Диссертация (1105407), страница 8
Текст из файла (страница 8)
В работе [94]было обнаружено плазмонное усиление полярного эффекта Керра в никелевойпленке, покрытой золотыми наночастицами. Также с помощью исследования эффекта Холла было обнаружено увеличение мнимой части недиагональных компонент тензора проводимости вблизи резонанса, что можно интерпретировать какувеличение недиагональных компонент тензора диэлектрической проницаемости,которое и приводит к увеличению угла поворота плоскости поляризации.Следовательно, резонансное возбуждение поверхностных плазмон-поляритоновприводит к аномальному изменению спектра магнитооптического эффекта Керра.При этом, так как поверхностные плазмон-поляритоны имеет временную дина-Обзор литературы41мику в диапазоне десятков-сотен фемтосекунд, то и магнитооптический эффектКерра, “усиленный” при помощи ПП, должен иметь характерную временную зависимость на том же временном масштабе.
Поэтому, целью третьей главы диссертации является обнаружение временной зависимости плазмон-индуцированногомагнитооптического эффекта Керра в магнитоплазмонных решетках.3. Полностью оптическое переключениеИз-за ограничений, возникающих при использовании электронов в качестве носителей информации, в последнее десятилетие стала активно развиваться областьнанофотоники, связанная с поиском новых способов передачи и обработки информации или созданием так называемых оптических компьютеров. Преимуществами использования фотонов по сравнению с электронами являются как скорость передачи — она больше в десятки тысяч раз по сравнению с электронами,так и возможность использовать различные состояния света.
Это могут быть какразличные состояния поляризации света, так и использование нескольких длинволн лазерного излучения. Это позволит совершать несколько процессов одновременно, а соответственно, увеличить скорость передачи и обработки информации.Наиболее вероятным путем развития нанофотоники является интеграция фотонных устройств в уже имеющиеся технологии, а это в свою очередь налагает ограничения, например на использование материалов.
Для внедрения в технологиюКМОП структур проще всего использовать фотонные устройства из полупроводников, например из кремния.Ныне предлагается достаточно много способов реализации полностью оптических переключателей. Рассмотрим подробнее фотонные схемы, в которых используются нелинейно-оптические свойства материалов. Возможно две конфигурациипереключения: одним лазерным импульсом изменяется показатель преломлениясреды, а соответственно и направление другого лазерного импульса, либо изменяется коэффициент пропускания среды, контролируя включение и выключениевторого импульса (рис.
22).Обзор литературы42Рис. 22: Идеи реализации полностью оптического переключения. (а) Переключение при помощи отклонения луча. (б) Переключение при помощи изменениякоэффициента пропускания.В кремнии процесс переключения осуществляется благодаря процессу фотогенерации свободных носителей, при котором изменяется показатель преломленияили поглощения материала. Из-за относительно слабых нелинейно-оптическихсвойств, использование кремния в качестве материала для переключателя является достаточно сложной задачей [96]. Действительно, все результаты по полностьюоптическому переключению в кремнии были получены в объемных структурахили с использованием чрезвычайно высоких мощностей лазерного излучения [97–101]. Но такие устройства не подходят для их интеграции на чипе.
Для эффективного оптического переключтеля необходимо увеличить время взаимодействиясвета со средой, что в свою очередь, приведет к усилению нелинейно-оптическихэффектов и позволит использовать структуры с малым эффективным объемом.Так работают переключатели, в основе которых находятся высокодобротные резонаторы, например кольцевые [102–104]. Такие системы позволяют получать почти полное переключение.
Другим способом является использование конфигурационных резонансов в наноструктурах. Основанное на этом принципе полностьюоптическое переключение было получено с использованием фотонных кристаллов [98,99,105,106], плазмонных наноструктур [107–110], метаматериалов [111,112],микрорезонаторов [113], но многие из них используют не кремний в качестве основного материала, что затрудняет их последующее внедрение. Соответсвенно,Обзор литературы43необходим поиск системы, изготовленной преимущественно из кремния, в которой возможно усиление нелинейно-оптических эффектов.Другим фактором, требующим пристального внимания является время отклика таких систем: характерное время за которое устройство способно переключатьсвое состояние.
Временная динамика полупроводников, в том числе и кремния,исследовалась уже достаточно давно, в основном с использованием методики “накачка” – “зондирование” [114–119]. Время релаксации фотоиндуцированных свободных носителей в кремнии варьируется в диапазоне времен от нескольких пикосекунд до микросекунд. Одним из вариантом сокращения времени релаксациисвободных носителей является использование резонаторов. Было показано, чтов фотонно-кристаллических переключателях минимальное время релаксации неограничено временем релаксации свободных носителей в кремнии [120, 121].
Когда отверстие в фотонном кристалле становится очень маленьким, то диффузиясвободных носителей из него существенно ускоряет процесс релаксации. В результате, характерное время отклика такой системы равняется десяткам пикосекунд.В других системах, например, в виде кольцевых резонаторов, характерное времяотклика также варьируется в этом диапазоне [102–104]. Следовательно, до сихпор в системах, где основным материалом является кремний, не было достигутофемтосекундное время отклика.
Оно может быть получено, например, с использованием возбуждения поверхностных плазмон-поляритонов. Причем, так как используются наноструктурированные поверхности тонких пленок, металлическиенаночастицы или нановолокна, то такие системы могут быть интегрированы вчип. Минусом оптических переключателей на основе возбуждения ПП являетсято, что активный компонент — это металл. В таких системах достаточно большиеомические потери, что не позволяет использовать большие мощности оптическогоизлучения. Поэтому интересует возможность отказаться от плазмонных металлов,но получить сравнимые времена отклика в оптическом диапазоне излучения. Этовозможно, если использовать диэлектрические частицы с высоким показателемпреломления [122].Обзор литературы44Рис. 23: Распределение ближнепольной компоненты электромагнитного поля вкремниевом нанодиске для горизонтальной (верх) и вертикальной (низ) поляризации электрического поля.
Справа: РЭМ-изображения одиночных кремниевыхдисков [125].3.1. Оптический магнетизм и Резонансы МиТак называемый оптический магнетизм связан с существованием мод в диэлектрической частице-резонаторе. В этом случае в структуре возникают круговые токи, то есть магнитный дипольный резонанс, при котором радиальная компонентамагнитного поля не равна нулю [123]. В рамках теории рассеяния Ми рассмотрена задача рассеяния и поглощения электромагнитного излучения однороднымисферическими частицами произвольного размера [124] при помощи разложенияэлектромагнитного поля по сферическим гармоникам.
Характерным параметромтеории рассеяния Ми является отношение радиуса частицы d к длине волны света λ: x = 2πd/λ. При совпадении частоты падающего излучения с собственными частотами частицы наблюдается резонанс. В теории рассеяния Ми первыйдлинноволновый резонанс всегда соответствует магнитному дипольному резонансу. Следующий резонанс соответствует электрическому диполю. Определить типрезонанса можно, измерив ближнее поле вокруг частицы: может наблюдаться какусиление магнитного поля в случае магнитно-дипольного резонанса, так и усиление электрического в случае электрического дипольного резонанса.
Кроме того,будет наблюдаться различная симметрия излучения (рис.23).Обзор литературы45Резонансы в наночастицах были обнаружены достаточно давно, но на основе благородных металлов [126]. В случае металлических наночастиц наблюдаетсявозбуждение лишь электрического дипольного резонанса. Более хитрая геометрическая форма, например разорванные кольца, позволяют возбудить и магнитнодипольный резонанс [127, 128] (рис.25). Интерес к этой области стал усиливатьсяименно в 2000х годах, когда стали изготавливать метаматериалы из диэлектрических частиц [129–132].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
