photonics (Презентации лекций)

Материалы для фотоники- Светоизлучающие элементы (СИЭ)- Оптоволокно- Фотонные кристаллы(часть материала предоставлена А.Тихоновым (Химфак МГУ) иА.Синицким (ФНМ))Лекция new1. ФотоникаСветодиоды(Light Emitting Device, LED) 1962, "Дженерал электрик"1968 - начало использлвания1985 - сигнальные указатели1993 - LED голубого светаФонтан "ПохищениеЕвропы", Москва(площадь Киевскоговокзала) - 2000 гг.Лекция new1. ФотоникаПреимущества СИЭ-миниатюрность-значительное время эксплуатации (10000 ч.)-малое потребление энергии-высокий квантовый выход-не требуют водяного охлаждения-излучение в любой области (видимого) спектра-излучение близко к монохроматическомук.п.д. =число эмиттированных квантов светачисло инжектированных неосновных носителейЛекция new1.

ФотоникаПринцип действияОснова СИД - активный слой,включающий электронно-дырочныйпереход с шириной запрещенной зоны Egи заключённый междуполупроводниками n- и p- типа иомическими контактами. Когда токпротекает в прямом направлении,электроны проходят через переход состороны n-полупроводника, а дырки состороны p-полупроводника, в результатечего в области p-n - перехода происходитизлучательная рекомбинация собразованием фотонов с энергией hν≈Eg(прямозонные полупроводники: дно зоныпроводимости и потолок валентной зонырасположены при одном значенииволнового вектора).Схема и энергетическая диаграммап/п светоизлучающего диода (СИД).EF – уровень Ферми.Лекция new1.

ФотоникаШирина запрещенной зоны СИЭПервые светодиоды красная и инфракрасная областиспектра (GaAs, AlGaAs).Первые зеленые светодиоды - GaP,синие - SiC.(непрямая зонная структура Îизлучение слабой интенсивности)GaAs1-xPx: x=0.39 (λ=660 нм),x=0,5...0,75 (λ=610 нм).λ[нм] = 1234/e,e - ширина запр. зоныСИЭ в видимой области спектра -ширина запрещенной зоны >2 эВЛекция new1. ФотоникаУстройство «светодиода»Конструкция светоизлучающей части светодиодов:а – плоская, б – полусферическая, в – с линзой из эпоксидной смолы; МК –металлический контакт, ЭС – эпоксидная смола; n-p+ - излучающий переход.Плоская конструкция: из кристалла выходят лучи, составляющие с нормалью уголΘ=arcsin(n1/n2) (конус 35°для арсенида и фосфида галлия).Полусферическая конструкция: R/r=(n2/n1), эффективность на порядок превышаетэффективность плоской конструкции.Лекция new1. ФотоникаНитриды AIII-BVНитриды AlN, GaN, InN и их сплавы - широкозонные полупроводникис прямыми оптическими переходами, наиболее перспективныематериалы для изготовления свето- и лазерных диодов, излучающихво всей видимой и ультрафиолетовой (240-620 нм) областях спектра.Слоистые структуры, используемые для изготовления светодиодов: а –светодиод с двойной гетероструктурой; б – зелёный светодиодЛекция new1.

ФотоникаП/п лазерыПолучение стимулированного излучениявозможно лишь при достиженииинверсной заселенности уровней(отрицательная температура):-нарушение внутризонного равновесия(перевод электронов из нижней части зоныпроводимости в верхнюю, рекомбинацияза 10-13 c)-нарушение межзонного равновесия(перевод электронов в валентную зону,рекомбинация за 10-3 – 10-9 с)Ж.Алферов (Иоффе ФТИ) –Нобелевская премия 2001Накачки:-оптическая,-электронно-лучевая,-инжекция электронов и дырок через p-nпереход (при приложении напряжения,снимающего протенциальный барьерперехода электронов между донорной иакцепторной частями, GaAs, InAs, InSb).Рекомбинация сопровождаетсяинтенсивным излучением фотонов.Лекция new1.

ФотоникаЛазерВ лазерных диодах должны быть реализованы односторонняяинжекция, волноводный эффект и положительная обратнаясвязь: а – структура инжекционного лазера (InGaN); б –излучение голубого лазерного диода в импульсном режимеЛекция new1. ФотоникаОптические волокнаСостав: сердцевина- «проводник» фотонов и оболочка – отражательфотонов (волокна на основе SiO2, потери до 0.2 дБ/км, полоса пропусканиядо 100 ГГц/км).Применение: передача информации на большие расстояния (телефон, ТВ,Интернет), оптоэлектроника, передача световой энергии (лазерная техника,световоды).100200мкмn1n24100мкмn1 < n20nПолучение: химическое осаждение из газовой фазы внутри стеклянныхтрубок (капилляров), SiCl4 + CF4 + O2 = SiO2 + … (1500-17000C, 1 слой),SiCl4 + GeCl4 (1500-17000C, 2 слой), схлопывание (~20000С), протяжка,прокатка (получение волокна), формирование из оптоволокна оптическихкабелей.Лекция new1.

ФотоникаФотонные кристаллыФотонные кристаллы (photonic crystals) – материалы супорядоченной структурой, характеризующейся строгопериодическим изменением коэффициента преломления вмасштабах, сопоставимых с длинами волн излучений ввидимом и ближнем инфракрасном диапазонах. Будучипрозрачными для широкого спектра электромагнитногоизлучения, фотонные кристаллы не пропускают свет с длинойволны, сравнимой с периодом структуры фотонногокристалла, вследствие брэгговской дифракции. Этиспектральные диапазоны получили название “фотонныезапрещенные зоны” (photonic band gap, PBG). Фотонныекристаллы–оптическиеаналогиэлектронныхполупроводников.E.

Yablonovitch, Phys. Rev. Lett. 58 2059-2062 (1987).S. John, Phys. Rev. Lett. 58 2486-2489 (1987).Лекция new1. ФотоникаОпалыОдними из первых материалов,которые стали рассматриваться вкачестве фотонных кристаллов, былисинтетическиеопалы.ОпалыобразованымонодисперснымисферическимичастицамиSiO2(d = 150–900 нм), упорядоченными вплотнейшейшаровойупаковке.Периодичность структуры опала вмасштабе, сопоставимом с длинойволны видимого света, являетсяпричиной иризации – необычнойигры света, связанной с дифракцией.A. Zakhidov et al., Science 282 897-901 (1998).Лекция new1. ФотоникаМикросферы SiO2Метод Виньялла(E.G.

Acker and M.E. Winyall.U.S. Patent 4 049 781 (1977))В качестве источникаSiO2 – Na2SO3Частицыполидисперсныи сильноагрегированыNa2SiO3Na2SiO3NH3H2OCH3COOH(NH4)2CO3C2H5OHNH3Лекция new1. ФотоникаМонодисперсные микросферыМетод ШтебераТЭОС(W. Stöber et al. J. Colloid andInterface Sci., 26, 62-69(1968).)NH3В качестве источникаSiO2 – TEOS(Si(OC2H5)4)С2H5OHH2OМетод Штеберапредпочтительнее ввидуэкспрессности имонодисперсности частицЛекция new1. ФотоникаСедиментация (сепарирование)1N > 300 частиц23Для области 2 (закон Стокса):41 – осветленная зона2 – зона свободного осаждения3 – зона стесненного осажденияЛекция new1.4 – осадокФотоникаCкорость осаждениямикросфер250-400 нм - 2,3-7,7 мм/сут"Самоукладка" микросфер SiO2дефекты,σ = 6,4%границыблоков и пр.Лекция new1.

ФотоникаЛабораторные опалыЛекция new1. ФотоникаУпорядоченные пленкиЕстественная седиментацияЦентрифугированиеОсаждение на вертикальную подложку:алюминийПодложка:AlAl2O3СтеклоCuPbОтжигсинтезированныхопалов приводит купрочнениюматериала и кулучшению егооптических свойств.(200 °C, 10 ч) +(700 °C, 10 ч)Лекция new1. Фотоникаоксид алюминияДругие методы полученияТемплатный синтезОсаждение– травлениеАнодное окисление (Al)СтереолитографияЛекция new1. Фотоника"Аккустические" кристаллыРазмер металлическогошарика или восковой сферысопоставим с длиной звуковойволныЛекция new1. ФотоникаТипы "решеток"Основные типы фотонных кристаллов:Первая зона Бриллюенадля ГЦК решетки:“дровяная поленница”“структура алмаза”“обратный опал”Лекция new1.

ФотоникаОптические свойстваДисперсия коэффициента<111>преломления аморфного SiO2:Закон Брэгга-Вульфа:Лекция new1. ФотоникаФотонные кристаллы (оптоволокно)MRS Bulletin, 2001, v.26, n.8Лекция new1. ФотоникаПотенциальные примененияCветодиоды(КПД ~ 50%)Лазеры с низкимпорогом генерации Новые оптическиеволноводыОптические устройства хранения иобработки информации, фотонныеинтегральные схемыЛекция new1.ФотоникаУстройствабыстрогооптическогопереключенияОптические фильтры,микроустройствадля направления светаЛитература••••••Бахтизин Р.З. Голубые диоды.

// Соросовский образовательныйжурнал, Т.7, N3, 2001, с.75-83.S.Nakamura. III-V nitride based light-emitting devices. // SolidState Communications, Vol. 102, No.2-3, pp.237-248, 1997.Artur B.Ellis et al. Teaching General Chemistry: A Material ScienceCompanion // American Chemical Society, Washington, DC, 1993.Полупроводниковые светоизлучающие структуры.http://ofap.ulstu.ru/res/puevm/PAGE12.HTMНовости науки за 6-12 мая 2002г.http://www.nauka.lucksite.com/news_2705.htmlПремия Киото - 2001http://www.pacy.ru/print_ver.php3?id=228332Лекция new1. Фотоника.