцевых стеклах. Именно поэтому в среднем
инфракрасном диапазоне халькогенидные стекла предпочтительнее
кварцевых. Трисульфид мышьяка прозрачен примерно до 10 мкм, тогда как стекла на основе селена, атомный вес которого примерно в два
раза выше, чем у серы, прозрачен уже примерно до 14 мкм.
В отличие от моно- и поликристаллических материалов халькогенидные стекла можно использовать для изготовления многокилометровых световодов с необходимыми диаметрами сердцевины и оболочки. Среди лучших халькогенидных световодов можно выделить
световоды из трисульфида мышьяка, полученные в Японии фирмой
Nippon Telegraph and Telephone Corporation. Минимальное затухание в
них составляет 35 дБ/км на длине волны 2,4 мкм, хотя теоретически
предсказываемое минимальное значение собственных оптических потерь для световодов из этого стекла может быть до 0,01 дБ/км на длинах волн вблизи 5 мкм. Большая часть оптических потерь в производимых сейчас халькогенидных световодах обусловлена присутствием
в них примесных молекул воды и других водородсодержащих примесей. Серьезным недостатком халькогенидных световодов является
сильное собственное электронное поглощение на дефектах структуры
стекла, которое может ограничить величину минимально достижимых
оптических потерь в этих стеклах на уровне 10 дБ/км. Основной интерес к халькогенидным световодам в настоящее время обусловливается
их способностью передавать инфракрасное излучение с длинами волн
от 6 до 12 мкм на расстояния до нескольких метров.
Третий класс материалов для инфракрасных световодов включает стекла на основе фторидов тяжелых металлов. Фактически в эти
стекла может быть введен любой металл периодической системы. Однако с точки зрения хорошей прозрачности в инфракрасной области и
простоты изготовления только ограниченное число составов стекол
заслуживает тщательных исследований, а именно фторцирконатные,
фторгафнатные и бариево-ториевые стекла.
Измерения пропускания в образцах стекол из фторидов тяжелых
металлов позволили выявить у них широкую область высокой про36
зрачности, простирающуюся от 0,3 до 8 мкм. Эти стекла имеют небольшие температуры стеклования (около 300 0С) и близкие к кварцевому стеклу значения показателя преломления (n~1,5). Длинноволновая граница пропускания в инфракрасном диапазоне и низкий уровень
рэлеевского рассеяния позволяют предположить, что в стеклах из фторидов тяжелых металлов собственное затухание может быть на уровне
0,01 дБ/км.
На длинах волн от 0,5 до 2 мкм затухание частично обусловливается электронным поглощением на примесях меди, хрома, никеля и
железа. Загрязнение одной частью железа на миллион частей стекла,
например, может вызвать затухание в 15 дБ/км на длинах волн 2,5мкм.
Ионы гидроксила, попадающие в световод из исходных материалов
или в процессе плавления стекла и получения световода, сильно поглощают инфракрасное излучение. Оценки показывают, что присутствие одной миллионной части ионов гидроксила в стекле может привести к затуханию, примерно равному 104 дБ/км на длине волны 2,9
мкм. Хотя уже достигнуты значительные успехи в области очистки
исходных компонентов, используемых при синтезе стекол, устранение
несобственного рассеяния на мельчайших кристалликах и пузырьках
остается еще нерешенной проблемой для фторидных световодов.
В большинстве применений инфракрасные волоконные световоды используются для передачи излучения из одной точки в другую.
Однако инфракрасные материалы можно также использовать и для
создания специальных световодов, способных изменять амплитуду или
длину волны проходящего через них излучения. Одним из таких применений является волоконно-оптический лазер. В сердцевину световода для волоконного лазера вводят небольшое количество ионов определенных редкоземельных элементов. Световод располагается между
двумя отражающими зеркалами и в него вводится излучение лазера с
определенной длиной волны, которое переводит редкоземельные ионы
в высокоэнергетичные состояния. При возвращении в состояния с более низкими энергиями возбужденные ионы излучают свет с большими длинами волн, чем исходное стимулирующее излучение лазера.
Излучаемый свет усиливается, многократно проходя вперед и назад
через световод и отражаясь от зеркал. Одно из зеркал полупрозрачно,
чтобы высветить наружу часть излучаемого ионами света. Световод в
этом случае ведет себя как компактный твердотельный источник лазерного излучения с длинами волн, значительно отличающимися от
исходных. Изменение длины волны выходящего излучения можно регулировать изменением длины волны исходного излучения или подбором добавок различных редкоземельных ионов. Такие приборы, ис37
пользующие световоды из фторидов тяжелых металлов, могут эффективно применяться для генерации инфракрасного лазерного излучения, что не может быть достигнуто со световодами из кварцевых стекол.
Именно световоды на основе фторидов тяжелых металлов наиболее перспективны для достижения оптических потерь, меньших, чем
в лучших кварцевых световодах. Но перед тем как начать создание
линий сверхдальней оптической связи, потребуется еще существенное
продвижение в области очистки и изготовления таких световодов. В то
же время инфракрасные световоды с оптическими потерями от 10 до
100 дБ/км уже сейчас могут использоваться в приборах медицинской
диагностики, в линиях передачи мощного лазерного излучения, в системах дистанционного контроля, а также в качестве основного элемента волоконно-оптических лазеров.
Оптические ситаллы (стеклокристаллические материалы) – неорганические материалы, получаемые направленной кристаллизацией
различных стекол при их термической обработке. Состоят из одной
или нескольких кристаллических фаз. Оптические ситаллы изготавливаются на основе оксидных силикатных стекол путем введения в стекло при варке компонентов, склонных к образованию кристаллической
фазы, и последующей термообработки стекла. Примером оптического
ситалла является алюмосиликатная система Li2O-Al2O3-TiO2-SiO2, в
которой микрокристаллическая фаза образована Al2 O3 . В ситаллах
мелкодисперсные кристаллы (до 2000 нм) равномерно распределены в
стекловидной матрице. Количество кристаллических фаз в ситаллах
может составлять 20-95% объема. Изменяя состав стекла, тип инициатора кристаллизации (катализатора) и режим термической обработки,
получают ситаллы с различными кристаллическими фазами и заданными свойствами. Материалы, подобные ситаллам, за рубежом называются пирокерамом, девитрокерамом, стеклокерамом. Ситаллы относятся к композитным материалам. Наличие микрокристаллической
фазы позволяет сочетать в ситаллах достоинства стекол – высокую
прозрачность, технологичность и дешевизну и достоинства кристаллов – высокую твердость и специальные оптические свойства, присущие конкретным типам монокристаллов. В частности, микрокристаллы ситалла могут быть легированы ионами редкоземельных металлов,
что придает ситаллу нелинейно-оптические свойства, либо превращает
его в усиливающую среду.
В интегральной оптике ситаллы могут использоваться в качестве
подложек для интегрально-оптических схем. В ситаллах методом ион38
ного обмена могут быть созданы оптические волноводы. Пленочные
волноводы из ситаллов могут изготавливаться и золь-гель методами.
Высокопрочные ситаллы получают главным образом на основе
стекол систем MgO-Al2O3-SiO2 (кордиеритовые составы) и Na2OAl2O3-SiO2 (нефелиновые составы). Для первых инициатором кристаллизации служит TiО2, sизг ~ 240-350 МПа. Ситаллы нефелиновых составов после упрочнения ионообменной обработкой в расплавленных
солях имеют sизг ~ 1370 МПа. Области применения высокопрочных
ситаллов – ракето- и авиастроение (обтекатели антенн), радиоэлектроника.
Оптически прозрачные термостойкие и радиопрозрачные химически стойкие ситаллы получают на основе стекол системы Li2ОА12О3-SiO2. В оптически прозрачных ситаллах размер кристаллов не
превышает длины полуволны видимого света. Ситаллы, содержащие в
качестве основных кристаллических фаз эвкриптит (Li 2O·Al2O3·2SiO2)
или сподумен (Li2О·Аl2О4·4SiO2), имеют, кроме того, температурные
коэффициенты расширения, близкие к нулю, и иногда даже отрицательные – до –5·10-6 К-1. Области применения – космическая и лазерная техника, астрооптика. Введение в состав таких ситаллов активаторов люминесценции и специальных добавок позволяет применять их в
солнечных батареях.
Фотоситаллы обычно получают на основе стекол системы Li2OAl2O3-SiO2 со светочувствительными добавками (соединения Аu, Ag,
Сu), которые под действием УФ облучения и дальнейшей тепловой
обработки стекла способствуют его избирательной кристаллизации.
Находят применение в микроэлектронике, ракетной и космической
технике, оптике, полиграфии как светочувствительные материалы (например, для изготовления оптических печатных плат, в качестве светофильтров).
Получают ситаллы и изделия из них с использованием стекольной и керамической технологии, иногда химическими способами.
Пленки диэлектриков, полупроводников, ферритов и металлов
давно и широко используются в оптике для создания интерференционных фильтров, отражающих, просветляющих и защитных покрытий.
Если толщина пленки существенно меньше длины волны излучения
d   , но в тоже время существенно больше характерного размера
структуры материала d  a (расстояния между атомами), то физические свойства пленки практически не отличаются от свойств объемного материала. Если d  a , то свойства пленки за счет большой удельной доли поверхности существенно отличаются от свойств материалов. Для создания тонких оптических слоев используются пленкообра39
зующие материалы, способные формировать на поверхности гладкий,
равномерный и плотный слой. Физические свойства пленкообразующих материалов исследованы достаточно подробно. Для каждого материала существуют оптимальные методы и технологии, позволяющие
получать равномерные тонкие слои с хорошей адгезией к подложке. В
таблице приведены параметры некоторых диэлектрических и полупроводниковых пленок, используемых в интегральной оптике.
Оптические параметры пленок
Материал
CaF2
MgF2
SiO2
AI2 O3
TiO2
ZnO
ZnS
ZnSe
LiNbO3
BaTiO3
Область прозрачности, мкм
0.15-12
0.21-10
0.2-8
0.25-5
0.25-5
0.3-8
0.38-14
0.6-15
0.4 -7
0.4 -6
n
1.23-1.26
1.38-1.40
1.44-1.45
1.54-1.60
2.2-2.6
2.0
2.2-2.35
2.5-2.6
2.2
2.2
Свойства
ЭО, НЛ
ЭО, НЛ
ЭО, НЛ
ЭО, НЛ
ЭО, НЛ
НЛ – нелинейно-оптические эффекты; ЭО – электрооптические эффекты
Материалы с низким показателем преломления (CaF2, MgF2,
SiO2) обычно используются в качестве согласующих слоев. Пленки
SiO2 и Al2O3, обладающие высокой химической инертностью, используются в качестве защитных покрытий. На базе пленок из материалов с
высоким показателем преломления (TiO2, ZnO, ZnS, ZnSe) изготавливаются планарные и полосковые волноводы. Пленки LiNbO 3 и
BaTiO3 в интегральной оптике применяются для изготовления электроуправляемых оптических переключателей и коммутаторов оптических сигналов. Пленки металлов используются для формирования
электродов и плазмонных волноводов. Толщина пленок может меняться в широких пределах и определяется функцией, которую она выполняет в устройстве. Толщины буферных, согласующих и защитных слоев варьируются от 0,05 до 1 мкм. Толщины пленок, формирующих
волновод, лежат в интервале 0,5 ÷5 0 мкм.
Умное стекло – новое стекло, переключается от непрозрачного
состояния (снимок на врезке слева, рис. 2.9) к совершенно прозрачному.
40
Рис. 2.9. Переключение прозрачности стекла
От предыдущих технологий управляемого затемнения новинку
отличают потенциальная дешевизна и широта настройки. Так называемые умные окна с произвольным изменением степени светопропускания способны снижать затраты энергии на кондиционирование в
жару и на отопление в мороз. Но существующие системы не идеальны:
они дороги, снижают свою эффективность со временем и в их производстве нередко используются токсичные вещества. Группа исследователей из Сеульского университета Soongsil сумела подобрать химические компоненты, позволяющие перестраивать молекулярную плёнку на стеклянной подложке таким образом, чтобы она или пропускала
почти весь свет, или практически весь задерживала. В роли чувствительного покрытия выступил поли [2-(метакрилоилокси) этилтриметиламмоний хлорид-co-3-(триметоксилил) пропил метакрилат]. Образец
стекла с таким соединением попеременно погружали в метаноловый
раствор ионов тиоцианата (SCN–) или бис(трифлюорометан) сульфонимида (TFSI–). В первом случае светопропускание образца (в широком спектре лучей) составило 90,9%, а во втором – 0% (рис. 2.9). Столь
резкий переход объясняют молекулярной агрегацией полимерных цепей в растворе, создающей (в случае TFSI–) микропористую структуру
на поверхности стекла, а при переходе к (SCN–) – убирающей эту помеху. По прогнозам, со временем оконные стёкла на такой основе заменят жидкокристаллические.
Выводы:

Кварцевое стекло обладает наименьшим среди стёкол на основе SiO 2
показателем преломления (nD=1,46) и наибольшим светопропусканием, особенно для ультрафиолетовых лучей.

Химический состав. В основном в состав оптического стекла входит:
кремнезём, сода, борная кислота, соли бария, окись свинца, фтористые
соли и другие вещества.
41

Основные параметры оптического стекла: показатель преломления,
средняя дисперсия и коэффициент дисперсии.

Оптическое стекло – это прозрачное стекло специального состава,
используемое для изготовления оптических приборов. От обычного технического оптические стекла отличаются особенно высокой прозрачностью,
чистотой, бесцветностью, однородностью, а также строго нормированными параметрами преломляющей способности и дисперсии.

Световоды на основе фторидов тяжелых металлов наиболее перспективны по уровню оптических потерь, меньших, чем лучших кварцевых.

Ситаллы (стеклокристаллические материалы) – неорганические материалы, получаемые направленной кристаллизацией различных стекол при
их термической обработке. Состоят из одной или нескольких кристаллических фаз. Оптические ситаллы изготавливаются на основе оксидных силикатных стекол путем введения в стекло при варке компонентов, склонных к
образованию кристаллической фазы, и последующей термообработки
стекла.

Ситаллы относятся к композитным материалам. Наличие микрокристаллической фазы позволяет сочетать в ситаллах достоинства стекол
– высокую прозрачность, технологичность и дешевизну и достоинства
кристаллов – высокую твердость и специальные оптические свойства,
присущие конкретным типам монокристаллов. Легирование ионами редкоземельных металлов придает ситаллу нелинейно-оптические свойства.

В интегральной оптике ситаллы могут использоваться в качестве
подложек для интегрально-оптических схем. В ситаллах методом ионного
обмена могут быть созданы оптические волноводы. Пленочные волноводы
из ситаллов могут изготавливаться золь-гель методами.

Ситаллы обладают высокой прочностью, твердостью, износостойкостью, малым термическим расширением, химической и термической устойчивостью, газо- и влагонепроницаемостью.

Оптически прозрачные термостойкие и радиопрозрачные химически
стойкие ситаллы получают на основе стекол системы Li2О-А12О3-SiO2.
Вопросы для самоконтроля:
1. Каковы основные параметры оптичесих стекол?
2. Химический состав стекол.
3. Характеристики кварцевого стекла.
4. Типы оптических стёкол.
5. Требования к стеклам многокомпонентных оптических волноводов.
6. Характеристики оптических ситаллов.
7. Материалы для ИК области.
8. Материалы для УФ области.
42
1.3. Кристаллы
Монокристаллы, синтетические кристаллы, нанокристаллы,
коллоидные кристаллы
Монокристалл – отдельный однородный кристалл, имеющий непрерывную кристаллическую решётку и характеризующийся анизотропией физических свойств. Внешняя форма монокристалла обусловлена его атомно-кристаллической структурой и условиями кристаллизации. Часто монокристалл приобретает хорошо выраженную
естественную огранку, в неравновесных условиях кристаллизации огранка проявляется слабо. Примерами огранённых природных монокристаллов могут служить монокристаллы кварца, каменной соли, исландского шпата, алмаза, топаза. От монокристалла отличают поликристаллы и поликристаллические агрегаты, состоящие из множества
различно ориентированных мелких монокристаллов. Монокристаллы
кремния являются основой современной твердотельной электроники.
Монокристаллические стекла обладают значительными преимуществами, так как имеют меньшие потери на абсорбцию, в частности, из-за отсутствия границ между кристаллами. Наиболее известны стекла, содержащие AgBr, CsBr, KCl, KBr, KCl, KBr, а также
твердые растворы TlBr и TlI и др.
Монокристаллы известны достаточно давно благодаря особым
оптическим свойствам, которые внешне проявляются в блеске, «игре»
света на гранях кристалла, механической прочности, являются наиболее совершенными природными материалами и, вместе с тем, редкими
и дорогими. Для технических целей их получают искусственным путем, выращиванием. Процесс выращивания обычно длительный.
Монокристаллические диэлектрики, магнетики, полупроводники
используются в интегрально-оптических устройствах в качестве подложек, оптических волноводов, для изготовления источников излучения и фотоприемников, дифракционных решеток и др.
Материал
Al2O3
Si
GaAs
GaxAlyAs
Параметры монокристаллов, наиболее часто применяемых в ИО
Область прозрачности,
Использование оптиn(  )
мкм
ческих эффектов
0.35-4.5
1.75 (1.5 мкм)
1 - 14
3.48 (1.6 мкм)
НЛО
0.95-12
3.38 (1.5 мкм)
ЭО, НЛО
0.95-3
3.2-3.4
ЭО, НЛО
НЛО – нелинейно-оптические эффекты; ЭО – электрооптические эффекты
Монокристаллический лейкосапфир (Al2O3) нашел основное
применение в интегральных схемах микроволнового диапазона для
43
изготовления подложек. На подложках монокристаллов из лейкосапфира методами эпитаксии выращивают монокристаллические слои
полупроводниковых материалов, широко используемых в интегральной оптике – Si, GaAs, GaAlAs и др. Достоинствами лейкосапфира является его высокая механическая прочность и высокая теплопроводность.
Монокристаллический кремний (Si) широко применяется в интегральной оптике в качестве подложек, для изготовления оптических
волноводов, фотоприемников, микромеханических устройств и узлов
крепления. Это связано с его доступностью, высокой механической
прочностью, высокой теплопроводностью, а также тем, что технология
выращивания и обработки кремния детально отработана и применяется в микроэлектронной промышленности.
Арсенид галлия (GaAs) и тройные соединения на его основе
(GaAlAs и др.) используются для изготовления источников излучения,
фотоприемников и оптических переключателей. Данный класс материалов применяется, в основном, в виде монокристаллических пленок
и многослойных структур, изготавливаемых методами эпитаксии.
Монокристаллы гадолиний галлиевого граната (Gd3Ga5O12),
иттриево-железистого граната (Y3Fe5O12) используются в магнитооптике.
Синтетические кристаллы – это кристаллы, выращенные искусственно в лабораторных или заводских условиях. Из общего числа
выращиваемых кристаллов около 104 относятся к неорганическим веществам. Некоторые из них не встречаются в природе. Однако первое
место занимают органические синтетические кристаллы ~ 105, вообще
не встречающиеся в природе. С другой стороны, из ~ 3000 кристаллов,
составляющих многообразие природных минералов, искусственно
удаётся выращивать только несколько сотен, из которых для практического применения существенное значение имеют только 20-30.
Первые попытки синтеза кристаллов относятся к 16-17 вв. и состояли в перекристаллизации воднорастворимых кристаллических веществ, встречающихся в виде кристаллов в природе (сульфаты, галогениды). После расшифровки состава природных минералов появились
попытки синтеза монокристаллов минералов из их порошков с использованием техники обжига, из водных растворов (сегнетова соль) и из
расплавов.
Синтетические кристаллы кварца (SiO2) получают в гидротермальных условиях. Маленькие «затравочные» кристаллы различных
кристаллографических направлений вырезаются из природных кристаллов кварца. Хотя кварц широко распространён в природе, его при44
родные запасы монокристаллов не покрывают нужд техники и природный кварц содержит много примесей. Синтетические кристаллы
SiO2 массой до 15 кг выращивают в автоклавах в течение многих месяцев, а особо чистые кристаллы (оптический кварц) выращиваются в
течение несколько лет.
Выращивание монокристаллов проводят различными методами,
обеспечивающими получение индивидуальных кристаллов заданного
размера, формы и дефектности. При выращивании монокристаллов
заранее полученные мелкие кристаллы (затравку) помещают в пересыщенную среду (пар, раствор, расплав, твердое вещество) и выдерживают там до укрупнения затравки. Пересыщение и температуру среды поддерживают такими, чтобы затравка росла со скоростью 10 -7-10-1
мм/с без спонтанного образования центров кристаллизации. Совершенство структуры выращенных кристаллов проверяют методом рентгеноструктурного анализа. Иногда в качестве затравки используют
кристаллы, образовавшиеся в пересыщенной среде в начале выдержки
(самозатравка). Из пара проводят выращивание монокристаллов веществ, летучих или образующих летучие соединения при температуре
кристаллизации, а также продуктов их взаимодействия или термического разложения, из раствора – хорошо растворимых веществ и продуктов их взаимодействия, из расплава – конгруэнтно плавящихся веществ, из твердой фазы – тугоплавких и коррозионноактивных веществ.
Выращивание из пара. Исходное поликристаллическое или
аморфное вещество помещают в источник пара (питатель) и нагревают
до испарения. Пары вещества из источника диффундируют или переносятся с потоком газа-носителя в зону, где находится затравка, охлажденная относительно источника (метод десублимации). В качестве
источника используют также вещества, при разложении которых на
затравке образуется кристаллизующееся вещество. Затравку при этом
нагревают до температуры, при которой разложение исходного вещества происходит с достаточной скоростью. Иногда в пар вводят реагенты, которые взаимодействуют на поверхности затравки с образованием кристаллизующегося вещества (метод химической кристаллизации). Если вещество является нелетучим, но образует летучие термически неустойчивые соединения с другим веществом (транспортирующим реагентом), то выращивание проводят методом химического
транспорта. При этом источник и затравку помещают в пары транспортирующего реагента, а затравку нагревают относительно источника; в результате в источнике образуется летучее соединение, которое
переносится к затравке, где разлагается с регенерацией транспорти45
рующего реагента. Монокристаллические пленки (Ge) получают конденсацией молекулярных пучков на поверхности затравки (метод
Векшинского).
Нитевидные кристаллы ("усы") выращивают ПЖК-методом. При
этом на поверхность затравочного кристалла перед его контактом с
паром наносят капли жидкости, хорошо растворяющей кристаллизующееся вещество и не растекающейся по кристаллу. Каждая капля
поглощает вещество из пара, становится пересыщенной и обеспечивает рост той части кристалла, которая смочена ею; если рост из капли
идет быстрее, чем из пара, то под каплей вырастает нитевидный кристалл, сечение которого близко к диаметру капли. ПЖК-методом получают кристаллы Si, Ge (растворитель-расплав Аu) и SiC (растворитель-расплав Аl) размером 1х200 мкм; методом химического транспорта – соединения типа AIII-BV размером до 5 см (транспортирующие
реагенты – I2, Сl2, летучие хлориды); методом химической кристаллизации – SiC и TiBr2 размером до 0,5 см с малым количеством дефектов;
методом ван Аркела и де Бура – кристаллы особо чистых тугоплавких
металлов (Cd, Zn, Co); методом десублимации – металлов (W, Та, Nb),
неорганических солей (LiF, MgF2, СuСl2) и органических веществ (антрацена и уротропина) разного размера.
Выращивание из расплава. Контейнер с расплавом и затравкой
охлаждают так, чтобы затравка всегда была холоднее расплава, но переохлаждение на ее поверхности было невелико и затравка росла без
дендритообразования или появления "паразитных" кристаллов. Этого
достигают разными способами: меняя температуру нагревателя (метод
Стронга-Штебера), перемещая нагреватель относительно контейнера
(метод Бриджмена-Стокбаргера), размещая затравку на неподвижном
охлаждаемом стержне (метод Хаккена), вытягивая затравку из расплава по мере роста кристалла без вращения (метод Киропулоса) или с
вращением (метод Чохральского). Затравке или щели, из которой вытягивают кристалл, иногда придают специальную форму, выращивая
кристаллы разного профиля (метод Степанова). Особенно широко распространен метод Чохральского, при котором затравку закрепляют на
охлаждаемом стержне, опускают в расплав, а затем вытягивают из
расплава при непрерывном вращении стержня. Метод используют для
промышленного получения металлических и полупроводниковых кристаллов размером 1-50 см с регулированием их качества (дефектности)
путем изменения скоростей вращения и вытягивания затравки. Иногда,
не вводя затравки, контейнер локально охлаждают потоком воздуха,
добиваясь образования самозатравки на наиболее холодном месте и ее
направленного роста (метод Обреимова-Шубникова).
46
При получении сверхчистых монокристаллов затравку вытягивают из расплавленной части слитка кристаллизующегося вещества, а
нерасплавленная часть слитка играет роль контейнера (бестигельный
метод). В методе зонной плавки контейнер нагревают так, что формируется узкая зона расплава у поверхности затравки.
В широко распространенном методе Вернейля порошок кристаллизующегося вещества высыпают из бункера на поверхность затравки, помещенной под пламенем горелки или газового разряда; проходя через пламя, частицы порошка плавятся и в виде капель достигают поверхности затравки, где закристаллизовываются.
Методы Стронга-Штёбера и Хаккена чаще всего используют для
выращивания крупногабаритных кристаллов легкоплавких органических веществ (например, нафталина размером 20-50 см, бифталата калия размером 1-20 см); методы Бриджмена-Стокбаргера и Киропулоса
– кристаллов неорганических солей (NaCl и КСl размером 20-90 см);
методы Чохральского и зонной плавки – кристаллов металлов и полупроводников (Ge, Si, GdAs, ZnAs размером 1-50 см); метод Степанова
– металлических кристаллов сложной формы (труб из Аl и лопаток
турбин размером до 1 м); метод Вернейля – тугоплавких оксидов и
солей, легированных примесями (корунда и рубина в виде стержней
длиной до 3 м).
Выращивание из жидкого раствора. Методы применяют для
веществ, хорошо растворимых при температуре выращивания. Затравку закрепляют на неподвижном или вращающемся кристаллодержателе и помещают в насыщенный раствор, после чего раствор охлаждают,
испаряют растворитель. Иногда раствор подпитывают кристаллизующимся веществом, для чего организуют циркуляцию раствора между
нагретой зоной растворения, где находятся подпитывающие кристаллы, и холодной зоной роста, где расположена затравка (метод температурного перепада).
Если растворителем является вода и растворимость кристаллизующегося вещества мала при обычных условиях, но возрастает с увеличением температуры, то выращивание монокристаллов ведут в автоклавах при температуре до 800 К и давлении до 300 МПа (метод гидротермального синтеза). Для малорастворимых веществ используют
метод химической кристаллизации, при которой в суспензию затравочных кристаллов в растворителе добавляют растворы реагентов,
разбавленных настолько, чтобы после их смешивания не происходило
спонтанного зародышеобразования. Чтобы вырастить крупные кристаллы малорастворимых веществ используют метод встречной диффузии. В этом методе затравку помещают в трубку с гелем, а растворы
47
реагентов вводят в разные концы трубки; реагенты медленно диффундируют в геле, создавая вокруг затравки небольшое устойчивое пересыщение. Используют также электролиз с образованием монокристаллов на электродах.
Методы охлаждения водных растворов, испарения растворителя
и температурного перепада используют для выращивания кристаллов
сегнетовой соли размером 30-80 см и КН2РО4 размером 30-60 см, применяемых для пьезоэлементов; методом высаливания выращивают
кристаллы белков и нуклеиновых кислот; методом химической кристаллизации – микрокристаллы AgI размером 0,1-10 мкм для фотоэмульсий; методом гидротермального синтеза – кристаллы кварца и
сапфира размером до 50 см для приборостроения и ювелирной промышленности; методом охлаждения раствора в расплаве металла –
кристаллы GaP размером до 1 см для электролюминесцентных датчиков; охлаждения раствора в расплаве солей иттрий-алюминиевого граната Y3Al5O12 размером до 2 см для твердотельных лазеров.
При выращивании из твердой фазы поликристаллический образец нагревают чуть ниже температуры плавления, вызывая собирательную рекристаллизацию и укрупнение одного из кристаллов (самозатравки) за счет поглощения других кристаллов. В методе деформационного отжига (часто после предварительного деформирования)
образец перемещают в температурном поле, добиваясь, чтобы в образце сформировалась узкая высокотемпературная зона, двигающаяся от
самозатравки вдоль образца, последовательно превращая его в монокристалл. Если вещество подвержено полиморфным превращениям, то
методом Андраде получают монокристаллы низкотемпературной модификации. При этом движущуюся зону поддерживают при температуре несколько выше температуры превращения, а скорость перемещения делают соизмеримой со скоростью превращения; в результате
вещество, попав в зону, переходит в высокотемпературную модификацию, а выйдя из зоны, возвращается к исходной низкотемпературной
модификации, но уже в монокристаллической форме. Если превращение происходит слишком медленно, то образец длительно выдерживают при температуре, значительно выше температуры превращения, а
иногда поочередно выше и ниже этой температуры (метод термоциклирования). Методом деформационного отжига получают кристаллы Мо и сплавы Ti-Mo размером до 1-3 см (растяжение на 1-3%, отжиг
при 1300-2300 К несколько часов); методом Андраде – кристаллы Аl в
виде листов и стержней длиной до 1 м (обработка при 650-950 К, скорость перемещения 10-2 мм/с); методом полиморфных превращений –
кристаллы алмаза и BN размером 0,1-0,5 см (температура 1600-2000 К,
48
давление до 8 ГПа); методом термоциклирования – Zr сантиметровых
размеров (обработка при 1110-1500 К в течение 10 суток).
Методы выращивания монокристаллов позволяют получать кристаллы разнообразной чистоты и дефектности при скоростях роста до
10-3 мм/с (из пара или из раствора) и до 10-1 мм/с (из расплава или из
твердой фазы). В лабораториях выращивают монокристаллы более 200
тыс. веществ, в промышленности – более 20 тыс.
Первоначально исследования были направлены на синтез алмаза,
рубина, аквамарина, сапфира и др. В начале прошлого века были получены синтетические кристаллы рубина из растворов в расплавах
поташа и соды. Позже, в конце 19 века Вернейль изобрёл специальный
аппарат для получения синтетических кристаллов рубина. Порошок
Al2O3 с добавкой Cr2O3 непрерывно поступает в зону печи, где происходит горение водорода в кислороде. Капли расплавленной массы попадают на холодный участок затравки и кристаллизуются. В СССР
были созданы промышленные аппараты, на которых выращивают синтетические кристаллы рубина в виде стержней диаметром от 20 до 40
мм и длина до 2 м – для лазеров и стекол космических приборов.
Синтетические кристаллы алмаза впервые были получены в 50-х
годах из порошка графита смешанного с Ni. Смесь прессуется в виде
небольших (2-3 см) дисков, которые затем нагреваются до температуры 2000-3000 0С при давлении в 100-200 тыс. атм. В условиях высокого давления графит за счет изменения структуры превращается в алмаз. Величина синтетических кристаллов алмаза достигает ~ 1 мм (в
особых условиях до 2-3 мм).
Наиболее часто применяемые в электронике полупроводниковые
кристаллы (Ge, Si, Ga, As и др.) в природе не встречаются. Все они
выращиваются из расплавов в виде цилиндров диаметром от 10 до 20
см и длиной 30-50 см.
Нанокристалл (nanocrystal) – кристалл, размеры которого по одному или нескольким измерениям лежат в нанодиапазоне. В нанокристаллическом состоянии вещества могут приобретать новые свойства,
не присущие им при макроскопических размерах ввиду проявления
квантовых эффектов, изменения относительного вклада поверхностной энергии в общую энергию системы и т.д.
Коллоидный кристалл (colloidal crystal) – пространственно упорядоченная система близких по размеру объектов субмикронного размера, свойства которого определяются не только размерами единичных элементов, но и особенностями их взаимного расположения.
49
Большинство известных коллоидных систем являются полидисперсными, т.е. характеризуются широким распределением частиц дисперсной фазы по размерам.
В монодисперсных коллоидных системах, состоящих из близких
по форме, размеру и характеру взаимодействия между собой частиц,
может наблюдаться явление, не характерное для полидисперсных
систем – коллоидная кристаллизация – процесс самопроизвольного
упорядочения частиц в периодические пространственные структуры
во многом аналогичен происходящему при образовании атомных или
молекулярных кристаллов.
Название
Кварц
Корунд
Наиболее распространённые синтетические кристаллы
Химич.
Методы выра- Средняя величина Области
формула щивания
кристаллов
применения
SiO2
ГидротермальОт 1 до 15 кг, оптические
ный
300x200x150 мм
приборы
Al2O3
Методы Верн., Стержни D=20-40 ПрибороЧохрал., зонная мм, l=2м, пластин- строение
плавка
ки 200x300x30 мм
Германий,
кремний
Галогениды
Ge
Si
KCl,
NaCl
Алюмоиттриевый Y3Al5O12
гранат
Иттриево-желез. Y3Fe5O12
гранат
ГадолинийGd3Ga5O
галлиевый гранат 12
Ниобат лития
LiNbO3
Метод Чохральского
То же
Бифталат калия
C8H5O4K
Кальцит
CaCO3
Арсенид галлия
GaAs
Кристаллизация
из растворов
Гидротермальный
Газотранспорт
ные реакции
То же
Комбинир.метод
Чохральского
ВЧ нагрев
То же
Фосфид галлия
GaP
Молибдаты ред-Y2(MoO4)3
козем. элементов
Двуокись гафния HfO2
Вольфрамат
CaWO4
кальция
Метод Чохрал.,
зонная плавка
Кристаллизация
из расплавов
Метод Чохральского
Метод Чохральского
50
От 100 г до 10 кг,
цилинд.200x500мм
От 1 до 25 кг,
100x100x600
40x40x150
мм
30x200x150 мм
30x30x30 мм
20x30x100 мм
10x10x100 мм
40x100x100 мм
10x30x30 мм
Полупров.
приборы
Сцинтилляторы
Лазеры
электроника
Подложки
магн.плёнок
Пьезо-и
сегн.элеме
нты
нелинейная оптика
Оптич.
приборы
Стержни
20x20x100 мм
То же
10x10x100 мм
То же
Лазеры
То же
10x10x100 мм
То же
Лазеры
Нижняя размерная граница используемых для этого частиц определяется интенсивностью броуновского движения частиц размером меньше
нескольких нанометров, препятствующего стабилизации протяженных
упорядоченных структур; верхняя – малой подвижностью частиц микронного размера, препятствующей залечиванию дефектов структуры.
Основным методом получения коллоидных кристаллов являются
процессы самосборки полимерных или кремнеземных микросфер коллоидного размера при седиментации под действием силы тяжести,
вертикальном осаждении, электрофорезе, нанесении суспензий частиц на вращающуюся подложку и др.
Рис. 3.1. Схематическое изображение
трехслойного коллоидного кристалла на
поверхности электрода
Рис. 3.2. Схема получения (А) инвертированных фотонных кристаллов электрохимическим методом.
Морфология внешней поверхности (Б)
фотонных кристаллов со структурой инвертированного опала, отвечающая различным уровням среза
Основными типами упорядочения при самопроизвольном
упорядочении
являются
гранецентрированная
кубическая
и
гексагональная плотнейшая упаковки. Наряду с получением объемных
коллоидных кристаллов, возможно и получение двумерных (2D)
кристаллов (пленок) на различных поверхностях.
Особой разновидностью коллоидных кристаллов, связанной с основной областью их применения, являются фотонные кристаллы. Наиболее известными коллоидными кристаллами естественного происхо51
ждения являются опалы, в которых поровое пространство упорядоченного массива микросфер из кремнезема заполнено гидратированным
оксидом кремния. Коллоидные кристаллы образуются и в концентрированных суспензиях некоторых вирусов, представляющих из себя в
водной среде сферические частицы.
Наноструктурированные материалы и, в частности, фотонные
кристаллы удобны тем, что их оптические свойства определяются не
только и не столько показателями преломления веществ, из которых
они сделаны, а их структурой. Необходимые оптические свойства материала достигают теперь не путем подбора оптимального химического состава (как это было ранее), а путем создания геометрической или
фазовой структуры с характерным размером, не превышающим нескольких сотен нанометров.
Оптический композит (optical composit media) – среда, состоящая
из двух и более компонентов. Как правило, композит состоит из прозрачной среды (матрицы), в которой находятся частицы материала с
отличающимися от матрицы оптическими свойствами (рис. 3.3).
Рис. 3.3. Структура оптического композита
В качестве матрицы используются стекла, полимеры, жидкости.
Важным свойством композитов является возможность варьирования в широких пределах оптических свойств, как линейных, так и
нелинейных их составом и концентрацией. Это позволяет создавать
новые оптические материалы, свойства которых существенно отличаются от свойств, входящих в них компонентов.
Эффективная диэлектрическая проницаемость оптического композита зависит от оптических характеристик матрицы и входящих в
состав композита частиц. Cреда рассматривается в качестве однородной среды, когда размер частиц много меньше длины волны (можно
пренебречь светорассеянием) и расстояние между частицами в композите много больше их диаметра (в этом случае можно пренебречь
электромагнитным взаимодействием между частицами). Как правило,
52
в композитных средах используют наночастицы с диаметром d ~ 2 1 0 0 нм. В рамках этой модели эффективная диэлектрическая проницаемость среды может быть определена из уравнения:
1   eff
 2   eff
n
 1  n 
 0.
1  2 eff
 2  2 eff
Здесь  1 и  2 – диэлектрические проницаемости наночастиц и матрицы,  eff – эффективная диэлектрическая проницаемость композита соответственно; здесь n – объемная концентрация наночастиц. При наличии светорассеяния потери излучения в композитной среде зависят не
только от поглощения, но и от рассеяния.
Оптические свойства композитных сред с полупроводниковыми
наночастицами начали интенсивно исследоваться с середины 80-х гг.
XX века. Наиболее подробно исследованы нелинейно-оптические эффекты в средах, содержащих наночастицы (кластеры) халькогенидов
металлов (Zn, Cd, Pb). Это связано с тем, что подобные кластеры легко
синтезировать непосредственно в полимерных или в стеклянных матрицах. Достоинством таких композитных стекол и полимеров является
то, что из них могут быть изготовлены планарные или волоконные
волноводы для нелинейно-оптических устройств интегральной оптики.
Подробно изучены и широко используются стекла с нанокристаллами
галогенидов серебра и меди. Такие композитные среды обладают фотохромными свойствами – под воздействием яркого света они темнеют, а после прекращения воздействия света восстанавливают начальный коэффициент пропускания. К оптическим композитным средам
относится и стеклокерамика. Стеклокерамика представляет собой
композит, состоящий из нанокристаллов, окруженных стеклянной
матрицей. Такие материалы имеют высокое оптическое качество и
механическую прочность. При введении в нанокристаллы соответствующих примесей (например, ионов переходных или редкоземельных
металлов) можно создавать композитные среды, обладающие оптической нелинейностью или усилением.
В кластерах халькогенидов металлов при их размере менее 10 нм
(квантовые точки) возникают квантово-размерные эффекты, которые
приводят к «голубому» сдвигу фундаментальной полосы поглощения
и экситонных полос поглощения. Например, при уменьшении размера
кластера CdS от 10 до 2 нм ширина его запрещенной зоны увеличивается от 1 до 3 эВ. Это позволяет, изменяя размер кластеров в процессе
синтеза, управлять как линейными, так и нелинейными оптическими
свойствами среды в заданном спектральном интервале.
53
Стекла с квантовыми точками как нелинейно-оптические среды
обладают высоким быстродействием и малым временем восстановления начальных оптических характеристик после воздействия ~ 2025пс. Однако из-за малого времени межзонной рекомбинации (для
CdSxSel-x это время примерно равно 20 пс) энергетический порог возникновения нелинейно-оптического отклика относительно высокий 1 2 мДж/см2.
Спектральная область применения стекол с квантовыми точками
определяется спектральным положением полос поглощения (фундаментальной или экситонной), зависящем от материала и размера квантовых точек. Для квантовых точек CdS спектральный интервал применения 3 5 0 -5 0 0 нм, для CdS-Se – 550-600 нм, для CdTe – 5 8 0 -9 0 0 нм,
для PbS и PbSe – 1 -2 мкм. Такие среды обладают высокой нелинейной
восприимчивостью.
Нелинейно-оптические свойства композитов с металлическими
наночастицами. Оптические композиты с наночастицами металлов
являются перспективными нелинейно-оптическими средами для волноводных и интегрально-оптических переключателей. Это объясняется
высоким быстродействием таких сред, относительной простотой их
синтеза и возможностью варьировать их оптические свойства в широких пределах. Наиболее подробно исследованы оптические свойства
нанокластеров благородных металлов – Ag, Au, Pt, а также металлов с
высокой проводимостью – Cu и Al. В качестве прозрачных матриц для
них используются стекла и полимеры.
Особенностью оптических свойств металлических наночастиц
является возникновение плазмонных резонансов, обусловленных
взаимодействием электромагнитного излучения с плазмой свободных
электронов в металле. Данный эффект приводит к появлению полос
поглощения и рассеяния, связанных с плазмонными резонансами.
Спектральное положение этих резонансов зависит от материала наночастиц, их размера, формы и энергетического состояния свободных
электронов в наночастице. Так, для сферических наночастиц серебра
Ag полоса поглощения, связанная с плазмонным резонансом, расположена в спектральном интервале длин волн 390-420 нм, для Au – в
интервале 550-560 нм, для Cu – в интервале 600-700 нм. Для наночастиц, имеющих форму вытянутого сфероида, плазмонные резонансы
смещаются в сторону больших длин волн. Важным свойством плазмонных резонансов является локальное увеличение амплитуды поля
электромагнитной волны внутри и вблизи наночастицы (в десяткисотни раз по сравнению со средней амплитудой поля в среде). Это по54
зволяет уменьшить энергетический порог возникновения нелинейнооптического отклика.
Быстродействие нелинейно-оптических процессов в средах с наночастицами металлов определяется в основном временем электронэлектронной и электрон-фононной релаксаций свободных электронов.
Для объемных образцов Ag и Au время релаксации лежат в интервале
0,7-1 пс. Для наночастиц Ag время релаксации уменьшается до
40-50 фс. Это обеспечивает время нелинейного отклика сред с металлическими наночастицами в диапазоне 0,5-2 пс.
Таким образом, композитные среды на основе наночастиц полупроводников и металлов обладают пико- и фемтосекундным быстродействиями и высокой нелинейной восприимчивостью. Спектральная
область применения таких нелинейно-оптических сред   0,35-2 мкм.
Выводы:
 Монокристаллы являются наиболее совершенными материалами. Выбор вещества определяется окнами прозрачности каждой из сред.

В природе существует ограниченное (~3000) количество минералов,
являющихся монокристаллами, которые не представляют интерес для
промышленности. Искусственно выращиваются десятки тысяч кристаллов
неорганических веществ, из которых применяются несколько десятков.

Синтетические кристаллы – это кристаллы, выращенные искусственно в лабораторных или заводских условиях.

Органические кристаллы пока не нашли практического применения, но
являются наиболее перспективными материалами фотоники.

Коллоидный кристалл – пространственно упорядоченная система
близких по размеру объектов субмикронного размера, свойства которой
определяются не только размерами единичных элементов, но и особенностями их взаимного расположения.

Монокристаллический лейкосапфир (Al2O3) нашел основное применение в интегральных схемах микроволнового диапазона для изготовления
подложек.

Монокристаллический кремний (Si) широко применяется в интегральной оптике в качестве подложек, для изготовления оптических волноводов,
фотоприемников.

Арсенид галлия и тройные соединения на его основе (GaAs, GaAlAs и
др.) используются для изготовления источников излучения, фотоприемников и оптических переключателей.

Монокристаллы гадолиний галлиевого граната(Gd3Ga5O12), иттриево-железистого граната (Y3Fe5O12) используются в магнитооптике.
55

Нанокристалл – кристалл, размеры которого по одному или нескольким измерениям лежат в нанодиапазоне. В нанокристаллическом состоянии
вещества могут приобретать новые свойства, не присущие им при макроскопических размерах ввиду проявления квантовых эффектов, изменения
относительного вклада поверхностной энергии в общую энергию системы
и т.д.

Оптический композит состоит из прозрачной среды (матрицы), в
которой находятся частицы материала с отличающимися от матрицы
оптическими свойствами. В качестве матрицы используются стекла, полимеры, жидкости.

Из композитов могут быть изготовлены планарные или волоконные
волноводы для нелинейно-оптических устройств интегральной оптики.
Композитные среды с нанокристаллами галогенидов серебра и меди обладают фотохромными свойствами – под воздействием яркого света они
темнеют, а после прекращения воздействия света восстанавливают начальный коэффициент пропускания. При введении в нанокристаллы соответствующих примесей (например, ионов редкоземельных металлов) можно
создавать композитные среды, обладающие оптической нелинейностью
или усилением.

Оптические композиты являются перспективными материалами для
создания быстродействующих устройств управления излучением в интегрально-оптических системах, в том числе в оптических компьютерах.
Быстродействие оптических переключателей на основе композитов с металлическими наночастицами может достигать 50-100 фс, а энергия
управляющего светового сигнала – до 1 пДж.
Вопросы для самоконтроля:
1. Какие монокристаллы получили наибольшее распространение?
2. Каковы особенности нанокристаллов?
3. Что такое коллоидный кристалл?
4. Что представляет собой оптический композит?
5. Каковы преимущества композитов?
6. Где используются оптические композиты?
7. Чем определяется эффективная диэлектрическая проницаемость
оптического композита?
8. Каково быстродействие оптических переключателей на основе
оптических композитов?
56
1.4. Жидкие кристаллы
Термотропные жидкие кристаллы, лиотропные жидкие кристаллы,
нематики, смектики, холестерики
Жидкие кристаллы ЖК (liquid crystals) – вещества, обладающие
одновременно свойствами как жидкостей (текучесть), так и кристаллов (анизотропия вещества), переходящие при определенных условиях
(температура, давление, концентрация в растворе) в жидкокристаллическое состояние, которое является промежуточным между кристаллическим состоянием и жидкостью.
Рис. 1.4.1. Шлирен-текстура в нематических жидких кристаллах
Как и обычные жидкости, жидкие кристаллы (рис.1.4.1) обладают
текучестью, но при этом для них характерно спонтанное появление
анизотропии свойств (оптических, электрических, магнитных и др.)
при отсутствии трехмерного дальнего порядка в расположении частиц
(атомов, молекул). Поэтому жидкокристаллическое состояние часто
называется также мезоморфным (мезофазой). Молекулы жидкокристаллических соединений обладают стержнеобразной или дискообразной формой и имеют тенденцию располагаться преимущественно параллельно друг другу (рис. 1.4.2). По структуре ЖК представляют собой жидкости, похожие на желе, состоящие из молекул вытянутой
формы, определённым образом упорядоченных во всем объёме этой
жидкости. Наиболее характерным свойством ЖК является их способность изменять ориентацию молекул под воздействием температуры,
механических напряжений, напряженности электрического и магнитного полей, что открывает широкие возможности для применения их в
промышленности. По типу ЖК обычно разделяют на две большие
группы: нематики и смектики. В свою очередь нематики подразделяются на собственно нематические и холестерические жидкие кристаллы.
57
а
б
в
Рис. 1.4.2. Схематическое изображение структур жидких кристаллов
Группы жидких кристаллов:
1. Термотропные ЖК, образуются в результате нагревания
твердого вещества и существуют в определенном интервале температур и давлений.
2. Лиотропные ЖК представляют собой двух или более компонентные системы, образующиеся в смесях стержневидных молекул
данного вещества и воды (или других полярных растворителей). Эти
стержневидные молекулы имеют на одном конце полярную группу, а
большая часть стержня представляет собой гибкую гидрофобную углеводородную цепь. Такие вещества называются амфифилами (амфи –
по-гречески означает с двух концов, филос – любящий, благорасположенный). Примером амфифилов могут служить фосфолипиды.
Амфифильные молекулы, как правило, плохо растворяются в воде, склонны образовывать агрегаты таким образом, что их полярные
группы на границе раздела фаз направлены к жидкой фазе. При низких
температурах смешивание жидкого амфифила с водой приводит к расслоению системы на две фазы. Одним из вариантов амфифилов со
сложной структурой может служить система мыло-вода. Здесь имеется
алифатический анион СН3-(СН2)m-2-СО2− (где m ~ 12-20) и положительный ион Nа+, К+, NН4+ и др. Полярная группа СО 2− стремится к
тесному контакту с молекулами воды, тогда как неполярная группа
(амфифильная цепь) избегает контакта с водой. Это явление типично
для амфифилов. Термотропные ЖК подразделяются на три больших
класса:
1. Нематические жидкие кристаллы. В этих кристаллах отсутствует дальний порядок в расположении центров тяжести молекул,
у них нет слоистой структуры, их молекулы скользят непрерывно в
направлении своих длинных осей, вращаясь вокруг них, но при этом
сохраняют ориентационный порядок (рис. 4.2 в): длинные оси направлены вдоль одного преимущественного направления. Они ведут себя
подобно обычным жидкостям. Нематические фазы встречаются только
в таких веществах, у молекул которых нет различия между правой и
58
левой формами, их молекулы тождественны своему зеркальному изображению (ахиральны).
2. Смектические жидкие кристаллы имеют слоистую структуру, слои могут перемещаться друг относительно друга (рис. 4.2 а,б).
Толщина смектического слоя определяется длиной молекул (преимущественно, длиной парафинового «хвоста»), однако вязкость смектиков значительно выше, чем у нематиков и плотность по нормали к поверхности слоя может сильно меняться. Типичным является парабутиланилин.
3. Холестерические жидкие кристаллы образуются, в основном, соединениями холестерина и других стероидов. Это нематические
ЖК, но их длинные оси повернуты друг относительно друга так, что
они образуют спирали, очень чувствительные к изменению температуры вследствие чрезвычайно малой энергии образования этой структуры (порядка 0,01 Дж/моль). Холестерики ярко окрашены и малейшее
изменение температуры (до тысячных долей градуса) приводит к изменению шага спирали и, соответственно, изменению окраски ЖК
(рис. 4.3).
Во всех приведенных типах ЖК характерным является ориентация дипольных молекул в определенном направлении, которое определяется единичным вектором – называемым «директором».
Рис. 1.4.3. Схематическое изображение холестерического кристалла
Нематики и смектики – оптически одноосные кристаллы.
Холестерики вследствие периодического строения сильно отражают свет в видимой области спектра. Поскольку в нематиках и
холестериках носителями свойств является жидкая фаза, то она легко деформируется под влиянием внешнего воздействия, а так как шаг
спирали в холестериках очень чувствителен к температуре, то, сле59
довательно, и отражение света резко меняется с температурой,
приводя к изменению цвета вещества.
Электрооптические свойства нематических ЖК широко используют в системах обработки и отображения информации, в буквенноцифровых индикаторах (электронные часы, микрокалькуляторы, дисплеи и т.п.), оптических затворах и других светоклапанных устройствах. Преимущества этих приборов – низкая потребляемая мощность
(порядка 0,1 мВт/см2), низкое напряжение питания (порядка нескольких В), что позволяет обеспечить миниатюризацию индикаторных
приборов (плоские телевизизионные экраны). Спиральная структура
холестериков определяет их высокую оптическую активность (которая
на несколько порядков выше, чем у обычных органических жидкостей
и твердых кристаллов) и способность селективно отражать циркулярно
поляризованный свет видимого, ИК и УФ диапазонов. При изменении
температуры, состава среды, напряженности электромагнитного поля
изменяется шаг спирали, что сопровождается изменением оптических
свойств, в частности цвета. Это позволяет измерять температуру тела
по изменению цвета ЖК, контактирующего с поверхностью тела.
Жидкокристаллическая термография используется в технике для визуализации ИК, СВЧ излучений, в качестве неразрушающих методов
контроля. Особое место среди жидкокристаллических веществ занимают полимеры. Термотропные полимерные ЖК получают "химическим включением" мезогенных групп в состав линейных и гребнеобразных макромолекул. Это позволяет не только значительно увеличить
количество ЖК, но и существенно расширить общие представления о
природе ЖК состояния. На основе полимеров можно получать жидкокристаллические стекла, пленки, волокна и покрытия с заданными
анизотропными свойствами. Мезогенные группы макромолекул легко
ориентируются в мезофазе под действием внешних полей (механических, электрических, магнитных), а при последующем охлаждении
полимера ниже температуры стеклования полученная анизотропная
структура фиксируется в твердом состоянии.
Применение жидких кристаллов
Одно из важных направлений использования жидких кристаллов
– термография. Подбирая состав жидкокристаллического вещества,
создают индикаторы для разных диапазонов температуры и для различных конструкций. Например, жидкие кристаллы в виде плёнки наносят на транзисторы, интегральные схемы и печатные платы электронных схем. Неисправные элементы – сильно нагретые или холодные, неработающие – заметны по ярким цветовым пятнам. Новые воз60
можности получили врачи: жидкокристаллический индикатор на коже
больного быстро диагностирует скрытое воспаление. С помощью жидких кристаллов обнаруживают пары вредных химических соединений
и опасные для здоровья человека гамма- и ультрафиолетовое излучения. На основе жидких кристаллов созданы измерители давления, детекторы ультразвука.
Выводы:

Жидкие кристаллы – вещества, обладающие одновременно свойствами, как жидкостей, так и кристаллов, переходящие при определенных условиях (температура, давление, концентрация в растворе) в жидкокристаллическое состояние, которое является промежуточным между кристаллическим состоянием и жидкостью.

Термотропные ЖК образуются в результате нагревания твердого
вещества и существуют в определенном интервале температур и давлений.

Лиотропные ЖК представляют собой двух или более компонентные
системы, образующиеся в смесях стержневидных молекул данного вещества и воды (или других полярных растворителей).

У ЖК необычные оптические свойства. Нематики и смектики – оптически одноосные кристаллы. Холестерики вследствие периодического
строения сильно отражают свет в видимой области спектра. Поскольку в
нематиках и холестериках носителями свойств является жидкая фаза, то
она легко деформируется под влиянием внешнего воздействия, а так как
шаг спирали в холестериках очень чувствителен к температуре, то, следовательно, и отражение света резко меняется с температурой, приводя к
изменению цвета вещества.
Вопросы для самоконтроля:
1.
Что такое жидкие кристаллы?
2.
Типы жидких кристаллов.
3.
Оптические свойства жидких кристаллов.
4.
Области применения жидких кристаллов.
5.
Термотропные и лиотропные жидкие кристаллы.
61
1.5. Метаматериалы, фотонные кристаллы
Одномерные, двухмерные, трехмерные и четырехмерные ФК, Фотонно-кристаллические проводники, изоляторы, полупроводники и сверхпроводники, магнитные ФК
Метаматериал (metamaterial) – искусственный композитный
структурированный материал, электромагнитные свойства которого существенно отличаются от свойств компонентов, входящих в
его состав, и определяется структурой компонентов, упорядоченных
особым образом.
Метаматериалы выделены в отдельный класс материалов, так
как их свойства зависят от структуры компонентов, упорядоченных
особым образом, и могут кардинально отличаться от свойств составляющих их компонентов. Существуют метаматериалы, многократно
увеличивающие электрическую проницаемость и магнитную восприимчивость; метаматериалы, эффективность нелинейных эффектов в
которых увеличивается на много порядков по сравнению с обычными
веществами (эффективность гигантского комбинационного рассеяние
может возрастать в 106 раз по сравнению с вынужденным комбинационным рассеянием в компонентах, на порядки увеличивается эффективность генерации второй и третьей гармоник). Настоящую революцию произвели работы, показавшие возможность создания метаматериалов со свойствами, которые не встречаются в природных материалах. Термин «метаматериалы» особенно часто применяют по отношению именно к таким материалам. Один из наиболее известных классов
метаматериалов – метаматериалы с отрицательным коэффициентом
преломления. В таких материалах одновременно   0 и   0 и многие
оптические свойства существенно отличаются от свойств традиционных материалов. В природе материалы с такими свойствами не известны, а экспериментально вещества с отрицательным показателем преломления были созданы в 1999 году в радиодиапазоне электромагнитных волн. Ведутся работы по созданию метаматериалов с отрицательным показателем преломления в оптическом диапазоне. В таких наноструктурированных металлодиэлектрических метаматериалах поддерживаются поверхностные плазмон-поляритоны, т.е. поверхностные
электромагнитные волны с высокой степенью локализации вблизи
границ раздела при одновременном существовании обратных волн в
объеме материалов. Оптический отклик металлодиэлектрических метаматериалов является сильно нелокальным и диссипативным.
62
Рис. 1.5.1. Метаматериал с отрицательным показателем преломления
для микроволнового излучения.
www.nanometer.ru
Рис.1. 5.2. Куб метаматериала трехмерная матрица, образованная
медными проводниками и кольцами
с разрезом. Для микроволн с частотами ~10 ГГц среда имеет отрицательный показатель преломления.
Шаг решетки – 2,68 мм.
www.sciam.ru
Рис. 1.5.3. Метаматериал представляет
собой сандвич из двух листов серебра,
разделенных тонким слоем окиси алюминия. В нём прорезаны отверстия поперечником около 120 нм, лежащие на
расстоянии 300 нм. Эта дырчатая
структура имеет n = 1,1 в инфракрасном
диапазоне (  = 818-799 нм). Источник:
www.elementy.ru
Рис.1.5.4. Схема многослойной структуры, состоящей из Al2O3 слой диэлектрика между двумя пленками Au перфорированными в квадратном массиве
отверстий (838 нм шаг; 360 нм в диаметре) на вершине стеклянной подложки. Показаны области проникновения
электрической компоненты поля (темные области) и магнитной компоненты
поля (заштрихованные области)
Фотонные кристаллы
Термин Photonic Crystals был введён для обозначения оптического аналога полупроводников. Термин применяется и в других частотных диапазонах, в частности, в микроволновом диапазоне.
Начало эпохи фотонных кристаллов связывают с открытием двух
важных следствий, вытекающих из наличия щели в спектре фотонов.
63
1. В области полной фотонной запрещенной зоны невозможно
спонтанное излучение, для которого требуется наличие собственных
состояний в спектре (плотности состояний) излучаемых фотонов. В
частности, электронно-дырочная рекомбинация должна полностью
подавляться, если частота оптического перехода попадает в фотонную
запрещенную зону образца.
2. Фотоны могут локализоваться на диэлектрических дефектах
фотонного кристалла, приводя к образованию необычных фотонных
состояний, включая связанные атомно-фотонные состояния.
Фотонный кристалл (photonic crystal) – материал, структура
которого характеризуется периодическим изменением показателя
преломления в 1, 2 или 3 пространственных направлениях в масштабах, сопоставимых с длинами волн излучений в видимом и ближнем
инфракрасном диапазонах. Фотонными кристаллами также принято
называть среды, у которых диэлектрическая проницаемость периодически меняется в пространстве с периодом, допускающим брэгговскую дифракцию света (сверхрешетки). Благодаря этому в кристалле
фотон оказывается примерно в тех же условиях, что и электрон в полупроводнике, а соответственно, формируются "разрешённые" и "запрещённые" фотонные зоны (Photonic Band Gap), так что кристалл
блокирует свет с длиной волны, соответствующей запрещённой фотонной зоне, в то время как свет с другими длинами волн будет распространяться беспрепятственно.
Термин «оптические среды с периодическими неоднородностями структуры» по сути, совпадает с определением кристалла, так как
кристалл – это структура с периодическими неоднородностями. Термин «фотонный кристалл» – один из тех случаев, когда длинное, неудобное, но точное определение структур заменяется приблизительным, но коротким, ясным и практичным. Наибольший практический
интерес представляют фотонные кристаллы, для которых PBG лежит в
видимой (λ ≈ 400-700 нм) или в ближней инфракрасной (λ = 1-1,5 мкм)
областях диапазона ЭМВ. Большинство полученных в настоящее время фотонных кристаллов имеют плотную гексагональную или кубическую шаровую упаковку, однако значительно больший интерес представляют фотонные кристаллы со структурой алмаза, синтез которых,
однако, представляет собой более сложную технологическую задачу.
Исторически теория рассеяния фотонов на трехмерных решетках
начала интенсивно развиваться с области длин волн  ~ 0,01-1 нм (лежащих в рентгеновском диапазоне, где узлами фотонного кристалла
являются сами атомы). В микроволновом диапазоне (СВЧ) кристаллические решетки для фотонов можно в буквальном смысле слова соби64
рать из объектов макроскопического размера, например – проволочек
и шариков: первый фотонный кристалл был создан в 1990 году для
СВЧ-диапазона фрезеровкой куска пластмассы размером в несколько
сантиметров (к тому же классу физических объектов можно отнести
фазированные антенные решетки). Ранее эти объекты уже были известны и рассматривались как искусственные диэлектрики, как элементы периодических структур в замедляющих системах СВЧ техники.
Классификация фотонных кристаллов
Фотонные кристаллы по характеру изменения коэффициента
преломления можно разделить на четыре основных класса: одномерные, двухмерные, трехмерные и четырехмерные ФК. Фотонные кристаллы – это периодические диэлектрические или металлодиэлектрические материалы, которые воздействуют на распространяющиеся через них световые волны таким же образом, как и периодический потенциал в кристаллах влияет на движение электронов, приводя к образованию разрешенных и запрещенных энергетических зон. Поскольку
в основе идеи фотонного кристалла лежат явления дифракции и интерференции, то период структуры фотонного кристалла должен быть
порядка длины волны электромагнитного излучения в веществе, т. е.
около 300 нм для работы в диапазоне видимого света.
а)
б)
в)
Рис. 1.5.5. Дифракция лучей света на периодических структурах ФК
различной размерности
Трехмерный случай (рис.1.5.5 а) принципиально отличается от
одномерного (в) и двумерного (б) тем, что условие максимума интерференции для данной длины волны света может оказаться невыполнимым ни для одного из направлений в пространстве. Распространение
фотонов с такими длинами волн в трехмерном кристалле невозможно,
соответствующие им энергии образуют запрещенные фотонные зоны.
На рис.1.5.5 схематично показано явление дифракции лучей света на
65
периодических структурах различной размерности. При рассеянии
фотонов на 1D- и 2D-структурах всегда находятся такие направления
распространения дифрагировавших лучей, для которых выполняется
условие максимума интерференции. Для одномерного кристалла – нити (в), такие направления образуют конические поверхности, а в двумерном случае (б) – совокупность отдельных, изолированных друг от
друга лучей.
Примером одномерных фотонных кристаллов служит многослойная структура из чередующихся слоев прозрачных веществ с двумя различными показателями преломления (рис.1.5.6 а). Система параллельных отверстий в диэлектрическом слое формирует двумерный
фотонный кристалл (рис. 1.5.6 б), а плотно упакованные наносферы
кварца представляют собой трехмерный фотонный кристалл
(рис. 1.5.6 в).
Рис. 1.5.6. Одномерный, двумерный и трехмерный фотонные кристаллы
Одномерные фотонные кристаллы – (1D ФК) представляют собой многослойную структуру из чередующихся слоев с разными показателями преломления, хорошо известную также при некоторых соотношениях параметров как сверхрешетки.
В физике задолго до появления термина «фотонный кристалл»
было хорошо известно, что в таких периодических структурах характер распространения световых волн определяется явлениями интерференции и дифракции. Например, многослойные отражающие покрытия
давно и широко используются для изготовления диэлектрических зеркал и пленочных интерференционных фильтров. Также широко используются объемные брэгговские решетки в качестве спектральных
селекторов и фильтров. После того, как стал широко употребляться
термин ФК, такие слоистые среды стали относить к классу одномерных фотонных кристаллов. При перпендикулярном падении света
спектральная зависимость коэффициента отражения от многослойных
покрытий представляет собой так называемый «брэгговский столик» –
на определенных длинах волн коэффициент отражения быстро при66
ближается к единице при увеличении числа слоев. Световые волны,
попадающие в спектральный диапазон запредельных частот, практически полностью отражаются от периодической структуры. По терминологии ФК эта область длин волн и соответствующая ей область значений энергий фотона или энергетическая зона является запрещенной
для световых волн, распространяющихся перпендикулярно слоям.
Рис. 1.5.7. Запрещенная зона (R=1) одномерного фотонного кристалла,
образованного периодическими четвертьволновыми слоями GaAs/AlxOy
В качестве другого хорошо известного примера 1D-фотонных
структур можно упомянуть полупроводниковые лазеры с распределенной обратной связью, а также оптические волноводы с периодической продольной модуляцией физических параметров (профиля или
коэффициента преломления).
Двухмерные фотонные кристаллы – (2D ФК), планарный, (пленочный) фотонный кристалл (photonic crystal) – двухмерный фотонный кристалл на основе планарного оптического волновода, структура которого характеризуется периодическим изменением показателя
преломления в двух направлениях в плоскости волновода. Существенно больший прогресс достигнут на пути практического применения
двухмерных фотонных кристаллов, которые используются обычно в
виде планарных (пленочных) ФК или в виде фотонно-кристаллических
волокон (ФКВ).
Рис. 1.5.8. Структура фотонных двумерных кристаллов
67
Как правило, они представляют собой расположенную на подложке пленку полупроводника или диэлектрика с сеткой периодически
расположенных отверстий, заполненных воздухом или другим полупроводниковым или диэлектрическим материалом.
В планарных ФК диэлектрическая пленка выполняет роль планарного волновода, локализуя световые волны в перпендикулярном
плоскости пленки направлении. При помощи двумерной структуры
можно управлять распространением световых волн в плоскости пленки: линейный дефект становится волноводом, а точечный дефект –
резонатором. Важно отметить, что периодические структуры в плоскости пленки не только позволяют каналировать световое излучение, но
также позволяют обеспечить эффективное управление дисперсионными, нелинейными, электрооптическими и акустооптическими свойствами волноводов. При производстве планарных ФК используются модификации хорошо разработанных технологий, применяемых при изготовлении фотонных интегральных схем, что облегчает объединение
таких 2D ФК устройств с элементами ФИС и волоконной оптики. В
частности, в планарных ФК с фотонными запрещенными зонами можно создавать оптические волноводы, резонаторы, поляризаторы, спектральные фильтры и мультиплексоры, лазеры, оптические усилители,
преобразователи длины волны, оптические процессоры и другие оптические устройства.
Планарные ФК являются новым и существенным шагом в развитии технологий создания фотонных интегральных схем, поскольку они
позволяют реализовать большое число оптических устройств на одном
кристалле. Существенно расширяются функциональные возможности
планарных ФК при использовании фотонно-кристаллических гетероструктур (ФКГ), которые позволяют создавать канальные волноводы,
высокодобротные резонаторы, селекторы, мультиплексоры, поляризаторы.
Фотонно-кристаллическая гетероструктура (photonic crystal
heterostructure) – структура, содержащая не менее двух фотонных кристаллов с различными фотонными запрещенными зонами, находящихся в оптическом контакте.
Фотонно-кристаллические гетероструктуры (ФКГ) формируют
из двух находящихся в контакте фотонных кристаллов, отличающихся
либо показателями преломления компонентов, либо геометрией фотонной кристаллической решетки. С использованием ФКГ созданы
волноводы с малыми потерями, резонаторы с рекордными добротностями, высокоэффективные фильтры, частотные селекторы, поляризационные делители.
68
В наибольшей степени исследованы ФКГ в планарных фотонных
кристаллах (ФК). Они состоят из находящихся в оптическом контакте
планарных ФК, постоянные решетки которых незначительно отличаются друг от друга. Типичная разница в постоянных кристаллических
решеток ФК лежит в диапазоне единиц нанометров. Поскольку при
изменении периода решетки изменяется положение и ширина запрещенной зоны, появляются новые возможности для управления фотонами. В частности, волноводы и резонаторы создаются из прозрачного
на рабочей длине волны ФК, окруженного другим ФК с запрещенной
зоной на рабочей длине волны.
Рис. 1.5.9. Структура двухмерного (слева) и трехмерного (справа) ФК.
Источник: Lightwave russian edition, 2004, №3, с.51
Исследователи из Sandia National Laboratories с помощью оптической литографии создали структуру, которую назвали дровяной поленницей (рис. 5.10). Цели получения фотонных кристаллов – это создание элементной базы микромощных лазеров, оптических компьютеров и устройств средств связи.
Рис. 1.5.10. Трехмерный ФК типа дровяной поленницы
Фотонный кристалл может быть создан прямоугольными (или другой формы)
областями с коэффициентом преломления
n1, которые находятся в среде с коэффициентом преломления n2. При этом области с коэффициентом преломления n1 упорядочены в двумерной кубической решетке. Такие структуры могут проявлять свои свойства в двух пространственных направлениях и форма областей с коэффициентом преломления n1 не ограничивается прямоугольниками, как на рисунке, а может быть любой формы
69
(окружности, эллипсы и др.). Кристаллическая решётка, в которой
упорядочены эти области, также может быть не только кубической как
на приведённом рисунке. Фотонные кристаллы «обычной» пространственной размерности – одномерные дифракционные решетки (1D),
двумерные матрицы неоднородностей – слои (2D) и, собственно,
трехмерные кристаллы – в настоящее время рассматриваются статичными, хотя и предоставляют разработчикам огромное разнообразие
эффектов и свойств.
Другим классом 2D ФК являются фотонно-кристаллические волокна (ФКВ) – представляют собой двумерную структуру с дефектом в
центральной части, вытянутую в перпендикулярном направлении.
Трехмерные фотонные кристаллы 3D ФК – фотонные кристаллы, у которых наиболее яркой чертой является существование с
достаточно большим контрастом показателей преломления компонентов определенных областей спектра, получивших название полных
фотонных запрещенных зон (ФЗЗ): существование излучения с энергией фотонов принадлежащей ФЗЗ в таких кристаллах невозможно.
В частности, излучение, спектр которого принадлежит ФЗЗ, извне в ФК не проникает, существовать в нем не может и полностью отражается от границы. Запрет нарушается только при наличии дефектов
структуры или при ограниченных размерах ФК. При этом целенаправленно созданные линейные дефекты являются волноводами с малыми
изгибными потерями (до микронных радиусов кривизны), точечные
дефекты – миниатюрными резонаторами. Практическая реализация
потенциальных возможностей 3D ФК, основанных на широких возможностях управления характеристиками световых (фотонных) пучков
только начинается. Она затруднена отсутствием эффективных методов
создания 3D ФК высокого качества, способов целенаправленного формирования в них локальных неоднородностей, линейных и точечных
дефектов, а также методов сопряжения с другими фотонными и электронными устройствами. Такие фотонные кристаллы могут проявлять
свои свойства в трёх пространственных направлениях и можно их
представить как массив объёмных областей (сфер, кубов и т. д.), упорядоченных в трёхмерной кристаллической решётке. Обычные штриховые дифракционные решетки – это тоже пример 1D-фотонных
структур: по аналогии с ними фотонные кристаллы называют иногда
трехмерными дифракционными решетками. Распространение излучения в таких решетках определяется условием максимума интерференции света, рассеянного на узлах, и зависит от угла между направлением волнового вектора и осями дифракционной решетки – фотонного
кристалла.
70
Одними из первых материалов, которые стали рассматриваться в
качестве фотонных кристаллов, были синтетические опалы. Также как
и аналогичные драгоценные камни природного происхождения, эти
искусственные материалы образованы монодисперсными сферическими частицами SiO2, упакованными в шаровой упаковке. Синтетические
опалы образованы плотно упакованными шарами аморфного SiO2 и
имеют кристаллическую решетку фрактального типа. Шары первого

порядка диаметром 2000-2500 А образованы плотноупакованными

шарами второго порядка диаметром 300-400 А , которые в свою оче
редь, образованы шарами третьего порядка диаметром 100 А . В решетке имеются пустоты трех порядков до 26% общего объема. Это
позволяет изменять оптический контраст путем введения наполнителей в поры. Полученные при этом композиты называются прямыми
опалами. Еще большее увеличение контраста достигается инвертированием опала – это удаление SiO2 вытравливанием из композита.
Именно периодичность структуры опала в масштабе, сопоставимой с
длиной волны видимого света и является причиной иризации – необычной игры света, связанной с дифракцией, благодаря которой этот
драгоценный камень и получил такую популярность. Иризация опалов
является видимым проявлением наличия в них фотонных запрещенных зон. Несмотря на то, что проведенные в ранних работах оптические измерения действительно продемонстрировали фотонный характер спектров пропускания природных и синтетических опалов в видимом диапазоне, было установлено, что они не обладают полным PBG,
что связано с малым отношением коэффициентов преломления
аморфного SiO2 и воздуха (~ 1,45). Тем не менее, эти материалы представляют интерес в качестве модельных объектов для исследования
оптических свойств фотонных кристаллов. Кроме того, синтетические
опалы могут использоваться в качестве темплатов для создания “обратных” структур на основе веществ с более высокими показателями
преломления, чем у кремния SiO2.
Применение динамических неоднородностей, «уложенных» в
структуру кристалла, позволяет добавить еще одну размерность – время. При этом мы расширяем понятие кристалла как периодической в
пространстве структуры, вводя периодичность во времени.
Четырехмерные фотонные кристаллы, 4D ФК – структура, где
четвертым измерением является время. Расчет динамики таких
структур сложен, однако их потенциальные возможности богаче трехмерных.
71
Для иллюстрации некоторых свойств 4D-фотонных кристаллов
можно привести следующий пример. Обычная толстослойная (объемная, 3D) голограмма представляет собой пространственное распределение оптических неоднородностей и является статической моделью
пространственной передаточной функции объекта съемки. Дополнив
пространственное распределение неоднородностей временным распределением (другими словами, задавая закон изменения во времени
оптических свойств элементов фотонного кристалла), мы получим
среду для фиксации полной пространственно-временной передаточной функции объекта.
Кроме того, поведение во времени оптических свойств элементов фотонного кристалла может зависеть от пространственного распределения электромагнитного поля (света) в нем, что, вообще говоря,
привносит взаимовлияние пространственных и временных процессов в
кристалле. В фотонных кристаллах, зачастую являющихся существенно нелинейными оптическими средами, способны возникать явления
самоорганизации структурных неоднородностей, обычно описываемые
в терминах теории диссипативных структур или динамического хаоса.
С учетом сказанного выше, эти процессы могут означать принципиальную возможность функциональной самоорганизации кристалла как
устройства.
В 4D ФК по причине сильно неравновесных процессов релаксации
оптически возбужденных атомов возникают эффекты фотонного
эха. При этом оптическая среда оказывается способной запоминать
пространственную структуру и поведение во времени падающего на
нее волнового фронта, а при переходе к равновесному хаотическому
состоянию – воспроизводить запомненное, имитируя обращение
«стрелы времени» (вектора причинно-следственных отношений).
Фотонные кристаллы можно разделить на проводники, изоляторы, полупроводники и сверхпроводники, магнетики.
ФК проводники обладают широкими разрешенными зонами. Это
прозрачные тела, в которых свет пробегает большое расстояние с малыми потерями энергии.
ФК изоляторы (диэлектрики) обладают широкими запрещенными зонами. Такому условию удовлетворяют, например, широкодиапазонные многослойные диэлектрические зеркала. В отличие от обычных непрозрачных сред, в которых свет быстро затухает, превращаясь
в тепло, фотонные изоляторы свет не поглощают (практически идеальные зеркала).
Фотонные полупроводники обладают более узкими по сравнению с изоляторами запрещенными зонами. ФК полупроводники удоб72
ны для организации управления световыми потоками, способные, например, выборочно отражать фотоны определённой длины волны. Это
можно делать, например, влияя на положение и ширину запрещенной
зоны. Поэтому фотонные кристаллы представляют огромный интерес
для построения лазеров нового типа, оптических компьютеров, хранения и передачи информации.
ФК сверхпроводники – фотонные кристаллы, в которых фотоны способны распространяться практически на неограниченные расстояния благодаря коллективным явлениям.
Различают резонансные и нерезонансные фотонные кристаллы. У
резонансных ФК используются материалы, у которых диэлектрическая
проницаемость (или коэффициент преломления) как функция частоты
имеет полюс на некоторой резонансной частоте.
Наличие ещё двух измерений приводит к тому, что для воплощения в действительность рассмотренных физических идей необходимо преодолеть некоторые сложности. Они связаны с тем, что, вопервых, свойства кристаллов вдоль различных направлений могут существенно различаться (например, положение полосы отражения брэгговского отражателя зависит от угла падения света), а во-вторых, с
тем, что результат взаимодействия света с границами раздела двух
сред зависит от взаимной ориентации границы раздела и векторов
электрического и магнитного поля световой волны (примером чего
является эффект Брюстера). На практике это означает, что добиться
ситуации, при которой фотонные запрещенные зоны для разных поляризаций света перекрываются для всех направлений в фотонном кристалле достаточно сложно.
Магнитные фотонные кристаллы
Если наноструктурированный материал содержит магнитные
вещества, то можно ожидать, что в нем будут наблюдаться магнитооптические эффекты, аналогичные тем, что возникают в обычных однородных средах.
Рис. 1.5.11. Структура магнитных фотонных кристаллов
73
Идея использовать для управления света в фотонном кристалле
магнитные вещества впервые была предложена в конце 90-х годов минувшего столетия японскими учеными. Они рассмотрели эффект Фарадея в одномерных фотонных кристаллах, представляющих собой
многослойные пленки из хаотично чередующихся слоев висмутзамещенного иттриевого феррита-граната и кварца. Для определенных
частот излучения при оптимально подобранных параметрах структуры
было обнаружено увеличение эффекта Фарадея более чем в 300 раз по
сравнению с аналогичной однородной средой.
На примере одномерного случая можно выделить несколько разновидностей магнитных фотонных кристаллов. Прежде всего, это
стандартные системы, состоящие из чередующихся четвертьволновых
(толщина равна одной четвертой длины волны света в веществе) магнитных (например, церий-замещенный иттриевый феррит-гранат) и
немагнитных (например, гадолиний-галлиевый гранат) слоев. Такие
фотонные кристаллы обладают запрещенной зоной с центром на проектировочной длине волны, т. е. не пропускают свет с длиной волны в
некоторой области вокруг данной. Под проектировочной длиной волны подразумевают длину волны света вне кристалла, при которой в
каждом из его слоев укладывается одна четвертая длины волны.
На рис. 5.12 а, б показаны зависимости коэффициента пропускания и
угла Фарадея для одномерного фотонного кристалла, настроенного на
ближний инфракрасный диапазон (проектировочная длина волны
1,55 мкм). Усиление эффекта Фарадея возникает на границе запрещенной зоны, в районе длин волн 1,49 мкм и 1,61 мкм.
Важной особенностью резонансов на граничных частотах является то, что максимумы прохождения и фарадеевского вращения практически совпадают. Это позволяет использовать фотонные кристаллы
в качестве элементов, вращающих плоскость поляризации на большие
углы. Оптимальный подбор магнитных материалов, их геометрических
размеров и расположения позволит создать новое поколение оптических устройств, управляемых магнитными полями, как для инфракрасного, так и для видимого диапазона света.
В одномерных магнитных фотонных кристаллах можно создать
структурные дефекты – несколько раз инвертировать порядок следования слоев и тем самым получить один или несколько слоев с удвоенной толщиной. Наличие таких дефектов приводит к появлению в
фотонной запрещенной зоне узких резонансных уровней, на частотах
которых прохождение света близко к стопроцентному (рис. 5.12 в).
Вместе с тем резко возрастает и эффект Фарадея (рис. 5.12 г). Удается
получить пик пропускания нужной ширины и большой угол Фарадея.
74
На длинах волн ближнего инфракрасного диапазона с помощью таких
фотонных материалов удается получить угол поворота поляризации
света на 450 на расстоянии 1,5 мкм, в то время как для той же однородной среды указанный угол поворота достигается на расстоянии,
в 150 раз большем.
Рис. 1.5.12. Оптические свойства в ближнем инфракрасном диапазоне одномерного фотонного кристалла, состоящего из 30 пар магнитного и немагнитного слоев с идеальной периодичностью (а, б) и со структурным дефектом
(в, г)
Усиление эффекта Фарадея в фотонных кристаллах впервые было экспериментально продемонстрировано на структуре магнитного
микрорезонатора – внутрь немагнитного резонатора помещают слой
магнитного материала. Изготовить такую систему проще, чем предыдущие разновидности магнитных фотонных кристаллов. В последние
несколько лет начали исследовать и многомерные магнитные фотонные кристаллы. Недавно даже было введено специальное название для
этого направления исследований – магнитофотоника.
В большинстве случаев экспериментальной реализации магнитные фотонные кристаллы представляют собой коллоидные растворы
упорядоченных частиц сферической или цилиндрической формы. Например, созданы двумерные коллоидные фотонные кристаллы, состоящие из стеклянных волокон, покрытых никелем. Резкое увеличение эффекта Фарадея было зафиксировано в трехмерных коллоидных
кристаллах из кварцевых сфер, промежутки между которыми заполне75
ны магнитной жидкостью насыщенного раствора нитрата диспрозия в
глицерине.
Требования, предъявляемые к фотонным кристаллам:
- отношение коэффициентов преломления фазовых пространств
фотонного кристалла должно быть достаточно большим (n 2/n1 ≥ 3),
- области как с высоким, так и с низким коэффициентами преломления должны быть топологически связаны.
Для практического использования фотонных кристаллов требуется топологическая упорядоченность на достаточно протяженном
линейном размере, сопоставимом с размерами фотонного оптического
устройства, а также низкий уровень дефектности структуры материала.
Перспективы применения ФК
С фотонными кристаллами связывают будущее современной
электроники. Фотонные кристаллы предполагается использовать для
создания оптических интегральных схем так же, как обычные полупроводники, металлы и диэлектрики используются для создания электронных интегральных схем. Предполагается, что:
 Лазеры с фотонными кристаллами позволят получить лазерную генерацию, так называемые низкопороговые и беспороговые лазеры.
 Волноводы, основанные на фотонных кристаллах, могут быть очень
компактными и обладать малыми потерями на микронных радиусах
изгиба.
 С помощью фотонных кристаллов можно будет создавать среды с
отрицательным показателем преломления, что даст возможность фокусировать свет в точку размерами меньше длины волны
(«суперлинзы»).
 Фотонные кристаллы обладают существенными дисперсионными
свойствами (их свойства зависят от длины волны проходящего через
них излучения), это даст возможность создать суперпризмы.
 На основе ФК возможно создание сверхярких светодиодов с управляемым спектром излучения. Возможно создание дисплеев на основе
фотонных кристаллов. Фотонные кристаллы будут осуществлять манипуляцию цветом. Уже разработан гнущийся крупноформатный дисплей на фотонных кристаллах с высоким спектральным диапазоном –
от инфракрасного излучения до ультрафиолетового, в котором каждый
пиксель представляет собой фотонный кристалл – массив кремневых
микросфер, располагающихся в пространстве строго определенным
образом.
 Благодаря упорядоченному характеру явления удержания фотонов в
фотонном кристалле, на основе этих сред возможно построение оптических запоминающих устройств и логических устройств.
76
 Фотонные сверхпроводники проявляют свои сверхпроводящие свойства при определённых температурах и могут быть использованы в
качестве полностью оптических датчиков температуры; способны работать с большими частотами, и совмещаются с фотонными изоляторами и полупроводниками.
 Фотонные интегральные схемы с высокой степенью интеграции на
основе планарных ФК; миниатюрные спектральные фильтры, в том
числе перестраиваемые, устройства обработки оптических сигналов.
 Средства доставки мощного лазерного излучения на основе ФКВ с
полой сердцевиной.
 Наиболее заманчивое, но и наиболее трудное в реализации применение трехмерных ФК – создание сверхбольших объемно интегрированных комплексов фотонных и электронных устройств для обработки
информации.
 Среди других возможных применений трехмерных фотонных кристаллов – изготовление ювелирных украшений на основе искусственных опалов.
 Создание лазеров с фотонными кристаллами. Получение малосигнальной лазерной генерации – низкопороговые и беспороговые лазеры.
Одна из интересных возможностей ФК – это создание ловушек
для фотонов и, соответственно, устройств хранения и обработки информации на их основе. Такая ловушка представляет собой область в
кристалле, выход излучения из которой запрещен в силу отсутствия в
окружающем ловушку материале фотонной «зоны проводимости».
Конструкция аналогична заряженному проводнику, окруженному со
всех сторон диэлектриком. С другой стороны, запирание фотона, масса
покоя которого равна нулю, принципиально отличается от запирания
электрона, обладающего конечной массой. Здесь ситуация формально
аналогична остановке света, носителем которого являются фотоны.
Если остановить фотон в свободных условиях – он исчезнет. Но в данном случае речь идет не о свободных фотонах, а о квазичастицах, образованных когерентным взаимодействием света с кристаллом – физики уже окрестили их «тяжелыми» фотонами (heavy photons). Явление
захвата или пленения (confinement), излучения давно знакомо оптикам
по ряду эффектов, наблюдавшихся в спектрах газового разряда.
Однако захват излучения в фотонных кристаллах является принципиально новым явлением, так как происходит без процесса многократного поглощения и испускания фотонов. Оно здесь попросту невозможно в силу определенных соотношений между параметрами фотонных и электронных энергетических зон. Поэтому перенос излуче77
ния при его пленении в фотонном кристалле носит упорядоченный
характер, существенно отличаясь от известного ранее хаотического
движения в газовой среде.
Выводы:

Фотонные кристаллы – это периодические диэлектрические или металлодиэлектрические материалы, которые воздействуют на распространяющиеся через них световые волны таким же образом, как и периодический потенциал в кристаллах влияет на движение электронов, приводя к
образованию разрешенных и запрещенных энергетических зон.

В области полной фотонной запрещенной зоны невозможно спонтанное излучение, для которого требуется наличие собственных состояний в
спектре (плотности состояний) излучаемых фотонов. В частности, электронно-дырочная рекомбинация должна полностью подавляться, если частота оптического перехода попадает в фотонную запрещенную зону образца.

Из-за отсутствия в природе фотонных кристаллов оптического диапазона длин волн, пригодных для промышленного использования, первоочередной задачей является создание искусственных ФКх структур.

ФК предоставляют качественно новые возможности управления световыми потоками благодаря наличию полной запрещенной зоны в плотности электромагнитных состояний в заданной области частот.

Фотонные кристаллы по характеру изменения коэффициента преломления можно разделить на четыре основных класса: одномерные, двухмерные, трехмерные и четырехмерные ФК.

Как и электрические среды, в зависимости от ширины запрещённых и
разрешённых зон, фотонные кристаллы можно разделить на: 1) проводники – способные проводить свет на большие расстояния с малыми потерями,2) диэлектрики – практически идеальные зеркала,3) полупроводники –
вещества способные, например, выборочно отражать фотоны определённой длины волны,4) сверхпроводники – в которых благодаря коллективным
явлениям фотоны способны распространяться практически на неограниченные расстояния,5) магнитные фотонные кристаллы.
Вопросы для самоконтроля:
1.
Что такое фотонные кристаллы?
2.
Классификации фотонных кристаллов.
3.
Особенности энергетических зон фотонных кристаллов.
4.
Методы получения фотонных кристаллов.
5.
Требования, предъявляемые к фотонным кристаллам.
6.
Перспективы применения ФК.
78
1.6. Полупроводники. магнетики
Оптика полупроводников. Магнитооптические волноводы
Полупроводники – материалы, которые по своей удельной
проводимости занимают промежуточное место между проводниками
и диэлектриками и отличаются от проводников сильной
зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей,
температуры и различных видов излучения. Полупроводниками
являются вещества, ширина запрещённой зоны которых составляет
порядка нескольких электрон-вольт (эВ). Например, алмаз относится к
широкозонным полупроводникам, а арсенид индия – к узкозонным. К
числу полупроводников относятся многие химические элементы
(германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и другие), огромное
количество сплавов и химических соединений (арсенид галлия и др.).
Почти все неорганические вещества окружающего нас мира –
полупроводники.
Самым
распространённым
в
природе
полупроводником является кремний, составляющий почти 30% земной
коры.
В электронике используют главным образом кристаллические
полупроводники. Большинство из них имеет кристаллическую
структуру с тетраэдрической координацией атомов, характерной для
структуры алмаза. Значительную роль в развитии полупроводниковой
техники сыграл селен: селеновые выпрямители долгое время
оставались
основными
полупроводниковыми
приборами,
получившими массовое применение. В начале 70-х гг. были наиболее
распространены кремний и германий. Обычно их изготовляют в виде
массивных монокристаллов, легированных различными примесями.
Кремний – непрямозонный полупроводник, оптические свойства
которого широко используются для создания фотодиодов и солнечных
батарей, однако его очень трудно заставить работать в качестве
источника света и здесь вне конкуренции прямозонные
полупроводники – соединения типа AIII-BV, среди которых можно
выделить GaAs, который широко используется для создания
светодиодов и полупроводниковых лазеров.
Легирование. Объёмные свойства полупроводника могут сильно
зависеть от наличия дефектов в кристаллической структуре. Поэтому
для электронной промышленности стремятся выращивать очень чистые вещества. Легирующие примеси вводят для управления величиной
и типом проводимости полупроводника. Как правило, примесные атомы V группы периодической системы (Р, As и Sb) сообщают кремнию
и германию электронную проводимость, а примесные атомы III груп79
пы (В, Al, Ga, In) – дырочную. Si и Ge обычно используют для изготовления полупроводниковых диодов, транзисторов, интегральных
схем.
Большую группу полупроводников составляют химические соединения типа AIII-BV (элементов III группы с элементами V группы) –
арсениды, фосфиды, антимониды, нитриды (GaAs, InAs, GaP, lnP, InSb,
AlN, BN и др.). Их получают различными методами изготовления монокристаллов как из жидкой, так и из газовой фазы. Примеси элементов II группы придают этим полупроводникам, как правило, дырочную
проводимость, а элементов IV группы – электронную. Полупроводники этой группы используют в основном в полупроводниковых лазерах,
светоизлучающих диодах, диодах Ганна, фотоэлектронных умножителях, в качестве плёночных детекторов излучения в рентгеновской,
видимой и инфракрасной областях спектра электромагнитных волн.
Полупроводники типа AII-BVI , из которых наиболее широко
применяют соединения ZnO, ZnS, CdS, CdSe, ZnSe, HgSe, CdTe, ZnTe,
HgTe получают преимущественно с помощью химических реакций в
газовой фазе или сплавлением компонентов. Удельное сопротивление
и тип проводимости этих полупроводников определяются не столько
легирующими примесями, сколько характерными для них структурными дефектами. Использование полупроводников этого типа связано
главным образом с фоточувствительностью. Поэтому их применяют в
фоторезисторах, фотоэлементах, электроннолучевых приборах и приборах ночного видения, модуляторах оптического излучения и т.д.
К полупроводникам относят также некоторые аморфные стеклообразные халькогенидные системы, например сплавы Р, As, Sb, Bi с
Ge, S, Se, Te и оксидные системы, например V2O5-P2O5-RxOy, где R –
металлы I-IV групп, х – число атомов металла и у – число атомов кислорода в окисле. Их используют главным образом в качестве оптических покрытий в приборостроении.
AlSb
Температура
плавления, К
Постоянная решётки, Å
Ширина запрещён
ной зоны ΔE, эВ
Диэлектрическая
проницаемость ε
Показатель пре-
1 333
Параметры полупроводников
G GaAs
InSb
AlAs
aSb
998
798
1 873
GaAs
InAs
1 553
1 218
6,14
6,09
6,47
5,66
5,69
6,06
0,52
0,7
0,18
2,2
1,32
0,35
8,4
14,0
15,9
-
-
-
3,0
3,7
4,1
3,2
3,2
80
ломления, n
Оптика полупроводников
Поглощение света полупроводниками обусловлено переходами
между энергетическими состояниями зонной структуры. Для осуществления такого перехода электрон должен получить от света энергию,
превышающую ширину запрещённой зоны. Фотоны с меньшей энергией не вызывают переходов между электронными состояниями полупроводника, поэтому такие полупроводники прозрачны в области частот h  E g , где E g – ширина запрещённой зоны, h – постоянная
Планка. Эта частота определяет фундаментальный край поглощения
для полупроводника. Для полупроводников кремний, германий, арсенид галлия она лежит в инфракрасной области спектра.
Дополнительные ограничения на поглощение света полупроводников накладывают правила отбора, в частности закон сохранения импульса. Закон сохранения импульса требует, чтобы квазиимпульс конечного состояния отличался от квазиимпульса начального состояния
на величину импульса поглощённого фотона. Волновое число фотона
2π / λ (λ – длина волны), очень мало по сравнению с волновым вектором обратной решётки полупроводника, длина волны фотона в видимой области намного больше характерного межатомного расстояния в
полупроводнике. Это приводит к требованию, чтобы квазиимпульс
конечного состояния при электронном переходе практически равнялся
квазиимпульсу начального состояния. При частотах, близких к фундаментальному краю поглощения, это возможно только для прямозонных полупроводников. Оптические переходы в полупроводниках, при
которых импульс электрона почти не меняется называются прямыми
или вертикальными. Импульс конечного состояния может значительно
отличаться от импульса начального состояния, если в процессе поглощения фотона участвует ещё одна, третья частица, например, фонон.
Такие переходы (непрямые) тоже возможны, хотя и менее вероятны.
Таким образом, прямозонные полупроводники, такие как арсенид галлия, начинают сильно поглощать свет, когда энергия кванта
превышает ширину запрещённой зоны. Такие полупроводники очень
удобны для использования в оптоэлектронике. Непрямозонные полупроводники, например кремний, поглощают свет с энергией кванта
чуть больше ширины запрещённой зоны значительно слабее. Граничная частота прямых переходов кремния больше 3 эВ, то есть лежит в
ультрафиолетовой области спектра.
При переходе электрона из валентной зоны в зону проводимости
в полупроводнике возникают свободные носители заряда, и как следствие - фотопроводимость.
81
При частотах ниже края фундаментального поглощения также
возможно поглощение света, которое связано с возбуждением экситонов, электронными переходами между уровнями примесей и разрешенными зонами, а также с поглощением света на колебаниях решетки
и свободных носителях. Экситонные зоны расположены в полупроводнике несколько ниже дна зоны проводимости благодаря энергии
связи экситона. Экситонные спектры поглощения имеют водородоподобную структуру энергетических уровней. Аналогичным образом
примеси, акцепторы или доноры, создают акцепторные или донорные
уровни, лежащие в запрещённой зоне. Они модифицируют спектр поглощения легированного полупроводника. Если при непрямозонном
переходе одновременно с квантом света поглощается фонон, то энергия поглощенного светового кванта может быть меньше на величину
энергии фонона, что приводит к поглощению на частотах несколько
ниже по энергии от фундаментального края поглощения.
Материал
Физические параметры полупроводниковых материалов
Ширина заПодвижность
КристалПостоянпрещенной
носит. заряда,
лическая
ная резоны, эВ
300 K,
структура
шётки, Å
см2/(в×сек)
300К
0К
Эл. дырки
5,47
5,51 1800
1600
алмаз
3,56679
Температура
плавления,0С
С(алма
з)
Ge
0,803
0,89
3900
1900
тип алмаза
5,65748
937
Si
1,12
1,16
1500
600
"
5,43086
1420
GaSb
0,67
0,80
4000
1400
6,0955
706
GaAs
1,43
1,52
8500
400
то же
5,6534
1239
InSb
0,16
0,26
78000
750
"
6,4788
525
InAs
0,33
0,46
33000
460
"
6,0585
943
CdS
2,42
2,56
300
50
тип вюртцита
1750
CdSe
1,7
1,85
800
4,16(ось a)
6,75 (ось с)
6,05
ZnO
3,2
ZnS
3,6
3,7
тип сфалерита
тип сфалерита
4027
1258
200
кубич.
4,58
1975
165
тип вюртцита
3,82(ось a)
6,26 (ось с)
1700
Полупроводники в широких пределах изменяют свои свойства с
изменением температуры, а также под влиянием электрических и магнитных полей, механических напряжений, облучения и других воздей82
ствий. Это свойство используется для создания различного рода датчиков.
В электронных приборах полупроводники используют как в виде
объёмных монокристаллов, так и в виде тонких моно- и поликристаллических пленок (толщиной от долей до нескольких сотен микрометров), нанесённых на различные, например изолирующие или полупроводниковые, подложки. Большое значение имеют однородность
свойств полупроводников в пределах монокристалла или слоя, а также
степень совершенства их кристаллической структуры (плотность дислокаций, концентрация точечных дефектов и др.).
В связи с высокими требованиями к чистоте и совершенству
структуры полупроводников технология их производства весьма
сложна и требует высокой стабильности технологических режимов
(постоянства температуры, расхода газовой смеси, продолжительности
процесса и т.д.) и соблюдения специальных условий, в частности полупроводниковой чистоты аппаратуры и помещений (не более 4 пылинок размером свыше 0,5 мкм в 1 л воздуха). Продолжительность процесса выращивания монокристаллов в зависимости от их размеров и
вида полупроводников составляет от нескольких десятков минут до
нескольких месяцев. При обработке полупроводников в промышленных условиях используют процессы резки полупроводников алмазным
инструментом, шлифовки и полировки их поверхности абразивами,
термической обработки, травления щелочами и кислотами.
Контроль качества полупроводников весьма сложен и разнообразен и выполняется с помощью специализированной аппаратуры. Основные контролируемые параметры полупроводников: химический
состав, тип проводимости, удельное сопротивление, время жизни носителей, их подвижность и уровень легирования. Для анализа состава
полупроводников обычно пользуются оптическими, спектральными,
масс-спектроскопическими и активационными методами. Электрофизические характеристики измеряют зондовыми методами или, используя совершенство структуры монокристаллов, исследуют методами
рентгеноструктурного анализа и оптической микроскопии. Толщину
слоев измеряют либо бесконтактными оптическими методами, либо
методами сошлифовки слоя.
Материалы магнитооптики
Магнитооптика (magneto-optics) – раздел физики, в котором изучаются изменения оптических свойств сред под действием магнитного поля и обусловливающие эти изменения особенности взаимодействия оптического излучения (света) с помещенным в поле веществом.
83
Ряд веществ, в том числе ферромагнетики, обладают магнитной
оптической активностью. Наведенная магнитным полем оптическая
активность проявляется в двух эффектах – Фарадея и Керра.
Эффект Фарадея сводится к повороту плоскости линейной поляризации светового луча, проходящего через магнитооптическую среду.
Угол поворота при направлении магнитного поля вдоль луча пропорционален напряженности магнитного поля.
Рис. 1.6.1. Эффект Фарадея
Магнитооптический эффект Керра - один из эффектов магнитооптики, влияние намагниченности среды на интенсивность и поляризацию света, отражённого от её поверхности. Эффект проявляется у
веществ, обладающих большой намагниченностью и высоким коэффициентом поглощения, поэтому эффект наблюдается главным образом при отражении света от металлических ферромагнетиков.
Рис.1.6.2. Эффект Керра
84
В зависимости от ориентации вектора намагниченности относительно
отражающей поверхности и плоскости падения светового пучка различают три вида магнитооптического эффекта Керра: полярный, меридиональный и экваториальный. При полярном эффекте вектор намагниченности М направлен перпендикулярно отражающей поверхности
и параллельно плоскости падения (рис. 1.6.3, а), влияние намагниченности сводится к вращению плоскости поляризации и появлению эллиптичности отражённого от поверхности магнетика линейно поляризованного света. Аналогичные поляризационные проявления характерны для меридионального магнитооптического эффекта Керра, соответствующего расположению вектора намагниченности параллельно
отражающей поверхности магнетика и плоскости падения светового
пучка (рис.1. 6.3, б). Если плоскость поляризации падающего линейно
поляризованного света составляет некоторый угол с плоскостью падения (отличный от 0° и 90°), то оба эффекта проявляются также в линейных по намагниченности изменениях интенсивности отражённого
света. Общим для полярного и меридионального эффектов является
наличие не равной нулю проекции волнового вектора k световой волны на направление намагниченности среды М. Это обстоятельство
определяет феноменологическое сходство полярного и меридионального эффектов Керра с эффектом Фарадея, наблюдающимся при прохождении света через намагниченную среду вдоль направления намагниченности, и позволяет отнести их к продольным магнитооптическим
эффектам. Экваториальный магнитооптический эффект Керра наблюдается при расположении вектора намагниченности перпендикулярно
плоскости падения и параллельно плоскости отражения (рис. 1.6.3, в);
проявляется в изменении интенсивности и фазового сдвига линейно
поляризованного света, отражённого намагниченной средой.
Рис. 1.6.3. Магнитооптический эффект Керра: а - полярный, б - меридиональный, в - экваториальный; M - вектор намагниченности, k - волновой вектор
Прошедший или отраженный свет несет, таким образом, информацию о текущем значении напряженности магнитного поля на по85
верхности ферромагнитного материала, зафиксированную углом поворота плоскости поляризации луча.
Модуляцию луча по поляризации следует преобразовать в модуляцию по интенсивности. Эта операция может быть выполнена чисто
оптическими средствами. Для этого достаточно магнитооптический
элемент поместить (по лучу) между скрещенными поляризаторами
(направления пропускания линейно поляризованного света поляризаторов перпендикулярны). Систему скрещенных поляризаторов принято называть поляризационным микроскопом. Эта система, в принципе,
не пропускает свет. Однако если в такой микроскоп ввести оптически
активную среду, то часть света, пропорциональная квадрату синуса
угла поворота плоскости поляризации, пройдет через систему. Итак, с
помощью эффекта магнитооптической активности удается промодулировать свет по интенсивности приблизительно пропорционально квадрату напряженности магнитного поля. Магнитооптические эффекты
применяются при считывании информации с магнитооптических дисков.
Редкоземельные ортоферриты и ферриты-гранаты являются одними из лучших магнитооптических (МО) материалов, что обусловлено высокой прозрачностью для видимого и ближнего ИК диапазонов,
значительной величиной эффекта Фарадея и большим значением коэффициента оптической добротности (отношение угла фарадеевского
вращения к коэффициенту поглощения). Монооксид европия обладает
рекордными значениями величины фарадеевского вращения (до 106
град/см), что делает его очень перспективным для применения в качестве магнитооптического материала.
Принцип действия магнитооптических устройств основан на использовании различных магнитооптических эффектов (Фарадея, Керра) в доменных структурах, перестраиваемых под воздействием внешних полей (тепловых, магнитных и т.д.).
Например, МО-модулятор осуществляет пространственную модуляцию световой волны при прохождении ее через перемагничиваемую доменную структуру тонкой магнитной пленки. Принцип модуляции основан на периодическом повороте плоскости поляризации
света в пленке при подаче периодического управляющего сигнала в
обмотку управления. Полученную фазовую модуляцию светового пучка с помощью анализатора преобразуют в амплитудную модуляцию.
Из других МО-устройств можно выделить оптические ЗУ, МОустройства сканирования света и ряд других.
Пригодность магнитных материалов для создания на их основе
магнитооптических устройств зависит от совокупности магнитоопти86
ческих свойств. Магнитооптические свойства оценивают по магнитооптической активности в диапазоне оптических волн с учетом возможной их анизотропии. Магнитооптическую активность характеризуют с помощью угла удельного фарадеевского вращения и коэффициента поглощения
Феррогранаты имеют окно прозрачности в диапазоне волн 1,15-5
мкм. Наиболее перспективными материалами являются чистые железоиттриевые гранаты (ЖИГ) и висмутсодержащие гранаты, в которых
часть иттрия заменена на висмут.
Синтезирование эпитаксиальных пленок ферритов-гранатов,
включающее подбор состава исходных пленок и подложки, выбор оптимальной обработки (отжига) обеспечивает получение материалов с
высокими магнитооптическими свойствами, различающихся по намагниченности, коэрцитивной силе, анизотропии, подвижности доменной
стенки и т. п.
Ферриты-гранаты являются основными магнитооптическими материалами в инфракрасной области. Имеются данные об использовании высококачественных пленок ферритов-гранатов в видимом свете.
Однако при реализации устройств на этих материалах надо иметь в
виду следующие особенности. Технология производства ортоферритов
не позволяет изготавливать очень тонкие пластины (меньше 1 мкм).
Именно по этой причине ортоферриты применяют при λ > 0,5 мкм,
хотя имеются данные о том, что и при λ = 0,45 мкм их оптические
свойства выше свойств MnBi-пленок. Оптимальная толщина пластин
ортоферритов для λ = 0,63 мкм составляет 60-90 мкм. Вторая особенность связана с оптической анизотропностью ортоферритов, обусловленной низкой симметрией ромбической ячейки. Для исключения явления двулучепреломления пластины из ортоферритов вырезают нормально к оптической оси. При этом реализуется устойчивая полосовая
доменная структура, а не ЦМД. Установлено, что в очень тонких пластинах при толщинах порядка 1 мкм двулучепреломление незначительно и материал можно в этом случае считать изотропным. Введение
в ортоферрит ионов редкоземельных элементов значительно повышает
изотропность их оптических свойств.
Феррошпинели, содержащие ионы Со2+ в тетраэдрических позициях используют в качестве магнитооптических материалов при
λ = 5-12 мкм, где они обладают высокой прозрачностью и большим θ
(до 105 град/см). Это практически единственные материалы, пригодные для создания магнитооптических устройств в этом диапазоне
волн.
87
Магнитное поле, как и всякое векторное поле, задает в пространстве определённое направление. Поле в среде придаёт этой среде дополнительную анизотропию, в частности оптическую анизотропию.
Своеобразие симметрии, которой обладает магнитное поле, заключается в том, что его напряжённость Н и магнитная индукция В являются аксиальными векторами. Энергия атома (молекулы, иона) среды
начинает зависеть от взаимного направления поля и магнитного момента атома; в результате вырожденные уровни энергии атома расщепляются (поле снимает вырождение уровней). Соответственно, расщепляются спектральные линии оптических переходов между уровнями
(в атомах, молекулах) – эффект Зеемана. Поляризация зеемановских
компонент («расщепленных» линий) различна; поэтому в веществе,
помещенном в магнитное поле, поглощение таких же компонент проходящего света (обратный эффект Зеемана) различно в зависимости от
состояния их поляризации. Так, при распространении монохроматического света вдоль поля (продольном эффекте Зеемана) его право- и
левоциркулярно поляризованные составляющие поглощаются поразному (так называемый магнитный круговой дихроизм), а при распространении света поперёк поля (поперечном эффекте Зеемана) имеет место магнитный линейный дихроизм, то есть разное поглощение
составляющих, линейно-поляризованных параллельно и перпендикулярно магнитному полю. Эти поляризационные эффекты проявляют
сложную зависимость от длины волны излучения.
Расщепление спектральных линий влечёт за собой дополнительное расщепление дисперсионных кривых, характеризующих зависимость показателя преломления среды от длины волны излучения. В
результате при продольном (по полю) распространении показатели
преломления для света с правой и левой круговыми поляризациями
становятся различными (магнитное циркулярное двойное лучепреломление), а линейно-поляризованный монохроматический свет, проходя
через среду, испытывает вращение плоскости поляризации (эффект
Фарадея). Вблизи линии поглощения («скачка» на дисперсионной кривой) фарадеевское вращение проявляет характерную немонотонную
зависимость от длины волны. При поперечном относительно магнитного поля распространении света различие показателей преломления
для линейных поляризаций приводит к линейному магнитному двойному лучепреломлению, известному как эффект Коттона-Мутона.
Оптическая анизотропия среды в магнитном поле проявляется
при отражении света от её поверхности в изменении поляризации отражённого света, характер и степень которого зависят от взаимного
88
расположения поверхности, плоскости поляризации падающего света
и вектора намагниченности М (магнитооптический эффект Керра).
Одно из основных магнитооптических явлений в полупроводниках состоит в появлении при помещении их в магнитное поле дискретного спектра поглощения оптического излучения за краем сплошного
поглощения, соответствующего оптическому переходу между зоной
проводимости и валентной зоной. Эти так называемые осцилляции
коэффициента поглощения или осцилляции магнитопоглощения, обусловлены специфическим «расщеплением» в магнитном поле указанных зон на системы подзон Ландау. Оптические переходы между подзонами и ответственны за дискретные линии поглощения. Возникновение подзон Ландау вызвано тем, что электроны проводимости и
дырки в магнитном поле начинают совершать орбитальные движения
в плоскости, перпендикулярной полю. Энергия такого движения может изменяться лишь скачкообразно (дискретно) – отсюда возникает
дискретность оптических переходов. Эффект осцилляций магнитопоглощения широко используется для определения параметров зонной
структуры полупроводников. С ним связаны междузонные эффекты
Фарадея и Фохта в полупроводниках.
Подзоны Ландау, в свою очередь, расщепляются в магнитном
поле вследствие того, что электрон обладает спином. При определённых условиях наблюдается вынужденное рассеяние света на электронах в полупроводнике с переворотом спина относительно магнитного
поля. При таком процессе энергия рассеиваемого фотона изменяется
на величину спинового расщепления подзоны, которое для некоторых
полупроводников. На этом эффекте основано плавное изменение частоты излучения мощных лазеров и создан светосильный инфракрасный спектрометр сверхвысокого разрешения.
В прозрачных ферритах и антиферромагнетиках магнитооптические методы применяют для изучения спектра спиновых волн, экситонов, примесных уровней энергии и пр. В отличие от диамагнетиков и
парамагнетиков, во взаимодействии света с магнитоупорядоченными
средами главную роль играют не внешние поля, а внутренние магнитные поля этих сред (H ~ 105-106 Э), которые определяют спонтанную
намагниченность (подрешёток или кристалла в целом) и её ориентацию в кристалле. Магнитооптические свойства прозрачных ферритов и
антиферромагнетиков могут быть использованы в системах управления лазерным лучом (например, для создания модуляторов света) и
для оптической записи и считывания информации, например, в устройствах памяти.
89
В тесной связи с магнитооптическими явлениями находятся явления оптической ориентации атомов, спинов электронов и ядер в кристаллах, циклотронный резонанс, электронный парамагнитный резонанс и другие. Магнитооптические методы используются при исследовании квантовых состояний, ответственных за оптические переходы,
физико-химические структуры вещества, взаимодействий между атомами, молекулами и ионами в основном и возбуждённом состояниях,
электронной структуры металлов и полупроводников, фазовых переходов и пр.
В последнее время идея создания оптических компьютеров приобретает все большую популярность. Для того чтобы обрабатывать и
передавать информацию с помощью света, т.е. с помощью фотонов,
надо научиться эффективно управлять ими. Хотя электрического заряда у фотонов нет, но наличие поляризации – ориентации их электромагнитного поля – дает надежду на успех.
С квантово-механической точки зрения, понятие поляризации
света связано с наличием у фотона спина. Фотоны, как частицы с нулевой массой покоя, могут находиться в двух состояниях со значениями момента импульса ±ћ (ћ – постоянная Планка), направленного
вдоль импульса фотона. Такие фотоны обладают круговой поляризацией: левой, когда квантовое число m = +1 или правой, когда m = –1.
Эллиптически поляризованные фотоны находятся в состоянии, которое складывается из состояний с m = ±1; при линейной поляризации
суперпозиция этих состояний такова, что средняя проекция момента
на направление импульса равна нулю.
Эффект Фарадея. У свободного фотона состояния с m = +1 и
m = –1 имеют одинаковые энергии (частоты). В квантовой механике
такую ситуацию называют вырождением. Снять вырождение можно
при помощи внешнего магнитного поля, направленного вдоль волнового вектора (предполагается, что фотон распространяется в среде с
показателем преломления n). В магнитном поле компоненты с m = ±1
будут распространяться с разными фазовыми скоростями:
с
 ф   1  Q  .
n
Здесь c – скорость света, n – показатель преломления среды в отсутствие магнитного поля, Q – магнитооптический параметр пропорциональный магнитному полю. В малых полях (B ~ 200-300мТл) имеет
значение Q ~ 10–6-10–4. В ферримагнитных материалах Q ~ 10–3-10–1
даже в отсутствие поля. Он определяется внутренним магнитным полем, которое создается атомами и ионами кристаллической решетки
магнетика. Но с фазовой скоростью непосредственно связан показа90
тель преломления среды. В результате получается, что в магнитной
среде волны, поляризованные по часовой стрелке и против нее, преломляются по-разному – возникает явление циркулярного двойного
лучепреломления, или гиротропии среды. Явление гиротропии связано
с эффектом Зеемана, т.е. с расщеплением линий поглощения света в
магнитном поле. Под действием силы Лоренца резонансные частоты
вращения электронов по левому и правому кругу смещаются в различные стороны относительно первоначального значения собственной
частоты. Это, в свою очередь, и приводит к различию показателей преломления для волн, поляризованных по правому и по левому кругу.
Экспериментально при этом наблюдается эффект Фарадея, проявляющийся в том, что плоско поляризованный свет, распространяясь вдоль
направления намагниченности, испытывает поворот плоскости поляризации на некоторый угол.
Одним из наиболее распространенных магнитооптических материалов является ферримагнитный диэлектрик редкоземельный ферритгранат с ионами висмута RхВi3хFе5O12. В ней R обозначает один или
несколько редкоземельных ионов, а x задает относительную концентрацию редкоземельных ионов и висмута. Намагниченная пленка феррита-граната состава Dy0,5Вi2,5Fе5O12 толщиной 10 мкм способна повернуть плоскость поляризации красного света на угол  ~ 20°, что
вполне подходит для возможных применений, однако эффект все же
мал. Существует альтернативный подход, связанный с так называемыми оптическими наноструктурированными материалами – средами,
оптические свойства которых изменяются в пространстве на масштабе
менее нескольких сотен нанометров. Ярким примером таких материалов являются фотонные кристаллы.
Магнитооптические волноводы. Рассмотрим гармоническую модуляцию магнитного поля, существующую в волноводе (в магнитном
материале подобную модуляцию можно создать, возбудив в нем стоячую магнитостатическую волну). Степень конверсии мод (или угол
вращения Фарадея) линейно зависит от длины распространения волны.
Для полной конверсии, например TE  TM, или наоборот, достаточна
длина, при которой вектор Sкв переориентируется из северного полюса
в южный, или наоборот, т.е. при угле переориентации Sкв равном . На
практике обычно используют волноводы с чередующимся направлением намагниченности (рис. 1.6.4), которые можно подобрать таким образом, чтобы достигнуть переориентации Sкв между северным и южным полюсами сферы, т.е. с 100% конверсией мод.
91
Рис. 1.6.4. Магнитооптические волноводы с чередующимся изменением
направления намагниченности в волноводной пленке, стрелками показаны
направления намагниченности
Рис. 1.6.5. Геометрия эксперимента по наблюдению пространственного
фотонного эха; общая схема (а), при использовании электрооптического кристалла (б) и на анизотропных оптических волноводах (в)
Для наблюдения эффекта можно использовать и электрооптические
кристаллы. Роль элементов U и V тогда могут играть отдельные участки одного и того же кристалла, если приложить к ним электрическое
поле во взаимно перпендикулярных направлениях (рис.1. 6.5). Аналогичный эффект возможен и в анизотропных оптических волноводах, в
которых Е- и Н-моды связаны между собой. В случае оптических волноводов эффект будет ярко выражен из-за сильной дисперсии и эксперимент можно проводить в узком спектральном диапазоне.
Выводы:

В электронике используют главным образом кристаллические полупроводники. Большинство из них имеет кристаллическую структуру с
тетраэдрической координацией атомов, характерной для структуры алмаза.

В электронных приборах полупроводники используют как в виде объёмных монокристаллов, так и в виде тонких моно- и поликристаллических
92
пленок (толщиной от долей до нескольких сотен мкм), нанесённых на различные, например изолирующие или полупроводниковые, подложки.

Прямозонные полупроводники, такие как арсенид галлия, начинают
поглощать свет тогда, когда энергия кванта превышает ширину запрещённой зоны и очень удобны для использования в оптоэлектронике.

Непрямозонные полупроводники, например кремний, поглощают в области частот света с энергией кванта чуть больше ширины запрещённой
зоны значительно слабее, только благодаря непрямым переходам, интенсивность которых зависит от присутствия фононов, и, следовательно, от
температуры. Граничная частота прямых переходов кремния больше 3 эВ,
то есть лежит в ультрафиолетовой области спектра.

Для полупроводников, нашедших применение в электронике (кремний,
германий, арсенид галлия) граничная частота прямых переходов лежит в
инфракрасной области спектра.

В магнитном поле наблюдается расщепление спектральных линий
оптических переходов между уровнями (в атомах, молекулах) – эффект
Зеемана.

При продольном (по полю) распространении показатели преломления
для света с правой и левой круговыми поляризациями различные (магнитное
циркулярное двойное лучепреломление). Линейно-поляризованный монохроматический свет, проходя через среду, испытывает вращение плоскости
поляризации (эффект Фарадея). При поперечном относительно магнитного
поля распространении света различие показателей преломления для линейных поляризаций приводит к линейному магнитному двойному лучепреломлению.
Вопросы для самоконтроля:
1.
Какие материалы относятся к полупроводникам?
2.
Оптические свойства полупроводников.
3.
Какова кристаллографическая структура полупроводников, используемых в электронике и оптике?
4.
Перечислите материалы магнитооптики.
5.
Какова причина расщепления спектральных линий оптических
переходов.
6.
Эффект Фарадея.
7.
Опишите эффект Зеемана.
8.
Опишите эффект Коттона-Мутона.
9.
Магнитооптические волноводы.
93
1.7. Металлооптика
Плазмоны, поляритоны, плазмоника, плазмонные световоды
Металлооптика – раздел физики, изучающий взаимодействие
металлов с электромагнитными волнами оптического диапазона. У
металлов для электромагнитных волн наблюдаются:
- большой коэффициент отражения R (например, у щелочных
металлов R ~ 99%) в широком диапазоне длин волн,
- большой коэффициент поглощения (электромагнитная волна
внутри металла затухает, углубляясь на толщину скин-слоя   10-1-105
см в зависимости от длины волны).
Эти особенности связаны с высокой концентрацией в металле
электронов проводимости. За счет малой массы и высокой подвижности основная часть энергии, приобретённой электронами от электромагнитного поля, синфазно переизлучается в виде вторичных волн,
которые, складываясь, создают отражённую волну. Часть энергии, передаваемая решётке, приводит к затуханию волны внутри металла. На
низких частотах инерционность электронов не проявляется, и они определяют электромагнитные свойства металла. По мере увеличения
частоты ω из-за инерционности вклад электронов проводимости в
свойства металлов уменьшается, уменьшается и различие между металлами и диэлектриками.
Валентные электроны влияют на оптические свойства металла
только тогда, когда они участвуют во внутреннем фотоэффекте, что
наблюдается при ћω ≥ ΔE (ΔE – энергетическая щель между основным
и возбуждённым состояниями электронов). Взаимодействие электронов с электромагнитным полем приводит к аномальной дисперсии
волн и к поглощению с максимумом вблизи частоты резонансного поглощения. Благодаря сильному электрон-электронному и электронионному взаимодействию полосы поглощения в металле значительно
шире, чем в диэлектрике. Обычно у металлов наблюдается несколько
полос поглощения, расположенных главным образом в видимой и
ближней ультрафиолетовой областях спектра. Однако для ряда поливалентных металлов наблюдаются полосы и в инфракрасной области
спектра. При частотах ω ≥ ωp, где ωp – плазменная частота валентных
электронов, в металле возбуждаются плазменные колебания электронов. Они приводят к появлению области прозрачности при ω ≈ ωp.
В ультрафиолетовой области коэффициент отражения R уменьшается и металлы по своим свойствам приближаются к диэлектрикам.
При ещё больших частотах (рентгеновская область) оптические свойства определяются электронами внутренних оболочек атомов, и ме94
таллы по оптическим свойствам не отличаются от диэлектриков. Оптические свойства металлов описываются комплексным показателем
преломления:
n  n  in  
( n – показатель поглощения). Комплексность показателя преломления
отражает экспоненциальное затухание волны внутрь металла. При падении плоской волны на поверхность металла под углом   0 волна
внутри металла будет неоднородной. Плоскость равных амплитуд параллельна поверхности металла, плоскость равных фаз наклонена к
ней под углом, величина которого зависит от угла падения  . Волны,
отражённые от поверхности металла, поляризованные в плоскости падения и перпендикулярно к ней, имеют разность фаз  2 . Благодаря
этому плоскополяризованный свет после отражения становится эллиптически-поляризованным. Коэффициент отражения волн, поляризованных в плоскости падения, у металлов R  0 (в отличие от диэлектриков), и лишь имеет минимум при определённом  .
Для чистых металлов при низкой температуре в длинноволновой
области спектра длина свободного пробега электронов l   . При этом
характер затухания волны меняется (аномальный скин-эффект). В этом
случае комплексный показатель преломления теряет смысл и связь
между падающей и преломленной волной становится более сложной.
Однако свойства отражённого света при любом соотношении между l
и δ полностью определяются поверхностным импедансом Z, с которым
связывают эффективные комплексные показатели поглощения и преломления: nэфф  nэфф  inэфф
  4с1Z 1 При l < δ величины n и n в
формулах заменяются на их эффективные значения.
Для измерения n и n массивного металлического образца измеряется коэффициент отражения света, отражённого от его поверхности, либо поляризационными методами (измеряются характеристики
эллиптической поляризации отражённого света), либо методами, основанными на измерении модуля R (в широком спектральном диапазоне)
при нормальном падении его на поверхность металла. Эти методы позволяют измерить оптические характеристики в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях с точностью до 0,5-2%. Для измерения тонкой структуры полос поглощения используются методы, основанные на модуляции параметров металла, приводящей к модуляции
интенсивности отражённого света.
Особое внимание уделяется обработке поверхности исследуемых
образцов. Поверхности нужного качества получаются электрополи95
ровкой или испарением металла в вакууме с последующим осаждением его на полированные подложки.
Металл
Na*
Cu
Ag
Au
Zn
Al
In
Sn
Pb
Ti
Nb
V
Mo
W
Fe
Co
Ni
Pt
Оптические характеристики металлов на длине волны |λ = 0,5893 мкм
λ = 0.5 мкм
λ = 5.0 мкм
n/
n//
R%
n/
n//
R%
0,05
2,61
99,8
1,06
| 2,70
63,2
3,1
32,8
98,9
0,11
2,94
95,5
2,4
34,0
99,2
0,50
2,04
68,8
3,3
35,2
98,95
3,8
26,2
97,9
0,50
4,59
91,4
6,7
37,6
98,2
9,8
32,2
96,6
0,78
|3,58
80,5
8,5
28,5
96,2
1,70
3,30
62,6
9,0
24,8
95,0
2,10
2,82
52,2
3,4
9,4
87,4
2,13
3,07
56,0
8,0
27,7
96,2
2,65
3,33
56,6
6,6
17,5
92,7
3,15
3,73
59,5
4,25
23,9
97,2
3,31
2,96
51,6
3,48
21,2
97,0
1,46
3,17
63,7
4,2
12,5
90,8
1,56
3,43
65,9
4,3
14,6
92,9
1,54
3,10
61,6
4,95
18,5
94,8
1,76
3,59
65,7
7,6
20,2
93,7
Оптические параметры металлов существенно зависят от длины волны
излучения, например, на длинах волн 0,63 мкм и 10,6 мкм
Металл
Al
Cu
Ag
Au
λ = 0.63 мкм
n/
n//
1.2
7
0.15
3.2
0.065
4
0.15
3
λ = 10.6 мкм
n/
n//
25
67
12.6
64.3
10.7
69
7.4
53.4
Металлические зеркала применяются в разнообразных приборах, при
конструировании которых необходимо знание параметров R, n и n в
различных областях спектра. Измерение n и n позволяет определить
оптические характеристики тонких плёнок (например, плёнки окиси)
на поверхности металла.
96
Металлы в интегральной оптике, как правило, используются в
виде тонких пленок, из которых формируют электроды для оптических
переключателей и коммутаторов, управляемых электрическими сигналами, для фотоприемников и источников излучения. Пленки благородных металлов (Ag, Au) применяются для создания плазмонных волноводов и других плазмонных оптических устройств – концентраторов,
резонаторов, наноантенн и т. д.
В таблицах приведены оптические константы некоторых металлов, используемых для плазмонных волноводов и электродов в устройствах интегральной оптики, n – мнимая часть комплексного показателя преломления n *: n* = n – i n .
В видимой области спектра и ближнем ИК диапазоне металлы с
высокой проводимостью имеют показатель преломления n 1 , а в
среднем ИК диапазоне для большинства металлов n 1 . Кроме
того, во всех рассматриваемых областях спектра n < n . У большинства металлов действительная часть диэлектрической проницаемости
ε' < 0. Высокий коэффициент поглощения металлов приводит к сильному затуханию электромагнитной волны в волноводе. Это необходимо учитывать при расчете и изготовлении волноводов с металлическими электродами. Для уменьшения влияния электродов на распространение оптических сигналов по волноводам между электродом и
волноводом вводят буферные слои с низким показателем преломления.
Элементарные возбуждения в твердых телах
Плазмон (plasmon), плазмоны – волны электронной плотности
возникают в твердых телах или вблизи их поверхности в результате
коллективных колебаний электронов проводимости относительно
ионов.
Плазмоны играют большую роль в оптических свойствах металлов. Частота плазмона равна плазменной частоте. Свет с частотой ниже плазменной частоты отражается, поскольку электроны в металле
экранируют электрическое поле в световой электромагнитной волне.
Свет с частотой выше плазменной частоты проходит, т.к. электроны не
могут достаточно быстро ответить, чтобы экранировать его. У большинства металлов плазменная частота находится в ультрафиолетовой
области спектра, делая их блестящими в видимом диапазоне. В легированных полупроводниках плазменная частота обычно находится в
инфракрасной области спектра. Энергию плазмона можно оценить в
n e2
модели почти свободных электронов как: EP  
m  0 , где n – плот97
ность валентных электронов, e – элементарный заряд, m – масса электрона и ε0 – проницаемость вакуума.
Плазмоны делятся на объёмные и поверхностные плазмоны.
Объёмные плазмоны описывают колебания электронов проводимости
внутри ионной решётки кристалла. В свою очередь, поверхностные
плазмоны – это кванты колебаний плотности свободных электронов
металла, распространяющиеся только вдоль его границы с диэлектриком. Поверхностный плазмон непосредственно не связан с электромагнитным излучением в прилегающей к металлу среде, так как его
скорость меньше скорости света. Технический прием, позволяющий
использовать поверхностные плазмоны в оптике, основан на использовании полного внутреннего отражения. При полном внутреннем отражении вдоль отражающей свет поверхности распространяется электромагнитная волна, скорость которой меньше скорости света и зависит от угла падения. Если при определенном угле падения скорость
этой волны совпадет со скоростью поверхностного плазмона на поверхности металла, то условия полного внутреннего отражения нарушатся, и отражение перестанет быть полным, возникнет поверхностный плазмонный резонанс.
Плазмонный резонанс (plasmon resonance) – это возбуждение поверхностного плазмона на его резонансной частоте внешней электромагнитной волной.
В наноразмерных металлических системах происходит модификация коллективных электронных возбуждений. Коллективное электронное возбуждение металлических наночастиц, размер которых
меньше длины волны электромагнитного излучения в окружающей
среде – локализованный поверхностный плазмон – колеблется на частоте, меньшей частоты объемного плазмона в √3 раз, тогда как частота
поверхностного плазмона примерно в √2 раз меньше, чем частота объемного плазмона. Из-за малого размера системы требование совпадения скорости распространения возбуждения и электромагнитной волны во внешней среде отпадает, так что локализованные поверхностные
плазмоны связаны с излучением непосредственно. При совпадении
частоты внешнего поля с частотой локализованного поверхностного
плазмона возникает резонанс, приводящий к резкому усилению поля
на поверхности частицы и увеличению сечения поглощения.
Свойства локализованных плазмонов критически зависят от
формы наночастиц, что позволяет настраивать систему их резонансов
на эффективное взаимодействие со светом или элементарными квантовыми системами.
98
В настоящее время явление поверхностного плазмонного резонанса широко применяется при создании химических и биологических
сенсоров. При контакте с биообъектами (ДНК, вирусы, антитела)
плазмонные наноструктуры позволяют более чем на порядок увеличить интенсивность сигналов флуоресценции, т.е. значительно расширяют возможности обнаружения, идентификации и диагностики биологических объектов.
Плазмоникой называется класс устройств на основе плазмонов.
Плазмоны рассматриваются как средство передачи информации в
компьютерных чипах, так как провода для плазмонов могут быть
намного тоньше, чем обычные провода, и могут поддерживать
намного более высокие частоты (в режиме 100 TГц, в то время как
обычные провода обладают большими потерями при 10 ГГц). Они
были также предложены как средство для литографии и микроскопии
высокого разрешения из-за их чрезвычайно малых длин волн.
На границе между металлом и диэлектриком могут возбуждаться
поверхностные плазмоны с той же частотой, что и внешние
электромагнитные волны, но с существенно меньшей длиной волны.
Поскольку плоские плазмонные структуры действуют как волноводы,
направляющие электромагнитные волны вдоль границы металла с
диэлектриком, их можно использовать для передачи сигналов внутри
чипа. Плазмоны могут распространяться по наноскопическим
межсоединениям,
перенося
информацию
между
частями
микропроцессора. Плазмонные межсоединения стали бы настоящим
подарком для разработчиков микросхем, которые уже научились
уменьшать размеры и повышать быстродействие транзисторов, но до
сих пор нет линий, передающих информацию внутри чипа.
Поляритон
–
это
квазичастица,
появляющаяся
при
взаимодействии электромагнитных волн и возбуждений среды.
Поляритоны, образующиеся в результате взаимодействия фотонов
с различными возбуждениями среды называются – оптическими фононами, экситонами, плазмонами, магнонами и т. д. Устройства, основанные на их использовании, называют, соответственно, фононными
поляритонами, экситонными поляритонами (светоэкситонами),
плазменными поляритонами, магнонными поляритонами и т. д.
Плазмонный волновод (plasmon waveguide) – представляет собой
тонкую (меньше длины волны излучения) протяженную полоску металла с поперечным размером и толщиной много меньшими длины
волны излучения (рис. 7.1). Металлическая полоска может быть
сплошной, либо прерывистой – состоящей из островков металла.
99
Основная особенность плазмонных волноводов по сравнению с
обычными волноводами – электромагнитная волна распространяется
не внутри плазмонного волновода, а вдоль его поверхности, в виде
поверхностной электромагнитной волны.
а
б
Рис. 1.7.1. Структуры плазмонных волноводов
Эта волна имеет максимальную амплитуду вблизи поверхности
волновода и экспоненциально затухает при удалении от нее (рис.
1.7.2). Применение плазмонных волноводов в устройствах интегральной оптики позволяет значительно уменьшить габариты этих устройств.
Можно провести аналогию между распространением поверхностной электромагнитной волны оптического диапазона вдоль тонкого
слоя металла и поверхностной волной вдоль импедансной поверхности.
Рис.1.7.2. Структура поля
плазмонного волновода
Возникновение поверхностной электромагнитной волны связано
с оптическими свойствами металла – наличием в нем коллектива свободных электронов высокой концентрации – плазмы свободных электронов. Электронная плазма является колебательной системой, которая может взаимодействовать с электромагнитными волнами, в том
числе резонансно. При определенных условиях в ней возникает резонансный обмен энергией с электромагнитной волной: в металле возникает плазмон. Такое взаимодействие приводит к распространению в
металле колебания плазмы и распространению по поверхности металла поверхностной волны, связанной с этим колебанием. Поверхностные плазмоны могут использоваться для передачи света по каналам,
гораздо более узким, чем заданная длина световой волны. Это так на100
зываемые плазмон-поляритоны – электромагнитные волны, формирующиеся в переходной зоне между металлом и диэлектриком – например, воздухом. Показано, что такие плазмоны могут без значительных потерь передавать свет со сверхкороткими длинами волн по дну
V-образных каналов в пленке золота, поскольку поверхностные плазмоны концентрируют свет в объеме, меньшем длины волны.
Отмечено, что поверхностные плазмоны могут использоваться во
многих практических приложениях – например, при выполнении
сверхкомпактных внутренних соединений, в интерферометрах и в волноводно-дисковых резонаторах.
Диэлектрическая проницаемость металла описывается в виде:
2р 
2p 

4Ne 2
i
  1 
, p 
,

2
2
2
2
m
        
где e – заряд электрона; N – концентрация свободных электронов; m
– эффективная масса электронов;  – низкочастотная диэлектрическая
проницаемость.
При    p в металле возникает плазменный резонанс, если частота электромагнитного поля не превышает частоту плазменного резонанса (    p ), то появляется возможность формирования поверхностной электромагнитной волны за счет возбуждения плазмонов.
Рис. 1.7.3. Распределение структуры поля гибридной моды
плазмонного волновода
Для описания электромагнитных мод плазмонных волноводов
используется решение волнового уравнения. Рассмотрим некоторые
свойства поверхностных электромагнитных волн в плазмонных волноводах. Анализ решения волнового уравнения показывает, что в плазмонных волноводах могут распространяться симметричные (s), асим101
метричные (а) и гибридные (sa, as) моды. На рис.1.7.3 показано распределение Ex-компоненты sa-моды для короткого плазмонного волновода (волновод на рисунке показан пунктиром). Так как металлы
имеют высокий коэффициент поглощения, то длина пробега поверхностных волн вдоль плазмонного волновода мала: для λ = 1 мкм – десятки микрометров, для λ = 10 мкм – до нескольких миллиметров. На рис.
1.7.4 показана зависимость коэффициента затухания мод от толщины
плазмонного волновода. Из рисунка видно, что коэффициент затухания асимметричных мод при увеличении толщины волновода растет. В
случае симметричных мод наблюдается обратный эффект. Поэтому
для повышения эффективности передачи оптических сигналов по
плазмонному волноводу выгодно возбуждать в нем симметричные
моды и уменьшать толщину металлической пленки, образующей волновод.
Рис. 1.7.4. Зависимость коэффициента затухания симметричной и
асимметричной мод от толщины плазмонного волновода
Для поверхностных электромагнитных волн характерны все оптические эффекты, которые имеют место для волн, распространяющихся в свободном пространстве: интерференция, дифракция, отражение, преломление. В настоящее время разрабатываются не только
плазмонные оптические волноводы, но и другие плазмонные оптические устройства в которых оптический сигнал распространяется в виде
поверхностной электромагнитной волны. К таким устройствам можно
отнести концентраторы (аналоги линз и сферических зеркал), кольцевые резонаторы (аналоги кольцевых волноводных резонаторов), наноантенны оптического диапазона, плазмонные фотонные кристаллы.
Двумерный характер поверхностной волны позволяет значительно
уменьшить габариты таких устройств по сравнению классическими
102
устройствами интегральной оптики. На основе плазмонных металлических наноструктур создаются метаматериалы с отрицательным показателем преломления, которые значительно расширяют функциональные возможности интегральной оптики.
Плазмонные волноводы в нанооптике
Для различных применений, например в контексте фотонных интегральных схем, представляет большой интерес сильно ограничить
свет в волноводах с размерами намного меньше оптической длины
волны. Здесь, диэлектрические волноводы имеют серьезные ограничения. Например, хотя диаметр нановолокона может быть много меньше
длины волны, распределение электрического поля света, направляемого в волокне масштаба нанометра, выходит далеко за пределы диэлектрической структуры. Поэтому исследуются новые технологии волновода, основанные на других физических направляющих механизмах.
Перспективным направлением является наноплазмоника, где используются металлические элементы нанометровых размеров, встроенные
в диэлектрические материалы. Таким образом, можно намного более
сильно локализовать распределение электрического поля, чем это возможно с использованием только диэлектрических структур. Однако,
потери при распространении в плазмонных волноводах обычно очень
высоки. Дополнительные проблемы состоят в том, чтобы эффективно
направить свет в такие структуры и реализовать различные пассивные
и активные фотонные компоненты, такие как сильные изгибы, соединения, фильтры, усилители и датчики.
В обычных волноводах из-за дифракции через отверстия, имеющие диаметр меньше длины волны, может проходить лишь незначительная часть света, а после прохождения свет распространяется по
всем направлениям. Это приводит к тому, что в телекоммуникационных устройствах свет, имеющий обычно длину волны 1,5 мкм, не может проходить по узким каналам современных кремневых микросхем.
Проблему можно преодолеть, используя механизм возбуждения коллективного волнообразного движения множества электронов на поверхности металлов с помощью световых волн. В отличие от самих
световых волн, на такие поверхностные плазмоны не действует ограничение дифракционного предела для света.
Устройства, манипулирующие видимым светом и другими
электромагнитными волнами, могли бы прийти на смену электронным
цепям в микропроцессорах и других микросхемах. К сожалению,
дифракция накладывает серьезные ограничения на размеры и
характеристики фотонных приборов: ширина оптического волокна, из103
за интерференции световых волн, должна быть не меньше половины
их длины. Для передачи оптических сигналов внутри микросхем,
скорее всего, будет использоваться инфракрасный свет с длиной
волны около 1,5 мкм. Минимальная ширина световода в этом случае
будет слишком велика: транзисторы современных чипов состоят из
элементов размером не более 100 нм. Необходим новый способ
передачи оптических сигналов через наноскопические структуры.
Плазмонные устройства
Технология плазмонов объединяет преимущества оптоволокна с
высокоскоростной передачей данных и компактные габариты микроэлектронных компонентов. С плазмоникой можно уложиться в габариты обычного ПК, обладающего при этом оптическим быстродействием. В основе плазмонной передачи данных лежат колебания электронной плотности на границе двух материалов: непроводящей плазмы или
полимера и металлической поверхности. Световым излучением можно
возбудить высокочастотные волны плазмонов в металлическом проводнике. Но уровень затухания часто не позволяет их использовать для
соединения, например, компьютерных чипов.
Рис. 1.7.5. Структура плазмонного устройства
Исследователи проекта Plasmocom предложили инновационное решение, разрабатывая плазмонно-поляритонные волноводы с поверхностью из диэлектрика (dielectric-loaded surface plasmon polariton
waveguides, DLSPPW). Формируя слой из полимерного (полиметилметакрилат) диэлектрика на золотой плёнке, расположенной на стеклянной подложке, учёным удалось получить волноводы длиной 500 нм с
увеличенным распространением сигналов. Реализован целый ряд
плазмонных устройств, включая Y-сплиттеры и кольцевой резонатор –
ключевые части мультиплексоров ввода/вывода (add-drop multiplexers,
104
ADM) в оптических сетях, которые объединяют и разделяют потоки
данных на единичные сигналы. Технология Plasmocom позволяет создавать устройства с применением распространённых литографических
техпроцессов.
Выводы:

Металлооптика – изучает взаимодействие металлов с электромагнитными волнами оптического диапазона.

У металлов для электромагнитных волн на низких частотах наблюдаются: большой коэффициент отражения, большой коэффициент поглощения. Эти особенности связаны с высокой концентрацией в металле
электронов проводимости. На низких частотах инерционность электронов
не проявляется. По мере увеличения частоты из-за инерционности вклад
электронов проводимости в свойства металлов уменьшается, уменьшается и различие между металлами и диэлектриками.

Вблизи поверхности металлов могут возникать волны электронной
плотности (плазмоны) в результате коллективных колебаний электронов
проводимости относительно ионов. Частота плазмона равна плазменной
частоте.

Поверхностные плазмоны могут использоваться в оптике. При определенном угле падения света компонента его скорости вдоль поверхности
совпадет со скоростью поверхностного плазмона на поверхности металла,
условия полного внутреннего отражения нарушатся, отражение перестанет быть полным, возникнет поверхностный плазмонный резонанс.

Поляритон – составная квазичастица, возникающая при взаимодействии фотонов и плазмонов.

Плазмонный волновод представляет собой тонкую (меньше длины
волны излучения) протяженную полоску металла с поперечным размером и
толщиной много меньшими длины волны излучения.
Вопросы для самоконтроля:
1.
Предмет исследования металлооптики.
2.
Дайте определение плазмона.
3.
Плазмонный резонанс.
4.
Что такое поляритон?
5.
Опишите плазмонный волновод.
6.
Что такое плазмонная электроника.
7.
Опишите устройства плазмоники.
105
1.8. Материалы нанооптики
Искусственный диэлектрик, наноструктуры на основе плазмонов,
фуллерены, фуллериты, графены, графаны
За последние 10 лет получен ряд фундаментальных результатов,
подтверждающих перспективу создания новых материалов и устройств на основе наноструктур, образуемых искусственно, путем
внешнего управления отдельными молекулами и атомами. Отличительная особенность новых материалов в процессе применения нанотехнологий при их получении – это непредсказуемые физикотехнические характеристики, которые они приобретают. В связи с
этим появляется возможность получения новых квантовых физикомеханических характеристик в веществах, у которых меняются обычные электронные структуры, что меняет обычную форму проявления в
новых соединениях. Определенное количество физико-механических
свойств также изменяется с изменением размеров макроскопических
элементов. В настоящее время новые необычные механические свойства наноматериалов – предмет исследования наномеханики. Частицы,
с размерами от 1 до 100 нанометров обычно называют наночастицами. Так, например, оказалось, что наночастицы некоторых материалов
имеют очень хорошие каталитические и адсорбционные свойства.
Другие материалы показывают удивительные оптические свойства,
например, получены прозрачные керамические материалы на основе
нанопорошков размерами 2-28 нм cо свойствами, лучшими, чем у крона (коэффициент преломления n = 2,08 вместо n = 1,52) и др. Получено
взаимодействие искусственных наночастиц с природными объектами
наноразмеров – белками, нуклеиновыми кислотами и др. Тщательно
очищенные наночастицы могут самовыстраиваться в определенные
структуры. Такая структура содержит строго упорядоченные наночастицы и проявляет новые важные свойства.
Нанообъекты делятся на 3 основных класса:
 трёхмерные частицы, получаемые взрывом проводников, плазменным синтезом, восстановлением тонких плёнок и т. д.;
 двумерные объекты – плёнки, получаемые методами молекулярного
наслаивания, CVD, ALD, методом ионного наслаивания и т. д.;
 одномерные объекты – вискеры, эти объекты получаются методом
молекулярного наслаивания, введением веществ в цилиндрические
микропоры и т. д.
106
Также существуют нанокомпозиты – материалы, полученные
введением наночастиц в какие-либо матрицы. На данный момент обширное применение получил только метод микролитографии, позволяющий получать на поверхности матриц плоские островковые объекты размером от 50 нм, который применяется в электронике. Следует
отметить методы ионного и молекулярного наслаивания, с их помощью возможно создание реальных покрытий-плёнок (CVD, ALD) в
виде монослоёв.
Наноматериалы и примеры применений. Известно, что фуллерены (молекулы углерода С60 в виде сфер диаметром 1 нм, на поверхности которых атомы углерода образуют правильные пяти- и шестиугольники) могут образовывать кристаллы фуллерита с достаточно
слабыми межмолекулярными связями. Путем введения различных
присадок можно придавать этим соединениям те или иные свойства
(ферромагнитные, полимерные и др.), т.е. создавать новые материалы,
в том числе для оптических и оптоэлектронных устройств.
Большой интерес для создания новых материалов и оптоэлектронных наноструктур представляют углеродные нанотрубки (диаметр
их ~ 1 нм, а достигнутая в настоящее время длина достигает десятков
микрон). Углеродные нанотрубки могут иметь электрическую проводимость на два порядка лучше, чем у меди. Поэтому, если удастся использовать их в виде миниатюрных электрических проводников при
изготовлении электронных "чипов", то это поможет решить проблему
тепловыделения, которая становится доминирующей при повышении
"информационной мощности" чипов. Активно ведутся исследования
по созданию сверхминиатюрного транзистора с использованием эффекта изменения проводимости углеродной нанотрубки под воздействием внешнего напряжения. Интересна также возможность реализации
системы постоянной памяти в виде алмазной поверхности, покрытой
монослоем атомов водорода, некоторые из которых замещены атомами
фтора. Если использовать для считывания зонд в виде углеродной нанотрубки, заканчивающийся полусферой молекулы фуллерена, к которой прикрепить молекулу, способную отличить атом фтора от атома
водорода, то можно реализовать считывание информации. Учитывая,
что плотность атомов составляет порядка 10 15 см-2, можно говорить о
плотности хранения информации на несколько порядков большей, чем
у существующих архивных систем памяти. Следует упомянуть также
нанокластеры, исследования которых могут также способствовать созданию материалов, обладающих заданными физико-химическими характеристиками.
107
Использование эффектов ближнего поля в оптике. Новые возможности появляются в развитии систем оптической памяти, использующих запись информации в ближнем поле. В этом случае физические ограничения, связанные с дифракционными явлениями, при фокусировке лазерного излучения снимаются, и информацию можно записывать на площадки, размер которых много меньше длины волны.
Тем самым удается заметно увеличить плотность записи на оптических дисках и других носителях информации.
Обсуждается возможность использования эффектов ближнего
поля для создания оптических и оптоэлектронных наноструктур.
Принципы таких устройств в значительной степени базируются на
широко проводимых в середине прошлого века исследованиях по созданию искусственных (металлодиэлектрических) сред для микроволновых антенн.
Среды на основе искусственного диэлектрика. Они представляют собой набор металлических элементов, расположенных определенным образом и выполняющих роль молекул обычного диэлектрика.
Понятно, что характерные размеры металлических частиц, расположенных на небольших (по сравнению с длиной волны) расстояниях,
должны быть много меньше длины волны. Частицы могут иметь различную конфигурацию (сферы, эллипсоиды, диски, стержни, ленты и
др.). Под воздействием внешнего поля они поляризуются, свободные
электроны смещаются, что приводит к появлению электрического момента так же, как в случае молекул обычного диэлектрика.
Все искусственные металлодиэлектрические среды, кроме случая сфер, являются анизотропными и зависят от поляризации волны и
угла падения. Тем не менее, случай плоских частиц интересен тем, что
легко реализуется методами электронной литографии.
К искусственным диэлектрикам можно отнести также фотонные
кристаллы и "дырчатые" среды, представляющие собой сплошную
среду, содержащую большое количество дырок. Например, появились
дырчатые (канальные) световоды, которые могут иметь диаметр значительно больший, чем у применяемого в настоящее время обычного
одномодового волокна. Такие световоды (с добавками неодима) удобно использовать для создания одномодовых лазеров с полупроводниковой накачкой. В канальных световолокнах имеется также возможность управлять дисперсией, что может быть использовано для усиления и генерации сверхкоротких импульсов.
Металлодиэлектрические среды в оптическом диапазоне ведут
себя по отношению к низкочастотному диапазону существенно подругому. Это связано с тем, что частота плазменных колебаний, пред108
ставляющих собой распространяющиеся волны избыточной концентрации электронов, попадает в область светового диапазона. Поэтому
на резонансной частоте можно реализовать сильную связь между металлическими частицами для усиления эффектов ближнего поля. Отметим, что ширина линии резонанса плазменных колебаний определяется главным образом электрон-фононным взаимодействием, а не потерями на излучение.
Оптические наноструктуры на основе плазмонов позволяют
создать световой канал, диаметр которого много меньше  (в то время
как в обычных световодах минимальный диаметр должен быть не
меньше, чем /2n). Плазменный световод можно изогнуть под прямым
углом и это не приведет к потерям (в то время как в обычных световодах радиус кривизны изгиба должен быть, во всяком случае, не меньше ). Плазменные наноструктуры позволят создать разветвители, переключатели и другие оптические устройства, размеры которых будут
меньше длины волны.
В настоящее время уже появились первые результаты по исследованию плазменных наноструктур, образованных одномерной решеткой из металлических элементов, диаметр которых составляет несколько десятков нанометров, расположенных друг за другом. Исследовалась величина и природа потерь при передаче возбуждения между
частицами. Для возбуждения использовался аргоновый лазер с частотой излучения  = 514 нм, которая находится в области резонанса для
частиц из золота диаметром 30 нм. Предельные размеры плазменных
устройств при обычных температурах будут ограничены несколькими
длинами волн, так как в области плазменного резонанса, как показывают первые измерения, потери достаточно велики.
Голографические наноструктуры – это искусственно созданные
голограммы, которые решают обратную задачу – обеспечивают нужное распределение интенсивности поля в ближней волновой зоне (например, многофокусные линзы).
Фуллерены, бакиболы или букиболы – молекулярные соединения,
принадлежащие классу аллотропных форм углерода (другие – алмаз,
карбин и графит) и представляющие собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного числа трёхкоординированных
атомов углерода.
Для существования такого замкнутого многогранника, построенного
из n вершин, образующих только пяти- и шестиугольные грани, согласно теореме Эйлера для многогранников, необходимым условием
является наличие ровно 12 пятиугольных граней и n/2−10 шестиугольных граней.
109
Рис. 1.8.1. Структура фуллерена C540
Структурные свойства фуллеренов
В молекулах фуллеренов атомы углерода расположены в вершинах правильных шести- и
пятиугольников, из которых составлена поверхность сферы или эллипсоида. Самый симметричный и наиболее полно изученный представитель семейства
фуллеренов − фуллерен (C60), в котором углеродные атомы образуют
усеченный икосаэдр, состоящий из 20 шестиугольников и 12 пятиугольников и напоминающий футбольный мяч.
Следующим по распространённости является фуллерен C70, отличающийся от фуллерена C60 вставкой пояса из 10 атомов углерода в
экваториальную область C60, в результате чего молекула C70 оказывается вытянутой и напоминает своей формой мяч для игры в регби.
Так называемые высшие фуллерены, содержащие большее число
атомов углерода (до 400), образуются в значительно меньших количествах и часто имеют довольно сложный изомерный состав. Среди наиболее изученных высших фуллеренов можно выделить Cn, n = 74, 76,
78, 80, 82 и 84.
Синтез фуллеренов
Единственным способом получения фуллеренов в настоящее
время является их искусственный синтез. Установлено, что фуллерены
в значительном количестве содержатся в саже, образующейся в дуговом разряде на графитовых электродах.
Фуллериты – это конденсированные системы, состоящие из
молекул фуллеренов. Наиболее изученная система такого рода − кристалл С60, менее − система кристаллического С70. Исследования кристаллов высших фуллеренов затруднены сложностью их получения.
Атомы углерода в молекуле фуллерена связаны σ- и π-связями, в то
время как химической связи (в обычном смысле этого слова) между
отдельными молекулами фуллеренов в кристалле нет. Поэтому в конденсированной системе отдельные молекулы сохраняют свою индивидуальность (что важно при рассмотрении электронной структуры кристалла).
Нелинейные оптические свойства фуллеренов
Анализ электронной структуры фуллеренов показывает наличие
π-электронных систем, для которых имеются большие величины нелинейной восприимчивости. Фуллерены действительно обладают нели110
нейными оптическими свойствами. Однако из-за высокой симметрии
молекулы С60 генерация второй гармоники возможна только при внесении асимметрии в систему (например, внешним электрическим полем). С практической точки зрения привлекательно высокое быстродействие (~ 250 пс), определяющее гашение генерации второй гармоники. Кроме того, фуллерены С60 способны генерировать и третью
гармонику. Другой вероятной областью использования фуллеренов и,
в первую очередь, С60 являются оптические затворы. Экспериментально показана возможность применения этого материала для длины
волны 532 нм. Малое время отклика даёт шанс использовать фуллерены в качестве ограничителей лазерного излучения и модуляторов добротности.
Фуллерен как фоторезист. Под действием видимого (> 2 эВ),
ультрафиолетового и более коротковолнового излучения фуллерены
полимеризуются и в таком виде не растворяются органическими растворителями. В качестве иллюстрации применения фуллеренового
фоторезиста можно привести пример получения субмикронного разрешения (≈ 20 нм) при травлении электронным пучком кремния с использованием маски из полимеризованной плёнки С60.
Сверхпроводящие соединения с С60
Молекулярные кристаллы фуллеренов − полупроводники, однако, в начале 1991 г. было установлено, что легирование твёрдого С60
небольшим количеством щелочного металла приводит к образованию
материала с металлической проводимостью, который при низких температурах переходит в сверхпроводник. Легирование С60 производят
путём обработки кристаллов парами металла при температурах в несколько сотен градусов Цельсия.
Графен (graphene) – двумерная форма углерода, состоящая из
монослоя его атомов, образующих гексагональную решётку. Графен
можно представить как одну атомарную плоскость графита, отделенную от объемного кристалла. Когда мы пишем карандашом, на бумаге
остаются тонкие чешуйки графита. Некоторые, очень немногие из них
имеют толщину всего несколько ангстрем и могут рассматриваться как
отдельный моноатомный лист, отделенный от кристалла. Такая двумерная форма углерода называется графеном.
Графен обладает рядом уникальных свойств:
- В нем наблюдается максимальная подвижность электронов среди всех известных материалов.
- Электропроводность графена можно очень легко изменять,
варьируя расстояние от заземляющей пластины до графенового слоя.
111
Соответственно, в одном слое графена возможно создать зоны, сильно
отличающиеся по электропроводности.
- Электромагнитные волны по-разному распространяются в слоях
с различной проводимостью – соответственно, располагая эти зоны в
«правильном» порядке, можно регулировать пути распространения
электромагнитных волн.
Ранее считалось, что двумерные кристаллы не могут существовать в свободном состоянии, и экспериментально обнаружены только в
2004 году. Исследования показали, что существует целый класс двумерных кристаллов различного химического состава. Электроны в
графене могут преодолевать субмикронные расстояния практически
без рассеяния (баллистически), хотя пленка графена никак не защищена от окружающей среды. В то время как электронные свойства традиционных материалов описываются уравнением Шредингера, электронный транспорт в графене описывается уравнением Дирака, и квазичастицы в графене подобны релятивистским частицам с нулевой
массой покоя.
Необычные электронные свойства данного материала и возможность его химической модификации делают графен многообещающим
материалом для целого ряда областей микроэлектроники (полевые
транзисторы с баллистическим транспортом при комнатной температуре, газовые сенсоры с экстремальной чувствительностью, графеновый одноэлектронный транзистор, спиновый транзистор и многие другие).
Рис. 1.8.2.Одна из двух возможных
модификаций графана, в которой
атомы водорода присоединены к
атомам углерода поочередно то
сверху, то снизу (A.Savchenko,
Science 323, 589, 2009)
Графан (graphane) – гидриро- ванный графен. Присоединение водорода к графену приводит к деформации первоначально плоско- го
моноатомного графитового слоя, поскольку гибридизация всех атомов
углерода в новой решетке изменяется с плоской sp2 на тетраэдрическую sp3. В результате данной модификации структуры из проводника
графена получается диэлектрик графан.
112
Выводы:

Фуллерены − молекулярные соединения, принадлежащие классу аллотропных форм углерода (другие − алмаз, карбин и графит) и представляющие собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного
числа трёхкоординированных атомов углерода. Фуллерены (молекулы углерода С60 в виде сфер диаметром 1 нм, на поверхности которых атомы углерода образуют правильные пяти- и шестиугольники) могут образовывать кристаллы фуллерита с достаточно слабыми межмолекулярными
связями. Путем введения различных присадок можно придавать этим соединениям те или иные свойства (ферромагнитные, полимерные и др.), то
есть создавать новые материалы, в том числе для оптических и оптоэлектронных устройств.

Представляет интерес рассмотреть возможность создания плазменных наноструктур, обладающих гиротропными свойствами, управляемыми внешним магнитным полем. Это позволит реализовать вентили,
циркуляторы и другие невзаимные магнитооптические устройства, аналогичные волноводно-ферритовым устройствам, широко применяемым в
технике СВЧ.

Оптические наноструктуры на основе плазмонов позволяют создать
световой канал, диаметр которого много меньше λ.

Углеродные нанотрубки − протяжённые цилиндрические структуры
диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров, состоящие из одной или нескольких свёрнутых в
трубку гексагональных графитовых плоскостей (графенов) и заканчивающиеся обычно полусферической головкой.

Графен − монослой атомов углерода. Графен можно использовать, как
детектор молекул (NO2), позволяющий детектировать приход и уход единичных молекул. Графен обладает высокой подвижностью при комнатной
температуре, благодаря чему (как только решат проблему формирования
запрещённой зоны в этом полуметалле), графен будут рассматривать как
перспективный материал, который заменит кремний в интегральных микросхемах.
Вопросы для самоконтроля:
1.
Какова классификация нанообъектов?
2.
Перечислите наноматериалы и их основные свойства.
3.
Что такое фуллерены, фуллериты, графен, графан?
4.
Особенности оптических наноструктур.
113
Часть 2. ВОЛНОВОДЫ И ЭЛЕМЕНТЫ ИНТЕГРАЛЬНОЙ
ОПТИКИ
2.1. Функциональные структуры интегральной оптики
Планарные, полосковые, гофрированные, брэгговские световоды
Для эффективной передачи оптического излучения между источником и приемником используются направляющие волноводные
структуры. В лучевом приближении направлять излучение можно, используя физические эффекты преломления или отражения света. Общая классификация световодов приведена на рис. 2.1.1.
Рис. 2.1.1. Классификация световодов
Открытые направляющие системы содержат периодически расположенные элементы отражательного или преломляющего типа для
уменьшения поперечного размера пучка и обеспечения необходимого
направления распространения. Подобные структуры отличаются значительными габаритами, нестабильными параметрами и неудобством в
эксплуатации. Закрытые направляющие системы представляют собой
непрерывные структуры, оптическое излучение в которых «запирается» за счет эффекта полного внутреннего отражения на границе раздела сред или изменения направления распространения в среде с градиентом показателя преломления.
Основной особенностью большей части волноводов оптического
диапазона в интегральном исполнении является то, что показатель
114
преломления материала сердцевины волновода больше, чем показатель преломления окружающей среды. Оптические волокна изготавливаются из кварца, легированного специальными добавками. Разность
показателей преломления сердцевины и оболочки составляет до 1% от
показателя преломления сердцевины. Канализация энергии в волноводах обеспечивается за счет эффекта полного внутреннего отражения.
Основными типами регулярных оптических волноводов интегральной оптики являются планарные и полосковые волноводы. Используются в интегральной оптике для передачи оптических сигналов
и для построения устройств управления оптическими сигналами: оптических переключателей, модуляторов, коммутаторов и т. д.
К нерегулярным волноводам с продольно периодическими параметрами относятся гофрированные, брэгговские волноводы и фотонно
кристаллические волноводы. В гофрированных волноводах имеется
периодическая модуляция показателя преломления в продольном направлении на границе волновода. В брэгговских волноводах сердцевина волновода в продольном направлении имеет периодическую модуляцию показателя преломления. Волноводы данной группы используются в качестве волноводных фильтров и оптических переключателей,
а также в волноводных лазерах для создания положительной обратной
связи.
По профилю пространственного распределения показателя преломления в поперечном сечении планарные волноводы делятся на две
группы: со ступенчатым профилем показателя преломления и с градиентным профилем (альфа-профиль). Во второй группе волноводов показатель преломления плавно изменяется от центра волновода к его
границе по определенному закону. Наиболее часто используются волноводы с параболическим профилем показателя преломления. В некоторых случаях используются волноводы с многослойным тонкопленочным покрытием. Такие волноводы представляют собой промежуточную группу между волноводами со ступенчатым профилем и волноводами с альфа-профилем. Одним из основных свойств волноводных структур является возможность распространения одной (одномодовый режим) или различных типов волн (многомодовый режим). Для
модовой селекции используются волноводы с анизотропным показателем преломления. Такие волноводы изготавливаются из оптически
анизотропных материалов, показатель преломления которых зависит
от ориентации светового луча относительно оптической оси среды.
Для изготовления устройств управления оптическими сигналами в
интегральной оптике используются материалы с управляемым показателем преломления. В основе модуляции показателя преломления под
115
действием внешнего управляющего сигнала наиболее часто используются электрооптический, акустооптический, термооптический, магнитооптический и нелинейно-оптические эффекты. Материал оптического волновода может обладать свойствами среды с усилением. Усиливающие среды используются в волноводных, волоконных лазерах и
усилителях.
Оптические планарные волноводы
Планарный волновод представляет собой тонкий слой диэлектрика с высоким показателем преломления на подложке с низким показателем преломления. Среда над волноводом (например, воздух)
также имеет низкий показатель преломления.
Рис. 2.1.2. Микрофотография световодов
Поперечное сечение планарного волновода ограничено только в
вертикальном направлении, а в горизонтальном направлении − не ограничено.
Рис. 2.1.3. Прохождение лучей в световоде


Важными достоинствами оптоволоконных линий связи являются:
устойчивость к электромагнитным воздействиям;
отсутствие излучения у оптоволоконного кабеля;
116



привлекательные массово-габаритные параметры;
защищенность от несанкционированного доступа.
перспективная дешевизна материала.
Уменьшения потерь и увеличения широкополосности волокна
можно добиться улучшением качества материалов сердечника и оболочки, а также совершенствованием структуры волокна. В результате
поисков родилось многомодовое волокно с параболическим профилем
показателя преломления сердечника.
Свойства планарного волновода с альфа-профилем показателя
преломления
В общем случае, профиль показателя преломления можно описать выражением:
 n 2 1  2   n22 ,
xa
n 2 x    21
,




n
1

2

f
x
,
xa
 1
где n1 − показатель преломления на оси волновода; n2 − показатель
преломления оболочки;  = const; f x  − функция, задающая градиент
профиля показателя преломления; а − ширина сердцевины. Наиболее
часто используется экспоненциальный либо степенной профиль показателя преломления. В случае степенного профиля («альфа-профиля»)
 

функция f x  имеет вид: f x   x
.
a
В зависимости от показателя степени  могут быть реализованы
различные профили показателя преломления: линейный (  = 1), параболический (  = 2) и другие (рис. 2.1.4, а). Случай  =  соответствует ступенчатому профилю показателя преломления.
а
б
Рис. 2.1.4. Распределение показателя преломления: а) альфа-профили планарного волновода; б) параболический профиль показателя преломления
117
Траектории двух лучей в таком волноводе для разных значений
xq показаны на рис. 2.1.5. Из него видно, что вблизи границы сердцевины волновода происходит не скачкообразное, а плавное изменение
траектории лучей. Кроме того, вдоль оси 0z происходит периодическая
фокусировка лучей, волновод обладает свойствами линзоподобной
среды.
Рис. 2.1.5. Траектории лучей в волноводе с параболическим
профилем показателя преломления
В таких волокнах показатель преломления сердечника меняется
по закону: n 2 x   n 2  NA 2 x a 2 , т.е. показатель преломления сердечника в центре будет больше, чем на границе с оболочкой.
Известно, что скорость распространения излучения в среде зависит от ее коэффициента преломления. Если два луча падают на торец
световода под разными углами, то лучи, проходящие вблизи оси сердечника, будут распространяться медленнее, чем идущие ближе к границе с оболочкой. Поэтому в таких волокнах происходит периодическая самофокусировка излучения. В данное выражение не входят параметры лучей, т.е. время распространения одинаково для всех лучей в
волноводе. Это означает, что в таком волноводе нет межмодовой задержки, приводящей к искажению оптических сигналов. Данный эффект имеет простое объяснение. Лучи, которые распространяются
вблизи оси волновода, проходят меньший путь, чем лучи, которые
распространяются с большей пространственной амплитудой. В то же
время лучи вблизи оси волновода находятся в среде с более высоким
показателем преломления, т.е. имеют меньшую скорость, чем скорость
лучей, достигающих границы волновода. Меньшая скорость распространения компенсирует меньший путь, приводя к выравниванию времени распространения лучей с разными траекториями. Отсутствие
межмодовой задержки является важным свойством волноводов с пара118
болическим профилем показателя преломления. Такие волокна получили название градиентных. Они отличаются технологией изготовления центрального стержня заготовки. Он получается методом послойного осаждения, но для каждого из слоев используется материал с
меньшим показателем преломления.
Рис. 2.1.6. Градиентное волокно
Разработка градиентных волокон позволила решить три проблемы:
уменьшить потери за счет снижения уровня вытекающих мод; расширить полосу пропускания волокна до нескольких ГГц.км; улучшить
условия согласования излучателя и световода.
Одомодовый волновод − это световод, в котором может распространяться только одна мода, другими словами − в таком световоде
могут распространяться только лучи, идущие очень близко к его оси.
Добиться этого можно, существенно уменьшая диаметр сердечника.
Волновод будет чисто одномодовым, если его диаметр равен половине
длины волны распространяющегося излучения. Однако, учитывая, что
рабочая длина волны порядка 1 мкм, изготовить волновод с диаметром
сердцевины 0,5 мкм практически очень сложно. Поэтому на практике
используют квазиодномодовые волокна с диаметром сердцевины
2.1-10 мкм. Современные световоды состоят как минимум из двух
компонентов: сердцевины (core) и оболочки (cladding), защитного покрытия. В оптических световодах показатели преломления сердцевины
и оболочки различаются на величину порядка 1% .
Полосковые оптические волноводы
Волновод с прямоугольным поперечным сечением называется
полосковым волноводом (рис. 2.1.7). В этом волноводе область распространения моды в поперечном направлении ограничена по двум
координатам. Если волновод расположен поверх подложки, он называется приподнятым (рис. 2.1.7 а). Данный тип волновода наиболее широко используется в интегральной оптике. В некоторых случаях используется полосковый волновод, погруженный в материал подложки
(рис. 2.1.7 б). Такой волновод называется внедренным. На рис. 2.1.7 в
показан ступенчатый волновод. В отличие от обычного полоскового
119
волновода он имеет широкий пьедестал из того же материала, что и
сам волновод. В некоторых случаях используются полосковые нагруженные волноводы (рис. 2.1.7 г). В таком волноводе пьедестал изготовлен из материала, показатель преломления которого отличается от
показателей преломления собственно волновода и подложки.
а
б
в
г
Рис. 2.1.7. Разновидности полосковых волноводов: а) приподнятый, б) внедренный, в) ступенчатый, г) нагруженные волноводы
Траектории распространения лучей в полосковом волноводе в
геометрическом приближении показаны на рис. 2.1.8. В отличие от
планарного волновода полосковый волновод имеет не две, а четыре
границы раздела сред, на которых для волноводных мод происходит
полное внутреннее отражение. Поэтому количество типов траекторий
лучей в полосковом волноводе увеличивается по сравнению с планарным волноводом. В полосковом волноводе лучи могут распространяться в вертикальной плоскости (рис. 2.1.8 а), в горизонтальной плоскости (рис. 2.1.8 б), а также по траекториям, представляющим собой
спираль, составленную из отрезков прямых линий (рис. 2.1.8 в). В последнем случае, луч последовательно отражается от всех границ раздела сред.
Тонкоплёночные волноводы формируются в виде однородной
диэлектрической плёнки толщиной порядка длины световой волны  ,
нанесённой на однородную диэлектрическую подложку с более низким показателем преломления. Диффузные (или градиентные) волноводы отличаются плавным распределением показателя преломления
по сечению. В этих волноводах нет чётко выраженной границы между
волноводным слоем и подложкой. Изготавливаются они обычно диффузией примесей в подложку. Для передачи излучения по заданной
траектории и связи между отдельными элементами применяются канальные (или полосковые) волноводы, ширина которых соизмерима с
их толщиной.
120
а
б
в
Рис. 2.1.8. Характер распространения лучей в полосковом волноводе
Гофрированные и брэгговские световоды
В волоконной и интегральной оптике широко используются диэлектрические волноводы с периодической модуляцией показателя
преломления вдоль направления распространения электромагнитной
волны.
а
б
Рис. 2.1.9 а − брэгговский волновод, б − гофрированный волновод
а
б
Рис. 2.1.10. а − распространение прямой и обратной моды в гофрированном
волноводе; б − спектры пропускания и отражения гофрированного волновода
Такой волновод представляет собой протяженную цилиндрическую структуру обычно круглого или прямоугольного сечения, у которой в продольном направлении чередуются участки с высоким и c низким показателями преломления. Если оптическая длина каждого такого участка кратна , то волновод называется брэгговским (рис. 2.1.10
а). Частным случаем брэгговского волновода является гофрированный
волновод (рис. 2.1.10 б). В таком волноводе, по крайней мере, одна из
границ волновода гофрирована. Такие волноводы используются в качестве оптических фильтров и в лазерах с распределенной обратной
связью. На рис. 2.1.10 а показано распределение поля падающей и от121
раженной волн вдоль оси z внутри возмущенной области волновода
при z = 0.
Выводы:
 Существует одномодовые и многомодовые световоды.

Дисперсия – один из факторов, ограничивающих качество волновода.
Для уменьшения дисперсии используют градиентные или одномодовые волноводы.

Дисперсия лежит в основе явления расплывания импульса света по
мере его распространения вдоль волокна.

Существует три вида дисперсии: модовая, молекулярная и волноводная.

Дисперсия ограничивает ширину полосы пропускания.

Волокна имеют более высокий предел прочности на разрыв по сравнению с медными проводниками.
Вопросы для самоконтроля:
1. Типы волноводов волоконной оптики.
2. Типы волноводов интегральной оптики.
3. Виды дисперсии и методы ее компенсации.
4. Градиентные волноводы.
5. Гофрированные волноводы.
6. Разновидности полосковых волноводов.
122
2.2. Волноводы и устройства на фотонных кристаллах
Фотонно-кристаллическое волокно, оптические дырчатые волокна,
устройства на ФК, устройства на магнитных ФК
Фотонно-кристаллические волноводы являются сравнительно новым типом оптических волноводов. Их появление связано с созданием
и исследованием новых оптических объектов − фотонных кристаллов.
Фотонные кристаллы представляют собой периодические структуры
из диэлектриков с отличающимся показателем преломления. Период
этих структур − порядка длины волны. Очевидно, что брэгговский отражатель и брэгговский волновод являются в то же время одномерными фотонными кристаллами. Отверстия могут быть пустыми либо заполненными диэлектриком с иным показателем преломления.
Фотонно-кристаллическое волокно (ФКВ) (photonic crystal fiber)– это
оптическое волокно (ОВ), оболочка которого имеет структуру двумерного фотонного кристалла. Благодаря такой структуре оболочки
открываются новые возможности управления в широком диапазоне
дисперсионными свойствами волокон и степенью локализации электромагнитного излучения в направляемых волноводных модах. В
большинстве случаев для создания ФКВ используют стекло или кварц
с отверстиями, заполненными воздухом. Часть отверстий может быть
заполнена другими газами или жидкостями, в том числе жидкими кристаллами (рис. 10.1). Реже используются ФКВ, образованные двумя
различными видами стекла, показатели преломления которых сильно
отличаются друг от друга.
Рис. 2.2.1. Фотонно-кристаллическое волокно
Иногда термин фотонно-кристаллическое волокно используется в
более широком значении – им обозначают почти все типы волокон со
сложной структурой оболочки, в том числе микроструктурированное и
наноструктурированное волокно, а также брэгговское волокно и дырчатое волокно (рис. 2.2.2).
123
Рис. 2.2.2. Изображение поперечного среза фотонно-кристаллического волокна
Для изготовления ФКВ с воздушными отверстиями обычно используют вытяжку при высокой температуре из заготовки (преформы),
набранной из полых трубок круглого или шестигранного сечения. Отверстия могут заполняться веществами различного типа для управления свойствами ФКВ. Реже используется высверливание отверстий в
преформе, изготовленной по одной из традиционных технологий производства заготовок для оптических волокон (рис. 2.2.3).
Фотонно-кристаллические волокна позволяют преодолеть ограничения, свойственные стандартным оптическим волокнам и волноводам. Существуют ФКВ, обладающие многими необычными свойствами, например:
- ФКВ, в которых одномодовый режим распространения света спектрально не ограничен;
- ФКВ с ФЗЗ, поддерживающие волноводный режим распространения
света в воздушной сердцевине;
- ФКВ с большой или, наоборот, с очень малой эффективной площадью моды.
Сверхвысоконелинейные ФКВ:
- поддерживающие поляризацию ФКВ с очень сильной анизотропией;
- ФКВ с нулевой дисперсией на любой длине волны в видимом и
ближнем ИК диапазонах длин волн.
Перспективно использование ФКВ для преобразования длины световой волны, для создания устройств оптической обработки сигналов,
для транспортировки мощного светового излучения и для решения
многих других задач.
Еще одна возможность, предоставляемая фотонными кристаллами,
– создание нового типа волноводов. Радиус изгиба обычного стекловолокна не может быть очень маленьким, иначе свет покинет волновод.
Поэтому для изменения направления движения волны, например, на
угол 2.100 требуется расстояние не менее десяти длин волн. А в волноводе из фотонных кристаллов потребуется расстояние порядка одной
124
длины волны и даже меньше (рис. 2.2.4): в пределе (в случае трехмерной упаковки) плотность элементов можно увеличить в сто раз.
Будущее ФКВ во многом будет определяться развитием технологии их
производства (рис.2.2.5, 2.2.6), в частности, успехами в направлении
снижения затухания и увеличения механической прочности. Также
немаловажным является вопрос снижения стоимости производства
ФКВ.
Рис. 2.2.3. Микрофотографии фотонно-кристаллического волокна, произведенного US Naval Research Laboratory, сделанная при помощи сканирующего электронного микроскопа (слева). Диаметр твердого сердечника в центре
волокна
– 5 мкм, диаметр полостей (справа) – 4 мкм.
http://en.wikipedia.org/wiki/
Простейший полосковый фотонно-кристаллический волновод показан
на рис. 2.2.7 а. Он представляет собой полоску из кремния, окруженную с двух сторон периодической структурой в виде отверстий в слое
кремния. Такой волновод обладает спектрально-селективными свойствами (рис. 2.2.7 б). Максимальное пропускание волновода обеспечивается на длине волны 1525 нм. Фотонно-кристаллическое волноводы,
как правило, изготавливаются по технологии SOI с использованием
фотолитографии. Подобные волноводные структуры могут использоваться в интегрально-оптических устройствах в качестве фильтров и
демультиплексоров.
Оптические
характеристики
фотоннокристаллических волноводов чрезвычайно чувствительны к измене125
нию показателя преломления материала, из которого они изготовлены.
Это позволяет создавать на их основе быстродействующие и низкопороговые оптические переключатели, в которых оптический или электрический управляющий сигнал изменяет показатель преломления
волновода.
Рис. 2.2.4. Оптический волновод в
двумерном фотонном кристалле
Рис. 2.2.5. Оптическое волокно на основе фотонного кристалла
Рис. 2.2..6. Вид заготовки (преформы) для вытягивания ФКВ
(http://thesaurus.rusnano.com/upload/iblock/32.13/2.jpg)
Дефектом фотонного кристалла называется любая неоднородность в фотонном кристалле (например, отсутствие одного или нескольких квадратов, их больший или меньший размер относительно
квадратов оригинального фотонного кристалла и т. д.). В таких областях часто сосредотачивается электромагнитное поле, что используется
в микрорезонаторах и волноводах, построенных на основе фотонных
кристаллов.
Области, окружающие сердцевину, обладают свойствами фотонного кристалла и имеют высокий коэффициент отражения для данной
126
моды. Тем самым фотонный кристалл препятствует вытеканию волны
из волновода и способствует ее каналированию.
а
б
Рис. 2.2.7. Полосковый волновод на основе двумерного
фотонного кристалла (а) и его спектральная характеристика (б)
Таким образом, в фотонно-кристаллических волноводах свойствами
фотонного кристалла обладает только среда, окружающая сердцевину
волновода. В диэлектрических волноводах обычного типа каналирование обеспечивается эффектом полного внутреннего отражения от границы сердцевины волновода с окружающей средой. В фотоннокристаллических волноводах каналирование происходит в результате
отражения от среды с фотонно-кристаллическими свойствами.
а
б
Рис. 2.2.8. Распространение луча в двумерном фотонном кристалле
Данное свойство позволяет уменьшить габариты интегральнооптических устройств (рис. 2.2.8). Во-вторых, изменяя период фотонного кристалла и его геометрию, можно в широких пределах изменять
спектральную характеристику пропускания волновода. В частности,
создавая в фотонном кристалле дефекты – отверстия с диаметром, отличным от диаметра остальных отверстий, можно уменьшать коэффи127
циент отражения для отдельных спектральных линий. Моды волновода с такой длиной волны будут вытекать из волновода вблизи дефекта,
а на спектре пропускания волновода появится минимум. Вытекание
излучения вблизи дефекта можно также использовать для связи между
двумя соседними волноводами.
Механизмы локализации света в ФКВ
По физическому механизму удержания света в сердцевине волокна
ФКВ можно разделить на два больших класса:
- Первый класс образуют фотонно-кристаллические волокна, локализация света в сердцевине которых происходит благодаря зеркальному отражению от оболочки, обладающей фотонными запрещенными
зонами (ФЗЗ). Особенно важно, что сердцевина ФКВ с ФЗЗ может
быть полой, что позволяет на несколько порядков увеличить мощность
вводимого в них излучения, уменьшить потери и нелинейные эффекты.
- Во втором классе механизм удержания света в ФКВ вполне традиционен для оптического волокна – полное внутреннее отражение.
Однако в них используется новый принцип управления показателем
преломления оболочки, основанный на его зависимости от структуры
оболочки. Возможность управления показателем преломления оболочки позволяет создавать так называемые неограниченно одномодовые
волокна. В них на любой длине волны распространяется только одна
мода. Еще одна особенность ФКВ – существование одномодового режима в волокнах с большим диаметром сердцевины.
Преимущества и перспективы ФКВ
Фотонно-кристаллические волокна позволяют преодолеть ограничения, свойственные стандартным оптическим волокнам и волноводам.
Существуют ФКВ, обладающие многими необычными свойствами,
например:
• ФКВ, в которых одномодовый режим распространения света спектрально не ограничен.
• ФКВ с ФЗЗ, поддерживающие волноводный режим распространения
света в воздушной сердцевине.
• ФКВ с большой или, наоборот, с очень малой эффективной площадью моды.
• Сверхвысоконелинейные ФКВ.
• Поддерживающие поляризацию ФКВ с очень сильной анизотропией.
• ФКВ с нулевой дисперсией на любой длине волны в видимом и
ближнем ИК диапазоне длин волн.
Одно из важнейших практических применений ФКВ – создание на
их основе генераторов суперконтинуума. Очень перспективно исполь128
зование ФКВ для преобразования длины световой волны, для создания
устройств оптической обработки сигналов, для транспортировки мощного светового излучения и для решения многих других задач.
Будущее ФКВ во многом будет определяться развитием технологии их производства, в частности, успехами в направлении снижения
затухания и увеличения механической прочности.
Волокна с фотонно-кристаллической оболочкой (holey fibers,
photonic crystal fibers) – новый тип оптических волноводов. Волокна
этого типа имеют ряд преимуществ перед обычными кварцевыми световодами:
 одномодовый режим для всех длин волн излучения;
 широкий диапазон изменения площади пятна основной моды – до
сотен мкм2;
 постоянное значение коэффициента дисперсии (дисперсионный
наклон равен 0,002 пс.нм-1.км-1 для длин волн 1,3-1,5 мкм);
 высокие значения коэффициента дисперсии (2000 пс.нм-1.км-1 для
специально разработанных структур);
 аномальная и нулевая дисперсия для длин волн меньше 1,3 мкм
(видимый спектр);
 контролируемая локализация поля в воздушных отверстиях.
Кроме того, области применения этих волокон многообразны:
 WDM устройства и дисперсионная компенсация;
 волоконные лазеры;
 микроскопия ближнего поля;
 генерация фемтосекундных импульсов для солитонов;
 оптический генератор;
 спектроскопия газов и жидкостей;
 оптическая транспортация микрочастиц.
Материалы для производства волокон: оптическое стекло, композиция из стекол, композиция из стекол и металлов. Процессы: двух или
трех фазное вытягивание стеклооптических полых капиллярных пучков, заполнение промежутков тесно упакованных волокон. В таблице
приведены геометрические характеристики пяти видов фотоннокристаллических волокон с внешним диаметром 125/400 мкм.
Геометрические характеристики фотонно-кристаллических волокон
Интервал между отверстиями, мкм
3
0,4
3
10
Диаметр отверстий, мкм
2
0,2
2
8
10
1
На рис. 2.2.1 представлена конструкция фотонного волокна в разрезе
при увеличении ~ 1000.
129
Рис.2.2.9 Конструкция волокна первого типа с одной сердцевиной (в разрезе)
Такая технология уже реализована в микроволновом и ближнем
инфракрасном диапазоне.
Рис. 2.2.1400. Дисперсионная характеристика фотонно-кристаллического волокна
Плотность упаковки функциональных узлов кристаллофотоники ниже,
чем у электронных компонентов, однако возможность создания уже в
ближайшие годы оптических интегральных схем нового типа, способных к тому же использовать весь объем кристалла, а не только тонкую
пленку на его поверхности, является хорошим стимулом для исследователей. Не прошло и десяти лет с начала первых разработок, как инвесторам стало ясно, что фотонные кристаллы являются оптическими
материалами принципиально нового типа и что у них – блестящее будущее. Выход разработок фотонных кристаллов оптического диапазона на уровень коммерческого применения, скорее всего, произойдет в
сфере телекоммуникаций. Связано это с опережающим ходом иссле130
дований 2D-фотонных кристаллов, на основе которых можно создавать оптоволокно нового типа. Структура фрагмента центральной части одного из типов такого волокна показана на рис.2.2.10. Кристалл
состоит из спеченных стеклянных нитей, центральная из которых –
пустотелая. Такое волокно в поперечном сечении является двумерным
кристаллом с зонной структурой фотонного изолятора. При этом в
продольном направлении волокно является идеальным проводником.
Изображение торца волновода, освещаемого с противоположной стороны белым светом, получено с помощью оптического микроскопа,
период решетки – примерно 5 мкм, диаметр отверстия в центральной
части – один микрон. Эксперименты показали, что такие кристаллические волноводы способны передавать гораздо большую оптическую
мощность, чем обычные волокна. Параллельно с волноводами на основе фотонных кристаллов ведутся технологические проработки других компонентов телекоммуникационной техники, в первую очередь –
пассивных оптических фильтров, прерывателей и низкопороговых лазеров.
Фотонные кристаллы и оптические дырчатые волокна на их основе
Создание фотонных кристаллов в виде так называемых дырчатых
световодов является одним из наиболее значительных достижений
оптических технологий последних лет. Возникла идея использования
волоконно-оптических технологий для создания фотонных кристаллов.
Стандартное оптическое волокно вытягивается при температуре 2000
0
С из заготовки, представляющей собой кварцевый стержень с легированной областью соответствующего диаметра в центре. При этом заготовка трансформируется в оптическое волокно с наружным диаметром
125 мкм и соответствующим размером световедущей жилы (в зависимости от типа волокна). По этому принципу было решено попробовать
вытянуть волокно, имеющее структуру фотонного кристалла. В кварцевую трубку диаметром 20 мм упаковываются капилляры диаметром
порядка 1 мм с направляющим стержнем из того же кварцевого стекла,
расположенным между капиллярами. Затем из полученной таким образом заготовки вытягивается оптическое волокно. Необходимо добавить, что в обоих случаях производится двухступенчатая перетяжка
заготовки, в процессе которой все размеры уменьшаются примерно в
10000 раз.
Первое такое волокно длиной ~ 100 м было получено в 12.12.15 г.
сотрудниками фирмы Blaze Photonics, Англия. Поперечное сечение
волокна показано на рис. 2.2.11, 2.2..12. Диаметр полых каналов, проходящих по всей длине волокна, составлял 0,3 мкм, расстояние между
центрами каналов – 23 мкм. В поперечном сечении волокно имело гек131
сагональную форму, что определялось структурой укладки капилляров
в трубке.
В настоящее время известны два типа волоконных световодов со
структурой фотонных кристаллов. Это волоконные световоды со
сплошной световедущей жилой, о которых упоминалось выше, и волоконные световоды с полой световедущей жилой. Те и другие называются дырчатыми волокнами, хотя на самом деле между ними существует важное различие в механизмах, обеспечивающих волноведущие
свойства световодов.
Дырчатый световод со сплошной световедущей жилой представляет собой сердцевину из кварцевого стекла в оболочке из фотонного
кристалла (кварцевое стекло с воздушными полостями-каналами),
имеющей более низкий средний коэффициент преломления по отношению к жиле. Поэтому волноведущие свойства таких световодов
обеспечиваются одновременно двумя эффектами: полного внутреннего отражения, как в обычных световодах, и зонными свойствами фотонного кристалла. Наличие оболочки в виде фотонного кристалла
существенно отличает дырчатые волокна от обычных волоконных световодов.
Рис. 2.2.11. Поперечное сечение дырчатого волокна со сплошной световедущей жилой в центре
Рис. 2.2.12. Поперечное сечение
дырчатого волокна с полой световедущей жилой
Количество направляемых мод в сплошной световедущей жиле
такого волокна определяется только величиной отношения диаметра d
воздушных каналов к расстоянию между их осями А. При этом, для
случая d/A < 0,2 дырчатые световоды являются одномодовыми во всем
спектральном диапазоне прозрачности кварца. Ученые, впервые получившие дырчатое волокно, наблюдали такое явление: в световедущей
жиле в широком спектральном диапазоне (более 2-х октав) распро132
странялись только моды низшего (нулевого) порядка, а все высшие
моды уходили в оболочку и затухали. Такой эффект был назван ими
модифицированным эффектом полного внутреннего отражения, когда
зонная структура фотонного кристалла проявляется только косвенным
образом, а волноведущие свойства его для мод нулевого порядка определяются эффектом полного внутреннего отражения. В этой ситуации
необязательной является строгая периодичность расположения полых
каналов в оболочке, поскольку определяющим фактором является величина ее среднего коэффициента преломления. Наличие полостей в
оболочке позволяет более чем на порядок увеличить разность показателей преломления световедущей жилы и оболочки по сравнению со
стандартным волокном. Этим в основном и определяются принципиально новые свойства дырчатых волокон, отличающие их от обычных
волоконных световодов. Помимо отмеченной выше возможности создания одномодовых дырчатых волоконных световодов для очень широкого спектрального диапазона, необычными являются их дисперсионные свойства, которые зависят от размеров воздушных каналов и их
взаимного расположения. Эти волокна могут иметь аномальную дисперсию в значительно более коротковолновой области спектра, чем
обычные световоды, вплоть до длин волн  ~ 0,8 мкм; абсолютная величина дисперсии в дырчатых волокнах может на порядок превышать
значения дисперсии в стандартных одномодовых волокнах и достигать
103 пc/(нм·км), а зависимость дисперсии от длины волны в широком
спектральном диапазоне может быть очень слабой.
Одинаково изменяя все геометрические размеры структуры дырчатого волокна (при условии сохранения соотношения между ними),
можно получить в волокне одномодовый режим распространения, как
с малой, так и большой эффективной площадью поперечного сечения
моды. То есть можно создавать дырчатые волокна с диаметром световедущей жилы, многократно превышающим или, наоборот, уменьшенным по сравнению с диаметром световедущей жилы стандартного
одномодового волокна, при этом в нем будет сохраняться одномодовый режим распространения света. Это очень важно для практического
применения. Большой размер световедущей жилы позволяет снизить
влияние нелинейных эффектов на форму распространяющихся по волокну импульсов света и, наоборот, при малых размерах моды роль
нелинейных эффектов заметно увеличивается по сравнению со стандартными световодами.
Значения потерь при распространении света в дырчатых волоконных световодах приближаются к потерям, имеющим место в стандартных одномодовых волокнах (потери 0,58 дБ/км на длине волны
133
 = 1,55 мкм, что приближается к значению потерь в стандартном одномодовом волокне, составляющему 0,2 дБ/км). Эти потери включают
в себя три составляющих:
1) Потери вследствие релеевского рассеяния света в световедущей жиле. Оказалось, что коэффициент релеевского рассеяния в световедущей жиле дырчатого волокна более чем в два раза превышает
коэффициент релеевского рассеяния чистого кварца. Причина этого,
по-видимому, заключается в наличии случайных неоднородных напряжений, возникающих на границе световедущей жилы в процессе
вытяжки волокна. Поэтому величина потерь на релеевское рассеяние в
данном волокне оказалась в два раза выше величины аналогичных потерь в стандартном одномодовом волокне и составила 0,18 дБ/км.
2) Потери, вызванные разбросом геометрических параметров самих воздушных каналов: флуктуациями их диаметра и нерегулярностью расположения. Очевидно, эти потери присущи только данному
типу волокна. Величина их составляет 0,27 дБ/км.
3) Потери, вызванные примесным поглощением ионами металлов
и гидроксильной группы, такие же, что и в стандартных одномодовых
световодах. Их величина составляет 0,13 дБ/км.
Таким образом, большие размеры световедущей жилы при одномодовом режиме распространения в широком спектральном диапазоне, а также реальность создания дырчатых волокон, обладающих малыми потерями и слабой зависимостью дисперсии от длины волны,
делают их перспективными для применений в волоконно-оптических
системах связи в качестве передающей среды.
Дырчатые световоды с большим диаметром световедущей жилы
также могут использоваться в качестве среды передачи световых потоков высокой интенсивности.
Благодаря своим уникальным дисперсионным свойствам, дырчатые световоды уже находят свое применение в качестве компенсаторов
дисперсии в волоконных системах связи. Они достаточно легко и с
малыми потерями привариваются к стандартному оптическому волокну и совмещаются с другими элементами волоконно-оптических систем.
В дырчатом волокне с малыми размерами соответствующей жилы снижаются пороги всех нелинейных эффектов, что представляет
большой интерес для создания эффективных рамановских лазеров и
усилителей, генераторов континуума и оптических переключателей.
Очень привлекательной является идея создания генератора суперконтинуума – источника белого света с очень высокой энергетической
яркостью. Технология изготовления дырчатых волоконных световодов
134
с полой световедущей жилой практически не отличается от технологии
аналогичных световодов со сплошной световедущей жилой. Ясно
лишь то, что свет в таких световодах, в отличие от стандартных, распространяется преимущественно в полой сердцевине, а не по кварцу.
Казалось бы, что потери в таких световодах должны быть очень низкими, так как материальное поглощение и релеевское рассеяние в воздухе ничтожны по сравнению с кварцевым стеклом. Однако экспериментально они оказываются большими: 13 дБ/км на    мкм. Очевидно, что дырчатые световоды со сплошной световедущей жилой в
ближайшие годы могут найти практическое применение в широкополосных волоконно-оптических сетях в качестве среды передачи оптических сигналов и функциональных устройств волоконных сетей связи.
Рис. 2.2.13. Периодическое структурирование оболочки световода позволяет
сконцентрировать поле
внутри световода; центральная часть
световода может быть даже пустотелой!
Рис. 2.2.14. Распределение мощности
в световоде
Устройства на основе фотонных кристаллов
Фотонные кристаллы предполагается использовать, прежде всего,
для управления оптическим излучением. В этом случае период модуляции диэлектрической проницаемости (который должен быть сравним с длиной волны) составляет микронные и субмикронные размеры.
Технологии микроэлектроники позволяют создавать такие структуры,
135
однако, они в первую очередь адаптированы под стандартные материалы, такие как кремний, германий, арсенид галлия и различные виды фоторезистов. Поэтому подавляющее большинство экспериментальных образцов фотонных кристаллов представляет собой кремниевые или кварцевые структуры. Существуют ФК-структуры на основе
металлов (вольфрам), но это единичные образцы. В настоящее время
практически все экспериментальные образцы фотонных кристаллов
получены одним из перечисленных способов:
• рентгеновская литография, в том числе интерференционная;
• ультрафиолетовая литография;
• электрохимическое травление;
• лазерная голография;
• использование нанороботов и сканирующей электронной микроскопии;
• использование эффектов самоорганизации в коллоидных растворах.
Отмечается, что основную практическую ценность представляют
фотонные кристаллы с дефектами, при помощи которых можно очень
эффективно управлять световыми потоками. Такие структуры могут
обладать свойствами волноводов, резонаторов, фильтров, разветвителей и других устройств, необходимых для создания полностью оптического компьютера. При нарушении трансляционной симметрии фотонного кристалла в каком-либо месте, например, при изменении периода структуры, возникает область, в которой могут существовать
электромагнитные волны с частотами, соответствующими запрещенной зоне ФК. Вследствие чего возможна локализация электромагнитного поля на дефектах. На рис. 10.15 показано использование фотонно-кристаллических волноводов для построения переключателя оптических сигналов с оптическим управлением.
Волноводы в данном устройстве образуют волноводный интерферометр Маха-Цендера. Входной сигнал распределяется по первому и
второму плечам интерферометра и на выходе интерферометра вновь
объединяется. В зависимости от сдвига фазы сигнала в каждом из плеч
интерферометра может происходить либо сложение, либо вычитание
амплитуды сигнала на его выходе. Для управления сдвигом фазы сигнала используются управляющие оптические сигналы, которые подаются по волноводам непосредственно в плечи интерферометра.
Энергия фотонов управляющих сигналов превышает ширину запрещенной зоны полупроводника, из которого изготовлен интерферометр. Поэтому происходит поглощение фотонов полупроводником,
сопровождающееся фотогенерацией свободных электронов. Это при136
водит к изменению показателя преломления полупроводника и сдвигу
фазы оптического сигнала.
Фотонно-кристаллическая структура переключателя обеспечивает
его спектральную селективность и высокую чувствительность к
управляющему сигналу. Быстродействие подобных переключателей на
основе кремния или арсенида галлия может составлять десятки пикосекунд.
Рис. 2.2.15. Полностью оптический переключатель на
основе ФК волноводов
Для управления оптическими сигналами могут
быть
использованы
фотоннокристаллические структуры с дефектами. Дефекты создают в спектре фотонного кристалла
узкие линии поглощения, спектральное положение которых сильно зависит от размера дефекта и показателя преломления материала кристалла.
Рис. 2.2.16. Полностью оптический переключатель на основе фотоннокристаллического волновода
Это позволяет уменьшить мощность управляющих сигналов и повысить быстродействие устройства. Дефекты в фотонных кристаллах
создаются специально, например, путем увеличения некоторых отверстий, образующих фотонный кристалл. Если размер дефекта превышает длину волны излучения, то такой дефект может быть использован
как микрорезонатор в фотонном кристалле.
137
Полностью оптический переключатель на основе фотоннокристаллического волновода с дефектами показан на рис. 10.16. Переключатель изготовлен по технологии SOI. Динамика переключения
оптического сигнала под действием пикосекундного управляющего
сигнала показана на рис. 10.17.
Рис. 2.2.17. Временная зависимость коэффициента пропускания волновода
при воздействии управляющего оптического сигнала (пунктир)
Фотонно-кристаллическая структура может быть создана непосредственно в сердцевине полоскового волновода. В ряде случаев это позволяет упростить технологию изготовления устройства и обеспечить
дополнительные функциональные возможности. Пример волноводного
переключателя на основе одномерного фотонного кристалла, изготовленного по технологии SOI, показан на рис. 10.18.
Рис. 2.2.18. Волноводный переключатель на основе одномерного ФК
Фотонно-кристаллическая структура, в данном случае, образована
непосредственно в волноводе периодически расположенными отверстиями. Управляющий оптический сигнал длительностью 30 пс увеличивает пропускание волновода на длине волны 1545 нм (рис. 2.2.19).
При этом пропускание волновода на длине волны 1550 нм уменьшает138
ся. Это позволяет разделять оптические сигналы с разной длиной волны для демультиплексирования сигналов в WDM волоконных линиях
связи.
Рис. 2.2.19. Временная зависимость коэффициента пропускания волновода,
(рис. 2.2.18), при воздействии управляющего оптического сигнала
а
б
с
Рис. 2.2.20. Устройства на фотонных кристаллах (а – Т – образный
разветвитель, б – пересечение волноводов, в – фильтр)
Настоящий прорыв в увеличении пропускной способности оптических
линий был достигнут введением эрбиевых оптических усилителей.
Они позволили увеличить дальность передачи до ~ 105 км и передавать
по одному волокну до нескольких сотен спектральных каналов. В результате созданы линии с потоком более 10 Тбит/с. В спектральных
переключателях используются преобразователи длины несущей волны, основанные на нелинейно-оптических эффектах. Наиболее успешным оказалось использование нелинейных свойств полупроводниковых оптических усилителей (SOA – semiconductor optical amplifier)
перекрестная модуляция усиления, перекрестная модуляция фазы, четырехволновое смешение.
Устройства на основе микрорезонаторов
139
Микрорезонаторы применяются в интегрально-оптических устройствах в качестве фильтров, элементов демультиплексоров и оптических переключателей. Одним из широко используемых микрорезонаторов является кольцевой волноводный резонатор (рис. 10.21). В этой
структуре используется вращающаяся по кругу волноводная мода. Резонансы возникают в том случае, когда на полном расстоянии, которое
проходит мода, укладывается целое число полуволн. Ввод и вывод
сигнала может осуществляться с помощью полосковых волноводов,
имеющих электромагнитную связь с кольцом. Для повышения коэффициента связи волновода с резонатором и уменьшения влияния этой
связи на добротность резонатора часто используют волноводы, имеющие поперечный размер, меньший длины волны (фотонные проволоки). В таких волноводах распространяются только вытекающие моды,
характеризующиеся большими потерями на излучение. Однако, так
как для связи с резонатором используют короткие отрезки фотонных
проволок (не более 1 0 0 -2 0 0 мкм), общие потери оказываются допустимыми. Для перевода сигнала из обычного полоскового волновода в
фотонную проволоку необходимо проводить конвертирование (преобразование) мод. Наиболее простым является рупорный конвертер (рис.
2.2.21а), однако он обладает большими габаритами и потерями. Для
более эффективного преобразования используют конвертеры более
сложной конфигурации и имеющие малые габариты. На рис. 2.2.21 б
показан конвертер (ступенчатый согласующий трансформатор), обеспечивающий перевод сигнала из полоскового волновода с поперечным
размером 10 мкм в фотонную проволоку с поперечным размером 500
нм, изготовленный методом фотолитографии. Эффективность преобразования сигнала превышает 2.10%. Распространение света в виде
лучей в планарном волноводе показано на рис. 2.2.21.
а
б
Рис. 2.2.21. Устройства на основе микрорезонаторов (а – кольцевой волноводный резонатор с возбуждением фотонной проволокой, б – конвертер для перевода сигнала из волновода в фотонную проволоку)
Среди микрорезонаторов особое место занимают резонаторы с модами шепчущей галереи, которые во многом подобны обычным вол140
новодным модам. Существенным отличием является то, что они формируются в результате полного внутреннего отражения луча только от
одной границы раздела сред, а не от двух или четырех, как в полосковом волноводе.
На рис. 2.2.22пунктиром показано распространение лучей, соответствующих модам шепчущей галереи, в резонаторах круглой и многоугольной формы, аналогичное распространению лучей звуковых волн
в круглой «Шепчущей Галерее» Собора Святого Павла в Лондоне, откуда и возникло название таких мод.
а
б
Рис. 2.2.22. Распространение лучей при возбуждении моды шепчущей галереи в резонаторе круглой формы (а) и имеющего форму многоугольника (б)
Резонаторы шепчущей галереи изготавливают в форме сферы, цилиндра, диска или многоугольника. На рис. 2.2.23 а показано распределение интенсивности моды в дисковом резонаторе. Энергия электромагнитной волны сосредоточена вблизи границы раздела сред. Достоинством резонаторов с модами шепчущей галереи является их чрезвычайно высокая добротность, превышающая на несколько порядков
добротность других типов оптических резонаторов.
Сферический микрорезонатор с модами шепчущей галереи теоретически может иметь добротность 1011. На основе резонаторов с модами шепчущей галереи реализованы фильтры с очень узкой спектральной полосой (рис. 2.2.23б), а также микролазеры с узким спектром генерации.
Спектральное положение резонанса в резонаторах с модами шепчущей галереи существенно зависит от величин показателей преломления самого резонатора и окружающей среды. Благодаря этому, на
основе таких резонаторов могут быть созданы чрезвычайно чувствительные волноводные датчики и сенсоры.
141
а
б
Рис. 2.2.23. а – радиальное распределение интенсивности моды шепчущей
галереи с N = 1 в дисковом резонаторе с радиусом r0; на вставке – угловое распределение интенсивности; б – спектр пропускания волновода, имеющего
электромагнитную связь с дисковым резонатором
а
б
Рис. 2.2.24. Коэффициент пропускания и структуры фильтров на основе резонаторов, связанных с волноводом (а – сильная связь, б – слабая связь)
В интегральной оптике используются, в основном, дисковые микрорезонаторы с модами шепчущей галереи, которые легко могут быть
изготовлены методами фотолитографии. Для ввода и вывода сигнала
обычно используют электромагнитную связь резонатора с фотонной
проволокой (рис. 2.2.24). Другие конструкции фильтров показаны на
рис. 2.2.25.
а
б
Рис. 2.2.25. Структуры фильтров на ФК
142
Положение фотонной запрещенной зоны определяется периодом
фотонного кристалла. В структуре с периодом один сантиметр, фотонная запрещенная зона может возникнуть для частоты порядка 10 ГГц,
фотонный кристалл для видимого света должен иметь период около
100 нм, а обычный (атомный) кристалл является по совместительству
и фотонным кристаллом, но для рентгеновского излучения. Ширина
запрещенной зоны:
4 n2  n1
 gap  0
.
 n2  n1
В центре каждой запрещенной зоны период слоистой структуры
приблизительно равен целому числу световых волн. При последовательных отражениях от соседних границ раздела волны интерферируют, и наблюдается сильное отражение. Если атом, находящийся в возбужденном состоянии и способный излучить фотон с частотой 0 ,
поместить в бесконечный фотонный кристалл, в котором частота 0
приходится на фотонную запрещенную зону, то атом (в идеальном
случае) будет находиться в возбужденном состоянии вечно.
Если оптическая толщина одного из слоев в середине структуры
равна половине длины волны, полученная структура называется микрорезонатором, и добротность такого резонатора определяется коэффициентами отражения брэгговских зеркал, а также толщиной полости
резонатора.
Рис. 2.2.26. Спектр отражения света от микрорезонатора (для сравнения
приведен спектр отражения света от брэгговского отражателя). Профиль электрического поля собственной моды резонатора. Спектр плотности фотонных
состояний в микрорезонаторе
143
Спектр отражения света от такой структуры показан на
рис. 2.2.26. В центре полосы отражения, на частоте 0 , появился узкий провал. Профиль электрического поля на частоте, соответствующий провалу в спектре, имеет максимум. Такое состояние является
локализованным, ему соответствует  – функция в плотности фотонных состояний.
Рис.2.2.27. Вертикальный лазер: полость
резонатора с активной областью между
двумя брэгговскими отражателями
Рис. 2.2.28. Резонатор в двумерном
фотонном кристалле
Возьмём атом, находящийся в возбужденном состоянии, способный
излучить фотон, и поместим его в полость нашего микрорезонатора в
пучность электрического поля. Если атом способен излучить фотон на
частоте, отличной от частоты собственной моды микрорезонатора 0 ,
то излучение такого фотона будет запрещено. Однако если частота
фотона будет совпадать с частотой собственной моды микрорезонатора 0 , то такой акт излучательной рекомбинации будет разрешен и,
более того, вероятность излучения будет тем больше, чем выше добротность микрорезонатора. Таким образом, в микрорезонаторе разрешена эмиссия фотона только в одну моду, что позволяет использовать
такие структуры для создания эффективных излучателей света – лазеров с вертикальной эмиссией излучения.
144
а
б
Рис. 2.2.29. Оптическая линия задержки на основе фотонных кристаллов (а –
структура, б – геометрия неоднородностей)
Рис. 2.2.30. Структуры фильтра на ФК
Naval Research Laboratory, используя последние достижения
нанотехнологий, производит фотонные кристаллы со свойствами,
оптимальными для конкретных приложений – оптических переключателей и прерывателей света, оптических датчиков и усилителей, оптоэлектронных компонентов широкополосной связи и др. В качестве
узлов кристаллической решетки здесь применяются сильно вытянутые
трубчатые образования, заполненные оптическими материалами с резко выраженными нелинейными свойствами. А в исследовательском
центре NEC Institute (Принстон, Англия) занимаются разработкой нелинейных сред для фотонных кристаллов на полимерной основе.
На рис. 10.31 показана примерная схема оптического транзистора,
основанная на захвате фотонов. Здесь на длине волны входных сигналов излучение запирается, обеспечивая высокую эффективность нелинейного преобразования излучения по частоте. Для результирующего
излучения фотонный кристалл является проводящим, и оно выходит из
транзистора по фотонному проводнику.
145
Рис. 2.2.31.Структура оптического транзистора
Настоящую революцию в оптоэлектронике способны произвести
разрабатываемые на этой основе низкопороговые (low-threshold) или
даже беспороговые (thresholdless) лазеры, открывающие путь для малосигнальной лазерной техники – вплоть до однофотонных лазеров.
Лазер, непрерывно работающий на длине волны 1,604 мкм, возбуждается 2.180-нанометровым InGaAs-лазером мощностью 2.1,2 мВт.
Устройства на магнитных фотонных кристаллах
Магнитооптический модулятор может быть изготовлен путем расположения магнитного фотонного кристалла с большим магнитооптическим параметром между двумя поляризаторами, скрещенными под
углом 450, и менять его намагниченность внешним магнитным полем в
таких пределах, чтобы угол поворота плоскости поляризации также
составил 450. Тогда при максимальной намагниченности, например,
вдоль оси OX, поляризация света на выходе из слоя окажется параллельной направлению пропускания анализатора, и почти вся световая
энергия пройдет через модулятор. В то же время при максимальной
намагниченности слоя против оси OX плоскость поляризации света
повернется в противоположную сторону и будет перпендикулярна оси
анализатора – свет полностью поглотится. При промежуточных значениях намагниченности угол Фарадея будет меньше 450, и только часть
излучения выйдет наружу. Изменяя магнитное поле, удается влиять на
интенсивность прошедшего света. Магнитные материалы позволяют
достигать частот переключения вплоть до десятков гигагерц, что соответствует времени переключения ~ 10-10 c (время переключения в ЖК ~
10-6 c).
146
Рис. 2.2.32. Принцип действия магнитооптического видеопроектора. Три магнитных фотонных кристалла, настроенных на синюю (470 нм), зеленую
(540 нм) и красную (640 нм) длины волн и спектры их пропускания (а); схема
vагнитооптической ячейки (б); пиксельная структура магнитооптического
дисплея (в)
Эффективно и быстро изменять интенсивность светового потока
крайне важно не только в фотонных чипах оптических компьютеров
будущего, но и в других оптических устройствах. Например, на базе
магнитного фотонного кристалла можно создать ячейки, пропускающие свет заданного цвета – красного, синего или зеленого. Такие ячейки в единой системе из получившихся пикселей позволяют создать
монитор или видеопроектор. Большую популярность приобретает
электронная бумага – гибкий монитор, позволяющий читать электронные книги и газеты.
В настоящее время уже есть устройства, обеспечивающие чернобелое изображение. Магнитные фотонные кристаллы, состоящие из
магнитных наночастиц в полимерных микросферах, могут позволить
сделать следующий шаг – создать цветную электронную бумагу.
Принцип действия элемента такого фотонного кристалла схематически
изображен на рис. 2.2.33. Микросфера с магнитным фотонным кристаллом внутри может свободно вращаться, будучи взвешена в машинном масле. Если излучение падает в направлении магнитной цепочки (или под острым углом меньше 15 0), то цвет отраженного излучения определяется в основном расстоянием между наночастицами.
147
Если же под действием магнитного поля частица повернется так, что
цепочки магнитных частиц ориентируются перпендикулярно лучу света, то микросфера станет бесцветной. В данном случае магнитное поле
помогает управлять цветом не непосредственно через магнитооптические эффекты, а косвенно ориентируя фотонный кристалл нужным
образом.
Рис.2.2.33. Полимерная микросфера с фотонным кристаллом внутри изменяет
цвет отраженного излучения при повороте под действием магнитного поля (а).
Микросферы двух различных размеров: во «включенном» состоянии, т. е. ориентация цепочек магнитных наночастиц в фотонном кристалле параллельна
лучу зрения (б, г), и в «выключенном» состоянии, т. е. ориентация перпендикулярна лучу зрения (в, д)
Усиленное влияние магнитного поля на свет можно использовать
не только ради изменения характеристик света, но и для мониторинга
самого магнитного поля – в сверхчувствительных сенсорах. В магнитных фотонных кристаллах и ряде других нано-структурированных
магнитных материалах (например, в перфорированных металлодиэлектрических пленках) величина и положение резонансного пика
очень чувствительны к внешнему магнитному полю. Следовательно,
помещая магнитную наноструктуру во внешнее магнитное поле, можно, измеряя интенсивность прошедшего света, судить о величине и
направлении поля.
Рис. 2.2.34. Демультиплексирование за счет дисперсии ФК
148
Строение фотонных кристаллов представляет собой частный случай
периодической структуры – дифракционной решётки. При определённых условиях в среде распространения света (внутри кристалла) чередуются зоны, отражающие свет определённой длины волны (стопзоны) и зоны, пропускающие свет остальных длин волн. Иными словами, фотонный кристалл может являться оптическим фильтром. Искусственно меняя период структуры, мы можем заставить фотонный
кристалл отражать свет строго заданного цвета.
Рис. 2.2.35. Цветной рефлективный экран
Канадская компания Opalux нашла искусственным кристаллам
иное применение – в качестве управляемой среды для создания малопотребляющих цветных рефлективных экранов. Технология называется P-Ink (Photonic Ink, фотонные чернила). Слой таких «чернил» представляет собой высокоупорядоченную структуру активного полимера,
«решётка» которого может растягиваться или сжиматься под воздействием электрического тока. Прикладывая к такой среде напряжение, мы
заставляем полимер растягиваться. «Шары» деформируются, и это
пространственное изменение приводит к тому, что длина волны отражённого света постепенно меняется от синего к красному и, наконец,
возникает ситуация, когда структура перестаёт отражать свет видимого спектра – экран чёрный.
Несмотря на свою кажущуюся простоту, технология компании
Opalux всё ещё находится на стадии опытной разработки. Насколько
можно судить, за последние три года компания так и не достигла заметного прогресса в деле создания экранов на P-Ink. Между тем, полимерные кристаллы управляются чрезвычайно слабым сигналом –
порядка полутора вольт при силе тока в несколько мкА – это позволяет
говорить о сверхэкономичных экранах. Кроме того, компания обещает
149
настолько усовершенствовать технологию, что экраны P-Ink смогут
удерживать заданный цвет без подачи питания – приобретут эффект
памяти.
Простота конструкции экранов P-Ink – залог малой стоимости и абсолютной гибкости. Плёнки из опалоподобных полимерных структур,
например, могут стать второй «кожей» для электронных устройств,
меняющей цвет по заданному сценарию или под воздействием внешних температур. В качестве дисплеев технология Opalux сулит высокую яркость и эффективность, ведь каждый пиксель P-Ink способен
изменять цвет равномерно на всей своей площади безо всяких накладных цветных фильтров. Единственный серьёзный минус технологии
Opalux, не считая её явной незрелости, заключается в очень медленной
реакции экрана.
Выводы.
 Фотонные кристаллы предполагается использовать, прежде всего, для
управления оптическим излучением. Технологии микроэлектроники позволяют создавать такие структуры, однако, они в первую очередь адаптированы под стандартные материалы, такие как кремний, германий, арсенид
галлия и различные виды фоторезистов. Поэтому подавляющее большинство экспериментальных образцов фотонных кристаллов представляет
собой кремниевые или кварцевые структуры.
 В настоящее время известны два типа волоконных световодов со
структурой фотонных кристаллов. Это волоконные световоды со сплошной световедущей жилой и волоконные световоды с полой световедущей
жилой.
 Фотонно-кристаллическое волокно – оптическое волокно, оболочка которого имеет структуру двумерного фотонного кристалла. Благодаря такой
структуре оболочки открываются новые возможности управления в широком диапазоне дисперсионными свойствами волокон и степенью локализации электромагнитного излучения в направляемых волноводных модах.
 Фотонно-кристаллические волокна позволяют преодолеть ограничения,
свойственные стандартным оптическим волокнам и волноводам, например,
одномодовый режим распространения света спектрально не ограничен.
 Дырчатые световоды с большим диаметром световедущей жилы также
могут использоваться в качестве среды передачи световых потоков высокой интенсивности.
 Периодическое структурирование оболочки световода позволяет сконцентрировать поле внутри световода; центральная часть световода может быть даже пустотелой.
150
 Фотонно-кристаллические волокна позволяют преодолеть ограничения,
свойственные стандартным оптическим волокнам и волноводам.
 Основную практическую ценность представляют фотонные кристаллы с
дефектами, при помощи которых можно очень эффективно управлять световыми потоками. Такие структуры могут обладать свойствами волноводов, резонаторов, фильтров, разветвителей и других устройств, необходимых для создания полностью оптического компьютера.
Вопросы для самоконтроля:
1. Структура волноводов на основе фотонных кристаллов.
2. Преимущества волноводов на ФК перед другими типами световодов.
3. Что представляют собой дырчатые волноводы?
4. Пояснить, почему практическую ценность представляют фотонные кристаллы с дефектами.
5. Описать устройства на ФК.
6. Магнитные ФК и устройства на их основе.
2.3. Наноплазмоника
Поверхностные плазмоны, плазмонные наночастицы, наноскоп, щелевой плазмонный волновод, кремниевый светодиод
Недавно были продемонстрированы первые коммерчески применимые плазмонные. Технология плазмонов объединяет преимущества
оптоволокна с высокоскоростной передачей данных и компактные габариты микроэлектронных компонентов. Она обещает появление компьютерных чипов со сверхвысоким быстродействием.
В основе плазмонной передачи данных лежат колебания электронной плотности на границе двух материалов: непроводящей плазмы или полимера и металлической поверхности. Возбуждая электроны
световым излучением можно обеспечить условия распространения
высокочастотных волн плазмонов по металлическому проводнику или
волноводу. Но во многих случаях сигнал разрушается после нескольких микрометров – слишком короткой дистанции для соединения, например, компьютерных чипов. Исследователи проекта Plasmocom
предложили инновационное решение, разрабатывая плазмоннополяритонные волноводы с поверхностью из диэлектрика (dielectricloaded surface plasmon polariton waveguides, DLSPPW). Формируя слой
из полимерного (полиметилметакрилат) диэлектрика на золотой плёнке, расположенной на стеклянной подложке, учёным удалось получить
волноводы с длиной волны 500 нм с увеличенным распространением
сигналов.
151
Реализован целый ряд плазмонных устройств, включая Yсплиттеры и кольцевой резонатор – ключевые части мультиплексоров
ввода/вывода (add-drop multiplexers, ADM) в оптических сетях, которые объединяют и разделяют потоки данных на единичные сигналы.
Тогда как нынешние коммерческие кольцевые резонаторы имеют радиус до 300 мкм, у плазмонных аналогов этот показатель составляет
всего 5 мкм. Технология Plasmocom позволяет создавать устройства с
применением распространённых литографических техпроцессов.
Благодаря успехам в производстве и визуализации металлических
и полупроводниковых наночастиц быстро развивается новая область
нанотехнологий – наноплазмоника.
Наноплазмоника изучает явления, связанные с колебаниями электронов проводимости в металлических наноструктурах и наночастицах (рис. 11.1) и взаимодействием этих колебаний со светом, атомами
и молекулами c целью создания сложных оптических устройств.
Плазмонные колебания в наночастицах (рис. 11.2) существенно
отличаются от электромагнитных волн, распространяющихся по
поверхности металла («поверхностных плазмонов»). Именно эти колебания, которые называют локализованными плазмонами, являются
основой всех приложений наноплазмоники.
Рис. 2.3.1. Примеры наночастиц, для которых разработаны эффективные методы синтеза: 1 – серебряные кубики со стороной 175 нм; 2 – нанокольцо из окиси цинка; 3 – кристаллы окиси цинка в форме тетраподов; 4 – кластеры из двух
наносфер
Рис. 2.3.2. Различные фазы свободных колебаний электронов относительно
кристаллической решетки в плазмонной наночастице: 1 – электроны не сме-
152
щены относительно решетки, 2 – под действием импульса света электроны
сместились влево от кристаллической решетки. Возникающая сила притяжения между зарядами разного знака (стрелка на 2) приводит к возвращению
электронов в положение равновесия (3), но силы инерции приводят к тому, что
электроны пролетают положение равновесия и оказываются справа от кристаллической решетки частицы (4), где на них снова действует возвращающая
сила притяжения кристаллической решетки
Важнейшая черта явлений в наноплазмонике заключается в комбинации сильной пространственной локализации электронных колебаний с их высокой частотой (в диапазоне длин волн от ультрафиолетового до инфракрасного). В свою очередь, сильная локализация приводит к гигантскому увеличению локальных оптических и электрических
полей. И, наконец, свойства локализованных плазмонов критически
зависят от формы наночастиц, что позволяет «настраивать» их систему
резонансов на эффективное взаимодействие со светом или элементарными квантовыми системами (молекулы, квантовые точки).
Эти важнейшие свойства плазмонных наночастиц уже позволили
обнаружить целый ряд новых эффектов. Прежде всего, гигантские локальные поля вблизи наночастиц приводят к увеличению сечения комбинационного рассеяния на 10-14 порядков, что позволяет говорить о
возможности наблюдения отдельных молекул. Эти же локальные поля
могут привести к разработке методов определения структуры ДНК без
прикрепления к ним флуоресцентных маркеров. Используя сложную
структуру спектров плазмонных наночастиц, можно одновременно
усиливать как поглощение, так и испускание света ими и, таким образом, создавать эффективные флуорофоры и наноразмерные источники
света (и даже нанолазеры). Помимо этих новых приложений, основанных на физике плазмонных наночастиц, использование достижений
наноплазмоники позволяет существенно увеличить отношение эффективность-стоимость, например, в солнечных батареях и светоизлучающих диодах. И, наконец, считается, что наноплазмоника позволит
создать новую элементную базу для компьютеров и устройств обработки данных за счет использования малых размеров металлических
наноструктур и оптического быстродействия происходящих в них
процессов. Сами по себе элементы полупроводниковых устройств могут иметь и очень малые размеры (в процессорах Intel уже используются технологии 65 нм) и высокие частоты функционирования, однако
соединение этих элементов электрическими проводниками приводит к
ограничениям частоты функционирования, связанным с неустранимым
выделением в проводниках тепла. С другой стороны, фотонные устройства (оптоволоконная техника) имеют высокие (оптические) часто153
ты функционирования, но при этом их физические размеры слишком
велики для наноустройств. Использование вместо проводников наноплазмонных волноводов позволит устранить эти проблемы и повысить
частоты функционирования компьютеров и других устройств (рис.
2.3.3).
Еще одним важным применением наноплазмоники является создание метаматериалов, т.е. искусственных материалов, в которых место обычных атомов занимают плазмонные наночастицы или наноструктуры специально подобранной формы. Иногда такие частицы называют «искусственными атомами» или «плазмонными атомами». Такие метаматериалы обладают свойствами, которыми принципиально
не могут обладать естественные материалы. Например, плазмонные
метаматериалы могут иметь не только отрицательную диэлектрическую проницаемость (как в обычных благородных металлах), но и отрицательную магнитную проницаемость. Комбинация этих свойств
приводит к возможности создания оптических устройств (наноскопов),
в которых, в отличие от обычных микроскопов, не существует так называемого дифракционного предела и можно увидеть объекты размером в несколько нанометров.
Рис. 2.3.3. Место наноплазмонных устройств среди устройств, основанных на
других технологиях. Фотонные устройства имеют высокие частоты функционирования, но их размеры слишком велики для наноустройств. Современные
полупроводниковые устройства имеют слишком малые частоты функционирования из-за выделения тепла в соединительных проводниках. Устройства, основанные на принципах наноплазмоники, лишены этих недостатков
Возможно, самым удивительным потенциальным применением
плазмоники было бы изобретение плаща-невидимки. Возбуждение
плазмонной структуры излучением на ее резонансной частоте может
154
сделать ее коэффициент преломления равным коэффициенту преломления для воздуха, и тогда она перестанет преломлять и отражать свет.
Можно покрыть такую конструкцию материалом, усиливающим
оптический сигнал подобно резонатору спазера, чтобы возместить потери на поглощение и сделать ее невидимой, по крайней мере, в определенном диапазоне частот. Оболочка из метаматериала могла бы изменить пути проходящих через нее электромагнитных волн, отклоняя
их от находящейся внутри нее сферической области.
Теоретически можно создать плазмонные материалы, которые
могли бы делать объекты невидимыми. Любой объект, помещенный
внутрь этого объема, будет казаться невидимым для стороннего наблюдателя (рис.2.3.4, 2.3.5).
Рис. 2.3.4. Прохождение
света вокруг объекта,
окруженного средой метаматериала
Рис. 2.3.5. Покрытие-невидимка. Вокруг
скрываемого объекта размещается слой
метаматериала специальной формы и,
главное, со специально подобранными распределениями диэлектрической и магнитной проницаемостей. Все лучи света обходят скрываемый объект, который кажется
невидимым
Щелевой плазмонный волновод
Чтобы сократить размеры плазмонного проводника, нужно окружить диэлектрик металлом. В таком щелевом волноводе длина световой волны сокращается более чем в десять раз. Были изготовлены щелевые волноводы шириной всего 50 нм, что сопоставимо с размерами
электронных элементов современных микросхем. По такой плазмон155
ной цепи можно передавать намного больше данных, чем по электрической, но сигнал в ней затухает на расстоянии 100 мкм.
С помощью щелевых волноводов можно значительно повысить
быстродействие микросхем. На рисунке слева относительно большие
диэлектрические волноводы подводят оптические сигналы к
плазмонным переключателям (плазмонсторам), соединенным с
обычными электронными транзисторами. Плазмонсторы состоят из
щелевых волноводов шириной 100 нм, сужающихся до 20 нм в точках
пересечения.
Чтобы создать плазмоны, распространяющиеся по нанопроводникам, исследователи рассмотрели волноводы более сложной формы, в
которых волна втискивается в узкое пространство, за счет чего ее длина уменьшается. Была создана структура, состоящая из линейных цепей золотых точек диаметром менее 100 нм. Луч видимого света с
длиной волны 570 нм вызывал в точках резонансные колебания и создавал поверхностные плазмоны, которые перемещались вдоль цепей,
ограниченные плоской дорожкой высотой 75 нм. Однако потери на поглощение
оказались довольно высокими: сигнал затухал после
прохождения от нескольких
сотен до нескольких тысяч
нанометров, поэтому такие
волноводы подходят только
для очень коротких межсоединений.
Рис. 2.3.6. Плазмонный переключатель
Потери можно снизить, вывернув плазмонный волновод наизнанку
и окружив диэлектрик металлом. Было показано, что плазмонные
щелевые волноводы могут передавать сигналы на десятки микрон.
Известен результат, когда красный свет (с длиной волны в свободном
пространстве 651 нм) был введен в плазмонный щелевой волновод
толщиной 3 нм и шириной 55 нм. Длина волны поверхностного
плазмона, распространяющегося в таком устройстве, составила всего
51 нм, т.е. примерно 8% от длины волны в свободном пространстве.
Для печати микросхем на кремниевых подложках сейчас
используется литография. Аналогичная технология подойдет и для
156
серийного выпуска крошечных плазмонных устройств с множеством
узких диэлектрических полос и промежутков между ними.
Плазмонные схемы станут еще быстрее, когда будет реализован
плазмонстор – плазмонное устройство – аналог транзистора. На них
можно будет собирать сверхбыстрые оптические сигнальные процессоры, появление которых изменит всю вычислительную технику.
Спектр применения плазмонных устройств выходит далеко за рамки вычислительной техники. Разработали наносферы, которые состоят
из тонкого слоя золота толщиной 10 нм, нанесенного на поверхность
кварцевых частичек диаметром 100 нм. Облучение их электромагнитными волнами вызывает колебания электронов в золотой оболочке.
Поскольку поля на ее внутренней и внешней поверхности взаимодействуют, длина волны, при которой происходит резонансное поглощение энергии, зависит от размера сферы и толщины золотого слоя. Таким образом, можно проектировать наносферы, выборочно поглощающие волны с длинами от нескольких сотен нанометров (синий
край видимого спектра) до 10 мкм (ближняя инфракрасная область).
Плазмонные материалы можно использовать для увеличения яркости светодиодов до уровня яркости ламп накаливания. Покрытие поверхности светодиода из нитрида галлия плотной сеткой плазмонных
наночастиц (состоящих из серебра, золота или алюминия) приводит к
увеличению интенсивности испускаемого света в 14 раз.
Плазмонные наночастицы можно использовать для создания
кремниевых светодиодов. Они были бы намного дешевле, чем обычные светодиоды из нитрида или арсенида галлия, но сейчас их не производят из-за низкой интенсивности излучения света. Объединение
серебряных или золотых плазмонных наноструктур с матрицами
кремниевых квантовых точек существенно повышает интенсивность
испускаемого ими света. Кроме того, частота, на которой происходит
усиленное излучение, зависит от размера наночастиц. Согласно результатам вычислений, тщательной настройкой частоты плазмонного
резонанса и точным подбором расстояния между частицами металла и
полупроводником можно добиться увеличения интенсивности излучения более чем в сто раз. В результате кремниевые светодиоды будут
светиться так же ярко, как и традиционные. Наноплазмоника молодая
наука, и далеко не все ее законы в настоящее время понятны, что приводит к возникновению самых различных парадоксов. В частности,
если вблизи слоя метаматериала с одновременно отрицательными диэлектрической и магнитной проницаемостями поместить точечный
источник света, например, излучающий атом, то в зеркально симметричной относительно поверхности точке необходимо одновременно
157
поместить поглощающий излучение атом, т.е. атомы в такие системы
можно помещать только парами. Существование такого рода парадоксов позволяет быть уверенным, что эту нанонауку ждет большое будущее.
Выводы:

В основе плазмонной передачи данных лежат колебания электронной
плотности на границе двух материалов: непроводящей плазмы или полимера и металлической поверхности.

Фотонные устройства (оптоволоконная техника) имеют высокие
(оптические) частоты функционирования, но при этом их физические размеры слишком велики для наноустройств. Использование вместо проводников наноплазмонных волноводов позволит устранить эти проблемы и повысить частоты функционирования компьютеров и других устройств.

Возбуждение плазмонной структуры излучением на ее резонансной
частоте может сделать ее коэффициент преломления равным коэффициенту преломления для воздуха, и тогда она перестанет преломлять и отражать свет.

Плазмонные материалы можно использовать для увеличения яркости
светодиодов до уровня яркости ламп накаливания.

Плазмонные наночастицы можно использовать для создания кремниевых светодиодов. Они были бы намного дешевле, чем обычные светодиоды
из нитрида или арсенида галлия, но сейчас их не производят из-за низкой
интенсивности излучения света.
Вопросы для самоконтроля:
1.
Что понимается под наноплазмонами?
2.
Предмет исследования наноплазмоники.
3.
Опишите свойства щелевого плазмонного волновода.
4.
Перспективы внедрения кремниевых светодиодов.
5.
Что такое плазмонстор?
158
2.4. Элементы наноэлектроники и нанооптики
Квантовая точка, квантовая проволока, квантовая яма, нановолокно, наностержень, нанотехнология, оптический пинцет
Наноэлектроника (nanoelectronics) – область науки и техники,
связанная с разработкой архитектур и технологий производства
функциональных устройств электроники с топологическими размерами элементов, не превышающими 100 нм, а также с изучением физических основ функционирования таких устройств.
Нанотехнология (nanotechnology) – совокупность технологических методов и приемов, используемых при изучении, проектировании
и производстве материалов, устройств и систем, включающих целенаправленный контроль и управление строением, химическим составом и взаимодействием составляющих их отдельных наномасштабных элементов (с размерами порядка нескольких нм и меньше как минимум по одному из измерений), которые приводят к улучшению, либо
появлению дополнительных эксплуатационных и/или потребительских характеристик и свойств получаемых продуктов.
Нанотехнология (греч. nanos – «карлик» + «техно» – искусство, +
«логос» – учение, понятие) – междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, занимающаяся новаторскими
методами (в сферах теоретического обоснования, экспериментальных
методов исследования, анализа и синтеза, а также в области новых
производств) получения новых материалов с заданными нужными
свойствами.
Вообще нанотехнология занимается структурами, которые не
превышают значений 100 нм или меньших, и используют материалы
или устройства в пределах тех размеров. Нанотехнология очень разнообразна, она распространяется в областях исследований, начиная с
обычных физических устройств, включая полностью новые направления на молекулярно-атомном уровне. Нанотехнология развивает новые
методы, технологии получения новых материалов с измерениями в
нанометрических диапазонах с задачами возможности непосредственного управления технологиями даже в области атомарной. В нанотехнологии применяют новейшие технологии манипулирования единичными атомами или молекулами (перемещение, перестановки, новые
сочетания). Используются самые разные методы (механические, химические, электрохимические, электрические, биохимические, электроннолучевые, лазерные) для искусственной организации заданной ато159
марной и молекулярной структуры нанообъектов, для создания микроскопических устройств.
Изучение разнообразных свойств объектов и разработка технических устройств позволяет управлять элементами с размерами порядка
нанометра (10-2.1), отсюда и происходит название «нанотехнология».
Нанотехнология качественно отличается от традиционных инженерных дисциплин, так как в микромасштабах привычные макроскопические технологии обращения с материей неприменимы. Взаимодействия между микроскопическими элементами в макромире ничтожны по
величине, но имеют высокие удельные показатели. На микроуровне
явления, пренебрежительно слабые в обычных масштабах, становятся
намного более значительными и непредсказуемыми: свойства и взаимодействия отдельных атомов и молекул (или агрегатов молекул),
квантовые эффекты принимают совершенно новый характер. Применение нанотехнологии позволяет искусственно связывать наночастицы
с определёнными характеристиками, образующие микро- и макрообъекты, в которых определяющими становятся новые свойства и типы
взаимодействия между отдельными атомами и молекулами, что определяет свойства получаемого в итоге вещества или объекта.
Специфические функциональные характеристики в нанотехнологии достигаются способом связи между соответствующими свойствами и изменением (например, уменьшением) структурных размеров,
характерных в случаях, если размеры объектов, в крайнем случае, в
плоскости, не превышают значений 100 нм.
Часто применяемое определение нанотехнологии как комплекса
методов работы с объектами размером менее 100 нанометров недостаточно точно описывает как сам объект, так и отличие современных
нанотехнологий от традиционных и научных дисциплин.
Объектом нанотехнологий на микроуровне являются:
 Наночастицы, нанопорошки – объекты, у которых три характеристических размера находятся в диапазоне до 100 нм.
 Нанотрубки, нановолокна – объекты, у которых два характеристических размера находятся в диапазоне до 100 нм.
 Наноплёнки – объекты, у которых один характеристический размер
находится в диапазоне до 100 нм.
С другой стороны, объектом нанотехнологии могут быть и макроскопические объекты, атомарная или молекулярная структура которых создаётся благодаря контролируемому запрограммированному
распределению микрочастиц на уровне отдельных атомов или молекул. Нанотехнологии качественно отличаются от традиционных дисциплин, поскольку в таких масштабах привычные (макроскопические)
160
технологии при работе с материей часто неприменимы, а микроскопические явления, пренебрежительно слабые в обычных масштабах, становятся намного более значительными и непредсказуемыми: свойства
и взаимодействия отдельных атомов и молекул (или агрегатов молекул), квантовые эффекты принимают совершенно новый характер.
Объектами нанотехнологий могут быть как непосредственно низкоразмерные объекты с характерными для нанодиапазона размерами
как минимум в одном измерении (наночастицы, нанопорошки, нанотрубки, нановолокна, нанопленки), так и макроскопические объекты
(объемные материалы, отдельные элементы устройств и систем),
структура которых контролируемо создается и модифицируется с разрешением на уровне отдельных наноэлементов. Устройства или системы считаются изготовленными с использованием нанотехнологий,
если как минимум один из их основных компонентов является объектом нанотехнологий, т.е. существует как минимум одна стадия технологического процесса, результатом которой является объект нанотехнологий.
В современном научном сообществе термины «наноэлектроника» и «наноэлектронные технологии» используются в двояком смысле.
С одной стороны, под наноэлектроникой понимают продукт эволюционного развития микроэлектронной транзисторной (главным образом,
КМОП) технологии на основе кремния в сторону дальнейшей миниатюризации и увеличения степени интеграции, что необязательно подразумевает приборную реализацию квантово-размерных эффектов. С
другой стороны, под этим термином понимают совокупность электронных приборов, устройств и технологий их производства, основанных, прежде всего, на новых эффектах (размерное квантование, кулоновская блокада, использование примесных атомов в качестве кубитов
для квантовых компьютеров и т.д.). При масштабе уровня десятков
нанометров характерные размеры элементов становятся соразмерными
некоторым фундаментальным физическим характеристикам (например, длине экранирования, длине пробега электрона, длине волны деБройля), что предполагает появление новых физических эффектов и
наличие некоторых фундаментальных физических ограничений на
возможности таких приборов. В этом проявляется особенность наноэлектроники по сравнению с микроэлектроникой, опирающейся на
макроскопические законы классической физики.
Технологические средства и методы, наиболее пригодные для
создания объектов наноэлектроники, включают в себя как традиционно используемые методы, например, молекулярно-лучевую эпитаксию
и прецизионное осаждения из газовой фазы, так и другие методы, про161
демонстрировавшие высокую эффективность именно при решении
задач наноэлектроники, в частности, ионный синтез. Технологии наноэлектроники не только включают средства и методы, ранее не известные для микроэлектроники, например, использование нанотрубок и
фуллеренов, но и используют новые методические подходы и разработки, служащие для создания, измерения и анализа параметров наноструктурных объектов. К ним относятся, в частности, различные методы зондовой микроскопии (туннельная, атомно-силовая микроскопия),
с помощью которых объекты наноэлектроники могут, как исследоваться, так и создаваться.
Квантовая точка (quantum dot, nano-dot, КТ, QD, ND) – частица
полупроводникового материала с размером, близким к длине волны
электрона в этом материале (обычно размером 1-10 нм), внутри которой потенциальная энергия электрона ниже, чем за его пределами,
таким образом, движение электрона ограничено во всех трёх измерениях.
Примерами квантовых точек могут быть:
- полупроводниковые гетероструктуры с пространственным ограничением носителей заряда в трех измерениях, в которых реализуется
предельный случай размерного квантования;
- коллоидные или нанесённые на пористый носитель высокодисперсные частицы полупроводников диаметром 1-30 нм.
Рис. 2.4.1. Квантовая точка и её профиль
Электронный спектр идеальной квантовой точки представляет собой
набор дискретных уровней, разделенных областями запрещенных состояний, и формально соответствует электронному спектру одиночного атома. Однако реальная квантовая точка может состоять из сотен
тысяч атомов. Минимальный и максимальный размеры квантовых точек зависят от того, из каких веществ она создана: например, для системы InAs-AlGaAs минимальный размер квантовых точек составляет 4
нм, а максимальный размер не должен превышать 30 нм.
162
Участок поверхности Si(100) с ямкой диаметром ~ 100 нм и глубиной 16 нм, на дне которой находится квантовая точка – тонкий слой
из атомов Ge. Справа – профиль поперечного сечения ямки с квантовой точкой шириной ~ 30 нм и высотой 1,5 нм.
Квантовая проволока (quantum wire) – полупроводниковый материал нитеобразной формы, в котором потенциальная энергия электрона ниже, чем за его пределами, и за счет малых поперечных размеров (обычно 1-10 нм) движение электрона ограничено в двух измерениях. Движение вдоль оси нити остается свободным, в то время как движение в других направлениях квантуется, и его энергия может принимать лишь дискретные значения.
Квантовые проволоки – это одномерные электронные системы,
наиболее яркими представителями которых являются углеродные нанотрубки и полупроводниковые гетероструктуры. Последние изготавливают с помощью литографической техники за счет вытравливания
узкой полоски из гетероструктуры (рис. 2.4.2). В результате получается полоска из полупроводниковой гетероструктуры с шириной и высотой менее 10 нм, в которой носители заряда пространственно ограничены в движении по двум направлениям и могут свободно перемещаться только вдоль оси проволоки.
Рис.2.4.2. Полупроводниковые гетероструктуры
с квантовыми нитями, полученные с помощью
субмикронной литографии за счет вытравливания полоски из самой структуры: 1 – полупроводник с широкой запрещенной зоной (например, AlGaAs), 2 – полупроводник с узкой запрещенной зоной (например, GaAs). Образующийся вблизи гетерограницы узкий электронный канал показан штриховой линией
Квантовая яма (quantum well) – тонкий плоский слой полупроводникового материала (обычно толщиной 1-10 нм) внутри которого потенциальная энергия электрона ниже, чем за его пределами, таким
образом, движение электрона ограничено двумя измерениями. Движение в направлении перпендикулярном плоскости квантовой ямы квантуется, и его энергия может принимать лишь некоторые дискретные
значения.
Простейшая квантовая структура, в которой движение электрона
ограничено в одном направлении, – это тонкая пленка или просто достаточно тонкий слой полупроводника. Именно на тонких пленках полуметалла висмута и полупроводника InSb впервые наблюдались эф163
фекты размерного квантования. Сейчас квантовые структуры изготавливают иначе. Для этого используются так называемые гетероструктуры, которые получаются при создании контактов полупроводников с
различной шириной запрещенной зоны. Тонкий слой полупроводника
с узкой запрещенной зоной помещается между двумя слоями материала с более широкой запрещенной зоной. В результате электрон оказывается запертым в одном направлении, в то же время в двух других
направлениях движение электрона будет свободным. Для изготовления подобных структур разработано несколько совершенных технологических процессов, однако наилучшие результаты в приготовлении
квантовых гетероструктур достигнуты с помощью метода молекулярно-лучевой эпитаксии. Гетероструктуры можно выращивать из различных материалов, однако наиболее удачной парой для выращивания
квантовых ям являются арсенид галлия GaAs и твердый раствор
AlxGa1-xAs (x = 0,15-0,35). В настоящее время квантовые ямы успешно используются для создания лазеров.
Рис. 2.4.3. Квантовая яма и её энергетические уровни
Квантовая яма может быть рассмотрена как одномерная потенциальная яма для квантовой частицы, в которой движение частицы ограничено двумя измерениями. Характерной особенностью движения квантовой частицы в квантовой яме является то, что набор возможных
(разрешенных) значений её энергии дискретен. Это проявляется в случае, если размер ямы a достаточно мал и соизмерим с длиной волны
де-Бройля квантовой частицы. По оси ординат отложена энергия квантовой частицы, по оси абсцисс – ее координата; ширина квантовой
ямы – a; E1...En – набор дискретных значений энергии квантовой частицы.
Нановолокно (nanofiber) – объект, два характеристических размера которого находятся в нанодиапазоне (~1-100 нм) и существенно
меньше третьего.
164
Под определение нановолокон попадают все нанообъекты, два
характеристических размера которых находятся в нанодиапазоне
(~ 1-100 нм). При этом два размера, принадлежащих к нанодиапазону,
могут отличаться по величине не более чем трехкратно, а наибольший
размер может превышать два остальных по величине более трех раз и,
вообще говоря, выходить за пределы нанодиапазона. Таким образом,
одномерные наночастицы (в частности, протяженные нанотрубки)
также классифицируются как нановолокна.
К классу нановолокон относят также такие нанообъекты, как нанотрубки, нанопроволоки, нановискеры и наностержни. Нановолокна
могут быть жесткими (наностержни) или гибкими, проводящими, полупроводящими.
Наностержень (nanorod) – наночастица, относящаяся к классу
нанообъектов, у которой два размерных параметра (диаметр поперечного сечения) находятся в диапазоне 1-100 нм, а третий из параметров (длина) несколько больше.
Наибольший из размеров наностержня считается его длиной и
совсем необязательно должен укладываться в нанодиапазон. Два других размера должны отличаться между собой меньше, чем в три раза, в
то время как отношение длины наностержня к этим размерам должно
быть больше, чем 3:1. Строгой границы между наностержнями и нановолокнами не существует, однако к нановолокнам обычно относят наностержни (а при отсутствии информации о внутреннем строении – и
нанотрубки) с соотношением размеров 10:1 и более.
Углеродные нанотрубки (carbon nanotubes) (УНТ) – протяжённые
цилиндрические структуры полая цилиндрическая структура диаметром от 1 до нескольких десятков нм и длиной от одного до нескольких
сантиметров состоят из одной или нескольких свёрнутых в трубку
гексагональных графитовых плоскостей (графенов) и заканчиваются
обычно полусферической головкой.
Нанотрубки бывают однослойными и многослойными. Последние представляют собой несколько однослойных нанотрубок, вложенных одна в другую. Основная классификация нанотрубок проводится
по способу сворачивания графитовой плоскости. Различают прямые
(ахиральные) нанотрубки и спиральные (хиральные) нанотрубки. Нанотрубки обладают уникальными электрическими, магнитными, оптическими и механическими свойствами – УНТ на порядок прочнее стали. Модуль Юнга однослойной нанотрубки достигает значения порядка 1-5 ТПа. УНТ могут быть как проводниками, так и полупроводниками. На основе нанотрубок создаются диоды, полевые транзисторы,
новые сверхпрочные и сверхлегкие композиционные материалы. На165
нотрубки используются в качестве игл в сканирующей туннельной и
атомно-силовой микроскопии, а также для создания полупроводниковых гетероструктур. Созданы и опробованы прототипы тонких плоских дисплеев, работающих на матрице из углеродных нанотрубок.
Разрабатываются технологии применения УНТ в биомедицине и криминалистике.
Нанокристалл (nanocrystal) – кристалл, размеры которого по
одному или нескольким измерениям лежат в нанодиапазоне.
В нанокристаллическом состоянии вещества могут приобретать
новые свойства, не присущие им при макроскопических размерах ввиду проявления квантовых эффектов, изменения относительного вклада
поверхностной энергии в общую энергию системы.
Углеродные наноматериалы (carbon nanomaterials) – собирательный термин, которым обозначают различные низкоразмерные структуры или наноструктурированные материалы, основой которых является углерод.
К углеродным наноматериалам относят: фуллерены (см. также
фуллерит) и их производные (см. также фуллерид, эндоэдральный
фуллерен); углеродные нанотрубки; углеродные нановолокна; наноалмазы; графены (графан). Углеродные наноматериалы часто выступают
в качестве наполнителя для композитов, наиболее известными среди
которых являются композиционные материалы с полимерной матрицей.
Гетероструктура
полупроводниковая
(semiconductor
heterostructure) – искусственная структура, изготовленная из двух или
более различных полупроводниковых веществ (материалов), в которой важная роль принадлежит переходному слою, т.е. границе раздела
двух веществ (материалов).
В состав полупроводниковых гетероструктур входят элементы IIVI групп (Zn, Cd, Hg, Al, Ga, In, Si, Ge, P, As, Sb, S, Se, Te), соединения
AIII-BV и их твердые растворы. Из соединений типа AIII-BV наиболее
часто используются арсенид и нитрид галлия GaAs и GaN, из твердых
растворов – AlxGa1-xAs. Использование твердых растворов позволяет
создавать гетероструктуры с непрерывным изменением состава и ширины запрещенной зоны.
Для изготовления гетероструктур важно согласование (близость
по величине) параметров кристаллической решетки двух контактирующих соединений (веществ). Если два слоя соединений с сильно
различающимися постоянными решетки выращиваются один на другом, то при увеличении их толщины на границе раздела появляются
большие деформации и возникают дислокации несоответствия. В свя166
зи с этим для изготовления гетероструктур часто используют арсениды
алюминия и галлия, т.к. имеют почти одинаковые параметры решетки.
В этом случае монокристаллы GaAs являются идеальной подложкой
для роста гетероструктур. Другой естественной подложкой является
фосфид индия InP, который применяется в комбинации с твердыми
растворами GaAs-InAs, AlAs-AlSb и др.
Прорыв в создании тонкослойных гетероструктур произошел с
появлением технологии роста тонких слоев методами молекулярнолучевой эпитаксии, газофазной эпитаксии из металлоорганических
соединений и жидкофазной эпитаксии. Появилась возможность выращивать тонкие гетероструктуры, в которых определяющую роль играют размерные квантовые эффекты. Структуры подобного типа называют квантовыми ямами, реже – квантовыми стенками. В квантовых
ямах средний узкозонный слой имеет толщину несколько десятков
нанометров, что приводит к расщеплению электронных уровней
вследствие эффекта размерного квантования. Гетероструктуры, в особенности двойные, включая квантовые ямы, позволяют управлять такими фундаментальными параметрами полупроводниковых кристаллов как ширина запрещенной зоны, эффективная масса и подвижность
носителей заряда, электронный энергетический спектр.
Рис. 2.4.4. Поперечное сечение полупроводниковой гетеронаноструктуры Si/GaP0.2.17N0.03/Si (Вестник РАН, т. 73, № 5,2003)
Оптический пинцет (optical tweezers), оптическая ловушка
(optical trap) – оптический прибор, позволяющий удерживать и перемещать в пространстве микро- и наноразмерные объекты, захваченные в фокус лазерного луча.
Была продемонстрирована возможность оптической ловушки на
основе инфракрасного лазера захватывать, удерживать и перемещать в
пространстве различные биологические объекты, такие как вирусные
частицы, одиночные бактериальные и дрожжевые клетки и органеллы
в живых клетках водорослей. Захваченные в оптическую ловушку
клетки продолжали делиться, что свидетельствовало об отсутствии
167
повреждающего воздействия инфракрасного лазерного излучения на
биологические объекты.
Рис. 2.4.5. Принцип действия нанопинцета. Для «захвата» коллоидной частицы
оптический пинцет использует сильно фокусированный лазерный пучок. Градиент интенсивности излучения затягивает частицу в область перетяжки пучка, тогда как давление света выталкивает ее по направлению оптической оси.
Когда градиентная сила доминирует – частица «поймана» в области точки
фокуса; в противном случае частица движется вдоль оптической оси.
Принцип работы лазерного пинцета состоит в том, что оптически
прозрачные микрочастицы, имеющие размеры больше длины волны
падающего света (например, полистирольные и латексные шарики
диаметром около 1 мкм, живые клетки) одновременно отражают и
преломляют свет лазера, что приводит, согласно второму закону Ньютона, к возникновению сил отталкивания частиц в направлении от источника света и одновременно сил, возвращающих частицу в исходное
положение. При помещении частицы в фокус луча лазера эти силы
уравновешиваются, и частица попадает в ловушку. Ее смещение от
этого положения вызывает появление дополнительной силы, возвращающей частицу обратно. Диэлектрические частицы размером меньше
длины волны лазерного излучения также захватываются хорошо сфокусированным лазерным лучом. Их поведение объясняется с точки
зрения теории электромагнетизма. Диэлектрические частицы поляризуются в негомогенном электрическом поле лазерного луча и смещаются к оси луча, где напряженность поля максимальна. В современных
оптических ловушках и пинцетах используется один или несколько
лазеров и акустооптические преобразователи, позволяющие создавать
стационарные и подвижные ловушки и работать с несколькими объек168
тами сразу. С помощью таких приборов стало возможным измерить
силу, развиваемую одиночными молекулами биомолекулярных наномоторов, таких как миозин и кинезин, а также элементарные шаги,
которые делают эти молекулы при двигательном акте. Благодаря способности манипулировать субмикроскопическими объектами вплоть
до атомов и измерять пиконьютонные силы и нанометровые перемещения, оптический пинцет рассматривается как важнейший инструмент для нанотехнологий.
Выводы:

Нанотехнология (nanotechnology) – совокупность технологических
методов и приемов, используемых при изучении, проектировании и производстве материалов, устройств и систем, включающих целенаправленный
контроль и управление строением, химическим составом и взаимодействием составляющих их отдельных наномасштабных элементов.

Наночастицы, нанопорошки – объекты, у которых три характеристических размера находятся в диапазоне до 100 нм.

Нанотрубки, нановолокна – объекты, у которых два характеристических размера находятся в диапазоне до 100 нм.

Наноплёнки – объекты, у которых один характеристический размер
находится в диапазоне до 100 нм.

Нанокристалл – кристалл, размеры которого по одному или нескольким измерениям лежат в нанодиапазоне.

Углеродные наноматериалы – собирательный термин, которым обозначают различные низкоразмерные структуры или наноструктурированные материалы, основой которых является углерод.

Гетероструктура полупроводниковая – искусственная структура,
изготовленная из двух или более различных полупроводниковых веществ, в
которой важная роль принадлежит переходному слою.
Вопросы для самоконтроля:
1.
В чем особенность нанотехнологии.
2.
Назовите нанообъекты и их свойства.
3.
Что такое углеродистые наноматериалы?
4.
Что такое гетероструктуры?
5.
Принцип работы лазерного нанопинцета.
169
Часть 3. ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ИНТЕГРАЛЬНОЙ
НАНООПТИКИ
Нанотехнология главным образом состоит из обработки, разделения, консолидации и деформации материалов одним атомом
или одной молекулой.
3.1. Основы технологии выращивания пленок
Методы термовакуумного нанесения, золь-гель методы и методы
эпитаксии монокриталлических и поликристаллических пленок
Для нанесения пленок на подложки используются методы: вакуумного нанесения, золь-гель методы и методы эпитаксии. В методах
вакуумного нанесения исходный материал, как правило, представляет
собой таблетку, спрессованную из порошка. В золь-гель методах применяются растворы гидролизующихся неорганических соединений
металлов, либо металлоорганические соединения. В технологиях, основанных на эпитаксии, исходные материалы используются в газообразном виде, либо в виде расплава.
Аморфные или поликристаллические пленки можно получить
методом вакуумного нанесения и золь-гель методом. Показатель преломления пленок, полученных этими методами несколько меньше показателя преломления аналогичного по составу объемного материала
из-за меньшей плотности. Монокристаллические пленки можно получить методом эпитаксии из расплава или методом вакуумного напыления. В этом случае показатель преломления пленки соответствует показателю преломления объемного монокристалла. Необходимо отметить, что для формирования монокристаллических пленок во всех методах необходимо использовать специально подготовленные подложки из монокристаллов с определенной кристаллографической ориентацией и с периодом кристаллической решетки близким к периоду решетки формируемой пленки.
Применение органических полимерных пленок в интегральнооптических устройствах в настоящее время пока ограничено. В основном, они используются в волоконной оптике для изготовления внешних оболочек волокна и полимерных волокон для локальных сетей
волоконно-оптической связи. Характеристики некоторых полимеров,
применяемых в волоконной оптике, приведены в таблице.
170
Материал
Полистирол
Полиметилметакрилат
Полиэтилентерефталат
Полиэтилен
Оптические параметры полимеров
Область прозрачности, мкм
0.4 -1.6
0.4 -1.6
0.4 -1.6
0.4 -1.6
n
1.52.1-1.60
1.42.1
1.57
1.43
Разработаны и внедряются в промышленность полимерные светодиоды. Создаются устройства для управления оптическими сигналами с применением электрооптических полимеров. Разработаны макеты гибких интегрально-оптических устройств на основе полимеров.
Полимеры сравнительно дешевы, технологичны, а их оптические характеристики могут варьироваться в широких пределах изменением
условий синтеза и технологической обработки. В будущем следует
ожидать создания полностью полимерных интегрально-оптических
устройств.
Пленочные материалы для электронной техники можно классифицировать с различных точек зрения. Например, исходя из их толщины:
тонкие (до 1 мкм), толстые пленки или покрытия (10 мкм и более), а
также образования промежуточные или средней толщины. Тонкие
пленки в пределе приближаются к двухмерным объектам и их свойства во многом определяются свойствами поверхности и явлениями, на
ней происходящими. Толстопленочные покрытия в значительной степени характеризуются объёмными процессами и сходны с керамическими или монокристаллическими материалами. С точки зрения пространственной кристаллографической ориентации в технике используются как неориентированные пленки (рис. 3.1 а), в частности, на
керамических или стеклообразных подложках, так и покрытия, обладающие ориентацией (рис. 3.1 б), практически соответствующей кристаллографической оси носителя, т.е. близкие по свойствам к монокристаллам. Промежуточное положение занимают текстурированные
пленки, имеющие преимущественную ориентацию кристаллитов (рис.
3.1 в), что сходно со строением текстурированных керамических материалов. Использование ориентированных или эпитаксиальных пленок
обусловлено, например, тем, что только в таких анизотропных средах
возможна реализация процессов типа эффекта Фарадея. Возможно существование и использование пленочных структур и без подложек.
Пленки могут быть, кроме того, компактными высокоплотными
(рис. 3.1 а), что имеет значение для таких изделий, как пленочные волноводные устройства для СВЧ техники, катодные материалы газовых
лазеров и т. д. В том числе для оптических целей часто используются
пленки, обладающие высоким светопропусканием с совершенными и
171
не ярко выраженными межблочными границами (магнито- и электрооптические покрытия, светофильтры и делители, оптические ВТСП
материалы и др.).
а – неориентированные кристаллиты
б – ориентированные кристаллиты в
пленке на монокристаллической подложке
в – текстурированная пленка сложного оксида на монокристаллической
подложке
Рис. 3.1. Примеры ориентации кристаллитов в пленках
Методы получения пленок подразделяются:
- физические или конденсационные (PVD – Physical Vapour Deposition),
- химические,
- промежуточные между ними газофазные химические методы (CVD),
где реализация процесса напыления связана с переводом вещества и
его выделением на подложке в ходе химической реакции (например:
ZnO+2HCl = ZnCl2+H2O).
Среди химических методов получения пленок последнее время
довольно широко развивается так называемый метод спрей-пиролиза,
заключающийся в распылении на разогретые подложки аэрозолей,
включающих термически разлагающиеся соли соответствующих компонентов сложных или простых оксидов.
По способу активации и предварительного перевода материалов в
газовую фазу физические методы подразделяются в свою очередь на
несколько видов.
Методы вакуумного нанесения
Методы вакуумного нанесения используются для создания волноводов в виде тонких пленок, а также для нанесения тонкопленочных
172
покрытий на волноводы. Суть методов вакуумного нанесения заключается в том, что в вакууме создают поток атомов или молекул, которые осаждаясь на подложки в виде тонкого равномерного слоя, формируют планарные волноводы (рис. 3.2).
Рис. 3.2. Схема установки для вакуумного нанесения пленок
Установка для вакуумного нанесения состоит из вакуумной камеры, в которой расположены источник материала и подложки, на которые осаждается материал. В ходе нанесения пленки проводится постоянный контроль толщины формируемой пленки оптическими методами. Для улучшения адгезии пленки к подложке во время вакуумного
нанесения слоя подложку нагревают до температуры 200-300 0С.
Существует много методов вакуумного нанесения пленок материалов. В основном, методы отличаются способом создания потока атомов, ионов или молекул материала. Выбор метода определяется теплофизическими и химическими свойствами наносимого материала и
требованиями к характеристикам пленки. Методы вакуумного нанесения пленок позволяют создавать волноводы со ступенчатым профилем
показателя преломления.
Термовакуумные методы получения пленок
Термовакуумные методы основаны на нагреве в вакууме вещества
до температуры испарения и образования пара и дальнейшей конденсации вещества на подложке. Поток испарившихся частиц в вакууме
образуется в том случае, если давление пара испаряемого материала
превышает давление в вакуумной камере. В таблице приведены температуры плавления и кипения материалов, применяемых в интегральной оптике, для создания достаточно высокого давления пара материалы должны нагреваться до температуры более 1000 0С, а во многих
случаях – более 2000 0С. Поэтому для испарения разных материалов
173
используются различные методы нагрева. Некоторые из этих методов
показаны на рис. 3.3.
Материал
Al
Au
Si
AI2 O3
SiO2
TiO2
Y2 O3
ZnO
CaF2
MgF2
Температуры плавления и кипения некоторых материалов
Температура плавления, ОС
Температура кипения, ОС
652.1
2447
1063
2702.1
1423
2787
2045
22.180
12.183
2230
12.113
2683
4300
12.175
1423
2500
1261
2240
а
б
в
Рис. 3.3. Основные методы термического испарения материала для вакуумного нанесения пленок: а – резистивный; б – высокочастотный; в – электронно-лучевой
Резистивное испарение (рис. 3.3 а). Небольшое количество материала помещают на нагреватель из фольги или проволоки. Нагреватель
изготавливают из вольфрама или молибдена и нагревают пропусканием электрического тока. Резистивное испарение используют для материалов, у которых температура испарения не превышает 1500 0С. Существенными недостатками метода являются частичное испарение
материала тигля нагревателя, загрязняющее осаждаемый слой, а также
растворение и химическое взаимодействие испаряемого материала с
нагревателем при высокой температуре.
174
Высокочастотное испарение (рис. 3.3 б). Испаряемый материал
помещают в тугоплавкий диэлектрический тигель и нагревают СВЧполем. Максимальная температура испарения в данном случае определяется термостойкостью материала тигля.
Электронно-лучевое испарение (рис. 3.3 в). Материал помещают в
тигель из проводящего материала, охлаждаемый проточной водой и
нагревают сфокусированным электронным лучом. В данном случае
плавление и испарение материала происходит не во всем его объеме, а
лишь в области воздействия электронного луча. Поэтому в данном
методе удается исключить загрязнение осаждаемого слоя материалом
тигля. Электронно-лучевой метод позволяет испарять наиболее тугоплавкие материалы. Особенностью метода является то, что на начальной стадии нагрева диэлектрических материалов происходит зарядка
поверхности материала, вызывающая отклонение и замедление электронов и уменьшающая эффективность нагрева. Для уменьшения этого эффекта на поверхность материала иногда наносят тонкий проводящий слой углерода. После разогрева материала его электрическое
сопротивление резко снижается и эффект зарядки поверхности исчезает.
Метод лазерного испарения (рис. 3.4). Взаимодействие импульсного лазерного излучения высокой интенсивности с поверхностью твердого тела приводит к мгновенному испарению части вещества и образованию плазмы, состоящей из атомов, ионов, электронов и кластеров
вещества, разлетающихся с высокой скоростью.
Рис. 3.4. Испарение материала методом лазерной абляции
Импульсный лазерный луч с помощью объектива через окно в вакуумной камере фокусируется на поверхность материала, находящегося в охлаждаемом тигле. Испаряемое вещество в виде плазмы достигает подложку и формирует на ней пленку. Данный метод является наиболее «чистым» по сравнению с другими методами нанесения пленок,
175
так как в нем отсутствуют нагреваемые элементы и узлы, а в вакуумной камере находится только тигель с испаряемым веществом. Метод
лазерного испарения (абляции) позволяет испарять любые вещества
независимо от их температуры плавления, электропроводности и химического состава. Лазерным нанесением пленок получены поликристаллические слои многих материалов: Cr, W, Ti, C, Si, Ge, SrTiO3,
BaTiO3, GaAs, GaP, InSb, ZnO, ZnS, CdTe и т. д. Поэтому метод лазерной абляции в настоящее время широко используется в технологических процессах микроэлектроники и интегральной оптики.
Катодное распыление – одна из разновидностей распыления ионной бомбардировкой постепенно вытесняется более совершенными
процессами высокочастотного и магнетронного распыления. Однако,
будучи относительно простым и в то же время содержащим все основные черты этой группы процессов, оно представляет собой наиболее
удобную форму для изучения процессов этого вида распыления вообще. Из рис. 13.5 видно, что питание осуществляется постоянным напряжением, и что нижний электрод с подложками заземлён и находится под более высоким потенциалом, чем катод мишень. Переменная
нагрузка служит для регулирования тока разряда.
Рис. 3.5. Схема рабочей камеры установки катодного распыления. Основными элементами камеры являются: 1 – анод с размещенными на
нём подложками; 2 – игольчатый
натекатель, обеспечивающий непрерывную подачу аргона; 3 – катодмишень из материала, подлежащего
распылению и осаждению; 4 – вакуумный колпак из нержавеющей стали; 5 – экран, охватывающий катод
с небольшим зазором и предотвращающий паразитные разряды на
стенки камеры; 6 – постоянный
электромагнит,
удерживающий
электроны в пределах разрядного
столба; 7 – герметизирующая прокладка
Разряд разделён на две зоны: тёмное катодное пространство и светящаяся область. На тёмное катодное пространство приходится основное
падения напряжения. Здесь заряженные частицы разгоняются до энергии, достаточной, чтобы ионы, бомбардируя катод-мишень, освобождали поверхностные атомы и электроны (если мишень из проводящего
176
материала), а электроны – на границе тёмного катодного пространства
ионизировали молекулы аргона. При ионизации образуется ион аргона, который, ускоряясь, стремится к мишени, и электрон, который, как
и "отработанный" ионизирующий электрон, дрейфует к аноду в слабом
поле светящейся области. Освобожденный с поверхности мишени
атом вещества, преодолевая столкновения с молекулами и ионами аргона, достигает поверхности подложки. При этом непрерывный поток
ионов бомбардирует мишень, и непрерывный поток атомов вещества
движется к подложке. К ограничениям и недостаткам процесса катодного распыления относятся:
1. Возможность распыления только проводящих материалов, способных эмиттировать в разряд электроны, ионизирующие молекулы
аргона и поддерживающие горение разряда.
2. Малая скорость роста плёнки (единицы нм/с) из-за значительного
рассеивания распыляемых атомов материала в объёме рабочей камеры.
В установках магнетронного распыления (в частности ВЧмагнетронного) приняты меры для дальнейшего, существенного снижения давления рабочего газа и повышения за счёт этого скорости
осаждения плёнки. С этой целью на разрядный столб накладывается
постоянное магнитное поле, вектор которого перпендикулярен вектору
электрического поля. В результате движение электронов происходит
по сложным (близким к циклоидам) траекториям, степень ионизации
рабочего газа существенно повышается и это даёт возможность снизить давление газа, не снижая (и даже повышая) разрядный ток. Итог
этих мер – повышение скорости роста плёнки до нескольких нм/с, что
сравнимо со скоростями в процессах термического вакуумного напыления.
Золь-гель методы
Метод основан на реакциях гидролиза ряда металлоорганических и
неорганических соединений в растворах. Исходными реагентами, как
правило, являются алкоксидные соединения металлов или полупроводников, а также легко гидролизующиеся хлориды, оксихлориды и
нитраты металлов. Алкоксисоединения представляют собой такие соединения, в которых ион металла или полупроводника ( R ) связан через кислород с органическими радикалами по схеме:
177
В качестве растворителя используется этанол с небольшим количеством воды. В ряде случаев в раствор в качестве катализатора добавляют небольшое количество соляной кислоты. Оптимальные соотношения компонентов раствора должны, с одной стороны, обеспечить
быстрый гидролиз материала в растворе с образованием золя. С другой
стороны – полный гидролиз на поверхности подложки с образованием
геля. В качестве подложек могут быть использованы стекла различного состава и кристаллические материалы.
Технологический процесс формирования тонкопленочных волноводов золь-гель методом состоит из нескольких этапов. Первый этап
заключается в приготовлении раствора и его созревании. Созревание
растворов происходит в несколько стадий. Процесс созревания может
длиться от нескольких часов до двух недель. Например, растворы тетраэтоксититана пригодны для нанесения пленок через 6-10 часов, растворы тетраэтоксисилана созревают лишь через 10-16 дней.
После созревания раствор в виде тонкого слоя наносят на поверхность подложки. Нанесение раствора на подложку производится с помощью центрифуги со скоростью вращения от 200 до 18000 об/с. Небольшое количество пленкообразующего раствора подается в центр
подложки во время ее вращения и равномерно распределяется по поверхности подложки. Толщина покрытия контролируется концентрацией раствора и скоростью вращения подложки. После этого подложка
высушивается. При этом происходит полный гидролиз реагента и на
подложке формируется тонкий равномерный слой геля. Следующим
этапом является термообработка при температуре 2 5 0 ...3 5 0 0 С. В
процессе термообработки происходит термическое разложение продуктов гидролиза до оксида металла или полупроводника, а также удаление органических остатков и воды. В результате на поверхности
подложки формируется тонкий прозрачный слой оксида металла или
полупроводника. Пленки, полученные золь-гель методом, как правило,
имеют аморфную структуру. Для формирования поликристаллической
пленки проводится ее дополнительный отжиг. Показатель преломления пленок, полученных описанным методом, несколько ниже, чем
показатель преломления монокристалла из аналогичного материала.
Это связано с наличием в пленках наноразмерных пор. Метод позволяет изготавливать волноводы из смеси оксидов различных веществ. В
то же время, выбор материалов для пленки волновода ограничен спе178
цификой физико-химических процессов, используемых в данной технологии.
В таблице приведены исходные реагенты, составы и оптические
характеристики пленок, полученных золь-гель методом.
Свойства пленок, получаемых золь-гель методом
Исходный реагент
Состав пленки
n
Область прозрачности, мкм
Тетраэтоксисилан
SiO2
1.44
0.185...7
Тетраэтоксигерманий
GeO2
1.66
0.23...10
Тетраэтоксититан
TiO2
2.2
0.36...2.1.5
Изопропоксиалюминий,
AI2 O3 + SiO2 1.54
0.25...10
тетраэтоксисилан
Хлорид алюминия
AI2 O3
1.54
0.25...2.1
Хлорид ниобия
Nb2O3
2.1
0.35...10
Оксихлорид циркония
ZrO2
2.03
0.25...2.1
Нитрат тория
ThO2
2.05
0.20...11
С помощью золь-гель технологий могут быть изготовлены пленочные волноводы из стекол различного состава с заданным показателем
преломления. На основе золь-гель стекол могут изготавливаться композитные материалы, содержащие полупроводниковые нанокристаллы, например, CdS, CdSe, CdTe, ZnS, CuCl, CuBr и др. Такие композитные материалы обладают нелинейно-оптическими свойствами и
могут использоваться для создания светоуправляемых волноводных
оптических переключателей.
Достоинствами золь-гель метода являются его простота и отсутствие сложного и дорогостоящего вакуумного оборудования. Недостатками являются большая продолжительность и многостадийность технологического процесса и ограниченный ассортимент пленкообразующих материалов. Золь-гель метод нанесения пленок позволяет создавать волноводы со ступенчатым профилем показателя преломления.
Осаждение тонких плёнок в вакууме
Проводники на поверхности кристалла полупроводниковой ИМС, а
также пассивные элементы гибридно-пленочных микросхем создаются
на основе тонких плёнок толщиной 0,1-2 мкм. Высокая точность по
толщине и химическая чистота для тонких плёнок могут быть достигнуты только при выращивании слоя из атомарного (молекулярного)
потока. Такие условия можно создать в вакууме либо при нагреве, испарении и конденсации материала, либо при бомбардировке твёрдого
образца материала (мишени) ионами инертного газа, распыления его в
атомарный (молекулярный) поток и конденсации на поверхности из179
делия. Процессы первого рода получили название "термическое вакуумное напыление" (ТВН), второго рода – "распыление ионной бомбардировкой" (РИБ).
Термическое вакуумное напыление
Выделяют способы напыления:
 собственно термическое распыление материалов;
 пламенное;
 взрывное;
 световая дуга;
 плазменное.
При термическом напылении энергия осаждающихся частиц в 10-100
раз ниже, чем, например, при конденсации заряженных частиц, соответственно значительно меньше и адгезия получаемых покрытий. Все
методы нанесения пленок характеризуются такими параметрами, как
скорость получения покрытий и диапазон достигаемых толщин. Для
газофазных это обычно от 1 до 1000 мкм/час, для химических методов
– 100-1000 мкм/час, для взрывных (детонационных) и плазменных методов – до 10-100 мм/час и 0,1-10 мм/час соответственно.
К подложкам для получения пленок предъявляются требования,
которые можно классифицировать как требования по механическим
свойствам (чистота обработки, шероховатость; различные виды механической прочности; твердость; коэффициент термического расширения и др.), по химическим свойствам (устойчивость подложек к процессам их чистки перед нанесением пленок; индифферентность по отношению к материалу пленки в ходе её нанесения и эксплуатации или
наоборот способность к необходимому для получения заданных
свойств композиции химическому взаимодействию с пленкой, т.е. образованию твердых растворов, поверхностных фаз и пр.), по физическим свойствам (температура плавления, рекристаллизации, которые
не должны, как правило, происходить в ходе термообработки пленок),
по кристаллографическим характеристикам (для получения качественных ориентированных покрытий чаще всего необходимо достаточно близкое совпадение параметров кристаллической решетки подложки и пленки).
Подложки при нанесении пленок оказывают кристаллографическое ориентирующее действие и топологическое, связанное с кривизной поверхностных неровностей подложек. Процесс проведения операции вакуумного напыления включает в себя выполнение следующих
действий. В верхнем положении колпака с подложкодержателя снимают обработанные подложки и устанавливают новые. Колпак опускают и включают систему вакуумных насосов (вначале для предвари180
тельного разрежения, затем высоковакуумный). Для ускорения десорбции воздуха с внутренних поверхностей и сокращения времени
откачки в трубопровод подают горячую проточную воду. По достижении давления внутри камеры порядка 10-4 Па (контроль по манометру)
включают нагреватели испарителя и подложек.
Рис. 3.6. Схема установки термического
вакуумного напыления: 1 – вакуумный
колпак из нержавеющей стали; 2 – заслонка; 3 – трубопровод для водяного
нагрева или охлаждения колпака; 4 –
игольчатый натекатель для подачи атмосферного воздуха в камеру; 5 – нагреватель подложки; 6 – подложкодержатель с
подложкой, на которой может быть размещен трафарет; 7 – герметизирующая
прокладка из вакуумной резины; 8 –
испаритель с размещённым в нём веществом и нагревателем (резистивным или
электронно-лучевым)
По достижении рабочих температур (контроль с помощью термопар) заслонку отводят в сторону и
пары вещества достигают подложки, где происходит их конденсация и
рост плёнки. Система автоматического контроля за ростом плёнки
фиксирует либо толщину плёнки (для диэлектрика плёночных конденсаторов), либо поверхностное сопротивление (для резисторов), либо
время напыления (проводники и контакты, защитные покрытия). Вырабатываемый при этом сигнал об окончании напыления после усиления воздействует на соленоид заслонки, перекрывая ею поток пара.
Далее отключают нагреватели испарителя и подложек, выключают
систему откачки, а в трубопровод подают холодную проточную воду.
После остывания подколпачных устройств через натекатель плавно
впускают атмосферный воздух. Выравнивание давлений внутри и вне
колпака даёт возможность поднять его и начать следующий цикл обработки.
Процесс термического вакуумного напыления характеризуется
температурой на испарителе t0ис, давлением воздуха в рабочей камере
P0, температурой нагрева подложек t0п. Температура нагрева вещества
в испарителе (t0ис) должна обеспечивать достаточно высокую интенсивность испарения, чтобы время напыления пленки не превышало 1-2
181
минут. В то же время чрезмерно высокая интенсивность приводит к
образованию мелкозернистой неустойчивой структуры в плёнке.
Низкое давление воздуха Р0 в рабочей камере необходимо для:
1. Обеспечения свободной диффузии атомов вещества испарителя в
объём рабочей камеры.
2. Исключения химического взаимодействия напыляемого вещества
с молекулами воздуха.
3. Прямолинейного движения атомов вещества без столкновения с
молекулами остаточного воздуха и бесполезного рассеивания материала в объёме камеры.
Температуры плавления и испарения элементов
* Значения в скобках для твердого состояния.
** Рекомендуется испарение электронно-лучевым нагревом или распыление ионной бомбардировкой.
Перечисленные условия обеспечиваются при остаточном давлении Р0 ~ 10-4 Па. Такой вакуум сравнительно легко достигается с помощью форвакуумного механического и высоковакуумного диффузионного насосов, включённых последовательно. Температура подложки
в процессе осаждения оказывает существенное влияние на структуру
плёнки, а, следовательно, и на стабильность её электрофизических
свойств в процессе эксплуатации. В процессе миграции атом может
либо покинуть подложку (на потенциальном бугре поля), либо частично погасить энергию, вступив во взаимодействие с другим мигрирующим атомом. Полностью потерять способность мигрировать и закрепиться на нагретой подложке (конденсироваться) может лишь много182
атомная группа, которая становится одним из центров кристаллизации.
При невысокой плотности потока атомов, т.е. умеренной температуре
на испарителе, число центров кристаллизации на единицу площади
невелико и к моменту образования сплошной плёнки вокруг них успевают вырасти крупные кристаллы.
Снижение температуры подложки и повышение плотности потока приводит к более раннему образованию центров кристаллизации,
увеличению их числа на единицу площади и формированию мелкокристаллической структуры.
Рис. 3.7. Схема установки термовакуумного напыления карусельного типа: 1 –
испаритель, 2 – диафрагма, 3 – подложкодержатель с подложкой, 4 – диск
карусели, 5 – нагреватель подложки
В процессе эксплуатации электронной аппаратуры, когда она подвергается периодическим циклам
нагрева и медленного охлаждения
мелкокристаллическая
структура
постепенно рекристаллизуется в
крупнокристаллическую. Электрофизические свойства при этом необратимо изменяются, происходит "старение" плёнки. В резистивных
плёнках, например, наблюдается со временем уменьшение удельного
сопротивления. Итак, для формирования тонких плёнок, стабильных в
процессе эксплуатации, необходимо подложку нагревать и не форсировать процесс напыления за счёт повышения температуры на испарителе.
В производстве тонкоплёночных структур, как и в случае полупроводниковых, используются групповые подложки. Групповые подложки имеют прямоугольную форму с размерами 60 х48 мм или
120х2.16 мм, изготовлены из изолирующего материала (ситалл, поликор, стекло) и рассчитаны на одновременное изготовление до нескольких десятков идентичных модулей. Таким образом, свойства напыленной плёнки должны быть одинаковы на всей площади групповой подложки.
В первом приближении поток атомов от испарителя к подложке
представляет собой расходящийся пучок и поэтому плотность потока в
плоскости подложки не равномерна: в центре подложки она макси183
мальна и убывает от центра к периферии. Это означает, что при напылении плёнки на неподвижную подложку в центральной области подложки образуется более толстая плёнка, нежели на краях подложки.
Например, резисторы, сформированные в центральных модулях, будут
иметь заниженные сопротивления по сравнению с аналогичными резисторами периферийных модулей.
С учётом изложенного производственные установки термовакуумного напыления снабжены вращающимися устройствами (дисками,
барабанами), несущими несколько подложек (6, 8 или 12). Подложки
последовательно и многократно проходят над неподвижным испарителем (рис. 3.7), постепенно набирая необходимую толщину плёнки. В
результате центральный "холм", который мог бы образоваться, на неподвижной подложке, размывается в "хребет", вытянутый в направлении движения подложки. Для выравнивания толщины плёнки в поперечном направлении применяют корректирующую диафрагму, устанавливаемую между испарителем и подложкой в непосредственной
близости от нее. Профиль диафрагмы рассчитывается на основании
исследования рельефов плёнки, получаемых при напылении на неподвижную и движущуюся подложки. В результате различия времени облучения центральной и периферийной зон подложки равномерность
толщины плёнки на всей площади групповой подложки повышается и
находится в пределах ± 2% (для подложек 60х48 мм).
Термическое вакуумное напыление имеет ряд недостатков и ограничений:
1. Напыление плёнок из тугоплавких материалов (W, Mo, SiO 2, Al2O3
и др.) требует высоких температур на испарителе, при которых неизбежно "загрязнение" потока материалом испарителя.
2. При напылении сплавов различие в скорости испарения отдельных
компонентов приводит к изменению состава плёнки по сравнению с
исходным составом материала, помещённого в испаритель.
3. Инерционность процесса, требующая введения в рабочую камеру
заслонки с электромагнитным приводом.
4. Неравномерность толщины плёнки, вынуждающая применять устройства перемещения подложек и корректирующие диафрагмы.
Первые три недостатка обусловлены необходимостью высокотемпературного нагрева вещества, а последний – высоким вакуумом в
рабочей камере.
Распыление ионной бомбардировкой
Методы нанесения:
 тлеющий разряд;
184


магнетронный разряд;
дуговой разряд.
Процесс распыления ионной бомбардировкой является "холодным" процессом, так как атомарный поток вещества на подложку создаётся путём бомбардировки поверхности твёрдого образца (мишени)
ионами инертного газа и возбуждения поверхности атомов до энергии,
превышающей энергию связи с соседними атомами. Необходимый для
этого поток ионов создаётся в электрическом газовом разряде, для чего
давление газа в рабочей камере должно быть в пределах 0,1 ×10 Па, т.е.
на несколько порядков более высокое, чем в камере установки термовакуумного напыления. Последнее обстоятельство приводит к рассеиванию потока атомов с мишени и повышению равномерности толщины осаждаемых плёнки до ± 1%, причём без применения дополнительных устройств.
Методы эпитаксии
Для формирования планарных оптических волноводов из монокристаллических материалов используют технологии эпитаксии.
Эпитаксия – это ориентированный рост слоев, кристаллическая
решетка которых повторяет кристаллическую структуру подложки.
Если подложка и слой состоят из одного вещества, то процесс называют автоэпитаксиальным, если из различных – гетероэпитаксиальным. Если эпитаксия происходит в результате химического взаимодействия вещества подложки с веществом растущего слоя, то такой
процесс называется хемоэпитаксией. Существует целый ряд технологических методов и приемов эпитаксии, позволяющих вырастить монокристаллические слои полупроводников и диэлектриков на монокристаллических подложках.
Конденсация из паровой фазы в вакууме. Метод заключается в испарении или распылении материала в вакууме и осаждении его на монокристаллическую подложку. Существенным отличием от вакуумных
методов является то, что процесс проводится в сверхвысоком вакууме,
а подложка нагревается до температуры, превышающей 1000 0С. При
осаждении атомов из пара на подложку происходит их миграция по
поверхности. При относительно низкой температуре подложки пробег
атомов по поверхности мал, поэтому формирующийся слой имеет
аморфную структуру. При высокой температуре подложки атомы мигрируют по поверхности и занимают положения в кристаллической
структуре подложки, при которых их потенциальная энергия минимальна. Таким образом, формируется плоская двумерная решетка из
островков осаждаемого материала, которая, в конечном счете, превра185
щается в сплошной монокристаллический слой. На этом слое происходит наращивание нового слоя. Процесс эпитаксии схематично показан
на рис. 3.8. Пунктирными стрелками показано осаждение и миграция
атомов кремния. Сплошными стрелками – направление роста эпитаксиального слоя. Наличие сверхвысокого вакуума в данном процессе
необходимо потому, что остаточные газы в вакуумной камере также
могут мигрировать по подложке, встраиваться в растущую кристаллическую решетку и тем самым, создавать в ней дефекты. Данный метод
используется, например, для автоэпитаксии кремния. В процессе автоэпитаксии может проводиться легирование растущего слоя кремния,
для придания ему оптических или электрических характеристик, отличных от характеристик кремниевой подложки. Для этого в вакуумную камеру вводят малую концентрацию паров примесного вещества.
Рис. 3.8. Схема эпитаксии
Эпитаксия из газовой фазы с диссоциацией химического соединения. Атомы материала переносятся на горячую подложку в составе
химического соединения. На подложке происходит термодиссоциация
реагента с выделением атомов материала растущего слоя. Данный метод позволяет выращивать слои имеющие сложный химический состав, благодаря проведению дополнительных химических реакций на
подложке. Модификацией данного метода является плазменное осаждение. В парах исходных реагентов зажигают ВЧ-разряд. В плазме
разряда частичная происходит диссоциация молекул реагентов и другие плазмохимические реакции. Продукты реакции диффундируют на
горячую подложку и формируют на ней эпитаксиальный слой. Данный
метод позволяет повысить скорость роста эпитаксиальных слоев. При
выращивании слоев кремния из потока SiCl4 с водородом скорость
роста слоя может достигать 20 нм/с.
В таблице приведены некоторые типы реакций, используемых для выращивания монокристаллических полупроводниковых и диэлектрических слоев.
186
Типы реакций, используемых для эпитаксиального выращивания пленок
Осаждаемая пленка
Уравнение реакции
Температура
подложки, К
Si
SiH4 — Si + 2H2
773...2.173
Si3 N4
SiH4 + NH3 — Si3 N4 + H2
2.123...1173
SiH2Cl2 + NH3 — Si3N4 + HCl
1023...1073
SiO2
Si(OC3H7)4 + (CH3O)3PO → SiO2 +
> 2.173
P2 O5 + H2 O
Жидкофазная эпитаксия заключается в наращивании монокристаллического слоя из металлического расплава, насыщенного полупроводниковым материалом. В качестве металла используют легкоплавкий компонент наращиваемого соединения, например Ga при выращивании слоев GaAs. С помощью такой технологии получают гетеропереходы Ge-Si, GaAs-GaP, используемые в полупроводниковых
лазерах и фотоприемниках, а также слои InSb, GaAs, AlxGa1-xAs и
пленки гранатов.
Твердофазная эпитаксия. В основе твердофазной эпитаксии лежат
процессы твердофазного физико-химического взаимодействия в многослойной тонкопленочной системе при изотермическом отжиге. Данные процессы происходят благодаря высокой температуре и наличию
хорошего контакта между слоями. Одной из фаз является монокристаллическая подложка. Другие фазы могут быть аморфными или поликристаллическими. При нагреве такой многокомпонентной структуры происходит перекристаллизация одной из фаз и ее ориентированное наращивание на монокристаллическую подложку.
Молекулярно-лучевая эпитаксия основана на химическом взаимодействии исходных компонентов пленки с нагретой монокристаллической подложкой при осаждении этих компонентов с помощью нескольких молекулярных пучков. Устройство установки для молекулярно-лучевой эпитаксии схематично показано на рис. 3.2.1.
Рис. 3.2.1. Схема установки для молекулярно-лучевой эпитаксии
187
Установка состоит из вакуумной камеры с несколькими источниками молекулярных пучков. Каждый из источников формирует пучок
заданного химического состава. Одновременная реакция реагентов из
нескольких пучков с нагретой монокристаллической подложкой позволяет формировать сложные многокомпонентные эпитаксиальные
слои. Эпитаксия проводится в сверхвысоком вакууме. Скорость потоков из каждого источника и температура подложки модулируются по
заданной программе, что позволяет создавать эпитаксиальные слои с
контролируемой толщиной с точностью до монослоя. Скорость эпитаксиального наращивания в данном методе очень мала – не более 1
мкм/ч, однако, данный метод позволяет создавать наиболее совершенные и сложные эпитаксиальные структуры.
Лазерная эпитаксия (графоэпитаксия) используется для выращивания пленок монокристаллического кремния на поликристаллических, аморфных и стеклянных подложках. На подложку наносят слой
поликристаллического или аморфного кремния и затем производят
лазерный отжиг пленки с помощью луча аргонового лазера. В результате лазерного отжига пленка кремния приобретает монокристаллическую структуру с малым числом дефектов.
Стимулирующее действие излучений и электрического поля на
эпитаксию. Процессы эпитаксии в большинстве случаев протекают
медленно, что снижает производительность при производстве интегрально-оптических устройств. Ускорить процессы эпитаксии можно с
помощью УФ и ИК излучений, а также путем приложения к подложке
электрического потенциала. Воздействие излучений на процесс эпитаксии носит двоякий характер. Во-первых, это чисто термическое
воздействие, приводящее к увеличению кинетической энергии молекул и атомов, мигрирующих по поверхности подложки. Во-вторых, это
селективное воздействие, приводящее к переводу молекул в возбужденное или ионизированное (в случае УФ излучения) состояние. В
результате возбуждения или ионизации происходит увеличение реакционной способности молекул. Использование УФ или ИК облучения
подложки в процессе эпитаксии позволяет увеличить скорость роста
слоя на 20...3 0 %. Увеличение скорости роста эпитаксиального слоя в
присутствии электрического поля определяется как полярностью приложенного напряжения, так и напряженностью электрического поля.
Как правило, при полевой эпитаксии используются напряженности
поля до 2 кВ/см. Увеличение скорости роста эпитаксиального слоя
может достигать 20%.
Методы эпитаксиального нанесения пленок позволяют создавать
волноводы со ступенчатым профилем показателя преломления.
188
Чтобы нарастить слой, скажем, арсенида галлия-алюминия на подложке из арсенида галлия, последняя помещается в такую среду, чтобы
атомы галлия, алюминия и мышьяка попадали на ее поверхность с частотой, определяющей состав соединения. Если температура подложки
поддерживается на нужном уровне, подводимые атомы "застревают" в
надлежащих местах кристаллической решетки подложки. Атомы, попадающие на поверхность, впоследствии "прилипают" к тем, что уже
нанесены – также в правильном кристаллическом порядке. Толщина
нового слоя определяется потоком подводимых атомов и временем,
отведенным для роста. Средой, в которой растет кристалл, могут быть
жидкость, газ или высокий вакуум. При жидкофазной эпитаксии материал, наносимый в качестве следующего слоя, переводится в раствор,
который затем охлаждается до пересыщенного состояния. Подложка
помещается в раствор и подвергается воздействию растворенного материала при контролируемой температуре. Растворенный материал
осаждается из раствора на поверхность подложки.
При эпитаксии из паровой фазы подложку помещают в трубу, установленную в печи. Наносимый материал пропускают по трубе в виде
газовой смеси, содержащей летучие соединения. В печи соединения
разлагаются и затем либо наносятся на более холодную поверхность,
либо выносятся газовым потоком. Если примесь или ширину запрещенной зоны необходимо изменить, через определенное время смесь
меняется. Резкость границы между двумя слоями зависит от того, как
быстро можно изменить состав пара над растущей поверхностью. Скорость этого изменения зависит в свою очередь от конструкции подводящего пар трубопровода, газового потока внутри трубки, роста и конкретного характера процессов подвода пара и его отвода от кристаллической поверхности.
Газы, применяемые при эпитаксии из паровой фазы, опасны для
здоровья, что требует принятия мер по изоляции установок для выращивания пленок. Недавно предложены две модификации процесса,
которые могут принести пользу. При органометаллическом химическом осаждении из паров требуемые элементы вводятся в трубку роста
в виде соединений с органическими веществами. В такой форме они
относительно безопасны. Радикалы органических молекул химически
высвобождаются лишь тогда, когда элементы, из которых строится
полупроводник, наносятся на подложку и становятся безопасными.
Вторая модификация метода эпитаксии из паровой фазы называется
эпитаксией при паролевитации. Здесь используются такие же газы и
летучие соединения, как и при обычной эпитаксии в газовой фазе, од189
нако подложка не закрепляется жестко, а зависает в потоке пара и поддерживается им в подвешенном состоянии, т.е. левитирует.
Эпитаксия молекулярным пучком – основной метод выращивания
сложных полупроводниковых материалов. Напыляемые на подложку
полупроводник и легирующие материалы помещаются в вакуумную
печь и нагреваются, причем, обычно выше точки плавления. Атомы
испаряются с поверхности нагретого материала и летят в вакууме по
прямолинейным траекториям до столкновения с подложкой или стенками вакуумной камеры. Заслонки между каждым источником и подложкой управляют составом компонентов напыления; поток к подложке каждого из элементов может также регулироваться повышением
или понижением температуры печи. Оба процесса часто управляются
компьютером. Наблюдение за развитием роста материала можно вести
с использованием рассеяния электронов поверхностью. Таким способом удается выращивать удивительно сложные структуры. Ни один из
этих методов еще не выделился в качестве доминирующего. Эпитаксия
в жидкой фазе была "рабочей лошадкой" при выращивании полупроводников для лазеров и светоизлучающих диодов. Этот метод довольно скоростной и прост в работе, однако он не позволяет выращивать
очень тонкие, резко очерченные слои, необходимые для современных
устройств.
Может статься, что коммерческое предпочтение будет отдано химической эпитаксии из пара, в особенности с органометаллическими
соединениями. В этом случае кристалл тоже растет довольно быстро,
причем на подложке большой площади. Основная проблема двух этих
методов заключается в том, что они работают почти при атмосферном
давлении. Электронные пучки рассеиваются газом в камере и, следовательно, не могут быть использованы для контроля за ростом материала, как при эпитаксии молекулярным пучком. Более того, существуют фундаментальные ограничения предельной точности нанесения
слоев. Поток пара может быть турбулентным, и в результате газы,
предназначенные для создания резкой границы между слоями, могут
перемешиваться в камере, так что состав прилегающего к подложке
пограничного слоя газа точно не известен. Однако эти потенциальные
пределы еще не достигнуты.
Благодаря тому, что эпитаксия молекулярным пучком осуществляется в вакууме, этот процесс позволяет наносить чрезвычайно тонкие
слои с резко очерченными границами. Его недостатки заключаются в
том, что скорость роста здесь довольно низка, а напыление неоднородно вдоль подложки из-за удаленности горячих источников; кроме того,
высоки начальные капитальные затраты. Однако возможность легко
190
видоизменять его заставила остановить на нем свой выбор если не
промышленников, то многих ученых.
В последнее время явные различия между существующими методами выращивания начали стираться, так как появились новые методы.
Например, химическая эпитаксия из органо-металлических паров может теперь проводиться при давлении лишь в сотую долю атмосферы.
Более радикальной модификацией является напыление пара и органометаллических соединений эпитаксией молекулярным пучком. Гибридный процесс сохраняет все преимущества вакуума, но в сравнении
с традиционной эпитаксией молекулярным пучком скорость роста
выше, а замена материалов источника производится легче.
Инженерия запрещенной зоны
Вообще говоря, манипулировать последовательно каждым отдельным атомным слоем материала не удается, хотя, очевидно, это является конечной целью. Однако свойства меняются обычно уже на нескольких атомных слоях. К примеру, изменение ширины запрещенной
зоны, в заметной степени определяющей оптические свойства материала, и внедрение примесей, ответственных за его электрические
свойства, могут задаваться независимо. Более того, состав полупроводника можно непрерывно менять, скажем, от арсенида галлия до
арсенида галлия-алюминия, и при этом ширина запрещенной зоны
будет плавно меняться в пределах любого заранее заданного расстояния. Если состав изменяется скачкообразно более нескольких раз, создается последовательность потенциальных барьеров и ям с периодом
порядка 1 нм. Такую структуру называют сверхрешеткой.
Электроны, введенные в сверхрешетку легированием, могут двигаться только в плоскостях слоев, поскольку большая запрещенная
зона соседних слоев создает энергетический барьер. К тому же энергия
электронов по поперечной координате квантуется, так что уровни
энергии и длина волны излучаемого при рекомбинации света благодаря слоистости изменяются. В этом случае сверхрешетки называют материалами с множеством квантовых ям. Можно проводить легирование и таким образом, чтобы примесные атомы располагались в барьерных слоях, а свободные электроны или свободные дырки мигрировали в промежуточные. Эта процедура устраняет рассеяние носителей
заряда на атомах примеси и повышает тем самым подвижность носителей; такое легирование называют модуляционным.
Исследования показывают, как упомянуто выше, что для нормального роста чередующихся слоев материалы не обязаны иметь одинаковые постоянные решетки. Например, на сегодня продемонстрировано,
191
что арсенид галлия можно вырастить на кремнии; слоистый материал
из полупроводников двух этих типов должен сочетать в себе широко
используемые в фотонике возможности полупроводников типа АIII-BV
с преимуществами кремния в электронике. Из двух материалов с разными постоянными решетки можно делать сверхрешетки при условии,
что индивидуальные слои являются тонкими и различие в постоянных
решетки не слишком велико. Взаимные напряжения между решетками
атомов обусловливают образование нового идеального кристалла со
свойствами, не похожими на свойства его составляющих. Такой материал называют сверхрешеткой напряженного слоя.
Методы диффузии
Диффузия – процесс последовательного перемещения атомов
примеси в материале, обусловленный тепловым движением. Условием
возникновения диффузии является наличие градиента концентрации
примеси. В процессе диффузии примесь стремится равномерно распределиться в объеме материала с минимальным градиентом – происходит растворение примеси в объеме материала. Существует два вида
диффузии:
- диффузия в материале, находящемся в состоянии химического
равновесия, т.е. при однородном химическом составе – самодиффузия
атомов растворителя;
- диффузия, когда системы не находится в состоянии химического
равновесия и градиенты химических потенциалов вызывают появление
результирующих химических потоков – химическая или взаимная
диффузия. Частным случаем такого вида диффузии является процесс
ионного обмена.
Диффузия атомов может происходить не только снаружи в объем
материала, но и, наоборот, из объема во внешнее пространство. Такая
разновидность диффузии называется эффузией (диффузией наружу).
Процесс эффузии объясняется тем, что существует градиент концентрации между объемом материала и окружающим пространством. Поэтому при высоких температурах некоторые компоненты материала
могут выходить на его поверхность и испаряться.
В некоторых кристаллах диффузия может быть анизотропной. В
кристаллах с кубической решеткой, а также в стеклах и аморфных материалах диффузия изотропна. Уравнение изотропной диффузии для
одномерного случая имеет вид (второй закон Фика):
N
  N 
 D
,
t x  x 
192
где N – концентрация примеси; D – коэффициент диффузии. Коэффициент диффузии экспоненциально зависит от температуры (первый
закон Фика):
 E 
D  D0 exp  a  .
 kT 
Здесь D0 – константа, зависящая от типа примеси и материала, в
котором происходит диффузия; Ea – энергия активации для скачка
атома; k – постоянная Больцмана; Т – температура диффузии. Из приведенного выражения следует, что с увеличением температуры происходит увеличение коэффициента диффузии. Поэтому для увеличения
скорости диффузию примесей проводят при высоких температурах.
Распределение примеси в объеме материала может быть вычислено с помощью решения уравнения диффузии. Решение уравнения
диффузии в полубесконечное тело из бесконечного источника (с постоянной концентрацией примеси) имеет вид:
N erfc s 
,
N x, t   0
2 Dt
где N(x, t) – концентрация примеси на расстоянии x от поверхности
тела; t – продолжительность диффузии; N 0 – поверхностная концентрация диффузии; erfc s  – дополнительный интеграл вероятностей,
представляемый через функцию ошибок erfc s  :
s
2
 exp  s 2  ds 

 exp  s 2  ds .
0
 s
На рис. 3.10 а показано изменение распределения примеси по
глубине при диффузии из бесконечного источника для различной продолжительности диффузии t. Из рисунка видно, что при увеличении
продолжительности диффузии толщина слоя, содержащего примесь,
увеличивается, и профиль распределения примеси становится более
гладким. Концентрация примеси вблизи поверхности тела при этом
остается неизменной. Из рисунка также следует, что при создании оптического волновода методами диффузии его профиль показателя преломления будет не ступенчатый, а градиентный. Это характерно для
всех разновидностей диффузионных технологических процессов и
учитывается при расчете и проектировании интегрально-оптических
устройств.
Если диффузия происходит из ограниченного источника, в котором концентрация примеси уменьшается со временем, то профили
193
erfc s   1  erf s   1 
2
распределения примеси по глубине имеют вид, указанный на рис.3.10
б.
В ряде случае необходимо создать слой примеси, залегающий в
глубине материала. Для этого используют процесс диффузии с последующее разгонкой примеси. Метод заключается в том, что поступление примеси из источника в какой-то момент прекращают, а на поверхность подложки наносят слой инертного материала, например
SiO2. После этого производят нагрев подложки. При этом часть примеси переходит из подложки в нанесенный слой и вблизи поверхности
подложки концентрация примеси уменьшается (рис. 3.11).
а
б
Рис. 3.10. Изменение профиля распределения примеси в процессе диффузии: а – бесконечный источник; б – ограниченный источник
Затем нанесенный слой удаляют травлением. Аналогичный процесс может происходить и в результате эффузии примеси из объема
материала. Данные методы используется для создания оптических
волноводов в объеме материала.
Рис. 3.11. Изменение профиля распределения примеси в процессе диффузии
Процессы диффузии широко используются в технологиях микроэлектроники и интегральной оптики. Методами диффузии создают
p-n-переходы в полупроводниковых лазерах, фотоприемниках и электроуправляемых оптических переключателях. Вводя в материал при194
месь, увеличивающую показатель преломления, создают планарные и
полосковые волноводы.
Диффузия может проводиться из газовой фазы (рис.3.12 а), из
расплава (рис. 3.12 б) и из твердой фазы (рис. 3.12 в), например, из
пленки материала, нанесенной на поверхность подложки. Максимально достижимая концентрация вводимой примеси зависит от предельной растворимости примеси в конкретном материале. Предельная растворимость примеси, в свою очередь, зависит от температуры. Например, предельная растворимость меди в кремнии при T = 2.173 К равна
1016 см-3. При T = 2.173 К предельная растворимость превышает 103 см3
.
а
б
в
Рис. 3.12. Диффузия из газовой фазы (а), из расплава (б) и из твердофазного источника (в)
Для создания методами диффузии полосковых волноводов используют фотолитографию. Примеры формирования внедренных полосковых волноводов диффузией в сочетании с фотолитографией показаны на рис. 3.13.
а
б
в
Рис. 3.13. Формирование внедренных полосковых волноводов диффузией: а –
твердофазные источники примеси; б – сформированные в результате диффузии волноводы; в – диффузия из газовой фазы через отверстие в маске
На поверхности подложки с помощью фотолитографического
процесса создают полоски из материала примеси (рис. 3.13 а). Затем
производят нагрев подложки. Примесь диффундирует в подложку, в
результате чего в ней происходит локальное увеличение показателя
преломления – формируется внедренный волновод (рис. 3.13 б). Если
пленка примесного материала на поверхности подложки тонкая, то в
результате сочетания процессов диффузии и эффузии может быть
сформирован волновод в глубине подложки.
При проведении диффузии из газовой фазы или расплава методами фотолитографии на поверхности создают маску (рис. 3.13 в).
195
Защитный слой препятствует диффузии примеси на всей поверхности подложки, за исключением открытой области в которой
должен сформироваться волновод. После завершения диффузии маску
удаляют химическим травлением.
Методы диффузии используют для создания волноводных структур
в стеклах, диэлектрических кристаллах и полупроводниках. Введение
примеси в стекло позволяет увеличить или уменьшить его показатель
преломления, в зависимости от типа примеси. Диффузию используют
для создания планарных волноводов в приповерхностных слоях монокристаллов LiNbO3 и LiTaO3, которые применяются в волноводных
электрооптических модуляторах. Например, при диффузии ниобия в
подложке из LiTaO3 вблизи поверхности формируется слой LiNbxTa1xO3, имеющий более высокий показатель преломления, чем чистый
LiTaO3 . Введение примеси методами диффузии позволяет изменять
показатель преломления полупроводников и тем самым формировать в
них оптические волноводы. Показатель преломления полупроводника
описывается выражением:
e2 Ni
.
n  n0  
2
i n0 mi 
Здесь n0 – показатель преломления собственного полупроводника;
e – заряд электрона; N – концентрация свободных носителей заряда; ε
– диэлектрическая проницаемость вакуума; индекс соответствует типу
носителя заряда; m – эффективная масса носителя заряда; ω – круговая
частота излучения. Из приведенного соотношения видно, что увеличение концентрации свободных носителей заряда, например электронов,
приводит к уменьшению показателя преломления полупроводника.
Для создания в полупроводниковом материале волновода можно использовать полупроводник с высокой концентрацией свободных электронов и ввести в приповерхностный слой методом диффузии компенсирующую примесь. Такие примесные центры являются ловушками
для свободных электронов, что позволяет уменьшить их концентрацию. Например, для GaAs эффективной компенсирующей примесью
являются атомы меди, для Si-атомы золота.
Рис. 3.14. Формирование волновода в полупроводнике путем введения
компенсирующей примеси N1  N 2 , n1  n2
196
Таким образом, в приповерхностном слое полупроводника сформируется область с пониженной концентрацией свободных электронов
и повышенным показателем преломления (рис. 3.14).
Метод ионного обмена
Ионный обмен является частным случаем процесса диффузии. Суть
метода ионного обмена заключается в том, что ионы некоторых примесей при диффузии в объем материала способны замещать ионы этого материала. При этом замещенные ионы материала также благодаря
диффузии выходят из него в окружающее пространство. Таким образом, ионный обмен позволяет изменить химический состав материала
в тонком слое и, тем самым, изменить его оптические характеристики,
например, показатель преломления.
В качестве ионов-диффузантов обычно используются ионы щелочных металлов: Li+, K+, Rb+, Cs+, а также другие одновалентные катионы: Ag+, Cu+, Tl+. Ионный обмен, как правило, проводится в стеклах.
Однако волноводные структуры могут создаваться методом ионного
обмена в ситаллах и диэлектрических монокристаллах со сложным
химическим составом, например LiTaO3. Стеклянные подложки в технологии ионного обмена обрабатываются в расплавах нитратов или
сульфатов металлов, которые должны быть введены в стекло. Нитраты
имеют относительно низкие температуры плавления Тпл = 200...4 0 0
0
С. Это позволяет производить ионный обмен в стеклах имеющих низкую температуру стеклования, например, в фосфатных стеклах. Сульфаты металлов имеют более высокие температуры плавления Т пл =
500…6 0 0 0 С. Это ограничивает номенклатуру стекол, в которых ионным обмен может быть произведен по сульфатной технологии.
В процессе ионного обмена одновалентные катионы стекла диффундируют из стекла в расплав, а одновалентные катионы расплава
движутся в стекло. Главной движущей силой в этом случае является
разность химических потенциалов. При обмене катионов в стекле происходит изменение показателя преломления стекла. В зависимости от
разницы поляризуемостей и радиусов катионов, а также от температуры обработки может происходить как увеличение, так и уменьшение
показателя преломления. Например, при обмене ионов натрия в стекле
на ионы серебра из расплава происходит увеличение показателя преломления за счет различия поляризуемостей ионов натрия и серебра.
При этом вблизи поверхности стекла формируется тонкий слой, обладающий волноводными свойствами. Ионный обмен может проводиться в большинстве разновидностей оксидных стекол. В таблице приведены характеристики волноводных слоев, полученных в натриевосиликатных стеклах методом ионного обмена.
197
Ион
Ag+
Tl+
Cs+
Rb+
Характеристики слоев, полученных методом ионного обмена
An
Толщина слоя,
Оптические потери,
мкм
дБ/см
0.1
50
< 0.2
0.1...0.2
12
< 0.1
0.04
8
0.2
0.015...0.02
15
0.1
Существует ряд модификаций ионообменной технологии, позволяющих расширить диапазон реализуемых волноводных характеристик и эффективно ими управлять. Например, в процессе ионного обмена можно производить замену одного типа ионов стекла на два типа
других ионов. Для этого расплав должен содержать две разные соли.
Например, таким образом можно заменять ион натрия в стекле на ионы лития и калия из расплава. Аналогичным образом, если стекло исходно содержит два типа катионов щелочных металлов, их можно заменить на один иной катион щелочного металла из расплава. Примером является замена ионов натрия и калия в стекле на ион цезия из
расплава.
а
б
Рис. 3.15. Поперечная структура волноводов, изготовленных методом ионного обмена: а) заглубленный волновод сформирован вблизи поверхности
стекла, б) заглубленный волновод сформирован внутри объема стекла
Другой модификацией ионообменного процесса является последовательный двухстадийный обмен. Такая технология позволяет создавать заглубленные волноводы внутри объема стекла. На рис. 13.15 показаны два типа волноводных структур эллиптического сечения и градиентным профилем показателя преломления, которые могут быть
изготовлены методом ионного обмена. В первом случае (а) сформирован заглубленный волновод вблизи поверхности стекла. Во втором
случае (б) заглубленный волновод находится внутри объема стекла.
198
Эффективность ионного обмена и параметры формируемых волноводов в значительной степени зависят от состава и других характеристик ионообменного стекла. Для технологии ионного обмена подходят
некоторые коммерческие оптические силикатные стекла. Однако в
настоящее время разработаны новые типы стекол специально для технологии ионного обмена. Такие стекла могут иметь как силикатную,
так и германатную либо фосфатную основу. В таблице перечислены
некоторые типы коммерческих стекол, условия ионного обмена и приведены величины изменения показателя преломления в сформированных волноводных структурах. Метод ионного обмена в сочетании с
фотолитографией позволяет создавать не только планарные, но и внедренные полосковые волноводы. Для этого на поверхность стекла наносят слой материала, препятствующий ионному обмену и процесс
происходит только в области, где маска отсутствует. После окончания
ионного обмена маску удаляют химическим травлением. Метод иного
обмена позволяет изготавливать волноводы с градиентным профилем
показателя преломления.
Марка стекла (состав)
K8
ВК7
GNS (GeO2-Nb2O5SiO2-Na2O)
BGG35
AGP (Al2O3-GeO2P2O5Na2O-Cs2O)
Параметры стекла для ионного обмена
Расплав Темпер., 0C Длительность, час
Δn·104
KNO3
350
RbNO3
500
6
12.18
KNO3
400
42.10
10
3
70
120
360
450
1
12
1200
160
KNO3
AgNO3
KNO3
6
56
Метод ионной имплантации
Примесь, искусственно вводимая в среду и формирующая волновод, может быть введена в подложку не только с помощью диффузии
или ионного обмена, но и с помощью технологии ионной имплантации. Сущность данной технологии заключается в том, что ионы выбранной примеси в вакууме разгоняются в электрическом поле до высоких энергий (от десятков до тысяч килоэлектроновольт) направляются на подложку. В результате столкновений с атомами подложки
они теряют энергию и внедряются в неё на определенной глубине.
Блок-схема установки для ионной имплантации показана на рис. 3.16.
199
Рис. 3.16. Блок-схема установки для ионной имплантации: 1 – источник
ионов; 2 – фокусирующая система; 3 – отклоняющая система; 4 – магнитный
сепаратор; 5 – ускоритель; 6 – мишень
Ионы примеси получают в источнике атомов примеси 1. Обычно
для этого используется термическое испарение атомов, либо ввод атомов из газового источника с последующей ионизацией атомов. С помощью ускоряющего напряжения из источника формируется направленный пучок ионов, который поступает в фокусирующую систему 2,
содержащую электростатические линзы и далее в электрическое поле
отклоняющей системы 3, состоящей из вертикальных и горизонтальных отклоняющих пластин. Ионный пучок обычно может содержать
ионы посторонних, загрязняющих примесей. Для выделения из пучка
ионов нужного типа используются отклоняющие свойства магнитного
поля для движущихся зарядов, магнитный сепаратор 4. Очищенный
пучок ионов поступает в ускоритель 5, где ионы разгоняются до высоких энергий и направляются на поверхность мишени-подложки 6.
Проникая в подложку и сталкиваясь с ее атомами, ион отклоняется от
первоначальной траектории в хаотическом порядке. Потеря энергии
ионами в материале мишени определяется двумя основными процессами: ядерными и электронными взаимодействиями, вызывающими
торможение ионов. Для расчета глубины проникновения ионов в материал подложки используется не полная траектория пробега ионов в
материале, а усредненная величина проекции L полной длины пробега
на направление начального движения. На рис. 3.17 в качестве примера
показана зависимость средней глубины проникновения ионов мышьяка (As+) в кремний (Si) и кварцевое стекло (SiO2) от энергии ионов. Из
рисунка видно, что даже при энергии ионов в 1 МэВ глубина проникновения не превышает 1 мкм. Влияние материала мишени на глубину
проникновения проявляется при относительно низкой энергии ионов и
практически отсутствует при высоких энергиях
200
Рис. 3.17. Зависимость средней глубины проникновения ионов мышьяка ( A s )
в кремний (Si) и в кварцевое стекло (SiO2) от энергии ионов
В аморфных материалах и поликристаллах (со случайной ориентацией кристаллографических осей отдельных зерен) распределение ионов примеси, введенных ионной имплантацией, имеет колоколообразную форму с максимумом, приходящемся на среднюю глубину проникновения иона в материал подложки (рис. 3.18).
Рис. 3.18. Типичная характеристика распределения концентрации ионов
примеси при внедрении в аморфную мишень
Таким образом, при создании оптических волноводов с помощью
технологии ионной имплантации формируется заглубленный волновод
с градиентным профилем показателя преломления. При имплантации
ионов в мишени монокристаллических сред может возникать интерференционный эффект каналирования ионов в определенных направлениях. Этот эффект связан с тем, что в определенных кристаллографических направлениях ион за счет своих волновых свойств двигается
между атомами мишени как по каналу, без рассеяния (рис. 3.12.1 а).
Аналогией являются условия каналирования электромагнитных
волн в волноводах. При этом потеря энергии ионом происходит, в основном, за счет торможения в электрическом поле кристаллической
решетки ионов. В этом случае ион примеси может проникнуть в кристалл на аномально большую глубину, а профиль распределения ионов
примеси по глубине становится двугорбым (рис. 3.12.1 б).
201
а
б
Рис. 3.12.1. а – каналирование ионов в монокристалле; б – профили распределения концентрации ионов внедренной примеси при каналировании
Подбором энергии ионов, ориентации кристалла и температуры
мишени можно добиться того, что распределение примеси в мишени
будет формироваться только за счет каналированных ионов. В этом
случае может быть сформирован узкий профиль распределения примеси, залегающий в мишени на определенной глубине (пунктирная кривая на рис. 3.12.1 б). При столкновении ионов с атомами мишени происходит смещение атомов решетки относительно узлов кристаллической решетки – возникают радиационные дефекты решетки, которые
изменяют оптические и электронные свойства кристалла. Радиационные дефекты после имплантации могут быть устранены термическим,
лазерным отжигом.
Методом ионной имплантации в подложки могут быть введены ионы практических любых веществ с контролируемой концентрацией.
Кроме того, в одну и ту же подложку могут быть введены последовательно ионы различных веществ. При последующей термической обработке диффузия и химическая реакция этих веществ может приводить к формированию новых химических соединений в подложке в
виде отдельных молекул, а при высокой концентрации даже формированию нанокристаллов. Например, при имплантации стеклянной подложки ионами металла и ионами кислорода и термической обработке в
материале подложки может быть создана примесь в виде оксида металла, а также в виде нанокристаллов оксида металла. При имплантации ионов серебра или золота в стеклянную подложку и последующей
термообработке в ней формируются наночастицы этих металлов.
Для создания полосковых волноводов метод ионной имплантации
сочетают с фотолитографией. В этом случае на поверхности подложки
методом фотолитографии предварительно формируют защитную маску (рис. 3.20). При имплантации ионы, попадающие в защитный слой
тормозятся в нем и не проникают в объем подложки. Ионы, попадающие в отверстия в маске, внедряются в подложку и формируют в ней
необходимый примесный слой требуемой конфигурации.
202
Рис. 3.20. Применение защитной маски при ионной имплантации
Более технологичным методом формирования полосковых волноводов интегральной оптики является метод сканирования ионного
пучка по поверхности подложки. Для этого используют сфокусированный пучок ионов необходимой примеси, пространственное положение которого изменяют с помощью двух координатной электростатической отклоняющей системы.
а ) "диодное" распыление: 1 – катод-мишень, 2 – подложка
б) распыление "со смещением": 1 – катод-мишень, 2 – подложка,
3 – подложкодержатель, 4 – анод
в) "триодное" распыление: 1 – катод-мишень, 2 – вспомогательный анод,
3 – подложка, 4 – анод-подложкодержатель, 5 – вспомогательный катод
(термоэмитер электронов)
Рис. 3.21. Схемы "катодного" и "триодного" напыления пленок
нейтральными частицами
203
Напыление нейтральными частицами (рис. 3.21), выбиваемыми из
распыляемой мишени ускоренным потоком заряженных ионов, например, Ar+ с энергией 0,1-10 кэВ:
 диодные и триодные (с дополнительным ускоряющим и управляющим электродом) системы;
 магнетроны (устройства, где на скрещенные электрическое и магнитное поля накладываются сверхвысокочастотные (СВЧ) колебания, что приводит к образованию сложных спиралевидных траекторий заряженных частиц, которые имеют возможность разогнаться до высоких энергий);
 ионно-лучевое распыление.
Выводы:

Пленочная технология является наиболее удобной и естественной
для устройств интегральной оптики.

Наиболее перспективными по параметрам являются монокристаллические пленки, которые можно получить методами жидкостной или газовой
эпитаксии. Вместе с тем производство монокристаллических пленок существенно сложнее получения поликристаллических пленок. Для формирования монокристаллических пленок во всех методах необходимо использовать
специально подготовленные подложки из монокристаллов с определенной
кристаллографической ориентацией и с периодом кристаллической решетки близким к периоду решетки формируемой пленки.

Аморфные или поликристаллические пленки можно получить методом
вакуумного нанесения и золь-гель методом. Показатель преломления пленок, полученных этими методами несколько меньше показателя преломления аналогичного по составу объемного материала из-за меньшей плотности.

Применение полимерных пленок в интегрально-оптических устройствах в настоящее время пока ограничено. В основном, они используются для
изготовления внешних оболочек волокна и полимерных волокон для локальных сетей волоконно-оптической связи.
Вопросы для самоконтроля:
1.
Перечислите методы термического напыления пленок.
2.
Перечислите и охарактеризуйте эпитаксиальные методы.
3.
Особенности выращивания монокристаллических пленок.
4.
Что представляют собой методы диффузии?
5.
Особенности метода ионной имплантации.
6.
Метод ионного обмена.
7.
Метод напыления нейтральными частицами.
204
3.2. Методы изготовления волноводов интегральной оптики
Химическое осаждение; плазменное, кварцевое, фосфатное стеклянное, фторидное, флюоридное, пластиковое оптоволокна; волокна с
двойной оболочкой, оптические волокна, сохраняющие состояние поляризации
Существует много различных технологий изготовления диэлектрических волноводов:
1. Плоские волноводы могут быть изготовлены из различных
кристаллических и стеклянных материалов с помощью таких методов,
как эпитаксия или полировка. Волновод может находиться сверху на
устройстве, но может также быть помещен между различными твердыми слоями.
2. Канальные волноводы из полупроводниковых, кристаллических и стеклянных материалов могут быть сделаны с помощью литографии в комбинации с такими процессами, как эпитаксия, ионный
обмен, или тепловая диффузия. Можно сделать волновод внутри устройства, выращивая дополнительный слой сверху волновода. Это может привести к понижению потерь распространения и к получению
более симметричного профиля моды.
3. Оптоволокно изготавливается, как правило, при помощи вытягивания из преформы (заготовки), большого стеклянного прута с изменяющимся по поперечному сечению показателем преломления. Волокна могут быть вытянуты в волноводы очень маленьких размеров,
вплоть до нановолокон.
4. Волновод может быть сформирован внутри прозрачной среды
(например, стекло) с помощью сфокусированных импульсных лазерных лучей с использованием лазерного пробоя или похожей техники.
Выбор подходящего метода изготовления волновода включает в
себя такие аспекты, как стоимость, гибкость и воспроизводимость
производства, потери при распространении, возможные побочные эффекты в материале (например, через нагревание или диффузию), оптимальный размер моды и симметрию, возможность присоединения к
другим волноводам, и т.д.
Методы изготовления оптоволокна
Существует широкий диапазон методов изготовления оптического волокна. Начальный этап изготовления состоит из методов с применением так называемой преформы и методов непосредственного изготовления волокна. Наиболее распространенными и дающими волокно
высокого качества являются методы, основанные на использовании
205
преформ, в то время как прямые методы, основанные на экструзии,
используются в чаще для изготовления пластикового оптоволокна.
В основном оптоволокно изготавливается из так называемых
преформ (заготовок) в башне для вытяжки волокна, достигающих высоты в несколько метров и даже десятков метров. Преформа – это
стеклянный стержень диаметром 1-10 сантиметров и длиной до 1 метра. Вдоль оси преформы (заготовки) расположена область с увеличенным показателем преломления. Из нее формируется сердцевина волокна. Когда заготовка нагреется до температур близких к температурам плавления в печи башни волокнообразования, тонкое волокно будет выведено из нижней части заготовки. Волокно, созданное в ней,
может достигать длины несколько километров. В процессе вытягивания, диаметр волокна остается неизменным при помощи автоматического регулирования скорости вытягивания (и, также температуры в
печи) с автоматической системой обратной связи, контролирующей
толщину волокна. Перед тем как волокна выходят из башни, их, как
правило, покрывают полимерным покрытием для механической и химической защиты. Такие покрытия могут состоять из двух или более
различных слоев для оптимального уменьшения микро-изгибов. Типичные материалы, используемые для покрытия – это акрилат, силикон и полиимид. Дополнительные PVC или аналогичные защитные
покрытия могут быть сделаны путем экструзии после окончания процесса.
Кроме того, в процессе создания волокна в них можно сформировать брэгговские решетки. Для этого используется импульсный ультрафиолетовый наносекундный лазер, освещающий волокно через некоторую фазовую маску перед тем, как волокна будут покрыты защитной оболочкой.
Многие преформы для вытягивания волокна изготавливаются методом, называемым методом химического осаждения из газовой фазы.
Этот метод был разработан для кварцевых телекоммуникационных
волокон в 70-х годах (Bell Telephone Laboratories and Corning). Смесь
кислорода, тетрахлорида кремния (SiCl4) и, возможно, другие вещества
(например, тетрахлорида германия (GeCl4) и редкоземельные элементы) проходят через вращающиеся трубки кварцевого стекла, которое в
пламени горелки нагревается до ~ 1600 0C. Химические реакции в газе
формируют слой кварца (и, возможно, других веществ), который покрывает внутреннюю поверхность стеклянной трубки вблизи горелки
и спекает в прозрачный слой стекла. Горелка непрерывно перемещается вперед и назад вдоль трубы. К концу процесса, газовая смесь улучшает слой, сделав его с более высоким показателем преломления, чем
206
у предшествующей сердцевины волокна. Наконец, трубка сжимается
при нагревании ее до ~ 2000 0C.
Альтернативные методы осаждения из газовой фазы
1) Метод химического осаждения из газовой фазы (OVD) – это
процесс, в котором кварц осаждается на поверхности стержня (например, стекло оправки), а не внутри трубки. Вместе с исходными материалом, например SiCl4, в горелку подается топливный газ (водород
или метан). Горелка движется параллельно вращающемуся стержню.
После осаждения, готовый стержень удаляется, и заготовки выводятся
в печь, где его продувают газом для снижения содержания гидроксила.
2) Плазменное химическое осаждение из газовой фазы использует осаждение внутри трубки. Однако вместо горелки для подогрева
осаждаемой области используются микроволновые печи. Напыление
идет медленно, но очень тщательно. Модифицированным методом с
особо высокой точностью является метод импульсного химического
осаждения из газовой фазы, в котором используются короткие микроволновые импульсы.
3) Заготовки для многомодовых волокон, особенно для волокон
с большой сердцевиной, часто изготавливаются с использованием
внешнего плазменного осаждения (POD), где внешний легированный
фтором слой с уменьшенным преломлением формирует оболочку волокна, сделанную плазменной горелкой. Сердцевина может быть сделана из кварца, без каких-либо примесей.
Общее преимущество методов химического осаждения из газовой
фазы в том, что можно достичь чрезвычайно низких потерь распространения: менее 0,2 дБ/км, так как используются высококачественные
материалы с отсутствием загрязнения. В частности, SiCl4 и GeCl4 легко
очищают путем дистилляции, так как они являются жидкими при комнатной температуре. Особенно, когда отсутствует водород (например,
в качестве топливного газа), содержание воды в таких заготовках является очень низким, что помогает избежать сильных потерь на уровне
1,4 мкм, влияя на качество телекоммуникационных связей.
Методы изготовления преформ без осаждения из газовой фазы
Для тех материалов, для которых метод осаждения из газовой
фазы не может быть применен, используется метод составления преформы из заготовок из различных материалов (rod-in-tube technique).
Стержень из стекла с большим коэффициентом преломления вставляется внутрь трубки с меньшим коэффициентом преломления. При нагреве и вытягивании волокна происходит спекание обоих частей. Заго207
товки для фотонно-кристаллических волокон, содержащих малые отверстия по всей длине, как правило, изготавливаются путем укладки
капиллярных трубок и (или стержней), в большинстве случаев из чистого кварцевого стекла. Можно также ввести редкоземельные легированные стержни для устройств из активного волокна.
Адаптированные методы для устройств на основе активных волокон
Для устройств из активного волокна, таких как волоконные лазеры и волоконные усилители, требуются редкоземельные легированные
волокна. Здесь, волокна сердцевины легированы редкоземельными
ионами эрбия, неодима, иттербия, или туллия. Дополнительные примеси могут изменять показатель преломления, улучшать растворимость для редкоземельных ионов, или изменять светочувствительность.
Не все примеси могут быть легко использованы для метода химического осаждения из газовой фазы, где требуется конвективный
перенос материала. В частности, прекурсоры для редкоземельных
примесей, как правило, имеют слишком низкое давление паров. Одной
из возможностей преодоления этой проблемы является подведение
более высокой температуры к источнику редкоземельных ионов.
Другим распространенным методом является легирование с использованием пористого кремниевого фритта (стеклообразный сырьевой материал), не содержащего редкоземельные ионы, который наносится на внутреннюю сторону полой трубки кварца. Затем этот фритт
пропитывается раствором, содержащим редкоземельную соль (например, хлорид). Позже заготовки должны быть дополнительно обработаны для создания сухого и тонкого редкоземельного оксидного слоя.
Альтернативой является технология напыления наночастиц некоторых аэрозолей. Этот метод позволяет достичь высококонцентрированного легирования с хорошей однородностью и точным созданием
допированного профиля.
Методы изготовления без применения заготовок
Мягкие стеклянные волокна часто изготавливаются с использованием метода двойного тигля, где сердцевина и оболочка одновременно создаются из тигля. Тигель имеет резервуар для плавления
сердцевины из стекла, оставляя небольшое отверстие в центре, и один
(или несколько), резервуары для остекления. По сравнению с созданием заготовок, он может быть легче приспособлен для различных материалов из стекла. Однако, этот метод менее пригоден для получения
208
сверхчистых волокон с очень низкими потерями, так как трудно избежать загрязнения материала из тигля.
Некоторые волокна, например пластиковые оптические волокна,
производятся методом простой экструзии, который похож на метод
двойного тигля. Такие волокна применяются на массовом производстве волокна, но при этом они не достигают высокого уровня качества.
Сердцевина (ядро) оптоволокна – область волокна, в которой
распространяется свет. Обычно, сердцевина – это область несколько
увеличенного показателя преломления, полученного не при использовании различных видов стекла, а при легировании стекла некоторым
увеличивающим показатель преломления материалом. В случае волокон кварца, типичные увеличивающие показатель легирующие примеси (допанты) – германиевые (GeO2 – германосиликатные волокна),
фосфоросиликатные (P2O5 – фосфосиликат), и алюмосиликатные
(Al2O3 – алюминосиликат). Как альтернатива или дополнение, показатель преломления оболочки, может быть понижен, например, фтором
или окисью бора (B2O3). Понижающие показатель преломления элементы могут также использоваться в сердцевине, если другие необходимые легирующие примеси (допанты) дают слишком большое различие в значениях коэффициента преломления.
Дополнительные легирующие примеси (допанты) необходимы
для активных волокон, то есть, для волокон, которые могут использоваться для волоконных усилителей или лазеров. В почти всех случаях
эти легирующие примеси (допанты) содержат редкоземельные ионы,
такие как Er3+ (эрбий), Yb3+ (иттербий) или Nd3+ (неодим). В дополнение к этим ионам другие компоненты часто используются, например,
для того, чтобы уменьшить эффект тушения или фотозатемнения.
Волноводные свойства волокна определяются профилем показателя преломления, то есть, увеличением показателя преломления в
сердцевине, относительно показателя в оболочке. Для волокон со ступенчатым профилем часто используются такие параметры, как числовая апертура и параметр V.
Оптоволокно для инфракрасного диапазона
Разработано первое оптоволокно с сердечником из селенида цинка – светло-желтого вещества, который может использоваться в качестве полупроводника. Атомы стекла имеют произвольную упорядоченность. У прозрачного селенида цинка, напротив, они строго упорядочены. Такой порядок позволяет передавать свет больших длин волн
(среднеинфракрасных,    мкм). В отличие от кварцевого стекла,
селенид цинка является составным полупроводником.
209
Кварцевое оптоволокно – оптоволокно, основанное на расплаве
кварца (оксида кремния) или сходных материалов (например, допированного оксида кремния).
Оптоволокна базируются на каком-либо стекле или полимерных
материалах (пластиковое оптоволокно). Среди стекол плавленный
кварц (аморфный кремниевый диоксид, SiO2) является доминирующим
материалом (особенно для телекоммуникационного оптоволокна). У
кварца широкий диапазон длин волн с хорошей оптической прозрачностью. В инфракрасном спектре, особенно на длине волны 1,5 мкм, у
кварца очень низкое поглощение и потери на рассеивание 0,2 дБ/км,
поскольку преформа для вытяжки волокна изготавливается с использованием методов, обеспечивающих очень высокую степень чистоты.
Высокая прозрачность в области 1,4 достигается поддержанием низкой
концентрации ОН. С другой стороны, волокна с высокой концентрацией ОН лучше подходят для передачи света в ультрафиолетовой области. Преимущества кварца и кварцевого оптоволокна:
1. Кварц может быть использован в оптоволокне при разумно высоких температурах, и имеет низкий коэффициент термического расширения.
2. Кварцевые волокна могут быть быстро и надежно соединены с
помощью сварки или процедуры сплайсинга.
3. У кварцевого оптоволокна высокая прочность на разрыв и изгиба, при условии, что волокно не является слишком толстым и что поверхности хорошо подготовлены. Такая стойкость оптоволокна может
быть в дальнейшем улучшена подходящим полимерным покрытием.
При простом сколе волокна образовавшийся торец образует прямую
поверхность с хорошим оптическим качеством.
4. Кварц химически инертен. В частности, он не является гигроскопическим (не поглощает воду).
5. Кварцевое стекло может смешиваться с различными материалами. Целью добавок является увеличение показателя преломления (например, с GeO2 или Al2O3) или его понижение (например, с фтором
или B2O3). Допирование также возможно с лазерными-активными ионами (редкоземельными ионами), чтобы получить активные волокна,
которые могут использоваться, например, в волоконных усилителях
или лазерах. Сердцевина оптоволокна и иногда оболочка оптоволокна
допируются, и полученный материал является при этом, например,
алюмосиликатным, германосиликатным или боросиликатным стеклом.
Для активного оптоволокна, чистый кварц, как правило, не такая подходящая основа, так как стекло дает низкую растворимость для редко210
земельных ионов. Алюмосиликаты намного более эффективны в этом
отношении.
6. Кварцевое оптоволокно также показывает высокий уровень оптической стойкости. Эта особенность гарантирует низкую вероятность
для оптического пробоя, что важно для волоконных усилителей, когда
они используются для увеличения коротких импульсов.
7. У кварца есть особенно низкая нелинейность Керра, которая
выгодна во многих случаях, где нелинейные эффекты могут быть
вредны.
Рис. 3.2.1. Оптические потери в кварце. На больших длинах волн доминирует
инфракрасное поглощение, связанное с вибрационными резонансами. На малых длинах волн важнее рассеивание Рэлея. Если оптоволокно содержит гидроксильные (ОН) ионы, в спектре потерь присутствуют дополнительные пики
на длинах волн 1,32.1 мкм и 1,24 мкм
Кварцевое оптоволокно предпочтительно для применения в коммуникации (за исключением очень коротких расстояний с пластиковым оптоволокном), волокнах для лазеров, усилителей и волоконнооптических датчиков. Большие усилия, которые потребовались для развития различных видов кварцевого оптоволокна, далее увеличили преимущества таких волокон над волокнами, основанными на других материалах.
Есть также чистые волокна кварца в форме фотонно-кристаллических
волокон, содержащих крошечные воздушные отверстия. В этом случае
волновой эффект достигнут уменьшением эффективного индекса оболочки (вызванного большей фракцией воздуха) или эффектом фотонной запрещенной зоны.
211
Для специальных применений требуются определенные некварцевые оптоволокна:
1. Фосфатное стеклянное оптоволокно используется тогда, когда
требуется высокая концентрация примесей редкоземельных ионов.
2. Фторидное оптоволокно, содержащее тяжелые металлы, может
использоваться для передачи середины инфракрасного диапазона и для
лазеров волокна или усилителей, где требуются низкоэнергетические
лазерные переходы с большим сроком жизни возбужденного иона.
3. Пластиковое оптоволокно (из полимерных материалов) может
быть более дешевым и широко применяемым, чем кварцевое оптоволокно, и используется, например, в целях освещения и в передаче данных на малые расстояния.
Волокна с двойной оболочкой
Излучение волоконного лазера или усилителя на базе обычного
легированного одномодового волокна может быть дифракционноограниченным. Использование многомодового волокна, как правило
(хотя и не всегда), приводит к ухудшению качества пучка.
Изобретение двухволоконных конструкций позволяют решить проблему накачки оболочки волоконных устройств. Лазерное излучение
распространяется в одномодовой (или многомодовой) сердцевине, которая окружена внутренней оболочкой.
Возбуждающий свет не обязательно должен быть введен в торцы
волокна. Можно использовать технологию боковой накачки, где для
накачки не требуется доступа к торцам волокна. Например, нарезать
на внутренней оболочке V-образные канавки, которые могут быть использованы для отражения света накачки во внутреннюю оболочку.
Конструкции волокон с двойной оболочкой
Простейшая конструкция имеет круговую оболочку накачки и
центрированную сердцевину. В этом виде волокон распространение
мод происходит внутри оболочки (это связанно с винтовыми лучами),
которые почти не пересекаются с сердцевиной, так что значительная
часть возбуждающего света остается не полностью поглощенной. Оптических мод с плохим перекрытием сердцевины можно избежать,
используя конструкции с более низкой симметрией (конструкции со
смещенной от центра сердцевиной или с некруглой внешней оболочкой: например, эллиптические, D-образные или прямоугольные). Также, у такой накачки оболочки будут лучше соответствовать форме лучей диодов накачки. Однако, если само волокно (не только оболочка)
также имеет некруглую форму, то это может вызвать проблемы при
соединении волокон.
212
Волокно с двойной оболочкой также может быть сделано как ФК
волокно. Здесь многомодовая оболочка для накачки подвешена на
тонких перемычках в воздушной оболочке. Такая структура может
обладать очень высокой числовой апертурой ~ 0,6 для возбуждающего
света. Это снижает требования к яркости источника накачки.
Рис. 3.2.2. Волокна с двойной оболочкой
Во многих случаях основная и внутренняя оболочки волокон с
двойной оболочкой аналогичны обычным волокнам с накачкой в
сердцевину волокна. Если внутренняя оболочка выполнена из кварца,
то внешняя оболочка может состоять из легированного фтором кварца.
Тогда числовая апертура для внутренней оболочки может быть порядка 0,28. Большие значения можно получить с полимерными внешними
оболочками, но они не выдерживают высоких температур, а также
имеют более высокие потери энергии света накачки.
Рис. 3.2.3. Структура волокон с двойной оболочкой
Волокна с двойной оболочкой широко используются в качестве оболочки накачки мощных волоконных лазеров и усилителей. Такие устройства
могут иметь высокую мощность и эффективность преобразования.
Рис. 3.2.4. Структура волокна на фотонном кристалле с двойной оболочкой
213
Оптические волокна, сохраняющие состояние поляризации
(Polarization maintaining fibers).
В оптическом волокне всегда в какой-то степени присутствует
двулучепреломление, даже если оно имеет центрально-симметричную
конструкцию, поскольку на практике всегда есть некоторое механическое напряжение или другие эффекты, которые нарушают симметрию
волокна. Как следствие, поляризация света и длина волны излучения,
распространяющегося в волокне, постепенно меняются случайным
образом. Процесс зависит также от каких-либо изгибов волокна и от
его температуры. Эта проблема может быть устранена с помощью оптического волокна, сохраняющего состояние поляризации, то есть волокна с сильным встроенным двулучепреломлением (PM-fiber, или
polarization maintaining fiber). Даже если волокно согнуто, при условии,
что свет заводится в волокно параллельно одной из двулучепреломляющих осей, поляризация света в волокне будет сохранена, то есть
останется линейной. Физический принцип может быть объяснен с помощью механизма когерентной связи мод. Константы распространения обоих мод с разной поляризацией различаются из-за сильного двулучепреломления. Поэтому относительная фаза распространяющихся
мод быстро меняется. Таким образом, любые возмущения вдоль волокна могут не затрагивать эффективность взаимодействия обоих мод,
кроме случаев, когда имеется значительная пространственная компонента Фурье, волновое число которых соответствует разности постоянных распространения двух мод поляризации. Если эта разница является достаточно большим, то возмущение в слое будет меняться очень
медленно, вследствие чего получим хорошую связь мод.
Обычный метод создания большого двулучепреломления –
включение в заготовку двух (не обязательно цилиндрических) стержней напряжения с измененным составом стекла (с другой степенью
теплового расширения) по разные стороны от ядра. Когда волокно вытягивается из преформы, эти дополнительные элементы вызывают
механическое напряжение с четко определенной ориентацией. Другим
методом является использование эллиптического ядра, вызывающего
двулучепреломление. В фотонно-кристаллическом волокне сильное
двулучепреломление может быть получено введением асимметричного
расположения отверстия для воздуха.
214
Рис. 3.2.5. PM- волокно типа "панда" и волокно типа галстук-бабочка
В любом случае, константа взаимодействия мод (beat length) может быть настолько мала (несколько миллиметров или даже меньше),
что дополнительное механическое напряжения может вызывать только
низкий уровень смешения состояний поляризации. PM-волокна применяются в устройствах, где нежелательно изменение состояния поляризации, например, в результате изменений температуры. Примерами
являются волоконные интерферометры и некоторые волоконные лазеры. Недостатком использования таких волокон является то, что обычно требуется точное выравнивание направлений поляризации, что делает производство более сложным. Кроме того, потери на распространение выше, чем у стандартного волокна.
Экстинкция поляризации излучения (отношение интенсивности
компонент с перпендикулярной поляризацией), выходящего из оптоволокна, сохраняющего поляризацию, может быть ниже, чем на входе
волокна. Это может произойти в результате несовершенной настройки
направления поляризации на входе, но также быть связано с некоторым смешением мод. Последний эффект может сильно увеличится в
результате механических напряжений (например, в волоконных разъемах). Так же надо отметить, что не следует путать оптические волокна,
сохраняющие поляризацию с одномодовым волоконным световодом,
который может направлять свет только с определенной линейной поляризацией.
Пластиковое оптоволокно (ПОВ) пока не может достичь показателей стеклянных волокон в различных аспектах, таких как (потери
при распространении) и способность передачи информации, однако
очевидно, что они более стойкие и являются более дешевым решением
в некоторых сферах применения. Типичная сфера применения – оптическая передача данных на небольшие расстояния, к примеру, дома,
машины, промышленные предприятия, где простота использования и
повышенная стойкость выгодны, а более высокие потери при распространении приемлемы. ПОВ также используются в освещении, для
доставки света, который генерируется с помощью светодиодов. PMMA
акриловый, полистирол и поликарбонаты часто используются для де215
шевого массового применения. Как типичный пример, ПОВ может
иметь акриловую PMMA сердцевину, окруженную фторированной
оболочкой, имеющую более низкий коэффициент преломления. Как
альтернатива, повышающее коэффициент преломления допирующее
вещество может быть подмешано к сердцевине оптоволокна. Для
больших потоков информации, тем не менее, предпочтительны определенные перфторированные полимеры, такие как полиэфир
(perfluoro-butenylvinyl), так как они имеют намного меньшие потери
при распространении и могут быть использованы для больших длин
волн, где применяются те же передатчики и приемники, что и для
стеклянных волокон.
Инновационное, но все еще не широко используемое решение –
реализация фотонно-кристаллических волокон с применением пластиковых материалов. Пластиковое оптоволокно может быть получено из
заготовок путем простого процесса, который часто применяется для
получения кварцевых волокон, но только с меньшей температурой
нагрева – около 200 0С. Заготовка может быть изготовлена из полой
трубки материала оболочки, которая потом заполняется жидкой смесью мономеров и некоторых реагентов для сердцевины. Как альтернатива, специальная примесь (добавка, легирующая присадка, диффузант) может быть применена с внутренней стороны трубки, диффундирована в материал, после чего она осядет на трубке. Такие процессы
могут быть подобраны для получения различных значений показателя
преломления.
Пластиковое оптоволокно сильно отличается от стеклянного оптоволокна во многих аспектах:
1.
Часто ПОВ имеют минимум потерь в видимом диапазоне длин
волн или в области инфракрасного излучения (< 1/3 мкм) в случае с
перфторированными материалами. Для сравнения, кварцевые волокна
имеют минимум потерь при > 1,5 мкм, а некоторое другое стеклянное
оптоволокно и при больших длинах волн.
2.
Стандартные ПОВ имеют высокие потери при распространении
сигнала ~ 50 – 100 дБ/км, тогда как потери в кварцевом волокне могут
достигнуть 1–10 дБ/км (многомодовые волокна) или даже значительно
ниже 1 дБ/км (одномодовые волокна). Поэтому, передача данных по
ПОВ ограничена намного более короткими расстояниями. ПОВ –
обычно многомодовые волокна с большим ядром (диаметр порядка 1
мм) и высокой числовой апертурой (~ 0,4), поддерживающие большое
количество мод. Это удобно, когда в качестве передатчиков данных
используются светодиоды. Так же, как и в стеклянном оптоволокне,
межмодовая дисперсия может быть минимизирована с использованием
216
градиентного профиля показателя преломления. ПОВ не годятся для
создания одномодовых волокон.
3. ПОВ являются механически более стойкими и гибкими. Их передача в многомодовом режиме с большой сердцевиной и высоким NA
снижает требования к качеству соединителей, поскольку могут использоваться пластмассовые элементы. Из-за этого ПОВ позволяет
существенно снизить затраты на изготовление и эксплуатацию оптоволоконных соединений.
4. Кабели ПОВ могут быть тоньше и легче, чем механически хорошо
защищенные кабели из стекловолокна.
Флюоридное оптоволокно – это оптические волокна на основе
флюоридных стекол, например фторалюминатных и фторцирконатных стекол. Катионы в таких стеклах обычно из тяжелых металлов,
таких как цирконий и свинец. Фторцирконатные стекла (где ZrF 4 –
главный компонент) это типичный пример и среди них стекло ZBLAN
(ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3-NaF) наиболее распространенное. Такие волокна
могут быть допированы определенным количеством редкоземельных
ионов для применения в волоконных лазерах и резонаторах.
Флюоридные волокна имеют большую прозрачность в среднем
ИК диапазоне длин волн, при том, что обычное кварцевое волокно
поглощает излучение, начиная с длины волны 2 мкм.
Применение флюоридных волокон
Первоначально предполагалось использовать флюоридные волокна в телекоммуникациях потому, что внутренние потери в низко
поглощающих волокнах могли бы быть, в принципе, ниже потерь в
волокнах на основе кварцевого стекла, которое прозрачно на длинах
волн до 2 мкм. Однако такие маленькие потери как в кварцевых волокнах до сих пор не достигнуты на практике, к тому же хрупкость и
высокая стоимость флюоридных волокон делает их непригодными для
коммерческой реализации. Позже флюоридным волокнам нашли другое применение, в исследованиях. Первая группа этих исследований
проводилась в области среднего ИК просветления флюоридных волокон. Примером может служить спектрометр, измеряющий в среднем
ИК диапазоне: оптоволоконные сенсоры, термометры, приборы для
визуализации изображений. Также флюоридное оптоволокно может
быть использовано для транспортировки света, например для Er:YAG
лазера с длиной волны 2,2.1 мкм, востребованного в медицине, например в офтальмологии и стоматологии. В этой области часто используется так же кислородосодержащее волокно, хотя существуют альтер217
нативные варианты, в частности германиевые стекла, которые содержат тяжелые металлы.
С другой стороны, значительное подавление мультифотонных
переходов во флюоридных стеклах очень важно для использования в
различных типах волоконных лазеров и резонаторов, в большей степени потому, что время жизни на верхних энергетических уровнях в различных редкоземельных металлах становится достаточно продолжительным для различных типов (видов) лазерных переходов, особенно в
лазерах с преобразованием частоты. Для примера, допирование тулием
флюоридного волокна может быть использовано для преобразования
частоты излучения характерной для голубого цвета и допирование
эрбием флюоридных волокон может быть использовано для преобразования частоты характерной зеленому цвету. Допирование празеодимом может быть использовано в 1,3 мкм резонаторе и также для видимого волоконного лазера с красным, оранжевым, зеленым и синим
излучением. Допирование эрбием может быть использовано для реализации 3 мкм волоконных лазеров, а также 1,5 мкм усилителей с широким и плоским профилем коэффициента насыщения по сравнению с
кварцевым волокном допированным эрбием. Также возможно комбинирование кварцевых и флюоридных оптических волокон.
Проблема флюоридных волокон в том, что они дорогие и сложные в обращении, а также недолговечные (например, не переносят деформации) и частично ограничивают предел химического баланса.
Допированное редкоземельными элементами оптоволокно – оптические волокна на основе стекла, легированные редкоземельными
ионами. Оптоволоконные лазеры и волоконные усилители почти всегда основываются на оптоволокне, которое легируется редкоземельными ионами в активной среде лазера (как правило, в сердцевине оптоволокна). Эти ионы поглощают свет накачки, как правило, на более
коротких волнах, чем длина волны в лазере или в усилителе (за исключением ап-конверсионных лазеров), которые возбуждаются и переходят на метастабильные уровни. Это обуславливает усиление света
с помощью вынужденного излучения. Такого рода волокна часто называются активными. Они являются высокоэффективной усиливающей средой, главным образом в результате эффекта ограничения области распространения света в волноводе.
В таблице приведены наиболее распространенные лазерноактивные ионы и матрицы стекла, а также типичные диапазоны длин
волн редкоземельных легированных волокон.
218
Ион
Неодим (Nd3+)
Иттербий (Yb3+)
Эрбий (Er3+)
Тулий(Tm3+)
Празеодим(Pr3+)
Гольмий(Ho3+)
Лазерно-активные ионы и матрицы стекла
Матрица стекла
Важные длины волн
Силикатные и фосфатные
1,03–1,1 μm, 0,2.1–0,2.15
стекла
μm, 1,32–1,35 μm
Силикатное стекло
1,0–1,1 μm
Силикатные и фосфатные
1,5–1,6 μm, 2,7 μm, 0,55
стекла, фторидное стекло
μm
Силикатные стекла и гер1,7–2,1 μm, 1,45–1,53 μm,
маниевые стекла, фторид- 0,48 μm, 0,8 μm
ные стекла
Силикатные стекла и фто1,3 μm, 0,635 μm, 0,6 μm,
ридные стекла
0,52 μm, 0,42.1 μm
Силикатные стекла и гер2,1 μm, 2,2.1 μm
маниевые стекла, фторидные стекла
Технологически наиболее важными волокнами, легированными
редкоземельными элементами являются: легированное эрбием волокно
для эрбиевых волоконных усилителей и легированные иттербием волокна для мощных волоконных лазеров и усилителей.
Химический состав стекла для лазерно-активной сердцевины волокна сильно влияет на возможную производительность и практическое использование активного оптоволокна.
Ограниченный диапазон прозрачности может исключить использование некоторых лазерных переходов. Например, лазеры в средней
ИК области спектра не могут быть реализованы с силикатными волокнами, которые сильно поглощают на длине волны более ~ 2 мкм.
Некоторые стекла (например, фторидные стекла), как правило,
сложны и дороги в изготовлении и обработке. Оптоволокно без примесей не всегда легко получить, и часто требуются сложные методы.
Некоторые стекла чувствительны к свету и позволяют изготавливать волоконные брэгговские решетки с ультрафиолетовым светом.
Фоточувствительность может сильно зависеть от определенных примесей. Стекла очень сильно отличаются в своих оптических нелинейностях и в пороге оптического повреждения.
Выводы:

Наиболее распространенными и дающими волокно высокого качества
являются методы, основанные на использовании преформ, в то время как
прямые методы, основанные на экструзии, используются в основном для
изготовления пластикового оптоволокна.
219

Химический состав стекла для лазерно-активной сердцевины волокна
сильно влияет на возможную производительность и практическое использование активного оптоволокна.

Волноводные свойства волокна определяются профилем показателя
преломления, то есть, увеличением показателя преломления в сердцевине
относительно показателя в оболочке. Для волокон со ступенчатым профилем часто используются такие параметры, как числовая апертура и параметр V.

Кварцевое оптоволокно предпочтительно для применения в коммуникации (за исключением очень коротких расстояний с пластиковым оптоволокном), волокнах для лазеров, усилителей и волоконнооптических датчиков.

Для специальных применений требуются определенные некварцевые
оптоволокна: фосфатное стеклянное, с высокой концентрацией примесей
редкоземельных ионов; фторидное оптоволокно, содержащее тяжелые металлы; пластиковое оптоволокно (из полимерных материалов).
Вопросы для самоконтроля:
1.
Сфера применения кварцевых волокон.
2.
Сфера применения фосфатных волокон.
3.
Сфера применения фторидных волокон.
4.
Сфера применения флюоридных волокон.
5.
Сфера применения пластиковых волокон.
220
3.3. Методы изготовления фотонных кристаллов
Методы, использующие самопроизвольное формирование фотонных
кристаллов; самоорганизация, самосборка, методы травления, голографические методы
Поскольку фотонные кристаллы предполагается использовать,
прежде всего, для управления оптическим излучением, то период модуляции диэлектрической проницаемости (который должен быть сравним с длиной волны) составляет микронные и субмикронные размеры.
Технологии микроэлектроники позволяют создавать такие структуры,
однако, они в первую очередь адаптированы под стандартные материалы, такие как кремний, германий, арсенид галлия и различные виды фоторезистов. Поэтому подавляющее большинство экспериментальных образцов фотонных кристаллов представляет собой кремниевые или кварцевые структуры. Существуют ФК-структуры на основе
металлов (вольфрам), однако, это единичные образцы. В настоящее
время практически все экспериментальные образцы фотонных кристаллов получены одним из перечисленных способов:
• рентгеновская литография, в том числе интерференционная;
• ультрафиолетовая литография;
• электрохимическое травление;
• лазерная голография;
• использование нанороботов и сканирующей электронной микроскопии;
• послойное сплавление вытравленных пластин;
• использование эффектов самоорганизации в коллоидных растворах.
В настоящее время существует множество методов изготовления
фотонных кристаллов, и новые методы продолжают появляться. Некоторые методы больше подходят для формирования одномерных фотонных кристаллов, другие удобны в отношении двумерных, третьи
применимы чаще к трёхмерным фотонным кристаллам, четвёртые используются при изготовлении фотонных кристаллов на других оптических устройствах и т.д. Рассмотрим наиболее известные из этих методов.
Методы, использующие самопроизвольное формирование фотонных кристаллов. При самопроизвольном формировании фотонных
кристаллов используются коллоидальные частицы (чаще всего используются монодисперсные силиконовые или полистереновые частицы,
но и другие материалы постепенно становятся доступными для использования по мере разработки технологических методов их получения), которые находятся в жидкости и по мере испарения жидкости
221
осаждаются в некотором объёме. По мере их осаждения друг на друга,
они формируют трёхмерный фотонный кристалл и упорядочиваются
преимущественно в гранецентрированную или гексагональную кристаллические решетки. Этот метод достаточно медленный, формирование фотонного кристалла может занять недели.
Другой метод самопроизвольного формирования фотонных кристаллов, называемый сотовым методом, предусматривает фильтрование жидкости, в которой находятся частицы через маленькие поры.
Этот метод позволяет сформировать фотонный кристалл со скоростью,
определённой скоростью течения жидкости через поры, но при высыхании такого кристалла образуются дефекты в кристалле.
Был предложен метод вертикального осаждения, который позволяет создавать высокоупорядоченные фотонные кристаллы большего
размера, чем позволяют получить вышеописанные методы.
Выше уже отмечалось, что в большинстве случаев требуется большой контраст коэффициента преломления в фотонном кристалле для
получения запрещённых фотонных зон во всех направлениях. Упомянутые методы самопроизвольного формирования фотонного кристалла
чаще всего применялись для осаждения сферических коллоидальных
частиц силикона, коэффициент преломления которого мал, а значит,
мал и контраст коэффициента преломления. Для увеличения этого
контраста, используется дополнительные технологические шаги, на
которых сначала пространство между частицами заполняется материалом с большим коэффициентом преломления, а затем частицы вытравливаются. Пошаговый метод формирования инверсного опала описан в
методическом указании по выполнению лабораторной работы.
Самоорганизация (self-organization) – самопроизвольное образование
упорядоченных пространственных или временных структур через
нарастание флуктуаций в условиях непрерывных потоков энергии и
вещества в сильно неравновесных открытых системах.
Под самоорганизацией понимают любой процесс, приводящий к
возникновению любого упорядочения в системе. В случае интенсивного притока энергии оказывается возможным самопроизвольное образование организованных диссипативных структур, являющихся следствием эволюции системы в сильно неравновесных условиях (диссипативная самоорганизация). К числу диссипативных самоорганизованных структур относят пространственно-периодические конвективные
системы, системы с хаотическим поведением, некоторые типы динамических фрактальных структур, периодические пространственновременные структуры (автоколебания, автоволны). Необходимым условием проявления процессов самоорганизации является наличие не222
скольких (не менее двух) противонаправленных градиентных полей
одной размерности, формирующих минимум энергии как функцию
расстояния или времени. Процессы самоорганизации многообразны.
Самые известные – реакция Белоусова-Жаботинского, ячейки Бенара.
Управление процессами самоорганизации является важнейшей задачей
на пути к формированию наноматериалов с требуемыми свойствами.
Рис. 15.1. Автоколебания и волны
в
реакции
БелоусоваЖаботинского, реализуемой в тонком слое геля (желатина)
Рис. 15.2. Ячейки Бенара – возникновение валиков жидкости в слое, подогреваемом снизу и охлаждаемом сверху
(или наоборот)
Рис. 15.3. Бинарные коллоидные самоорганизованные системы (вид поверхности). Большие частицы – полистирол,
маленькие – диоксид кремния
Самосборка (self-assembly) – процесс образования упорядоченной
надмолекулярной структуры или среды, в которой в практически неизменном виде принимают участие только компоненты (элементы)
исходной структуры, аддитивно составляющие или «собирающие»
как части целого результирующую сложную структуру.
Самосборка относится к типичным методам получения наноструктур (наноматериалов) "снизу вверх". Основная задача, которая стоит
при ее организации – это необходимость таким образом повлиять на
параметры системы и так задать свойства отдельных частиц, чтобы
они организовывались с образованием желаемой структуры. Самосборка находится в основе многих процессов молекулярной химии, где
сборка больших объектов определяется структурными особенностями
отдельных молекул. Самосборка отличается от самоорганизации, которая может быть использована как механизм создания сложных
«шаблонов», процессов и структур на более высоком иерархическом
уровне организации, чем тот, что наблюдался в исходной системе за
223
счет многочисленных и многовариантных взаимодействий элементов
на низких уровнях, на которых существуют локальные законы взаимодействия, отличные от коллективных законов поведения самой упорядочивающейся макроскопической системы. Для процессов самоорганизации характерны различные по масштабу энергии взаимодействия.
Также существуют ограничения степеней свободы системы на нескольких различных уровнях ее организации. Таким образом, процесс
самосборки – более простое явление. Тем не менее, процесс роста монокристалла не является в общем самосборкой атомов (что соответствует, в принципе, определению), хотя, например, самосборка более
крупных объектов – микросфер одинакового размера, формирующих
плотнейшую шаровую упаковку, приводит к образованию так называемого фотонного кристалла (трехмерной дифракционной решетки из
микросфер), – это типичный пример самосборки. К самосборке можно
отнести формирование "самособирающихся" мономолекулярных слоев
(например, молекул тиолов на гладкой поверхности золотой пленки),
образование пленок Лэнгмюра-Блоджетт, послойную сборку и прочее.
Фотонные кристаллы – идеальные кандидаты для компонентов лазеров, так как они имеют внешние дефекты, способствующие пропусканию только определенных частот световых волн. Большим достижением является управление структурой дефектов фотонного кристалла
при его изготовлении, правда еще нужно разработать способ расположения дефектов в необходимых местах фотонного кристалла. Удалось
сформировать из наносфер кварца матрицу искусственного опала методом вертикального наслоения.
Искусственный опал – это кристалл, обладающий высоким коэффициентом отражения, а его кремниевая структура включает в себя
воздушные полости, благодаря чему и достигаются подобные свойства.
Метод его производства заключается в наслоении наносфер на
субстрат при испарении их коллоидной суспензии. После формирования матрицы на нее наносится покрытие из смолянистого материала
для дальнейшей полимеризации. Для того чтобы достичь нужной точности формирования искусственного опала, используется метод двухфотонной полимеризации (two-photon polymerization – TPP). Этот метод предусматривает «обстреливание» смолоподобного материала
двумя фотонами с идентичными частотами и энергиями, в результате
чего смола полимеризуется в прочную прозрачную пленку. При этом
основная масса кристалла формируется методом самосборки, а через
ТРР формируется структура канала-волновода. Поэтому им нет необходимости следить за производством кристалла в целом. Как только
224
структура искусственного опала с дефектами сформирована, необходимо нанести тонкий слой аморфного кремния методом парового осаждения и, после его формирования, травлением убираются остатки
субстрата.
Методы травления наиболее удобны для изготовления двухмерных
фотонных кристаллов и являются широко используемыми технологическими методами при производстве полупроводниковых приборов.
Эти методы основаны на применении маски из фоторезиста (которая
задает, например, массив окружностей), осажденной на поверхности
полупроводника, которая задает геометрию области травления. Эта
маска может быть получена в рамках стандартного фотолитографического процесса, за которым следует травление сухим или влажным
методом поверхности образца с фоторезистом. При этом в тех областях, в которых находится фоторезист, происходит травление поверхности фоторезиста, а в областях без фоторезиста – травление полупроводника. Так продолжается до тех пор, пока нужная глубина травления
не будет достигнута и после этого фоторезист смывается. Таким образом, формируется простейший фотонный кристалл. Недостатком данного метода является использование фотолитографии, наиболее распространённое разрешение которой составляет порядка одного микрона. Поскольку фотонные кристаллы имеют характерные размеры порядка сотен нанометров, поэтому использование фотолитографии при
производстве фотонных кристаллов с запрещёнными зонами ограниченно разрешением фотолитографического процесса. Чаще всего, для
достижения нужного разрешения используется комбинация стандартного фотолитографического процесса с литографией при помощи
электронного пучка. Пучки сфокусированных ионов (чаще всего ионов
Ga) также применяются при изготовлении фотонных кристаллов методом травления, они позволяют удалять часть материала без использования фотолитографии и дополнительного травления. Современные
системы, использующие сфокусированные ионные пучки, используют
так называемую «карту травления», записанную в специального формата файлы, которая описывает, где пучок ионов будет работать,
сколько импульсов ионный пучёк должен послать в определённую
точку и т.д. Таким образом, создание фотонного кристалла при помощи таких систем максимально упрощено – достаточно создать такую
«карту травления» (при помощи специального программного обеспечения), в которой будет определена периодическая область травления,
загрузить её в компьютер, управляющий установкой сфокусированного ионного пучка и запустить процесс травления. Для большей скорости травления, повышения качества травления или же для осаждения
225
материалов внутри вытравленных областей используются дополнительные газы. Материалы, осажденные в вытравленные области, позволяют формировать фотонные кристаллы, с периодическим чередованием не только исходного материала и воздуха, но и исходного материала, воздуха и дополнительных материалов.
Голографические методы создания фотонных кристаллов базируются на применении принципов голографии, для формирования периодического изменения коэффициента преломления в пространственных направлениях. Для этого используется интерференция двух
или более когерентных волн, которая создает периодическое распределение интенсивности электрического поля. Интерференция двух
волн позволяет создавать одномерные фотонные кристаллы, трёх и
более лучей – двухмерные и трёхмерные фотонные кристаллы.
Другие методы создания фотонных кристаллов
Однофотонная фотолитография и двухфотонная фотолитография позволяют создавать трёхмерные фотонные кристаллы с разрешением 200 нм и использует свойство некоторых материалов, таких как
полимеры, которые чувствительны к одно- и двухфотонному облучению и могут изменять свои свойства под воздействием этого излучения.
Литография при помощи пучка электронов является дорогим, но
высокоточным методом для изготовления двумерных фотонных кристаллов. В этом методе, фоторезист, который меняет свои свойства под
действием пучка электронов, облучается пучком в определённых местах для формирования пространственной маски. После облучения,
часть фоторезиста смывается, а оставшаяся часть используется как
маска для травления в последующем технологическом цикле. Максимальное разрешение этого метода – 10 нм.
Литография при помощи пучка ионов похожа по своему принципу,
только вместо пучка электронов используется пучок ионов. Преимущества литографии при помощи пучка ионов над литографией при
помощи пучка электронов заключаются в том, что фоторезист более
чувствителен к пучкам ионов, чем электронов и отсутствует «эффект
близости» («proximity effect»), который ограничивает минимально
возможный размер области при литографии при помощи пучка электронов.
Таким образом, мы видим, что изготовление даже простейшего интегрально-оптического устройства является достаточно сложным, многоступенчатым, длительным и дорогостоящим технологическим процессом с использованием сложного технологического оборудования и
226
большого количества вспомогательных материалов. Однако необходимо учитывать, что технологии микроэлектроники и интегральной
оптики рассчитаны на одновременное изготовление большого количества устройств. Так, на каждом этапе технологического процесса одновременно может обрабатываться до нескольких десятков и сотен
подложек, каждая из которых содержит от сотен до тысяч интегральных устройств. Все процессы, включая промежуточный контроль, автоматизированы. Поэтому, несмотря на сложность технологического
процесса, себестоимость отдельного устройства оказывается невысокой.
Создание трехмерного фотонного кристалла с PBG в указанном
выше интервале длин волн остается на протяжении последних десяти
лет одной из главных задач материаловедения, для решения которой
большинство исследователей сосредоточились на двух принципиально
разных подходах: использование темплатных методов, создающих
предпосылки для самоорганизации синтезируемых наносистем, и нанолитографии.
Среди темплатных методов наибольшее распространение получили такие, которые в качестве темплатов для создания твердых тел с
периодической системой пор используют монодисперсные коллоидные сферы. Эти методы позволяют получить фотонные кристаллы на
основе металлов, неметаллов, оксидов, полупроводников, полимеров и
т. д. Все указанные методы включают несколько общих этапов.
На первом этапе, близкие по размерам коллоидные сферы равномерно “упаковывают” в виде трехмерных (иногда двухмерных) каркасов, которые в дальнейшем выступают в качестве темплатов (рис. 15.4
а).
Рис. 15.4. Схема темплатного синтеза фотонных кристаллов
Для упорядочения сфер помимо естественного (спонтанного) осаждения используются центрифугирование, фильтрование с использованием мембран и электрофорез. В случае использования кварцевых сфер
227
получающийся материал является синтетическим аналогом природного опала.
На втором этапе, пустоты в темплатной структуре пропитывают
жидкостью, которая впоследствии при различных физико-химических
воздействиях превращается в твердый каркас. Другими методами заполнения веществом пустот темплата являются либо электрохимические методы, либо метод CVD (рис. 15.4 б).
На последнем этапе, темплат (коллоидные сферы) удаляют, используя в зависимости от его природы процессы растворения или термического разложения (рис. 15.4 в).
Получающиеся структуры часто называют обратными репликами
исходных коллоидных кристаллов или “обратными опалами”. Очевидно, что сферы, используемые в качестве темплатов для формирования
пористых твердых тел, должны смачиваться наносимыми прекурсорами, а также должны быть легко удаляемы в условиях, при которых
создаваемая каркасная структура не разрушается. Кроме того, чтобы
конечный пористый материал обладал фотонными свойствами, сферы
должны иметь узкое распределение по размерам: их диаметры не
должны отличаться от среднего размера более чем на 5-8%. Темплатный каркас, состоящий из упорядоченных монодисперсных коллоидных частиц, в литературе принято называть “коллоидным кристаллом”
(colloidal crystal). Как правило, для их формирования используются
кварцевые или полимерные латексные сферы, хотя в литературе описаны случаи применения эмульсионных капель, золота и монодисперсных полупроводниковых нанокристаллов.
Для практического использования бездефектные области в фотонном кристалле должны превышать 103 мкм2. Поэтому проблема упорядочения кварцевых и полимерных сферических частиц является одной
из важнейших при создании фотонных кристаллов.
Осаждение коллоидных частиц только под действием сил гравитации моделирует естественный механизм образования природного опала. В процессе длительного отстаивания происходит разделение частиц по размерам, что позволяет получать хорошо упорядоченные образцы синтетических опалов, даже если используемые кварцевые сферы имеют значительный разброс по размерам. Однако, естественное
осаждение – очень медленный процесс, как правило, требующий нескольких недель или даже месяцев, особенно в том случае, когда диаметр сфер не превышает 300 нм. Центрифугирование позволяет значительно ускорить процесс формирования коллоидных кристаллов, однако, на качество получающегося опала сильное влияние оказывает
скорость центрифугирования.
228
Метод естественного осаждения связан с рядом сложностей. Если
размеры кварцевых сфер достаточно малы (< 300 нм), они могут не
образовать осадка, поскольку энергия теплового движения становится
сопоставимой с энергией гравитационного поля. С другой стороны,
при осаждении крупных сфер (диаметром > 550 нм) скорость их осаждения настолько велика, что получить упорядоченные массивы становится затруднительно, а при последующем увеличении размеров сфер
– практически невозможно.
Для получения коллоидных кристаллов используется два метода:
естественной седиментации и осаждения микросфер на вертикальную
подложку под действием капиллярных сил (так называемое вертикальное осаждение).
В случае естественной седиментации суспензию частиц разбавляли дистиллированной водой и помещали в неплотно закрытый высокий цилиндр (рис. 15.5 а). При этом происходило протекание двух параллельных процессов: осаждение микрочастиц
и испарение растворителя, которое завершалось
через 1-6 месяцев (в зависимости от объема суспензии и ее концентрации).
Рис. 15.5. Методы синтеза коллоидных кристаллов, использовавшиеся в работе: (а) естественная
седиментация и (б) вертикальное осаждение
Полученные методом естественной седиментации опалы после сушки на воздухе подвергали двустадийной
термической обработке с целью упрочнения структуры за счет спекания микросфер SiO2.
На первом этапе осуществляли медленный нагрев со скоростью
1 0/мин до температуры 250 0С с последующей изотермической выдержкой в течение 1 ч для удаления физически адсорбированной воды,
удерживаемой в пористой структуре опалового материала действием
капиллярных сил. На втором этапе осуществляли нагрев со скоростью
5 0/мин до t = 700 0С с изотермической выдержкой до 10 ч для удаления химически связанной воды и остаточных органических соединений, находящихся внутри сферических частиц SiO 2. При синтезе опалов методом естественной седиментации фундаментальные ограничения на размер производимых образцов практически отсутствуют. Как
правило, в работе синтезировали опалы размером около 5 ×5×1,5 см3, из
которых впоследствии выпиливали образцы нужной формы для проведения различных экспериментов.
229
Если метод естественной седиментации позволяет получать образцы объемных опалов с практически произвольным соотношением линейных размеров, то вертикальное осаждение целесообразно использовать для синтеза пленочных коллоидных кристаллов, толщина которых на несколько порядков меньше длины и ширины. Для упорядочения частиц методом вертикального осаждения в суспензию микросфер
вертикально помещали тонкую тщательно очищенную стеклянную
пластинку (рис.15.5 б). При этом на границе раздела сред «жидкостьвоздух-подложка» образуется мениск, в который коллоидные частицы
втягиваются действием капиллярных сил. По мере испарения жидкости мениск движется вниз по поверхности стекла, оставляя за собой
тонкую однородную пленку из упорядоченных микросфер. Для синтеза пленочных коллоидных кристаллов на основе полистирольных микросфер использовали водные суспензии частиц, осаждение проводили
при температуре 50  1 0С. В случае синтеза опаловых пленок из микросфер SiO2 использовали спиртовые суспензии частиц, осаждение
проводили при комнатной температуре. Толщина полученных таким
образом пленок cоставляла 1-30 мкм и была тем больше, чем более
концентрированные суспензии использовались для осаждения.
Для синтеза инвертированного опала коллоидный кристалл вертикально погружали в раствор прекурсора на 1-2 мм, чтобы его внутренние пустоты заполнялись жидкостью под действием капиллярных сил.
После этого образец высушивали на воздухе в течение нескольких часов; в некоторых случаях процедуру пропитки-сушки повторяли несколько раз. На последнем этапе образец медленно нагревали со скоростью 0,1 0С/мин до температуры 300-600 0C, после чего изотермически отжигали в течение нескольких часов. Температурная обработка
приводила к образованию в пустотах темплата требуемой фазы и удалению полистирольных микросфер. Согласно данной схеме были синтезированы инвертированные опалы на основе следующих оксидных
материалов: SiO2, TiO2, Al2O3, ZnO, WO3, Mn3O4, Fe2O3, MgO.
Рис. 15.6. Схема процесса упорядочения сферических частиц в “канавках” на
вертикальной серебряной подложке под действием капиллярных сил (а) и
микрофотография поверхности упакованных микрочастиц (б)
230
Наиболее “качественные” структуры были получены при упорядочении сферических частиц из суспензии в искусственно созданных на
вертикальной серебряной подложке “канавках” (под действием капиллярных сил суспензия быстро поднимается по “канавкам” вверх по
подложке, после чего растворитель испаряется).
В связи с этим, для увеличения скорости седиментации малых сфер
и уменьшения – больших использовали электрофорез. В этих экспериментах вертикальное электрическое поле (в зависимости от его направления) в одних случаях “увеличивало”, а в других – “понижало”
силу тяжести, действующую на частицы. Как и ожидалось, чем медленнее проводили процесс осаждения, тем более упорядоченными получались образцы.
Другим способом упорядочения коллоидных сфер является метод
осаждения на мембранах фильтрованием суспензии, содержащей, в
основном, латексные сферы диаметром 300-1000 нм, через ровную
поликарбонатную мембрану с порами размером ~100 нм, которые задерживали крупные, пропуская растворитель и более мелкие сферы.
В последнее время большое распространение получили метод упорядочения коллоидных сфер, связанный с использованием капиллярных сил. Было показано, что кристаллизация субмикронных частиц на
границе мениска между вертикальной подложкой и коллоидной суспензией по мере испарения последней приводит к образованию тонкой, плоской, хорошо упорядоченной структуры.
Рис. 15.7. Метод упорядочения крупных
кварцевых сфер на поверхности вертикальной подложки, использующий действие капиллярных сил и градиента температур
Недавно был предложен быстрый и простой метод получения коллоидных кристаллов, не требующий экстремальных
условий проведения эксперимента: упорядочение полистирольных сферических
частиц происходило на поверхности воды только за счет подъема температуры суспензии до 2.10 0C. Из-за
испарения раствора, концентрация коллоидных частиц на его поверхности, по-видимому, значительно возрастает, что приводит к их самоорганизации (под действием капиллярных сил) в упорядоченные области. В процессе дальнейшего испарения воды к первичному кластеру пристраивается следующий упорядоченный слой и т.д. Малая раз231
ность между плотностью воды (1 г/см3) и полистирола (1,04 г/см3) позволяет получать коллоидные кристаллы на поверхности раствора.
Коллоидные кристаллы получают также методом осаждения кварцевых сфер под действием силы тяжести и последующим медленным
испарением растворителя (в течение нескольких недель). Капли суспензии полистирольных сферических частиц помещали в центр подложки, вращающуюся с большой скоростью в горизонтальной плоскости (spin-coating method). Под действием центробежных сил суспензия
равномерно растекалась по поверхности подложки до тех пор, пока
суспензия не достигала требуемой толщины. Варьируя концентрацию
и количество циклов, получены двух- и трехмерные полимерные коллоидные кристаллы. Ряд работ был посвящен методу формирования
коллоидных кристаллов, основанного на электростатическом взаимодействии заряженных коллоидных частиц в растворах, не содержащих
электролитов. Несмотря на то, что метод позволяет получать коллоидные кристаллы, упорядоченные в масштабе до 1000 мкм 2, он медленный и требует строгого соблюдения технологии: размеры коллоидных
частиц, концентрация, плотность зарядов на их поверхности, ионная
сила раствора, температура и т.п. Рассмотренные методы не исчерпывают всего множества известных на сегодняшний день способов получения коллоидных кристаллов.
Новая технология создания фотонных цепей
Удалось создать фотонную цепь внутри фотонного кристалла, заполнив его поры жидкостью с заданным коэффициентом преломления.
Предполагается, что с помощью новой технологии можно будет разрабатывать различные оптические приборы – например, волноводы, а
также сверхчувствительные датчики.
Периодическое распределение коэффициента преломления внутри
кристалла приводит к появлению запрещенной зоны – области частот,
при которых свет не может распространяться через кристалл.
Используя жидкость с большим коэффициентом преломления, удалось
создать разрешенное состояние внутри запрещенной зоны. Количество
жидкости, которое необходимо поместить в каждую пору фотонного
кристалла, составляет одну тысячную объема капли струйного принтера. Для работы использовалась микро-инфильтрационная система, которая обычно используется для введения жидкостей в живые клетки.
Система была снабжена оптическим микроскопом, благодаря чему
ученые смогли локально изменять коэффициент преломления кристалла с точностью 0,1 мкм. Чтобы жидкость легче заполняла крошечные
поры диаметром всего 200-600 нм, стенки пор покрывали гидрофильным веществом – оксидом кремния. Когда жидкость заполняла поры,
232
оксид кремния растворялся благодаря специальным химическим веществам, добавленным в жидкость. Это позволяло при необходимости
легко удалять жидкость. Предполагается,
что, заполняя поры
фотонного кристалла жидкостью, изменяющей коэффициент преломления под воздействием определенных внешних факторов,
удастся разработать и сверхчувствительные
датчики. Предполагается, что с помощью
новой технологии можно создавать различные оптические приборы – например, волноводы, фотонные цепи внутри фотонного
кристалла.
Рис. 15.8. Технология производства ФК
Выводы:
Наиболее часто применяемые методы изготовления фотонных кристаллов:

Методы, использующие самопроизвольное формирование фотонных
кристаллов. В данных методах используются коллоидные частицы, такие
как монодисперсные силиконовые или полистереновые частицы, а так же
другие материалы. Такие частицы, находясь в жидкости во время испарения, осаждаются друг на друга и формируют трехмерный фотонный кристалл, упорядочиваются преимущественно в гранецентрированную или
гексагональную кристаллические решетки.

Также возможен сотовый метод, в основу которого входит фильтрование жидкости, в которой находятся частицы через маленькие споры. Хотя сотовый метод и позволяет формировать кристалл со скоростью, определенной скоростью течения жидкости через поры, однако, в таких кристаллах при высыхании образуются дефекты.

Методы травления. В данных методах применяется маска из фоторезиста, осажденная на поверхности полупроводника, которая задает геометрию области травления. С помощью такой маски формируется простейший фотонный кристалл, путем травления поверхности фоторезиста в области с фоторезистом и травления полупроводника в области без
фоторезиста. Недостатком данного метода является применение фотолитографии с наиболее распространенным разрешением порядка одного
микрометра, а фотонные кристаллы имеют характерные размеры порядка
сотен нанометров.
233

Также для изготовления фотонных кристаллов методом травления
применяют пучки сфокусированных ионов, таких как Ga. Такие пучки ионов
позволяют удалять часть материалов без использования фотолитографии и дополнительных травлений. Для большей скорости травления, повышения качества травления или же для осаждения материалов внутри
вытравленных областей используют дополнительные газы.

Голографические методы. Такие методы основаны на применении
принципов голографии. С помощью голографии формируются периодические изменения коэффициента преломления в пространственных направлениях. Для этого используют интерференцию двух или более когерентных
волн, которая создает периодическое распределение интенсивности электрического поля. Одномерные фотонные кристаллы создаются интерференцией двух волн. Двухмерные и трехмерные фотонные кристаллы создаются интерференцией трех и более волн.

Для создания трехмерных фотонных кристаллов с разрешением 200
нм используется метод, основанный на применении однофотонной и двухфотонной фотолитографий.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Вопросы для самоконтроля:
Какие методы используются для изготовления ФК?
Охарактеризуйте достоинства и недостатки современных методов изготовления ФК.
Какие методы наиболее перспективны для изготовления элементов нанооптики?
Методы выращивания коллоидных кристаллов.
Что такое самоорганизация?
Что такое метод самосборки?
234
3.4. Методы технологии изготовления элементов интегральной оптики
Вакуумное напыление, ионное легирование, ионный обмен, диффузия,
золь-гель технологии, эпитаксия, литография, фотолитография,
лазерная литография, рентгеновская литография, электроннолучевая и ионно-лучевая литографии, голографическая фотолитография
Основные технологические методы и процессы, применяемые
для изготовления планарных и полосковых волноводов: вакуумное
напыление, ионное легирование, ионный обмен, диффузия, золь-гель
технологии, эпитаксия, фотолитография, лазерная запись.
Литография (lithography) – технология переноса рисунка с шаблона на конкретную поверхность (полимерную пластину, полупроводниковую подложку и т.д.) с помощью светового излучения (фотолитография), рентгеновского излучения (рентгенолитография), потока
электронов/ионов (электронно-лучевая/ионно-лучевая), а также непосредственно методами сканирующей зондовой микроскопии или
атомной силовой микроскопии.
Исторически литография – это способ перенесения на бумагу
изображения или текста с плоской поверхности камня, на которой они
предварительно были созданы. В настоящее время термин "литография" используется в широком смысле как техника переноса изображения.
Применительно к области нанотехнологий под литографией чаще
всего понимают технологию микроэлектроники, включающую в себя
набор нескольких этапов:
1. Нанесение фоточувствительной полимерной пленки (фоторезиста) на кремневую пластину.
2. Сушку и последующее облучение (экспонирование) пленочного
покрытия пластины с определенным рисунком через соответствующую маску.
3. Проявление (травление) экспонированного покрытия в специальном растворе.
4. Формирование на подложке физической структуры элементов
электронной схемы.
В последнее десятилетие термин “литография” используется в
более широком значении – как метод формирования на поверхности
подложки не только электронных схем, но и наноструктур (или рисунков с нанометровым разрешением) путем переноса их изображения с
235
помощью маски, штампа или непосредственным воздействием на поверхность образца.
В зависимости от длины волны используемого излучения различают оптическую, ультрафиолетовую, рентгеновскую, электроннолучевую и ионно-лучевую литографию. Интерференционная голографическая литография может осуществляться с использованием светового, ультрафиолетового или синхротронного рентгеновского излучения.
Использование силовой туннельной микроскопии (СТМ) позволяет также реализовать ряд нанолитографических операций: модификацию поверхности, перенос материала зонда на образец и делает возможным создание литографических рисунков с нанометровым разрешением. При таком подходе зонд микроскопа перемещается по поверхности подложки с достаточно большой силой прижима так, что на
подложке (или на лежащем на ней слое резиста) формируется рисунок
в виде углублений (царапин). Альтернативой силового прижима зонда
является подача на образец токового импульса (при этом область воздействия может расплавляться или частично испаряться). Такой способ литографии (наногравировки) обладает рядом преимуществ по
сравнению электронно/ионно-лучевыми литографиями, в частности,
нет необходимости в дополнительных технологических операциях
(травление и прочее). Однако имеются и недостатки – при статическом воздействии зонда случайные торсионные изгибы кантиливера
приводят к краевым неоднородностям рисунка, а операции сканирования (предшествующие и последующие нанолитографической операции) приводят к сдвиговым искажениям рисунка.
В случае динамической литографии с использование атомной силовой микроскопии (АСМ) формирование углублений происходит с
помощью колеблющегося зонда с использованием прерывистоконтактного метода сканирования. Такая литография может производиться с помощью векторного или растрового сканирования (первый
способ по сравнению со вторым делает возможным высокую скорость
процесса, но при этом не дает возможности варьировать силу воздействия на подложку в процессе литографии). Одной из важных разновидностей АСМ-литографии является анодно-окислительная литография, когда указанным методом можно менять не только геометрические характеристики поверхности, но и ее локальные электрофизические свойства (приложение электрического смещения к проводящему
кантиливеру стимулирует протекание электрохимических процессов
на поверхности непосредственно под образцом, при этом может происходить окисление металлических слоев). Зонд и поверхность образ236
ца выступают в таком процессе как катод и анод и в зависимости от
прикладываемого электрического потенциала можно варьировать
толщину выращиваемого анодного окисла.
Еще одним наиболее востребованным видом литографии на сегодняшний день является импринт-литография – она основана на использовании штампа с нанорельефом, играющего ту же роль, что и
шаблон в контактной оптической литографии. Штамп изготавливается методом электронной литографии и анизотропного плазмохимического травления. Нанорельеф "впечатывается" в полимер, покрывающий подложку, в условиях нагрева и высокого давления. Полимер с
нанорельефом служит маской в последующих операциях (травление,
имплантация и т. д.). С помощью этого метода была продемонстрирована возможность создания рекордных по разрешению и плотности
структур. При этом достигнутое разрешение составляет около 6 нм, а
расстояние между элементами структуры – 20-30 нм. Главные ограничения метода заключаются в трудностях совмещения штампов для
формирования различных слоев структуры. По сравнению с классической оптической и рентгеновской литографиями электронная литография обладает основным преимуществом, делающим ее наиболее
эффективным методом создания топологии нанометровых размеров, а
именно возможность получения ускоренных электронов с длиной волны 0,1 нм. Однако из-за рассеяния электронов в резистивной маске
метод ограничен разрешением порядка 10 нм. Электронорезистом может являться полиметилметакрилат, растворимый в трихлорбензоле
(при позитивном литографическом процессе), либо в хлорметилстироле (при негативном литографическом процессе). Низкая производительность метода является также сдерживающим фактором его широкого внедрения в производство.
Технология наноимпринта использует твердые штампы для переноса изображения в полимерные резисты, созданные с помощью электронной литографии. Предельное разрешение в данном случае ограничивается 10-20 нм.
Процессы легирования, а также наращивания слоёв различных материалов призваны сформировать вертикальную физическую структуру ИС. Необходимые форма и размеры элементов и областей в каждом
слое структуры обеспечиваются процессом фотолитографии. Упрощенная схема технологического процесса изготовления интегральнооптического устройства включает: Выбор технологии изготовления
волновода для интегральной оптики определяется материалами волновода и подложки, геометрией волновода и профилем показателя преломления сердцевины волновода.
237
Технологии литографии
В основе литографических процессов лежит травление или изменение физических и оптических свойств подложки через отверстия в
сформированной на ее поверхности маске. В результате травления на
подложке формируется рельефный рисунок, повторяющий рисунок
маски. В литографии применяют процессы влажного (химического)
травления в жидких средах и сухого травления в плазме.
Влажное химическое травление используется в литографии для
создания волноводов на поверхности стекол и полупроводников. Процедура травления заключается в погружении подложек с масками из
фоторезиста в травящий раствор (рис.3.4.1).
Состав раствора, его температура и продолжительность травления зависят от материала подложки, типа фоторезиста, образующего маску и глубины травления. Для
ускорения процесса травления используют
травление в ультразвуковом поле. Форма и
глубина вытравленных углублений зависит
от площади отверстия в маске, материала
подложки, состава травителя. При литографии должны использоваться растворы, которые воздействуют только на материал
подложки и не повреждают маску.
Рис. 3.4.1. Этапы процесса литографии
После завершения процесса травления маску из фоторезиста удаляют путем растворения в ином растворителе. Подложку тщательно
промывают, высушивают и проводят контроль качества травления.
Наиболее детально отработаны процессы травления кремния, так
как он широко используется в микроэлектронике и интегральной оптике. Рассмотрим некоторые особенности химического травления
кремния в процессе литографии.
Для травления кремния используют изотропные и анизотропные
травители. Изотропные травители травят монокристаллических кремний во всех кристаллографических направлениях с одинаковой скоростью. Изотропные травители используют для вытравливания углублений простой формы и для химической полировки поверхности пластин
кремния. Примером изотропного травителя является водный раствор
состава HF:HNO3: CH3COOH = 1:40:15. Скорость травления таким
238
травителем при температуре 22.18 K примерно одинакова по всем кристаллографическим направлениям и равна 0,15 мкм/мин.
При анизотропном травлении форма углубления зависит от состава
травителя и кристаллографической ориентации пластины кремния.
Примером анизотропного травителя является водный раствор KOH.
При температуре 353 К скорость травления кремния в кристаллографическом направлении <110> для такого травителя в 600 раз больше,
чем скорость травления в направлении <111>. Использование анизотропных травителей позволяет создавать углубления сложной формы,
что значительно расширяет возможности литографии. Некоторые простые формы углублений, полученных анизотропным травлением
кремния, показаны на рис. 3.4.2.
Рис. 3.4.2. Профили углублений в кремнии при анизотропном травлении
Необходимо отметить, что процессы травления идут не только в
глубину подложки, но и в стороны. При этом по мере углубления области травления происходит ее расширение и подтравливание материала под маской (рис. 3.4.3). Проявление фоторезистов может производиться несколькими методами: деструкция полимера в серной кислоте, растворение в органических растворителях (дибутилфталат).
Рис. 3.4.3. Подтравливание материала под маской
Этот эффект необходимо учитывать при подготовке литографии. В
то же время, он используется для создания сложных трехмерных конструкций литографическим способом.
Рентгеновская литография
При использовании стандартных методов фотолитографии может
быть реализована точность изготовления элементов интегральнооптических устройств примерно 1 мкм. Точность ограничивается ря239
дом факторов, в первую очередь, эффектами дифракции и интерференции излучения при экспонировании фоторезиста. На рис.3.4.4. показано распределение интенсивности излучения по углу микроизображения возникающее в результате дифракции. Интерференционные эффекты возникают в результате интерференции в тонких слоях подложки и фоторезиста и также приводят к размытию изображения. Влияние
дифракционных и интерференционных эффектов при контактном экспонировании фоторезиста невозможно устранить полностью. Однако
эти эффекты можно существенно уменьшить за счет уменьшения длины волны экспонирующего излучения.
Рис. 3.4.4. Распределение интенсивности света
при дифракции на краю микроизображения
Для увеличения пространственного разрешения фотолитографии используются
рентгеновская, электроннолучевая и ионнолучевая литографии.
В методе рентгеновской литографии для экспонирования фоторезиста используется низкоэнергетическое (Е = 1 ...1 0 кэВ) рентгеновское излучение (диапазон длин волн 0,2…20 нм). В качестве источников излучения используются промышленные рентгеновские установки
и источники синхротронного излучения с зеркальными оптическими
системами, позволяющими сформировать пучок рентгеновского излучения требуемой геометрии. В рентгеновской литографии используют
специальные рентгенорезисты. Позитивным рентгенорезистом является, например, сополимер метилметакрилата и метакрилата. Негативным рентгенорезистом – сополимер глицидилметакрилата и этилакрилата. Фотошаблоны для рентгеновской литографии изготавливают из
тонких пластин кремния или карбида кремния и покрывают тонким
слоем золота.
Методы и технологии рентгеновской литографии позволяют создавать структуры с размерами элементов до 12 нм. Это позволило ввести
технологические стандарты для рентгеновской литографии: «технология 65 нм» и «технология 32 нм». Интенсивно ведется разработка
«технологии 22 нм» и «технологии 12 нм».
Электронно-лучевая и ионно-лучевая литографии
Разрешающая способность электронно- и ионно-лучевой литографии не имеет принципиальных ограничений и ограничивается только
техническими возможностями технологических установок и практиче240
скими требованиями к размерам формируемых элементов. Это связано
с малой длиной волны де-Бройля электронов и ионов.
Экспонирование электронорезистов и ионорезистов может проводиться тремя методами: перемещением сфокусированного пучка частиц по резисту; растровым сканированием пучка по резисту, накрытому маской; экспонирование резиста, накрытого маской, широким расфокусированным пучком. В качестве электронно- и ионорезистов используются тонкие слои полимеров: производные полиметилметакрилата (позитивные резисты) и сополимеры глицидилметакрилата (негативные резисты). Энергия электронов или ионов при экспонировании
составляет 5…20 кэВ. Пространственное разрешение при электроннои ионно-лучевой литографии может достигать 5…10 нм.
Голографическая фотолитография
Принцип голографической фотолитографии заключается в формировании на поверхности фоторезиста голограммы. Интерференционная картина голограммы является тем изображением, которое экспонирует фоторезист. Для записи голограмм используют ультрафиолетовые лазеры. После экспозиции фоторезист обрабатывают стандартными методами, описанными выше. На рис. 3.4.5 показано использование
голографической литографии для изготовления дифракционной решетки.
а
б
Рис. 3.4.5. Формирование дифракционной решетки методом голографической
фотолитографии: а – экспонирование фоторезиста двумя пучками когерентного излучения; б – фоторезист после проявления и задубливания
Метод позволяет получать дифракционные решетки с пространственной частотой до 4000 лин/мм. Подобные решетки могут быть использованы в интегрально-оптических системах в качестве устройств
ввода-вывода оптических сигналов, спектральных фильтров, демультиплексоров WDM и др. Достоинствами голографической фотолитографии являются простота технологии и высокая воспроизводимость.
Голографические методы используются в фотолитографии при изготовлении фотошаблонов для мультипликации (размножения) изображений и повышения качества рисунка путем удаления пространственных шумов.
241
Метод лазерной записи волноводов в стекле
В последние годы начало развиваться новое технологическое направление – формирование волноводов в стеклах лазерным излучением. Данный метод основан на необратимом изменении показателя преломления некоторых стекол под действием лазерного излучения. Для
записи волноводов используется сфокусированный лазерный пучок,
который движется вдоль подложки. Фокус пучка может находиться
вблизи поверхности подложки, либо в глубине стекла. В зависимости
от этого формируется либо внедренный волновод, либо погруженный
в стекло. Для записи волноводов могут использоваться специальные
фоточувствительные и фоторефрактивные стекла. Запись волновода
может проводиться непрерывным или импульсно-периодическим излучением. При использовании фемто-секундных лазерных импульсов
волновод может быть сформирован и в других типах стекол, например
кварцевом, фторидном и германатном стеклах. Поперечные размеры
волноводов могли варьироваться размером пятна в фокальной плоскости в пределах 7 ... 3 0 мкм.
а
б
Рис. 3.4.6. Схема формирования волноводов в подложке: а – принцип лазерной
записи волноводов в стекле; б – оптические волноводы, сформированные во
фторидном стекле фемто-секундными лазерными импульсами
Достоинством данного метода является его технологическая простота
и отсутствие трудоемких фотолитографических процессов. Необходимо отметить, что методом лазерной записи в стеклах могут быть сформированы не только оптические волноводы, но и дифракционные решетки, голограммы, микролинзы, амплитудные и фазовые транспаранты и другие оптические элементы.
Фотолитография – процесс избирательного травления поверхностного слоя с использованием защитной фотомаски.
На рис. 3.4.7 приведена укрупнённая структурная схема процесса
фотолитографии. Отдельные этапы на схеме включают в себя несколько операций. Ниже в качестве примера приведено описание основных
242
операций при избирательном травлении оксида кремния (SiO 2), которое используется многократно и имеет целью создание окон под избирательное легирование, а также контактных окон.
Подготовка поверхности к нанесению фотослоя заключается в её
обработке парами органического растворителя для растворения жировых плёнок, которые препятствуют последующему сцеплению фоторезиста с поверхностью. Отмывка сверхчистой (деионизованой) водой
удаляет следы растворителя; а также микрочастицы, способные впоследствии образовать "проколы" в тонком (1 мкм) слое фоторезиста.
Рис. 3.4.7. Укрупненная схема процесса фотолитографии
При нанесении фотослоя используется раствор светочувствительного полимера в органическом растворителе (фоторезист). Для получения тонких слоёв фоторезиста на поверхности пластины его вязкость
должна быть очень мала, что достигается высоким содержанием растворителя (80-2.15% по массе). В свою очередь, с уменьшением толщины фотослоя повышается разрешающая способность фотолитографического процесса. Однако, при толщинах менее 0,5 мкм плотность
дефектов ("проколов") в фотослое резко возрастает, и защитные свойства фотомаски снижаются.
Нанесение фотослоя может быть выполнено одним из двух способов: центрифугированием или распылением аэрозоля. В случае использования центрифуги дозированное количество фоторезиста подаётся в центр пластины, прижатой вакуумом к вращающейся платформе
(центрифуге). Жидкий фоторезист растекается от центра к периферии,
а центробежные силы равномерно распределяют его по поверхности
243
пластины, сбрасывая излишки в специальный кожух. Толщина нанесённой плёнки зависит от скорости вращения платформы, от вязкости
фоторезиста. Скорость вращения центрифуги около 6000 об/мин, толщина фотослоя регулируются подбором соответствующей вязкости,
т.е. содержанием растворителя. Для центрифугирования характерны
следующие недостатки:
1. Трудность получения относительно толстых (в несколько микрометров) и равномерных плёнок из-за плохой растекаемости вязкого
фоторезиста.
2. Напряжённое состояние нанесённой плёнки, что приводит на этапе
проявления к релаксации участков фотомаски и изменению их размеров.
3. Наличие краевого утолщения как следствие повышения вязкости в
процессе выравнивания, что ухудшает контакт фотошаблона с фотослоем.
4. Трудность организации одновременной обработки нескольких
пластин.
Рис. 3.4.8. Боковое подтравливание под фотомаску: 1– пластина, 2 – фронт травления при нормальной скорости, 3 – фронт травления при повышенной скорости «перетравливание», 4 – фотомаска
При распылении аэрозоли фоторезист подаётся из форсунки на
пластины, лежащие на столе, совершающем возвратно-поступательное
движение. Необходимая толщина формируется постепенно. Отдельные
мельчайшие частицы растекаются и, сливаясь, образуют сплошной
слой. При следующем проходе частицы приходят на частично просохший слой, несколько растворяя его. Поэтому время обработки, которое зависит от вязкости, расхода и "факела" фоторезиста, от скорости движения стола и расстояния от форсунки до подложки, устанавливается экспериментально. При реверсировании стола крайние пластины получат большую дозу фоторезиста, чем центральные. Во избежание утолщения слоя на крайних пластинах форсунке также сообщается возвратно-поступательное вертикальное движение (синхронно с
движением стола). При торможении стола в конце хода форсунка поднимается вверх и плотность потока частиц в плоскости пластин снижается.
Распыление аэрозоли лишено недостатков центрифугирования, допускает групповую обработку пластин, но предъявляет более жёсткие
требования к чистоте (отсутствие пыли) окружающей атмосферы. На244
несение фоторезиста и последующая сушка фотослоя являются весьма
ответственными операциями, в значительной степени определяющими
процент выхода годных микросхем.
Пылевидные частицы из окружающего воздуха могут проникать в
наносимый слой и создавать микродефекты. Нанесение фотослоя
должно выполняться в условиях высокой обеспыленности в рабочих.
При сушке нанесённого слоя в слое могут сохраниться пузырьки
растворителя, а при выходе на поверхность слоя они могут образовать
микротрещины. Поэтому сушка выполняется с помощью источников
инфракрасного излучения, для которого фоторезист является прозрачным, а, следовательно, поглощение излучения с выделением тепла
происходит на границе " пластина-фоторезист ". Следовательно, сушка
протекает от нижних слоёв фоторезиста к верхним, обеспечивая свободное испарение растворителя. Во избежание преждевременной полимеризации (задубления) фоторезиста и потери им чувствительности
температура сушки должна быть умеренной (100-120 0С). Перечисленные виды дефектов фотослоя (пылевидные частицы, микропузырьки и
микротрещины) сохраняются в фотомаске и наследуются оксидной
маской, создавая в ней микроотверстия. При использовании оксидной
маски для избирательного легирования примесь будет проникать через
них, образуя легированные микрообласти и, как следствие, токи утечки и пробои в p-n-переходах. Если оксидная маска представляет собой
слой контактных окон, то металл, проникая в микроотверстия, может
привести к паразитным связям между областями и коротким замыканиям.
Фотошаблон – стеклянная пластина (подложка) с нанесенным на ее
поверхности маскирующим слоем – покрытием, образующим трафарет с прозрачными и непрозрачными для оптического излучения участками. В процессе фотолитографии слой фоторезиста экспонируется
в соответствии с рисунком покрытия, имеющегося на фотошаблоне.
Изготовление фотошаблонов. Фотошаблон представляет собой
плоскопараллельную пластину из прозрачного материала, на которой
имеется рисунок, состоящий из сочетания непрозрачных и прозрачных
для света участков. Рисунок создается на основе пленочного покрытия
и образует топологию одного из слоев интегрально-оптического устройства. Для одновременной обработки большого количества одинаковых устройств рисунок на фотошаблоне многократно повторяется.
Кроме основного рисунка фотошаблон содержит также специальные
метки и реперы для его точного совмещения с подложкой в процессе
фотолитографии.
245
Эмульсионные фотошаблоны изготавливают, в основном, фотографическим способом. Пленочные фотошаблоны, в частности, фотошаблоны на основе металлической пленки, могут изготавливаться методом
электронно-лучевой обработки.
Рассмотрим фотографический процесс изготовления фотошаблона
наиболее распространенным трехступенчатым методом последовательного уменьшения.
Рис. 3.4.9. Схема изготовления эталонного
фотошаблона
методом
последовательного
уменьшения. 1 – оригинал; 2 – объектив; 3 –
промежуточный фотошаблон; 4 – объектив
фотоповторителя; 5 – эталонный фотошаблон
на координатном столе
Первый этап – изготовление оригинала
фотошаблона. Оригинал изготавливается
на большой (1500x1200 мм) пластине стекла, покрытой непрозрачной пленкой. Для
создания рисунка часть пленки удаляется
резцом координатографа, управляемого с помощью компьютера.
Второй этап – изготовление промежуточного оригинала или
уменьшенной копии оригинала, выполненной на фотопластинах с высокой разрешающей способностью.
Третий этап – мультиплицирование, которое осуществляется на фотоповторителях. Фотошаблон, изготовленный на третьем этапе, называется эталонным.
В качестве оригинала фотошаблона часто используется непосредственно компьютерное изображение. В этом случае используется специальный компьютерный монохромный проектор, позволяющий создать изображение, соответствующее промежуточному фотошаблону,
которое подается непосредственно на объектив фотоповторителя (рис.
3.4.10).
Рис. 3.4.10. Схема изготовления фотошаблона с помощью компьютерного проектора: 1 – компьютер; 2 – проектор; 3 – объектив фотоповторителя; 4 – эталонный фотошаблон на координатном столе
После изготовления эталонного
фотошаблона проводится контроль
качества его рисунка с выявлением и устранением дефектов. Контроль
246
качества и устранение дефектов является чрезвычайно важной процедурой, так как при наличии дефектов на эталонном фотошаблоне появится брак во все партии изготавливаемых интегрально-оптических
устройств. В зависимости от материала пленочного покрытия различают фотошаблоны на основе специальной фотографической эмульсии
и на основе металлической пленки. Эталонный фотошаблон непосредственно не используется в процессе фотолитографии. С его помощью
методом контактной фотографии изготавливаются рабочие фотошаблоны.
Подложку фотошаблона выполняют либо из обычного стекла
(при экспонировании светом с длиной волны более 300 нм), либо из
кварцевого стекла (при λ < 300 нм). В качестве материала маскирующего слоя фотошаблона обычно используется хром, оксиды хрома,
железа и др., образующие твердые износостойкие покрытия.
К фотошаблонам для производства полупроводниковых структур
предъявляется комплекс требований, к которым в первую очередь следует отнести следующие: оптическая плотность маскирующего материала должна быть не менее 2,0; толщина маскирующего материала –
не более 100 нм; его отражательная способность не выше 15%; отклонение от плоскости от нескольких мкм до десятков мкм (для разных
классов фотошаблонов); микродефектность порядка 0,1 см-2; краевая
четкость рисунка не ниже 0,1 мкм для элементов изображения с размером менее 1 мкм.
Совмещение и экспонирование. Под совмещением перед
экспонированием понимается точная ориентация фотошаблона
относительно пластины, при которой элементы очередного
топологического слоя (на фотошаблоне) занимают положение
относительно элементов
предыдущего
слоя
(в пластине),
предписанное разработчиком топологии. Например, фотошаблон,
несущий рисунок эмиттерных областей должен быть точно
ориентирован относительно пластины, в которой уже сформированы
базовые области.
Проявление. Проявление скрытого изображения для негативных
фоторезистов заключается в обработке фотослоя органическим
растворителем. При этом участки, не подвергшиеся облучению,
растворяются, а облучённые участки, где при поглощении
ультрафиолетового излучения происходит разрыв межатомных связей
и перестройка структуры (фотополимеризация), сохраняются. В
позитивных фоторезистах на участках, подвергшихся облучению,
происходит разрушение структуры (деструкция) с образованием
кислоты. Для перевода её в растворимые слои применяют раствор
247
неорганического соединения со щелочными свойствами (KOH, NaOH
и др.).
После отмывки от следов проявителя и сушки полученную фотомаску подвергают тепловому задубливанию (120÷180 0С в зависимости от марки фоторезиста), в результате чего окончательно формируются её защитные свойства.
Травление. При травлении в жидких травителях используются
водные растворы неорганических соединений (обычно кислот).
Химический состав и концентрация травителя в растворе подбирается
так, чтобы поверхностный слой растворялся активно, а нижележащий
не растворялся. Наряду с явлением подтравливания под фотомаску,
наблюдается и разброс величины подтравливания элементов одного
слоя. К моменту окончания растворения слоя в "окне" фотомаски
боковое травление оказывается примерно равным толщине слоя. В
процессе травления имеют место отвод продуктов химической
реакции от поверхности в раствор и подвод из раствора свежего
травителя. Оба процесса протекают благодаря взаимодиффузии,
скорость которой и определяет скорость травления. Поскольку
технологическое время травления устанавливают по самому мелкому
элементу, более крупные элементы получают "перетравливание", т.е.
большие погрешности размера.
Изготовление волноводной структуры из кремния по технологии
SOI (silicon on insulator)
Рассмотрим технологию изготовления интегрально-оптических устройств на примере простого интегрально-оптического устройства, состоящего из двух волноводов и волноводного кольцевого резонатора,
расположенного между ними (рис.3.4.11).
Рис. 3.4.11. Электронно-микроскопическое изображение волноводной структуры с кольцевым резонатором и её спектральные характеристики
Структура изготовлена по технологии SOI (silicon on insulator) на
подложке из монокристаллического кремния толщиной 200 мкм. Тех248
нология основана на создании на подложке слоя диэлектрика (обычно
SiO2) с низким показателем преломления. Поверх слоя наращивается
тонкий слой монокристаллического кремния, формирующий волновод.
В нашем случае толщина слоя SiO2 равна 1 мкм, толщина слоя кремния – 0,22 мкм. Радиус кольца 4 мкм. Ширина волноводов 0,54 мкм.
Структура представляет собой узкополосный фильтр с шириной
резонансной полосы 0,025 нм (используются в WDM волоконнооптических линиях связи для демультиплексирования оптических сигналов).
Выводы:

Литография – технология переноса рисунка с шаблона на конкретную поверхность (полимерную пластину, полупроводниковую подложку и
т.д.) с помощью светового излучения (фотолитография), рентгеновского
излучения (рентгенолитография), потока электронов/ионов (электроннолучевая/ионно-лучевая), а также непосредственно методами сканирующей
зондовой микроскопии или атомной силовой микроскопии.

Электронная литография обладает основным преимуществом, делающим ее наиболее эффективным методом создания топологии нанометровых размеров.

Фотолитография – процесс избирательного травления поверхностного слоя с использованием защитной фотомаски.

Фотошаблон – стеклянная пластина (подложка) с нанесенным на ее
поверхности маскирующим слоем – покрытием, образующим трафарет с
прозрачными и непрозрачными для оптического излучения участками.

Метод формирования волноводов в стеклах лазерным излучением
основан на необратимом изменении показателя преломления некоторых
стекол под действием лазерного излучения. Для записи волноводов используется сфокусированный лазерный пучок, который движется вдоль подложки.
Вопросы для самоконтроля:
1. Каковы основные методы изготовления интегральных схем оптического диапазона?
2. В чем заключается метод литографии?
3. Каковы разновидности методы литографии?
4. Что такое фотолиторафия?
5. Как производится формирование световодов лазерным излучением?
6. Опишите этапы технологического процесса фотолитографии.
249
Краткий словарь терминов
Брэгговский волновод – волновод, сердцевина которого в продольном
направлении имеет периодическую модуляцию показателя преломления.
Гетероструктура полупроводниковая (semiconductor heterostructure) –
искусственная структура, изготовленная из двух или более различных
полупроводниковых веществ (материалов), в которой важная роль
принадлежит переходному слою, т.е. границе раздела двух веществ
(материалов).
Гофрированный волновод – диэлектрический волновод (световод) с
периодической модуляцией показателя преломления в продольном
направлении на границе волновода.
Голографические наноструктуры – искусственно созданные голограммы, которые обеспечивают нужное распределение интенсивности
поля в ближней волновой зоне (например, многофокусные линзы).
Графен (graphene) – двумерная форма углерода, состоящая из монослоя его атомов, образующих гексагональную решётку.
Графан (graphane) – гидрированный графен.
Градиентные волноводы – волноводы с альфа-профилем показателя
преломления.
Диффузные волноводы – волноводы, которые изготавливаются обычно диффузией примесей в подложку и отличаются плавным распределением показателя преломления по сечению. В этих волноводах нет
чётко выраженной границы между волноводным слоем и подложкой.
Диффузия – процесс последовательного перемещения атомов примеси
в материале, обусловленный тепловым движением.
Жидкие кристаллы (liquid crystals) – вещества, обладающие одновременно свойствами как жидкостей (текучесть), так и кристаллов
(анизотропия) вещества, переходящие при определенных условиях
(температура, давление, концентрация в растворе) в жидкокристаллическое состояние, которое является промежуточным между кристаллическим состоянием и жидкостью.
Ионный обмен – частный случай процесса диффузии: ионы некоторых
примесей при диффузии в объем материала способны замещать ионы
этого материала.
Ионная имплантация – это метод введения примеси, с помощью технологии ионной имплантации: ионы выбранной примеси в вакууме
разгоняются в электрическом поле до высоких энергий (от десятков до
250
тысяч килоэлектроновольт) направляются на подложку. В результате
столкновений с атомами подложки они теряют энергию и внедряются
в неё на определенной глубине.
Импринт-литография – литография, основанная на использовании
штампа с нанорельефом, играющего ту же роль, что и шаблон в контактной оптической литографии.
Интегральная оптика – область технологий современной оптики:
изучающая процессы генерации, распространения и преобразования
света в тонкоплёночных световодах.
Кварцевое стекло (плавленый кварц) – это однокомпонентное стекло
из чистого диоксида кремния SiO2.
Квантовая точка (quantum dot, nano-dot, КТ, QD, ND) – частица полупроводникового материала с размером, близким к длине волны электрона в этом материале (обычно размером 1-10 нм), внутри которой
потенциальная энергия электрона ниже, чем за его пределами, таким
образом, движение электрона ограничено во всех трёх измерениях.
Квантовая проволока (quantum wire) – полупроводниковый материал
нитеобразной формы, в котором потенциальная энергия электрона ниже, чем за его пределами, и за счет малых поперечных размеров
(обычно 1-10 нм) движение электрона ограничено в двух измерениях.
Квантовая яма (quantum well) – тонкий плоский слой полупроводникового материала (обычно толщиной 1-10 нм) внутри которого потенциальная энергия электрона ниже, чем за его пределами, таким образом, движение электрона ограничено двумя измерениями.
Коллоидный кристалл (colloidal crystal) – пространственно упорядоченная система близких по размеру объектов субмикронного размера,
свойства которого определяются не только размерами единичных элементов, но и особенностями их взаимного расположения.
Легирование (нем. legieren — «сплавлять», от лат. ligare — «связывать») – добавление в состав материалов примесей для изменения
(улучшения) физических и химических свойств основного материала.
Литография (lithography) – технология переноса рисунка с шаблона
на конкретную поверхность (полимерную пластину, полупроводниковую подложку и т. д.) с помощью светового излучения (фотолитография), рентгеновского излучения (рентгенолитография), потока электронов/ионов (электронно-лучевая/ионно-лучевая), а также непосредственно методами сканирующей зондовой микроскопии или атомной
силовой микроскопии.
Магнитооптика (magneto-optics) – раздел физики, в котором изучаются изменения оптических свойств сред под действием магнитного поля
251
и обусловливающие эти изменения особенности взаимодействия оптического излучения (света) с помещенным в поле веществом.
Метаматериал (metamaterial) – искусственный композитный структурированный материал, электромагнитные свойства которого существенно отличаются от свойств компонентов, входящих в его состав, и
определяется структурой компонентов, упорядоченных особым образом.
Монокристалл – отдельный однородный кристалл, имеющий непрерывную кристаллическую решётку и характеризующийся анизотропией свойств.
Металлооптика – раздел физики, изучающий взаимодействие металлов с электромагнитными волнами оптического диапазона.
Наночастицы – частицы, размерами от 1 до 100 нанометров.
Нанокристалл (nanocrystal) – кристалл, размеры которого по одному
или нескольким измерениям лежат в нанодиапазоне.
Наноплазмоника – раздел оптики, изучающий явления, связанные с
колебаниями электронов проводимости в металлических наноструктурах и наночастицах и взаимодействием этих колебаний со светом, атомами и молекулами c целью создания сложных оптических устройств.
Наноэлектроника (nanoelectronics) – область науки и техники, связанная с разработкой архитектур и технологий производства функциональных устройств электроники с топологическими размерами элементов, не превышающими 100 нм, а также с изучением физических
основ функционирования таких устройств.
Нанотехнология (nanotechnology) – совокупность технологических
методов и приемов, используемых при изучении, проектировании и
производстве материалов, устройств и систем, включающих целенаправленный контроль и управление строением, химическим составом
и взаимодействием составляющих их отдельных наномасштабных
элементов (с размерами порядка нескольких нм и меньше как минимум по одному из измерений), которые приводят к улучшению, либо
появлению дополнительных эксплуатационных и/или потребительских
характеристик и свойств получаемых продуктов.
Наночастицы, нанопорошки – объекты, у которых три характеристических размера находятся в диапазоне до 100 нм.
Нанотрубки, нановолокна – объекты, у которых два характеристических размера находятся в диапазоне до 100 нм.
Наноплёнки – объекты, у которых один характеристический размер
находится в диапазоне до 100 нм.
252
Нанооптика – раздел оптики, в котором изучаются особенности взаимодействия излучения наноразмерных полей с атомами, молекулами и
нанотелами.
Нанофотоника – раздел нанооптики, в которой исследуются нанополя
со считанным количеством фотонов и исследуются поведение света на
нанометровой шкале.
Нановолокно (nanofiber) – объект, два характеристических размера которого находятся в нанодиапазоне (~ 1-100 нм) и существенно меньше
третьего.
Наностержень (nanorod) – наночастица, относящаяся к классу нанообъектов, у которой два размерных параметра (диаметр поперечного
сечения) находятся в диапазоне 1-100 нм, а третий из параметров
(длина) несколько больше.
Одномодовый световод − световод, в котором может распространяться только одна мода.
Оптические ситаллы (стеклокристаллические материалы) – неорганические материалы, получаемые направленной кристаллизацией различных стекол при их термической обработке.
Оптический композит (optical composit media) – среда, состоящая из
двух и более компонентов. Как правило, композит состоит из прозрачной среды (матрицы), в которой находятся частицы материала с отличающимися от матрицы оптическими свойствами.
Оптическое стекло – это прозрачное стекло специального состава,
используемое для изготовления оптических приборов.
Оптический пинцет (optical tweezers), оптическая ловушка (optical
trap) – оптический прибор, позволяющий удерживать и перемещать в
пространстве микро- и наноразмерные объекты, захваченные в фокус
лазерного луча.
Плазмон (plasmon), плазмоны – волны электронной плотности возникают в твердых телах или вблизи их поверхности в результате коллективных колебаний электронов проводимости относительно ионов.
Плазмонный резонанс (plasmon resonance) – это возбуждение поверхностного плазмона на его резонансной частоте внешней электромагнитной волной.
Плазмоника – класс устройств на основе плазмонов.
Пластиковое оптоволокно (ПОВ) – оптоволокно, сделанное из полимерных материалов.
Полупроводники – материалы, которые по своей удельной проводимости занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличаются от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и различ253
ных видов излучения. Полупроводниками являются вещества, ширина
запрещённой зоны которых составляет порядка нескольких электронвольт (эв).
Планарный волновод – тонкий слой диэлектрика с высоким показателем преломления на подложке с низким показателем преломления.
Полосковый волновод – волновод с прямоугольным поперечным сечением.
Самоорганизация (self-organization) – самопроизвольное образование
упорядоченных пространственных или временных структур через нарастание флуктуаций в условиях непрерывных потоков энергии и вещества в сильно неравновесных открытых системах.
Самосборка (self-assembly) – процесс образования упорядоченной надмолекулярной структуры или среды, в котором в практически неизменном виде принимают участие только компоненты (элементы) исходной структуры, аддитивно составляющие или «собирающие», как
части целого, результирующую сложную структуру.
Сердцевина (ядро, core) оптоволокна – область волокна, в которой распространяется свет.
Синтетические кристаллы – это кристаллы, выращенные искусственно в лабораторных или заводских условиях.
Ситаллы (стеклокристаллические материалы) – неорганические материалы, получаемые направленной кристаллизацией различных стекол
при их термической обработке. Состоят из одной или нескольких кристаллических фаз.
Стекло – неорганическое структурно- аморфное, изотропное вещество, твёрдое тело.
Углеродные нанотрубки (carbon nanotubes) – протяжённые цилиндрические структуры полая цилиндрическая структура диаметром от 1 до
нескольких десятков нм и длиной от одного до нескольких сантиметров состоят из одной или нескольких свёрнутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей (графенов) и заканчиваются обычно полусферической головкой.
Углеродные наноматериалы (carbon nanomaterials) – собирательный
термин, которым обозначают различные низкоразмерные структуры
или наноструктурированные материалы, основой которых является
углерод.
Фотолитография – процесс избирательного травления поверхностного слоя с использованием защитной фотомаски.
Фотонная интегральная схема (photonic integrated circuit (PIC)) или
оптическая интегральная схема (ОИС) (integrated optical circuit) – многокомпонентное фотонное устройство (монолитная или гибридная ин254
тегральная схема), изготовленное на подложке и выполняющее функции обработки оптических сигналов.
Фотонный кристалл (photonic crystal) – материал, структура которого
характеризуется периодическим изменением показателя преломления
в 1, 2 или 3 пространственных направлениях в масштабах, сопоставимых с длинами волн излучений в видимом и ближнем инфракрасном
диапазонах.
Фотонно-кристаллическая гетероструктура (photonic crystal
heterostructure) – структура, содержащая не менее двух фотонных кристаллов с различными фотонными запрещенными зонами, находящихся в оптическом контакте.
Фотонно-кристаллическое волокно (photonic crystal fiber) (ФКВ) – это
оптическое волокно (ОВ), оболочка которого имеет структуру двумерного фотонного кристалла.
Фотонно-кристаллические сверхпроводники – фотонные кристаллы, в
которых фотоны способны распространяться практически на неограниченные расстояния благодаря коллективным явлениям.
Фотошаблон – стеклянная пластина (подложка) с нанесенным на ее
поверхности маскирующим слоем – покрытием, образующим трафарет
с прозрачными и непрозрачными для оптического излучения участками.
Фуллерены, бакиболы или букиболы – молекулярные соединения,
принадлежащие классу аллотропных форм углерода (другие – алмаз,
карбин и графит) и представляющие собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного числа трёхкоординированных
атомов углерода.
Фуллериты – это конденсированные системы, состоящие из молекул
фуллеренов.
Эффект Зеемана – расщепление спектральных линий оптических переходов между уровнями (в атомах, молекулах) в магнитном поле.
Эффект Фарадея – вращение плоскости поляризации линейнополяризованного монохроматического света, при прохождении через
среду при продольном по полю подмагничивания распространении.
255
Список литературы
Основная литература:
1. Глущенко А.Г., Захарченко Е.П. Материалы и технологии интегральной оптики инфокоммуникационных систем (конспект лекций).
Самара: ФГОУВПО ПГУТИ.– 2011.– 262.1 с.
2.
Хансперджер Р. Интегральная оптика: Теория и технология.– М.:
Мир.– 12.185.
3.
Ярив А. Введение в оптическую электронику.– М.: Высшая школа.– 12.183.
4.
Волноводная оптоэлектроника /Пер. с англ. /Под ред. Т. Тамира.– М.: Мир.– 12.12.11.
5.
Справочник технолога-оптика. Под редакцией Окатова М.А., 2-е
издание – СПб.: Политехника.– 2004 г.
Дополнительная литература:
1. А.И. Сидоров, Н.В. Никоноров «Материалы и технологии интегральной оптики». Уч. пособие, курс лекций. СПб: СПбГУ
ИТМО, 2002.1.– 107 с.
2. Игнатьев А.И., Киселев С.С., Никоноров Н.В., Сидоров А.И.,
Рохмин А.С. Материалы и технологии интегральной и волоконной оптики: Уч. пособие по выполнению лабораторного
практикума. – СПб.: СПбГУ ИТМО.– 2002.1.– 78 с.
3. Золотарев В. М., Методы исследования материалов фотоники:
элементы теории и техники. Уч. пособие.– СПб: СПбГУ
ИТМО.– 2008.– 275 с.
4. Никоноров Н.В., Сидоров А.И. Материалы и технологии волоконной оптики: оптическое волокно для систем передачи информации: Уч. пособие.– СПб.: СПбГУ ИТМО, 2002.1.– 2.15
с.
5. Маркузе Д. Оптические волноводы.– М.: Мир.– 12.174.
6. Интегральная оптика/ Под ред. Тамира Т.– М.: Мир.– 12.178.
7. Содха М. С., Гхатак А. К. Неоднородные оптические волноводы.– М.: Связь.– 12.180.
8. Унгер Х.Г. Планарные и волоконные оптические волноводы. –
М.: Мир. – 12.180.
9. Снайдер А., Лав Дж. Теория оптических волноводов.– М.: Радио и связь.- 12.187.
256
10. В.И.Бусурин, Ю.Р.Носов "Волоконно-оптические датчики:
физические основы, вопросы расчёта и применения", Энергоатомиздат.– 12.12.10.
11. М.Адамс, "Введение в теорию оптических волноводов", Мир.–
12.184.
12. Р.Хансперджер, "Интегральная оптика. Теория и технология",
Мир.– 12.185.
13. Х.-Г.Унгер, "Планарные и волоконные оптические волноводы", Мир.– 12.180.
14. "Волноводная оптоэлектроника", под ред. Т.Тамира.– Мир.–
12.12.11.
15. Окоси Т. и др., "Волоконно-оптические датчики", пер. с япон.,
Ленинград, Энергоатомиздат, 12.12.10.
16. А.Снайдер, Дж.Лав, "Теория оптических волноводов", пер.с
англ., Москва, Радио и связь, 12.187.
17. http://en.wikipedia.org/wiki/Optical_fiber.
18. http://www.computerra.ru/offline/2001/407/11862.1/for_print.html
.
19. http://www.nanometer.ru
20. http://www.spie.org
21. http://www.imaging.org
22. http://www.photonicsnet.com
257
Приложение 1
Этапы процесса изготовления волноводных структур
1. Изготовление фотошаблона.
2. Изготовление кремниевой подложки.
Подложка вырезается из монокристалла
кремния с заданной кристаллографической ориентацией. Затем производится
механическая шлифовка и полировка
подложки. Для улучшения качества поверхности производится электрохимическая полировка.
Нанесение слоя SiO2 методом электронно-лучевого нанесения на нагретую
подложку. Нанесение слоя Si эпитаксиальным методом из газовой фазы.
3.
Перенос изображения структуры на подложку. Si, SiO2 +фоторезист + фотошаблон. Изготовление вспомогательного слоя SiO2. Слой изготавливается методом электронно-лучевого нанесения на нагретую подложку.
4.
Нанесение слоя позитивного фоторезиста. Высушивание слоя фоторезиста. Совмещение фотошаблона с подложкой. Экспонирование фоторезиста.
Первый этап литографического процесса
Удаление засвеченных областей фоторезиста химическим растворением;
Промывка и высушивание подложки; Травление вспомогательного слоя SiO2.
258
Промывка и высушивание подложки. Удаление незасвеченных областей фоторезиста химическим растворением.
Второй этап литографического процесса
Травление слоя кремния химическим методом. Промывка и высушивание
подложки. Удаление вспомогательного слоя SiO2 химическим растворением
(при этом может происходить частичное подтравливание основного слоя SiO2 ,
расположенного между подложкой и пленкой кремния). Промывка и высушивание подложки. Окончательный контроль качества интегрально-оптического
устройства.
259
Приложение 2
Методы выращивания монокристаллов
Основные методы выращивания из раствора в расплаве:
 Метод Вернейля
 Метод Бриджмена
 Метод Чохральского
 Метод зонной плавки
 Гидротермальное выращивание
 Метод твердофазной рекристаллизации
Выращивание монокристаллов возможно как с использованием монокристаллических затравок, так и спонтанно. Рост кристаллов на затравках одноименного материала называют гомоэпитаксиальным, на других подходящих по
кристаллографическим параметрам поверхностях – гетероэпитаксией. К основным методам отнесем следующие:
Выращивание из раствора в расплаве (спонтанная кристаллизация)
В качестве легкоплавких флюсов используют обычно PbO (886 0C), PbF2
(824), B2O3 (450), Bi2O3 (817), V2O5 (670) и др. Кристаллизация происходит при
охлаждении ниже точки насыщения. Основными достоинствами метода является то, что кристаллизацию можно проводить значительно ниже температуры
плавления получаемого материала. Недостатки: загрязнение элементами
флюса, необходимость в очень точном регулировании температуры, использование дорогостоящих платиновых и др.
материалов тиглей. К флюсам предъявляются следующие требования: они не должны
быть летучими и токсичными, по возможности минимально входить в состав монокристаллов (если не являются их компонентами),
должна быть умеренная вязкость расплавов.
Рис. П.2.1. Принципиальная схема установки для
выращивания кристаллов из расплава в растворе:
1 – кристаллизационная печь, 2 – цилиндрический
карборундовый экран, 3 – нагревательные силитовые стержни, 4 – под печи, 5 – тигель, 6 – устройство для вертикального перемещения, 7 –
устройство для реверсивного вращения, 8 – термопара-датчик, 2.1 – контрольные термопары.
260
Например, для выращивания кристаллов ферриграната (ЖИГ) берут
шихту, содержащую: 10 Y2O3, 20,4 Fe2O3, 36,8 PbO 27,1 PbF2, 5,5 B2O3. Состав
кристаллизующегося целевого продукта Y3Fe5O12 не соответствует по соотношению концентрации основных компонентов составу расплава, как и в случае
кристаллизации ферритовых кристаллов из раствора, который был рассмотрен нами выше. Процессы роста монокристаллов при реализации их технологии подчиняются, собственно говоря, тем же основным термодинамическим и
кинетическим закономерностям, что и синтез порошковых и пленочных материалов. Так важнейшим фактором является высокотемпературная фазовая
диаграмма компонентов шихты в области ликвидуса и солидуса. Рост кристаллов протекает через возникновение зародышей, которые могут в зависимости от температуры и химических потенциалов компонентов растворяться
или расти далее, т.е. могут обладать критическими размерами и т. д. По данному варианту температура выдержки расплава 1250-1300 0С (15 часов), скорость охлаждения после этого до кристаллизации 0,3-0,5 град/час. Кристаллизацию прекращают при 2.150-1000 0С и удаляют оставшийся расплав, полученные кристаллы очищают кипячением в азотной кислоте. Скорость вращения тигля при выращивании 20 об/мин, вращение осуществляют 15 с в одну
сторону и 15 с в другую с 5-секундной паузой.
Метод Вернейля
Метод Вернейля реализуется путем просыпки маленьких порций порошковой шихты в трубчатую печь, где эта шихта расплавляется во время падения
в кислородно-водородном пламени и питает каплю расплава на поверхности
затравки. Затравка при этом вытягивается постепенно вниз, а капля пребывает на одном и том же
уровне по высоте печи.
Рис. П.2.2. Схема установки для выращивания монокристаллов по методу Вернейля: 1 – механизм опускания
кристалла, 2 –кристаллодержатель, 3 – растущий кристалл, 4 – муфель, 5 – горелка, 6 – бункер, 7 – механизм
встряхивания, 8 – катетометр.
Преимущества данного метода: отсутствие
флюсов и дорогостоящих материалов тиглей; отсутствие необходимости точного контроля температуры; возможность контроля за ростом монокристалла. Недостатки: из-за высокой температуры роста
кристаллы имеют внутренние напряжения; стехиометрия состава может нарушаться вследствие вос261
становления компонентов водородом и испарения летучих веществ. Скорость
выращивания – несколько мм/час.
Метод Бриджмена
Метод Бриджмена – зарождающиеся в
нижней части тигля с расплавом монокристаллы
служат затравкой. Тигель опускается в более
холодную зону печи. Нижняя часть тигля – коническая. Скорость выращивания – также несколько мм/час.
Рис. П.2.3. Схема установки для выращивания монокристаллов по методу Стокаберга-Бриджмена: 1 –
тигель с расплавом, 2 – кристалл, 3 – печь, 4 – холодильник, 5 – термопара, 6 – тепловой экран.
Метод Чохральского
По методу Чохральского производят вытягивание вверх на затравку монокристалла из ванны с расплавом. Нагрев
обычно осуществляют при помощи СВЧ
излучения. Для снятия возникающих напряжений используют дополнительную печь,
через которую проходит выращиваемый
кристалл и отжигается.
Рис. П.2.4. Схема установки для выращивания
монокристаллов по методу Чохральского:
1 – тигель с расплавом,
2 – кристалл,
3 – печь,
4 – холодильник,
5,6 – механизм вытягивания
Метод зонной плавки
Зонная плавка заключается в прогонке зоны расплава по длине заготовки монокристалла, одновременно в зоне расплава концентрируются примеси и
происходит очистка кристалла, конечную часть которого затем удаляют. Нагрев осуществляется индукционным, радиационно-оптическим или другим
методом. Скорость выращивания по методам 4 и 5 близка к таковой для 2 и 3
262
методов. При реализации трех последних способов необходимо регулирование газовой среды выращивания.
Рис. П.2.5. Схема устройства для зонной плавки: 1 –
твердая фаза, 2 – расплав, 3 – нагреватель, (стрелкой показано направление движения нагревателя)
Гидротермальное выращивание
Исходные оксиды или готовый сложный оксид растворяют в водных растворах кислот или
щелочей для реализации гидротермального метода. Выращивание проводят в автоклавах с защитными коррозионно-стойкими вкладышами, например, для ферритов при 375-725 0С и давлении
1800-2000 атм. Из-за разницы температур в верхней
и нижней зонах автоклава вверху выделяется кристалл. Скорость выращивания – от долей мм до
нескольких мм в сутки. Выращиваемые монокристаллы обычно имеют высокое качество и характерную кристаллографическую огранку, т.к. растут в
условиях более или менее близких к равновесным.
Рис. П.2.6. Схема автоклава для гидротермального
синтеза: 1 – раствор, 2 – кристалл, 3 – печь, 4 – вещество для кристаллизации (T1<T2).
Метод твердофазной рекристаллизации
Для выращивания кристаллов путем твердофазной рекристаллизации
приводят в соприкосновение керамическую заготовку и монокристаллическую
затравку, между ними иногда помещают вещество, инициирующее процесс
рекристаллизации, в частности, при получении ферритовых кристаллов – оксид железа (тонкий слой). Если скорость рекристаллизации превышает скорость выхода пор на поверхность, получаемый кристалл может быть довольно
пористым.
После получения монокристаллов их точно ориентируют в пространстве и
подвергают механической обработке: резке, шлифовке, полировке. Например,
монокристаллы ИК-оптики типа КРС (галогениды таллия) обрабатывают ввиду
их небольшой твердости на токарных станках в специальных защитных боксах. На монокристаллы наносят защитные покрытия и при необходимости
слои материалов различного функционального назначения.
263
Приложение 3
Фотонные кристаллы – оптические сверхрешетки – световоды
Ожидается, что раньше всего фотонные кристаллы получат широкое
применение в качестве световодов. Принцип действия традиционных световодов – многократное полное внутреннее отражение света: внутренняя
«жила» световода имеет больший показатель преломления, чем поверхностные слои.
В случае фотонных кристаллов передача энергии по световоду происходит по принципиально иному механизму. Световые волны не могут распространяться в поверхностных слоях световода (фотонного кристалла) за счет
наличия в них запрещенной зоны. Вместе с тем, как упоминалось выше, полости или нерегулярности структуры фотонного кристалла делают его аналогом примесного полупроводника. Именно так формируются световедущие каналы внутри такого световода. Ситуация аналогична распространению электрического тока по полупроводнику с изолирующей обмоткой.
Важно, что такой механизм передачи энергии позволяет сгибать световод под любым углом, в то время как для обычного световода даже изгиб под
прямым углом приводит к существенной потере энергии из-за нарушения условия полного внутреннего отражения. Чтобы согнуть классический световод
под прямым углом, необходим радиус кривизны порядка 10 длин волн, световод на основе фотонного кристалла может быть согнут с радиусом закругления в полволны.
Для микроэлектроники этот геометрический фактор очень существенен,
так как световоды в микросхемах надо многократно сгибать, укладывая их в
небольшом объеме. Применяемые волоконные световоды прозрачны только в
узком диапазоне длин волн, в фотонном кристалле более широкий диапазон
частот позволит увеличить поток независимой информации.
Обычно по оптическому волокну идет несколько световых сигналов (например, в телефонном кабеле), применение фотонных кристаллов позволит
четко отделять нужную частоту от других, направляя каждый сигнал по разному пути.
Производство ФКВ базируется на уже отработанной волоконнооптической технологии, в которой кварцевая легированная заготовка в виде
стержня вытягивается при температуре 2000 0С. В частности, в кварцевую
трубку диаметром 20 мм упаковывают капилляры диаметром около 1 мм, причем упаковка капилляров в поперечном сечении имеет гексагональную структуру, выгодную для фотонного кристалла. Вытяжка уменьшает все размеры в
тысячи раз. Часть оптоволокон имеет полую световедущую жилу в центре, в
них используется тот же принцип, что для световодов на основе «поленницы».
В других, со сплошной центральной световедущей жилой, механизм проводи264
мости смешанный (частично – полное внутреннее отражение, частично – использование запрещенной фотонной зоны).
Фотонно-кристаллические световоды (ФК-световоды) – перспективный
элемент различных сенсоров. Оптические характеристики ФК-световодов изменяются при механическом, тепловом и других воздействиях. При этом возможен прием сигнала на значительном расстоянии от места измерения, а высокая радиационная и коррозионная стойкость делают систему надежной.
Благодаря фотонным кристаллам открылась совершенно необычная
возможность для хранения и обработки информации – создание ловушек для
фотонов. Это область в кристалле, из которой выход фотонам запрещен из-за
отсутствия в окружающем материале фотонной зоны проводимости. Ситуацию
сравнивают с заряженным проводником, окруженным диэлектриком.
Явление захвата, или пленения (confinment), излучения в фотонных кристаллах – принципиально новый эффект, который не основан на многократном
поглощении и испускании фотонов. Его предполагается использовать в элементах памяти, оптических транзисторах и пр.
Вторая, уже реальная в ближайшее время область применения фотонных кристаллов – повышение на порядок эффективности ламп накаливания. В
настоящее время только 5% энергии, выделяемой лампой накаливания, попадают в диапазон видимой части света, остальная энергия выделяется в виде
ненужного и даже вредного тепла (в качестве примера взята вольфрамовую
нить, позволяющая обеспечить нагрев до 2000 0С). Идеальным материалом
был бы фотонный кристалл, для которого инфракрасный диапазон попадает в
запрещенную зону, а основная часть энергии излучается в видимой области
спектра. Недавно на этом пути был предложен перспективный материал,
представляющий «губку» из тугоплавкого металла (того же вольфрама), погруженного в воздух или другую диэлектрическую среду. Период этого 3Dфотонного кристалла равен 4,2 мкм при толщине элементов структуры в 1,2
мкм. Очень широкая запрещенная зона в диапазоне от 8 до 20 мкм позволила
повысить эффективность лампы накаливания до 60%.
Фотонные полупроводники предполагается использовать для управления световыми потоками, что можно делать, изменяя положение и ширину
запрещенной фотонной зоны. Например, в фотонных кристаллах-репликах с
искусственных опалов полости покрыты веществом, меняющим коэффициент
преломления под действием электрического или магнитного поля, что позволяет управлять положением запрещенной зоны.
Как известно, испускание света возбужденными атомами является случайным процессом, время эмиссии контролировать не удавалось, можно было
говорить только о его среднем значении. В фотонном кристалле эмиссию света можно ускорять или замедлять.
265
В 2004 году появилось сообщение о создании лазера на основе искусственного инвертированного опала. В полые сферы, расположенные на расстоянии 240-650 нм, вводили коллоидные частицы полупроводника селенида
кадмия с диаметром 4,5 нм. С помощью лазерного импульса эти «искусственные атомы» переводились в возбужденное состояние, причем время эмиссии
можно было контролировать. Заметим, что лазеры с задержкой эмиссии выгодно применять, например, для солнечных батарей, а с ускоренной эмиссией
– для минилазеров и светодиодов.
Обычный многокаскадный полупроводниковый лазер представляет собой 1D-структуру из нанометровых слоев полупроводника и излучает во все
стороны параллельно плоскостям слоев. Удалось нанести на слои полупроводника гексагональную структуру фотонного кристалла. В итоге лазер излучает перпендикулярно к слоям полупроводника и ему не нужны дополнительные устройства фокусировки. Это расширяет область его применения. Размеры лазера на ФК ~ 50 мкм, что вдвое тоньше диаметра человеческого волоса.
Атомы реагируют селективно на длину волны излучения в зависимости
от структуры оболочки и открытого Планком соотношения между энергией и
частотой. Таким образом, следует ожидать, что и “ прозрачный” исходный материал нашего световода, прежде всего лишенный примесей, прозрачен и не
имеет значительных потерь только в определенном диапазоне частот. На других длинах волн возникает явление резонанса, при этом световая энергия
поглощается и превращается в теплоту.
Фактически чистое кварцевое стекло (SiO2), которое предпочтительно в
качестве исходного материала для световода, обнаруживает такие резонансы
в области длин волн 10-20 мкм. Эта область лежит за пределами области
длин волн, используемых сегодня в технике связи. В спектральной области, в
которой излучают современные лазеры и светоизлучающие диоды, максимальное значение ослабления в SiO2 мало, но для длин волн свыше 1,6 мкм
его действие ощутимо и возрастает с увеличением длины волны.
К сожалению, требуемая чистота кварцевого стекла практически едва
достижима. Как правило, светопроводящий материал более или менее загрязнен. При этом, прежде всего, следует назвать ионы металлов (железа, хрома,
кобальта, меди). Их долю в SiO2 необходимо уменьшить до значений 10-8-102.1, настолько подавляя максимумы поглощения энергии этими примесными
материалами, чтобы достигнуть коэффициента ослабления около 1 дБ/км и
менее. Исключительно важна также роль ионов ОН, которых резонансная длина волны около 2,7 мкм и со своими гармониками (второй, третьей и т. д.) является причиной более или менее значительных максимумов ослабления на
длинах волн 1,35, 0,2.15 и 0,75 мкм. А эти значения довольно близки к длинам
волн современных лазеров на GaAs и светоизлучающих диодов и поэтому с
точки зрения связи представляют большой интерес.
266
Приложение 4
Оптические наноантенны
Нанооптика является разделом оптики, в котором изучаются особенности взаимодействия излучения наноразмерных полей с атомами, молекулами
и нанотелами. Нанофотоника – раздел нанооптики, в которой исследуются
нанополя со считанным количеством фотонов и исследуются поведение света
на нанометровой шкале. Из общих физических соображений следует, что нанополя могут создаваться и существовать только вблизи поверхностей материальных сред. Поскольку электромагнитные поля должны удовлетворять
граничным условиям уравнения Максвелла, то, в свою очередь, нанополя зависят от размеров и топологии материальных сред. Известные примеры нанополей:
1. Поле, возникающее при полном внутреннем отражении волны на поверхности диэлектрика (одномерная локализация света).
2. Нанополя на поверхности металла (плазмоны).
3. Нанополе вблизи острия (двумерная локализация света).
Основной интерес к нанооптике обусловлен возможностью преодоления
дифракционного предела в пространственном разрешении волновой микроскопии. Основной интерес к нанофотонике – это возможность увеличения величины напряженности электромагнитного поля при заданной величине энергии поля.
В оптике, светом обычно управляют, перенаправляя фронт волны распространяющегося излучения посредством линз, зеркал и т. д. Такой тип
управления излучением обуславливается природой электромагнитных полей и
не возможен в масштабе меньшем, чем длина волны. Напротив, для управления электромагнитными областями радиоволн и микроволн использует антенны размерами меньшими, чем длина волны, таким образом, локализуя свободно распространяющееся излучение.
Вспомним, что антенны являются ключевой технологией для таких устройств как сотовые телефоны, телевидение, они используют электромагнитное излучение в радиоволновом или микроволновом режиме. Однако их оптический аналог на сегодняшний день не существует. Тем не менее, недавние
исследования в нанооптике, привели к значительному интересу к концепции
создания оптических антенн. Большинство последних исследований в этой
области сосредотачиваются на том, как перевести существующие технологии
радио- и микроволновых антенн в оптический диапазон частот.
Отсутствие оптических антенн, прежде всего, объясняют их маленькими
размерами. Связь между передатчиком и приемником достигает самой высокой эффективности, если размер дипольной антенны соответствует приблизительно половине электромагнитной длины волны. Радиопередача высокочас267
тотными световыми волнами в частотном диапазоне нескольких 10 14 Гц (частота 51014 Гц соответствуют желтому свету длины волны в 600 нм) требует
очень маленьких антенн, приблизительно длиной в 350 нм. Производство таких структур, до сих пор проблематично во всем мире, т.к. они не могут быть
произведены оптическими методами экспозиции по физическим причинам (изза волнового характера света). Достигнуть необходимой точности в изготовления золотых антенн размерами меньше 100 нм удалось при использовании
процесса электронно-лучевой литографии. С помощью этой технологии откроются возможности создания принципиально новых оптоэлектронных устройств. Нанотехнология позволяет контролировать и управлять веществом в
масштабе приблизительно 1-100 нм. При этом могут проявиться скрытые
свойства вещества, связанные с его размером.
Поскольку дифракция ограничивает область распространяющегося излучения примерно половиной длины волны, то диапазон длин волн, полями
которых можно управлять традиционными методами, лежит вне интересов
нанотехнологии. В излучающих свет устройствах электрон и дырка объединяются, таким образом, испуская фотон. Существует так же и обратный процесс
(photovoltaic’s), в котором поступающий свет вызывает разделение электронно-дырочной пары и образование тока в веществе. В обоих случаях оптическая антенна позволяет повысить эффективность этих процессов. В спектроскопии свет падает на материал, поляризует его и в ответ материал генерирует новое излучение.
a)
б)
вc)
Рис. П.4.1. а) испускание фотона, б) получение тока из света, в) генерация нового излучения
Длина волны такого испускаемого света зависит от химического состава
поляризуемого материала. В этом случае, антенна позволяет сделать оба
процесса – генерации и излучения более эффективными. Учитывая широкую
применимость и востребованность наноантенн, их отсутствие вызывает активный интерес.
268
Рис. П.4.2. Устройство работы наноантенны
Оптические антенны позволят, увеличить процессы поглощения и излучения света, так же повысят эффективность фотохимических или фотофизических датчиков, увеличат пространственное разрешение в оптической микроскопии.
В то время как радиоантенны были разработаны для решения проблем
коммуникации, изобретение оптических антенн было мотивировано микроскопией. Механизм работы наноантенны представлен на рис. П.4.2. Приемник или
передатчик взаимодействуют со свободным оптическим излучением с помощью оптической антенны. Приемник или передатчик – идеальный элементный
квантовый поглотитель или эмиттер, такой как атом, ион, молекула, или же
квантовая точка. Антенна увеличивает взаимодействие между эмиттером или
поглотителем, таким образом, увеличивая эффективность соответственно
либо излучения, либо поглощения. Удобство использования таких антенн заключается в том, что им можно
придать практически любые формы. На рис. П.4.3 приведены модели оптических антенн различной
формы в зависимости от требований системы: (a) асимметричная
спиральная антенна, (b) дипольная
антенна, (c) квадратная спиральная антенна, (d) фазированная
антенна
Рис. П.4.3. Оптические антенны различной формы
269
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
5 437 Кб
Теги
nanomaterials, nanotehnologii, gluwenko
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа