نانوفوتونیک: بلور های فوتونیک دو بعدی

نانوفوتونیک: بلور های فوتونیک دو بعدی – ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه برق – الکترونیک

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات

نانوفوتونیک: بلور های فوتونیک دو بعدی

نانوفوتونیک

بلور های فوتونیک دو بعدی: بلوک های اصلی برای فن آوری فوتونیک مستوی جامع

فصلی از کتاب فوتونیک

ساخت: یک دیدگاه فنی مستوی

یکی از مزیت های عمده مدارهای مجتمع فوتونیک بر مبنای ۲DPC رویه ساخت آنها می باشد که در انطباق با دیدگاه فناوری مستوی (مسطح)، مشابه با دنیای میکروالکترونیک یا ریز الکترونیک سیلیکونی است. بدون فدا نمودن کلیت، نتایج ارائه شده در بخش های ذیل عمدتا در ارتباط با غشاهای InP، چه به صورت معلق در هوا، یا به صورت متصل به سیلیکا بر روی یک سوبسترا / زیر لایه سیلیکونی، می باشد.

این دیدگاه تکنولوژیکی چشم اندازهای نوید بخشی را برای جامعیت همگون ابزاره های آپتوالکترونیک بر مبنای نیمه رساناهای ترکیبی III-V با مدارهای ریز الکترونیک سیلیکونی فراروی ما قرار می دهد. این ابزاره ها برای کاربرد در طول موج InP و مواد منطبق با آن، در محدوده ۵/۱ µm، مطلوب هستند.

۲DPC تشکیل شده در یک غشای InP بصورت معلق در هوا

ساختار ناهمگون معلق به صورت هم بافته بر روی یک زیر لایه / سوبسترای InP نیمه عایق قرار می گیرد. این سیستم شامل یک لایه InP «هادی» همراه با ضخامت نوری نیم- طول موج (در حدود ۲۵۰ nm) می باشد و ممکن است شامل لایه های فعال برای انتشار یا تشخیص (به طور مثال چاه های کوانتومی InAsP یا لایه های جعبه کوانتومی مبتنی بر InAsP) قرار گرفته در سطح میانی لایه InP، باشد. لایه InP بر روی یک لایه فدا شونده InGaAs تشکیل می شود، که به منظور معلق سازی ماده اولی حذف شده و در نهایت یک گاف هوایی یک چهارم – طول موج را باقی می گذارد: حذف لایه فدا شونده از طریق بکارگیری یک پوش میکروماشین کاری سطح حکاکی مرطوب حاصل می گردد. ضخامت لایه فدا شونده و لایه هادی به گونه ای انتخاب می شوند تا آنکه جفت شدگی لایه فعال با مود موجبر TE اصلی (عملیات تک مود) به حداکثر رسد و از جفت شدگی مستقیم به حالت های تابشی جلوگیری به عمل آید. ساختارهای ناهمگون با لایه های جعبه کوانتوم فراهم آورنده یک سری از ویژگی های قابل توجه می باشند، مخصوصا جذب ضعیف نور هدایت شده همراه با یک محدوده طیف انتشار گسترده در دمای اتاق (LET 01): این ویژگی ها به ما اجازه بررسی خواص کیفی ۲DPC در یک محدوده طیفی گسترده (۱,۲۵۰–۱، ۶۵۰nm) را خواهد داد.

نانوفوتونیک: بلور های فوتونیک دو بعدی

بلور فوتونی  با استفاده از لیتوگرافی پرتوی الکترونی ساخته می شود، که مراحل فناوری آن به تفصیل در مقاله Pottier و همکاران ۱۹۹۹ تشریح شده است. پارامتر شبکه ۲DPC مثلثی در حدود ۵۰۰nm می باشد و ضریب تامین حفره ها در محدوده ۳۵/۰ الی ۵/۰ قرار دارد.

۲DPC تشکیل شده در یک غشای InP دارای پیوند با سیلیکا بر روی سیلیکون به وسیله پیوند مولکولی

این ساختار ناهمگون مشابه با ساختاری است که در بالا تشریح شده است. زیر لایه InP، شامل این ساختار ناهمگون، به وسیله فرآیند پیوند مولکولی SiO₂-SiO₂  متصل شده است (برای تشریح فرآیند مربوطه به MON 01 انجام شده در CEA-LETI رجوع شود): یک دید شماتیکی از مراحل فناوری به صورت پیوسته در شکل ۱ ارائه شده است، که همچنین نشان دهنده تصویری از یک غشای InP با پیوند ویفر به صورت کامل می باشد.

نقص موضعی در PBG یا زیرکاواک

مفهوم نقص های موضعی یا زیر کاواک ها به تفصیل در بخش های مربوطه مختص ۱DPC ارائه گردیده و مورد آنالیز قرار می گیرد (ایده ای که به خوبی در موجبر دی الکتریک مستوی شکل گرفته است)، که احتمال تعمیم آن به مورد ۲DPC، نیز وجود دارد. یک توقف یا وقفه موضعی در شبکه دوره ای به وجود آورنده نقصی خواهد بود که رفتاری همانند یک زیرکاواک را خواهد داشت، که احتمال به تله انداختن یا متمرکز سازی فوتون ها در فضا را خواهد داشت و ممکن است سبب ایجاد وضعیت های متمرکز، در محدوده انرژی PBG، شود.

شایع ترین نقص ها یا زیرکاواک های بررسی شده به وسیله حذف تعداد خاصی از حفره ها در شبکه متناوب حاصل خواهد شد، نظیر مورد خاص کاواک های شش ضلعی نوع H_n، که در اینجا n معرف تعداد ردیف های اتلافی  در کناره شش گوش می باشد.

مورد کاواک H₂ در شکل ۳ رائه شده است: سطوح انرژی حالت های متمرکز در PBG (ناحیه سفید) یا مود های کاواک، به عنوان تابع ضریب تامین حفره محاسبه شده است (مدل سازی «موج مستوی» در Montpellier– GES: (MON 03) )؛ نقاط تجربی از برآوردهای فوتولومینسانس حاصل آمده است. توزیع میدان مغناطیس دو نوع از مودهای کاواک (مود «whispering gallery» در سمت چپ، مود عرضی در سمت راست) نیز مشخص شده است (شبیه سازی FDTD).

نانوفوتونیک: بلور های فوتونیک دو بعدی

ساختارهای موجبر

عملیات موجبرهای نوری کلاسیک بر مبنای پدیده شکست نور می باشد: وجود مودهای موجبر از طریق فرآیندهای مجموع بازتاب داخلی امکان پذیر خواهد بود که در کرانه بین ناحیه هادی و دنیای بیرون رخ می دهد، بنابراین سبب محدود شدن مودهای نوری می شود که ویژگی های پراکندگی آن در زیر سطح خط نور، همان گونه که در بخش مرتبط مشخص شده است، قرار می گیرد. ساختارهای هادی با استفاده از بلور های فوتونیک بر مبنای پدیده شکست می باشند که می توان از مزیت آن در فوتون های کانال، داخل یک ناحیه که در آن وجود مودها ممنوع نباشد، به کار گرفت.

اتلاف های انتشار در یک موجبر مستقیم

خوانندگان بر این نکته واقف می باشند که مختصات پراکندگی به طور نسبی بالای خط – نور (در داخل مخروط نور، ناحیه خاکستری در شکل ۶) قرار گرفته ، که خود موکد آن است که مودهای هدایت شده ممکن است در این شرایط با پیوستار تابشی مزدوج شده و به طور طبیعی منجر به بروز اتلاف های انتشار شوند: مودهای موجبر بر این مبنا تحت عنوان مودهای پر اتلاف خوانده می شوند. چنین موردی متمایز از مودهای نوری می باشد که در زیر خط – نور مقید شده اند، که خود به صورت تئوریکی می تواند بدون هر گونه اتلافی انتشار یابند. این مورد بر این مبنا می تواند مرتبط با ساختارهای طراحی باشد که در آن فضای کافی جهت مودهای موجبر «سریع»، همراه با سرعت گروه بزرگ، زیر خط – نور، فراهم می باشد. موجبر ساده W₁ چندان در این زمینه متناسب نمی باشد. یک ارتقای احتمالی در شکل ۷ نشان داده شده است که معرف موجبر اصلاح شده W₁ می باشد: این مورد شامل ردیفی از سوراخ های شیفت شده، در داخل هسته منطقه راهنما می باشد. این مورد سبب کاهش شاخص موثر مودهای موجبر می گردد و موجب افزایش انرژی آنها و همچنین شیب مختصات پراکندگی زیر خط – نور می شود، که خود منجر به تغییر مود اصلی سریع زیر خط – نور (GRI 03) خواهد شد.

نانوفوتونیک: بلور های فوتونیک دو بعدی

آینده موجبرهای مبتنی بر – PC و وابستگی اصولی به هدایت نور

موجبرهای مبتنی بر – ۲DPC به طور کلی چندان تناسبی جهت انتقال فوتون یا انتقال نوری اطلاعات ندارند: بر این مبنا بهتر است تا کاربرد آنها را برای فرآوری های «هوشمندانه» سیگنال های نوری محدود سازیم. البته نباید فراموش نمود که سیستم هادی شکل گرفته در یک ۲DPC خود به عنوان یک ساختار تناوبی تک بعدی به شمار می آید که عملکردی همانند یک ۱DPC دارد: بنابراین، توصیه می شود تا قابلیت بهره گیری از توانایی های طبیعی بلورهای فوتونی که اجازه کنترل دقیق سینتیک فوتون ها را می دهند وجود داشته باشد، موردی که مرتبط با کارایی آنها در خصوص تعدیل و به تله اندازی در یک فضای بسیار محدود برای زمان قابل توجهی می باشد. بر این مبنا ترجیحا از موجبرهای مبتنی بر – ۲DPC استفاده می شود، آن هم تحت شرایطی که آنها به عنوان حامل های ناکارای نور بحساب می آیند، یعنی در نقاط عملیاتی مختصات پراکندگی آنها، که سرعت گروهی آنها محدود شده است، مخصوصا در امتداد نواحی اکستریم.

انتقال انتخابی طول موج بین دو موجبر

مولتی پلکسینگ تقسیم طول موج امروزه به عنوان یک سیستم فعال کننده قدرتمند برای انتقال نوری و فرآوری اطلاعات، مخصوصا برای سیستم های کاربردی ارتباطات از راه دور، به شمار می آید. این دیدگاه همچنین به معنای کنار گذاشتن محدودیت های بیشماری است که غالبا ممکن است در سیستم های میکروالکترونیک با آن روبرو باشیم آن هم از طریق باز نمودن راهی که تحت عنوان سیستم های روچیپه (On Chip) خوانده می شوند، که ترکیبی از میکروالکترونیک و مدارهای مجتمع میکروفوتونیک هستند. بر این مبنا، تابع مالتی پلکسینگ- دی مالتی پلکسینگ، که شامل اضافه نمودن یا انداختن از یک طول موج انتخابی موجبر می باشد، به عنوان یک جزء الزامی پردازش سیگنال نوری به شمار می آید.

نانوفوتونیک: بلور های فوتونیک دو بعدی

میکرولیزرها (ریز لیزرها)

عملیات یک لیزر بر مبنای تعامل بین یک نور فعال ساطع شده از یک رسانه و مودهای نوری یک ساختار فوتونی می باشد که جهت ارتقای تزویج دوسویه ارتقا یافته اند: هدف حاصل آوردن یک چگالی آستانه فوتون ها در رسانه فعال می باشد، که قابلیت سازگاری و چسبیدگی کامل با یکدیگر را داشته باشد پدیده ای که تحت عنوان گسیل القایی جهت فایق آمدن بر گسیل همزمان به هم چسبیده ضعیف در یک رسانه فعال را خواهد داشت. هدف کلی طراحی یک ساختار فوتونی به روشی می باشد که قابلیت مقید سازی مودهای نوری در داخل فضای اشغال شده به وسیله یک رسانه فعال وجود داشته باشد. خوانندگان بر این موضوع واقف هستند که کیفیت های ذاتی بلورهای فوتون، که در بخش های قبلی تحلیل شد، این موارد را به عنوان پارامترهای ایده آل برای حاصل آوردن تابع مقید سازی فوتون به یک روشی کاملا متراکم تبدیل نموده است. حال اجازه دهید تا این مورد را به طور کلی تحت عنوان مقید سازی عرضی فوتون هایی که قابلیت حاصل آوردن آنها در یک ۲DPC وجود دارد مدنظر قرار دهیم، چه این حاصل آوردن از طریق به تله انداختن آنها در یک نقص موضعی باشد و چه بدین صورت باشد که ریز کاواک سبب ایجاد یک مود محلی در داخل یک گاف باند فوتونی شود یا از طریق کاهش آنها در یک مود بلاخ کند در یک اکستریم مختصات پراکندگی باشد. این دو دیدگاه ها منجر به ایجاد دو کلاس لیزر شده است، لیزرهای ریز کاواک و لیزرهای مود بلاخ. شکل ۱۴ نشان دهنده انواع مختلف لیزرها از نقطه نظر عملیاتی با توجه به ویژگی ها یا مختصات پراکندگی می باشد.

سخن آخر

گردش ما در دنیای بلورهای فوتونیک دو بعدی به انتها رسیده است. با این وجود تنها بخشی از سرزمین گسترده ای که ۲DPC عرضه داشته است را مورد بررسی قرار داده ایم، اگر چه محدودیت هایی در خصوص موارد دو بعدی نیز در کار بوده است. مثال آخری که در بخش قبلی ارائه شده است (لیزر ساطع کننده سطحی) محدوده گسترده تری از فرصت ها را در اختیار ما قرار می دهد که به هنگام حرکت به سمت استفاده از بعد سوم ۲DPC قابل توجه خواهد بود. ما به طور خلاصه این دستاوردهای جدید را در قسمت آخر این فصل عرضه می نماییم.

به سمت ریز فوتون های ۵/۲ بعدی

مفاهیم کلی

ابزاره های فوتونی بر مبنای ۲DPC به طور کلی هدف ایجاد نکات اصلی علم فوتونیک مجتمع را دنبال نموده و به عنوان عملیات موجبر داخل صفحه ای طراحی شده اند. ما به یاد می آوریم که این ابزاره ها از نقطه نظر ساخت بسیار قابل توجه می باشند و طرح های فناوری آنها سازگار با دیدگاه های تکنولوژیکی مستوی / سطحی است. علاوه بر این به یاد می آوریم که کاربرد مدارهای مجتمع فوتونی بر مبنای ۲DPC ممکن است به طور عمیقی تحت تاثیر اتلاف های نوری باشند که خود نتیجه تزویج  انکساری  ناخواسته  مودهای موجبر  با  پیوستار  تابشی  می باشد.

این مشکل اتلاف های نوری، که به عنوان مانع عملیاتی در مدارهای مجتمع فوتونی دو بعدی مبتنی بر ۲DPC به شمار می آید، را می توان از دیدگاه های مختلفی مدنظر قرار داد: به جای سعی در مقید سازی  نور به طور کامل در داخل ساختارهای موجبر، ساختارهای دو بعدی را می توان به صورت آگاهانه در ابعاد فضای ثالث، از طریق کنترل تزویج بین مودهای موجبری و تابشی، بکار گرفت. در این دیدگاه، بهره برداری از توان نوری از طریق به کارگیری دقیق تابش نوری در فضای آزاد میسر خواهد شد.

میکرو- لیزر / ریز لیزر ساطع کننده سطحی  به عنوان یکی از مثال های این دیدگاه به شمار می آید: تزویج بین مودهای موجبری و مودهای تابشی نیز مجاز تلقی می گردد، اما میزان آن می بایست به دقت کنترل شود تا اجازه گسیل عمودی و در عین حال حفظ قدرت رزونانس حاصل آید و از این طریق حصول توان آستانه ای ضعیف تامین گردد. این راهکار ساده منتج به رهایی یک ابزاره فوتونی از جهان دو بعدی می شود.

کاربردها

این موضوع آشکار می باشد که بهره برداری از بعد سوم می بایست به میزان قابل توجهی قابلیت تعمیم حوزه فوتونیک جامع را به وجود آورد. علاوه بر آزمایشات انجام شده با میکرولیزرهای ساطع کننده سطحی که در بالا ذکر شد، دیگر نتایج قابل توجه نیز اخیرا انتشار یافته اند: آنها علی الخصوص در ارتباط با استفاده از واکنش غیر خطی یک ۲DPC می باشند که سبب توانایی بکار گیری رزونانس های Fano شده و راه جدیدی را برای کلاس های نوین ابزاره های فشرده، برای مسیریابی نوری کامل و احیای سیگنال (RAI 03)  در اختیار ما قرار می دهند.

نانوفوتونیک: بلور های فوتونیک دو بعدی

نتیجه گیری

جریان نوآوری از اواخر دهه ۱۹۸۰ که با ارائه مفهوم بلور فوتونی (YAB 87؛ JOH 87) عرضه شد هنوز نیز نسبتا کند می باشد، اما بدون هیچ شکی در آینده سرعت گرفته و سرعت آن تا اندازه ای خواهد بود که فراتر از درک کنونی ما می باشد: این سیستم به سادگی جهت گسترش میدان نوری به فضای سه بعدی، که دارای محدودیت نسبی بوده است، پیشنهاد شد. با این حال با توجه به دستاوردهای بسیار موفقیت آمیز آن برای دنیای تک بعدی ساختارهای نوری چند لایه قابلیت بالای آن محرز گردید. هم اکنون این موضوع مشخص شده است که ظهور فن آوری میکرو فوتونیک سه بعدی بر مبنای ۲DPC-کامل با تاخیر قابل توجهی روبرو گردیده است که علت آن محدودیت های فن آوری می باشد. ما امیدواریم که خوانندگان متقاعد شده باشند که از طرف دیگر ۲DPC به طور کامل در فرآیند نوآوری درگیر شده و آنکه ما در حال تجربه یک نوآوری و انقلاب میکرو فوتونیک کامل می باشیم. ما نشان دادیم که ۲DPC برای یکپارچه سازی میکرو فوتونی دو بعدی بسیار نوید دهنده می باشد. با این حال، قبل از آنکه ابزارهای ۲DPC به طور کامل جامعیت مطلوب خود در دنیای آبتو الکترونیک را حاصل آورند کارهای زیادی را  مخصوصا در ارتباط با راه حل های مورد نیاز جهت کنترل اتلاف های نوری تابشی می بایست انجام داد. با توجه به موردی که تحت عنوان فن آوری میکرو فوتونیک ۵/۲ بعدی خوانده می شود، که در آن ۲DPC یک بعد سوم از فضا را فراروی ما قرار می دهد، ما قابلیت مشاهده چشم اندازهای متقاعد کننده ای در خصوص قابلیت های آنها در کوتاه مدت را خواهیم داشت و بر این مبنا محدوده گسترده ای از ادوات فوتونی (سیستم های کاربردی کیلر- killer) در ترکیب با تکامل، قدرت تفکیک فضایی (زاویه ای) و طیفی، حاصل آمده و رویه ساخت آنها نیز بر مبنای استانداردهای فناوری سطحی، که در دنیای میکروالکترونیک پارامتر آشنایی به شمار می آید، ارتقا خواهد یافت.

این موضوع به نظر می رسد که افزایش خط سیر ارتقای بلورهای فوتونیک در آینده دراز مدت متوقف نخواهد شد، البته به شرط آنکه ادوات کافی برای ادامه سیر ترقی آنها موجود باشند. بر این مبنا، تنگناهایی هنوز موجود می باشند که می بایست آنها را برطرف نمود و علاوه بر این تحقیقات و توسعه های مرتبط را نیز باید برای کسب این هدف دنبال کرد: این مورد برای مدل سازی و طراحی ویژگی های (مخصوصا سه بعدی)، مربوطه بر مبنای کسب قابلیت های کارا و سرعت بالای آن تداوم خواهد داشت. محدودیت های فناوری، که در ارتباط با لزوم کنترل اندازه ابزاره ها در مقیاس نانومتر می باشد، به زودی قابل حل نمی باشند. از نقطه نظر متعاقب، می بایست اذعان داشت که ما حقیقتا باید بر روی علم نانو فوتونیک تمرکز داشته و وارد این عرصه شویم.

نانوفوتونیک: بلور های فوتونیک دو بعدی