بلورهای فوتونیکی

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به: ناوبری، جستجو
Photonic crystals.gif

بلورهای فوتونیکی به هر ساختاری که ضریب شکست آن به طور متناوب تغییر کند، گفته می شود. اگر این تکرار در یک بعد باشد به بلور تشکیل شده، بلورهای فوتونیکی یک بعدی می گوییم. تکرار ساختار متناوب در دو و سه بعد نیز بلورهای فوتونیکی دو و سه بعدی را بوجود خواهد آورد. این ساختارها در واقع دوگان بلورهای نیمه هادی هستند. در واقع این موضوع از مشابهت معادله شرودینگر در فیزیک حالت جامد و معادله هلمهولتز در میدان ناشی می‌شود. ضریب شکست همان نقشی را در معادله هلمهولتز بازی می‌کند که پتانسیل الکتریکی در معادله شرودینگر. بنا براین عملکرد بلورهای فوتونیکی (ساختارهای با ضریب شکست متناوب) در برابر فوتون‌ها مشابه عملکرد بلورهای نیمه هادی (ساختارهای با پتانسیل الکتریکی متناوب)در برابر الکترون‌ها است.

مقدمه[ویرایش]

فوتونیک کریستال ها ساختار های متناوب در اندازه نانو هستند و طراحی شده اند تا حرکت فوتون ها را تحت تاثیرقراد دهند.همانند کاری که کریستال های نیمه رسانا با الکترون ها انجام می دهند.فوتونیک کریستال ها در اشکال و خواص مختلف وجود دارند و از 100 سال پیش مطالعه بر روی آن ها شروع شده است. معرفی فوتونیک کریستال ها ساختار های نانومتری متناوبی هستند که یا دی الکتریک و یا فلز-دی الکتریکند که مسیر حرکت موج الکترومغناطیسی را تحت تاثیر قرار می دهند.به همان روشی که پتانسیل های متناوب در نیم رسانا هاحرکت الکترون ها را با ایجاد نوار های انرژی ممنوعه و مجاز تحت تاثیر قرار می دهند.اساس کار فوتونیک کریستال ها بر اساس تغییر درونی ضریب شکست به صورت کم و زیاد در درون کریستال می باشد.انتشار فوتون در داخل این ساختار ها به طول موج آنها بستگی دارد.طول موج هایی از نور که اجازه انتشار پیدا می کنند مد نامیده می شوند.وگروهی از مد های انتشار یافته باند تشکیل می دهند.باند های غیر مجاز فوتونیک کریستال باند گپ نامیده می شوند.این اتفاق منجر به پدیده های آشنایی مانندجلوگیری از گسیل خود به خودی و آینه های با بازتاب بالای تک جهتی و موجبرهای با اتلا ف پایین می شود. از آنجایی که پدیده ی غالب پراش می باشد باید یک هم خوانی بین طول موج انتشار یافته و ابعاد فوتونیک کریستال وجود داشته باشد.که این ابعاد معمولاً به صورت نصف طول موج انتشاری می باشد.به عنوان مثال این محدوده بین 200 تا 350 نانو متر برای کریستالی است که در محدوده مرئی کار می کند.این خاصیت استفاده و ساخت فوتونیک کریستال ها را تا حدودی سخت و پرهزینه کرده است.

تاریخچه بلورهای فوتونیکی[ویرایش]

اگرچه از سال 1887 مطالعه بر روی فوتونیک کریستال ها شروع شده بود اما لفظ فوتونیک کریستال برای اولین بار صدسال بعد ازآن یعنی در 1987 توسط الی یابلونوویچ و ساجیو جان وقتی دو مقاله مهم در تاریخ فوتونیک، در مورد فوتونیک کریستال منتشر کردند مورد استفاده قرار گرفت. قبل از1987 فوتونیک کریستال های یک بعدی به صورت توده های یک بعدی تناوبی چند لایه ای مانند آینه های براگ به تفصیل مورد مطالعه قرار گرفته بودند.لرد ریلی مطالعات خود را در 1887 با نشان دادن این که این ساختار ها دارای یک باندگپ یک بعدی هستند استارت زد یک محدوده طیفی از بازتابندگی بالاکه به عنوان باند توقف شناخته می شد.امروزه اینچنین باند هایی در موارد مختلف کاربرد پیدا کرده اند.از لایه نشانی های با بازتابندگی های بالا برای افزایش بازدهی دیود ها تا آینه هایی با بازتابندگی بالادر کاواک های لیزر.به عنوان مثال VCSEL یک مطالعه ی دقیق تئوریتیکال در مورد فوتونیک کریستال ها توسط ولادیمیر بایکوف کسی که تاثیر باند گپ را در مورد گسیل خود به خودی اتم ها و مولکول ها مطاله کرد انجام گرفته است.بایکوف همچنین به این فکر می کرد که چه اتفاقی ممکن است در صورت استفاده از ساختار های دو و سه بعدی متناوب بیفتد.بااین وجود مفهوم فوتونیک کریستال های سه بعدی در1979توسط اوهتاکا کسی که یک روش برای محاسبه فوتونیک بند گپ پیشنهاد داد مورد بررسی قرار گرفت.با وجود این این ایده ها تا موقع انتشار مقاله یابلونوویچ وجان اوج نگرفتند.هر دوی آن مقاله ها با فوتونیک کریستال هایی با ابعاد بالا در گیر بودند.انگیزه اصلی یابلونوویچ مهندسی کردن چگالی حالت های فوتونیکی بود برای کنترل کردن گسیل خود به خودی در درون فوتونیک کریستال ها.ایده ی جان استفاده از فوتونیک کریستال ها برا ی تاثیر گذاشتن روی حرکت فوتون ها و گیر انداختن آن ها بود.[۱] بعد از 1987 تعداد مقالات تحقیقاتی در مورد فوتونیک کریستال رشد بسیار زیادی کرد.با وجود این سختی های موجود بر سر راه ساخت فوتونیک کریستال ها باعث شده است که مطالعات بیشتر در زمینه ی تئوری باشد و یا به صورت عملی فقط محدود به رژیم میکرومتر باشد.فوتونیک کریستال ها به آسانی می توانند در ابعاد سانتی متری ساخته شوند.در سال 1991 یابلونوویچ اولین بند گپ سه بعدی فوتونیک کریستال را نشان داد.که در رژیم میکرو متر کار می کرد.ساختاری که یابلونویچ موفق به ساخت آن شده بود در واقع تعدادی آرایه ی سوراخکاری شده در درون محیطی شفاف بود.که سوراخ های هر لایه ساختاری عکس الماسی به وجود آورده بودند.که امروزه به یابلونوویت مشهورند. در 1996 توماس کراوس اولین ساختار فوتونیک کریستال دو بعدی در محدوده نور مرئی را ارائه داد.این راهی جدید برای فوتونیک کریستال ها باز کرد تا بتوانند از موادنیم رسانا در ساخت استفاده کنند همانند استفاده از آنها در صنعت نیم رساناها.امروزه این تکنیک ها از تیغه های فوتونیک کریستالی استفاده می کنند.این تیغه ها در واقع فوتونیک کریستال های دوبعدی هستند که بر روی تیغه هایی از نیمه رسانا چاپ شده اند.بازتابش کلی باعث محبوس شدن نور در درون تیغه می شود.و اجازه می دهد تاآثار فوتونیک کریستالی مانند مهندسی پراش فوتونیکی در درون تیغه به وقوع بپیوندد.در سرتاسر دنیا تحقیقات برای بکارگیری فوتونیک کریستال ها در مدارات کامپیوتری در حال انجام است.برای بهبود بخشیدن به تجزیه و تحلیل مخابرات اپتیکی درون چیپ ها و همچنین مابین آنها. اگرچه این کاربرد ها به عنوان یک کابرد تجاری به حساب می آیند اما در حد بسیار وسیعی فوتونیک کریستال های دوبعدی به شکل فیبر های فوتونیک کریستالی کاربرد تجاری پیدا کرده اند.این فیبر ها به فیبر های سوراخ دار نیز معروف هستند.چون در واقع هواست که در بین آن ها جریان دارد.فیبر های فوتونیک کریستالی برای اولین بار توسط فیلیپ راشل در 1998ساخته شدند.این فیبرها مزیت های زیادی نسبت به فیبر های اپتیکی دارند. مطالعه بر روی فوتونیک کریستال های سه بعدی با سرعت بسیار پایین تری نسبت به فوتونیک کریستال های دو بعدی در حال پیشرفت بود.این به خاطر وجود مشکلات عدیده در ساخت این نوع از فوتونیک کریستال ها به وجود آمد.فوتونیک کریستال های سه بعدی هیچ سادگی را از صنعت نیمه رسانا به ارث نبرده بودند در سادگی ساخت و روش های تولید.تلاش هایی در این زمینه برای تطابق در بعضی موارد انجام گرفته است.مانند ساختار توده چوبی که بر اساس یک ساختار لایه به لایه ساخته شده است.دسته دیگری از تلاش ها برای ساخت فوتونیک کریستال های سه بعدی در زمینه کریستال های خود ساخته است.اساس کار این روش تولید غوطه ور سازی نوعی کره های دی الکتریک نانومتری در درون محلولی با ساختار تناوبی سه بعدی که دارای یک باند گپ است می باشد.اولین نمونه مشاهده شده در این کار در سال 2000 در دانشگاه تورنتو کانادا انجام شد. فیلد جدید موجود برای درک بهتر این ساختارهامطالعه برروی موجودات زنده بود که در سال 2006 محققان را به یک فوتونیک کریستال طبیعی در ابعاد سوسک برزیلی رهنمون کرد.

روش های ساخت[ویرایش]

روش های ساخت به ابعاد باندگپ مورد نیاز بستگی دارد. فوتونیک کریستال های یک بعدی در این ساختار لایه ها با ضرایب مختلف چنان در کنار هم قرار می گیرند که در یک جهت باند گپ به وجود می آورند.یک توری براگ یک مثال ازاین نوع فوتونیک کریستال های یک بعدی است.فوتونیک کریستال های یک بعدی می توانند همسانگرد و ناهمسانگرد باشند.در این صورت می توانند به صورت بسیار گسترده ای به عنوان سوئیچ اپتیکی مورد استفاده قرار گیرند. فوتونیک کریستال های دو بعدی در ساختار های دوبعدی حفره ها در محیطی که برای نور تابیده شده مرئی و برای نور باند گپ نامرئی هستند قرار می گیرند.شبکه های مثلثی و مربعی بیشترین کاربرد را دارند. فیبرهای فوتونیک کریستالی یا همان فیبرهای سوراخ دار می توانند به وسیله رادهای استوانه ای در درون شبکه های شش بعدی ساخته شوند.و سپس حرارت داده می شوند و کشیده می شوند.فواصل هوای مثلثی ایجاد شده مابین رادهای شیشه ای حفره هایی می شوند که مدها را محدود می کنند. فوتونیک کریستال سه بعدی چندین ساختار برای این نوع فوتونیک کریستال وجود دارد: 1)کره ها در شبکه الماسی 2)yablovovite 3)ساختار توده چوبی :رادها به صورت پشت سرهم با استفاده از لیتوگرافی پرتوی چاپ می شوند و ماده جدید بر روی آن ته نشین میشود.و فرایند برای لایه های دیگر تکرار می شود.با کانال های چاپی که بر لایه های زیرین عمود هستند.فرایند تا زمانی که ساختار به ضخامت لازم برسد ادامه پیدا می کند.معرفی نقص ها برای این ساختار معمولاً فرایند طاقت فرسایی می باشد. 4)کره های برخوردی معکوس(مانند پلی استرین ها) این کره ها در درون شبکه ای از محلول بسته شده آویزان می مانند.سپس یک سفت کننده وارد محیط می شود که باعث می شود یک محیط شفاف جامد خارج از حجم حلال به وجود بیاید.سپس کره ها توسط یک اسید مانند هیدروکلریدریک از هم جدا می شوند. 5)یک توده از فوتونیک کریستال های دو بعدی:این یک روش کلی تر از یابلونویت هاست ولی در حالت کلی یابلونویت ها را با استفاده ازاین روش می سازند.

چالش های ساخت[ویرایش]

چالش اصلی برای فوتونیک کریستال های مرتبه بالا مشکل ساخت آنهاست.که باید دقت کافی برای جلوگیری از اتلافات پراکندگی که باعث محو شدن خواص کریستال می شود انجام گیرد.یکی ازروش های امیدوار کننده برای تولید فوتونیک کریستال فیبر های فوتونیک کریستالی هستند مانند فیبرهای سوراخ دار.استفاده ازروش های فیبر های ترسیمی برای فیبر های مخابراتی توسعه پیداکرده اند.که می توانند هردوی این نیاز ها را برطرف کنند.فیبرهای فوتونیک کریستالی به صورت تجاری در دسترس هستند.روش امیدوارکننده دیگر برای تولید فوتونیک کریستال های دوبعدی استفاده از روش تیغه های فوتونیک کریستالی است.این ساختار ها از یک زیر لایه به عنوان تیغه که معمولاً ازجنس سیلیکن است تشکیل شده اند که توسط روش هایی مانند صنعت نیمه رساناها ساخته می شوند.این چیپ ها توانایی تحلیل الکترونیکی و اپتیکی بر روی یک چیپ واحد را دارند. برای ساخت فوتونیک کریستال های سه بعدی روش های مختلفی از جمله فوتولیتوگرافی و اچینگ استفاده می شود.همانند تولید مدار های مجتمع.برخی از این روش ها به صورت تجاری مورد استفاده قرار می گیرند.برای پیشی گرفتن از روش های مکانیکی نانوتکنولوژی و پیچیدگی آنها راه حل مناسبی وجود دارد و آن هم استفاده از روش کره های برخوردی است. محاسبه باندگپ فوتونیک کریستالی اساساً فوتونیک باندگپ فاصله مابین خطوط هوا و خطوط دی الکتریک در رابطه پاشندگی فوتونیک باندگپ است.برای طراحی فوتونیک باندگپ مهندسی مکان و ابعاد فوتونیک کریستال بسیار مهم است.این مهندسی به روش های بسیاری از جمله روش های زیر انجام می شود. 1)بسط امواج تخت 2)روش اجزا ریز 3)روش اجزا ریز جدا افتاده در بازه زمانی 4)روش مرتبه n طیفی 5)روش kkr 6)روش امواج بلاخ اساساً این روش ها برای فرکانس امواج منتشر شده می باشند برای هرکدام از جهت ها که بردار موج مشخص می کند.وبر عکس.خطوط مختلف در ساختار باند مربوط به n های مختلف است.که nضریب باند گپ است. روش بسط امواج تخت می تواند برای محاسبه ساختار باندگپ از یک فرمول بندی ویژه استفاده کند و معادلات ماکسول را حل کند.و در نتیجه معادلات را برای هر ویژه فرکانس در جهت خاصی حل می کند.این حل مستقیماً به منحنی پاشندگی منجر می شود.توزیع میدان الکتریکی می تواند به وسیله ویژه بردارهای مورد استفاده در همان مساله بدست آید.تصویر نشان داده شده مربوط به ساختار باند یک بعدی DBR با هسته هایی از هوا که در آن از دی الکتریک هایی با ضریب گذردهی 12.25 استفاده می شود.نسبت ثابت شبکه به ضخامت هسته های هوا 0.8 است و از 101 موج تخت در منطقه اول بری لوئن برای حل استفاده شده است. برای سرعت بخشیدن به محاسبات می توانیم از بسط بلاخ مد کاهش یافته استفاده کنیم.RBME برای مدل های بزرگ سلول های واحد استفاده از این روش باعث افزایش سرعت می شود.

کاربرد بلورهای فوتونیکی[ویرایش]

فوتونیک کریستال ها ادواتی هستند که جریان نور را کنترل و دستکاری می کنند.فوتونیک کریستال های یک بعدی از گذشته به عنوان فیلم های اپتیکی نازک کاربرد فراوان پیدا کردند.ازجمله بازتابنده های بالا و پایین در روی لنزهاو آینه ها تا رنگ هایی با قابلیت تعویض رنگ و همچنین مرکب ها.فوتونیک کریستال های مرتبه بالاتر برای کاربرد های دیگر و همچنین تحقیقات بسیار مورد استفاده قرار گرفتند.همچنین فوتونیک کریستال دو بعدی کاربردهای تجاری فراوان پیدا کردند.فیبرهای فوتونیک کریستالی از جمله این کاربردها می باشد.که این فیبرها از یک ساختار میکرونی فوق العاده برای محدود کردن نور استفاده می کنندکه با فیبرهای معمولی بسیار تفاوت دارد.فیبرهای سه بعدی هنوز کاربردتجاری پیدا نکرده اند ولی دارای مزیت های بیشتری هستند که می توانند کاربرد های برتری پیدا کنند ازجمله کامپیوتر های اپتیکی.

پانویس[ویرایش]

  1. فوتونیک کریستال های دو بعدی یابلونویچ

منابع[ویرایش]

  • S. John, Phys. Rev. Lett. 58,2486 (1987), “Strong localization of photons in certain dielectric superlattices”
  • E. Yablonovitch, Phys. Rev. Lett. 58 2059 (1987), “Inhibited spontaneous emission in solid state physics and electronics”