WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. 1 Анизотропные фотонные кристаллы и микрорезонаторы на основе мезопористого кремния © О.А. Акципетров, Т.В. Долгова, И.В. Соболева, А.А. Федянин Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, 119992 Москва, Россия E-mail: fedyanin@shg.ru Разработана методика изготовления одномерных анизотропных фотонных кристаллов и микрорезонаторов на основе анизотропного пористого кремния с оптическим двулучепреломлением. Спектры коэффициентов отражения света демонстрируют наличие фотонной запрещенной зоны и разрешенной микрорезонаторной моды в центре фотонной зоны, спектральное положение которых изменяется при повороте образца вокруг своей нормали и / или вращении плоскости поляризации падающего излучения. Исследована зависимость величины сдвига спектрального положения краев фотонной запрещенной зоны и микрорезонаторной моды от ориентации вектора поляризации падающего электромагнитного излучения относительно оптической оси фотонных кристаллов и микрорезонаторов.

Работа выполнена при поддержке гранта ведущих научных школ (1604.2003.2) и программы „Университеты России“.

Интерес к созданию микроструктур с запрещенной ния [6,10] в растворе плавиковой кислоты и этилового фотонной зоной — фотонных кристаллов и микроре- спирта в пропорции 1 : 7. В обычных условиях кремний зонаторов [1] на основе кремния — обусловлен воз- устойчив к воздействию плавиковой кислоты. Однако можностью управлять оптическим откликом кремния, при приложении электрического напряжения происхоконтролируемо усиливать в определенном спектраль- дит электрохимическое травление с выделением SiF4 и ном диапазоне сечения фотолюминесценции [2] или водорода, в результате которого в приповерхностном рамановского рассеяния [3], а также увеличивать эф- слое монокристаллического кремния образуются углубфективность нелинейно-оптического отклика кремния, ления, которые затем развиваются в каналы-поры. Выденапример генерации второй [4] и третьей [5] гармоник. ляющийся в ходе реакции водород пассивирует боковые Прикладной интерес к фотонным кристаллам на основе стенки пор, оставляя активным только дно пор. Благодакремния связан с перспективой изготовления на их ря этому диаметр пор остается практически постоянным основе устройств современной фотоники и оптоэлек- на всей толщине образца. Плотность тока, текущетроники — оптических транзисторов, переключателей, го через поверхность кремния, определяет пористость мультиплексоров и т. д. В настоящее время разработаны кремния и соответственно его эффективный показатель методики изготовления одномерных (1D), двумерных преломления, а время травления определяет толщину (2D) и трехмерных (3D) фотонных кристаллов на осно- слоя пористого кремния. Таким образом, периодическое ве кремния, т. е. структур, обладающих периодичностью изменение параметров травления — плотности тока и диэлектрической проницаемости с периодом порядка времени травления каждого слоя — позволяет получать длины волны в видимой или инфракрасной частях спек- одномерные фотонные кристаллы и микрорезонаторы тра в одном, двух или трех направлениях. Одномерные со спектральными положениями фотонной запрещенной фотонные кристаллы (брэгговские зеркала) изготавли- зоны и разрешенной моды, определяемыми оптическими ваются из мезопористого кремния [6], двумерные фо- толщинами слоев. Для мезопористого кремния, получатонные кристаллы — из макропористого кремния [7], а емого из пластин высоколегированного кремния, размер трехмерные — на основе композитов опал–кремний [8]. пор составляет от 10 до 100 nm, при этом наибольшая Одной из задач в рамках этой проблематики является скорость травления и роста пор достигаются в направсоздание анизотропных фотонных кристаллов на основе лениях типа {100}, что приводит к направленному росту анизотропного мезопористого кремния, обладающего пор. В случае кремния с кристаллографической ориеноптическим двулучепреломлением [9]. тацией поверхности направления [100] и [010] лежат под Цель данной работы — создание одномерных фотон- углом 45 к поверхности. В этом случае поры также ных кристаллов и микрорезонаторов на основе анизо- ориентированы под углом 45 к поверхности, благодаря тропного мезопористого кремния и исследование зави- чему возникает анизотропия показателя преломления симости перестройки спектрального положения фотон- образца как в плоскости падения, так и в плоскости ной запрещенной зоны и микрорезонаторной моды от поверхности образца [11].

ориентации вектора поляризации относительно оптиче- Фотонные кристаллы состоят из 25 пар чередуюской оси образца. щихся слоев мезопористого кремния с эффективными Образцы изготовлены из высоколегированного крем- показателями преломления n1 = 1.39 и n2 = 1.58 и опния с ориентацией поверхности (110) с сопротивле- тической толщиной 0/4, где 0 = 800 nm совпадает с нием 50 m · cm методом электрохимического травле- центром фотонной запрещенной зоны при нормальном Анизотропные фотонные кристаллы и микрорезонаторы на основе мезопористого кремния том отражения порядка 0.85 в диапазоне длин волн 780-900 nm и микрорезонаторной моды на длине волны 0 = 830 nm для случая микрорезонатора. Кроме того, спектры демонстрируют сдвиг спектрального положения запрещенной зоны при изменении азимутального угла.

Наибольший сдвиг, составивший порядка 20 nm, наблюдается при повороте образца на 90.

На рис. 2 представлены спектры отражения света от микрорезонатора s- и p-поляризованного света. Спектры демонстрируют наличие фотонной запрещенной зоны и микрорезонаторной моды для обеих поляризаций.

Наблюдается изменение спектрального положения микрорезонаторной моды при смене поляризации падающего излучения, причем величина сдвига превышает Рис. 1. Спектры отражения s-поляризованного излучения от фотонного кристалла (a) и микрорезонатора (b), измеренные при угле падения 20 при значениях азимутального угла поворота образца = 0 (светлые кружки) и = 90 (темные Рис. 2. Спектры отражения p- (светлые кружки) и s-полякружки).

ризованного (темные кружки) излучения от микрорезонатора, измеренные при угле падения 20 при значении азимутального угла поворота образца = 0.

падении света. Пористости слоев составляют порядка 0.7 и 0.8. Микрорезонаторы состоят из двух фотонных кристаллов, каждый из которых образован двенадцатью парами слоев мезопористого кремния, разделенных микрорезонаторным слоем с оптической толщиной 0/2.

Аппроксимация спектров отражения одиночных слоев анизотропного мезопористого кремния позволила определить величину анизотропии показателей преломления, составившую n1 = 0.07 и n2 = 0.08 на длине волны 800 nm.

На рис. 1 представлены спектры отражения s-поляризованного света от фотонного кристалла (рис. 1, a) и микрорезонатора (рис. 1, b), измеренные при угле падения 20 для двух значений азимутального угла поворота образца, задающего угол между плоскостью падения и плоскостью (001). Спектры коэффициента отражения демонстрируют наличие фотонной запрещенной зоны с коэффициентом отражения порядка 0.9 в диапазоне длин Рис. 3. Зависимость величины относительного спектрального волн 770-850 nm для фотонного кристалла, а также сдвига микрорезонаторных мод / (см. в тексте) от азимуналичие фотонной запрещенной зоны с коэффициен- тального угла поворота микрорезонатора. Угол падения 20.

Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. 152 О.А. Акципетров, Т.В. Долгова, И.В. Соболева, А.А. Федянин полуширину моды. Для случая p-поляризованного излучения и больших углов падения (порядка 55) сдвиг микрорезонаторной моды увеличился до 30 nm.

Другим проявлением анизотропии является наличие спектрального сдвига микрорезонаторной моды при изменении поляризации входного излучения. На рис. 3 представлена зависимость величины спектрального сдвига микрорезонаторных мод, измеренных при s- и p-поляризации падающего излучения, = p - s, отнесенной к полуширине моды, от азимутального угла поворота микрорезонатора, измеренная при угле падения 20. Зависимость имеет два максимума — при = 0 и 180 и два минимума — при = и 270. При значениях азимутального угла = 45, 135, 225 и 315 спектральные положения мод для s- и p-поляризованных излучений совпадают.

Таким образом, изготовлены одномерные фотонные кристаллы и микрорезонаторы на основе анизотропного мезопористого кремния. Спектры их коэффициентов отражения демонстрируют наличие фотонной запрещенной зоны и разрешенной микрорезонаторной моды, перестраиваемых по длине волны при повороте образца вокруг нормали. Исследована зависимость величины сдвига спектрального положения моды от параметров, определяющих взаимную ориентацию вектора поляризации электромагнитного поля и оптической оси фотонного кристалла — угла падения излучения, угла азимутального поворота образца и от угла поворота плоскости поляризации падающего света.

Список литературы [1] K. Sakoda. Optical Properties of Photonic Crystals. Springer (2001).

[2] V. Pellegrini, A. Tredicucci, C. Mazzoleni, L. Pavesi. Phys.

Rev. B 52, R14328 (1995).

[3] L.A. Kuzik, V.A. Yakovlev, G. Mattei. Appl. Phys. Lett. 75, 1830 (1999).

[4] T.V. Dolgova, A.I. Maidykovski, M.G. Martemyanov, A.A. Fedyanin, O.A. Aktsipetrov, G. Marowsky, V.A. Yakovlev, G. Mattei. Appl. Phys. Lett. 81, 2725 (2002).

[5] Т.В. Долгова, А.И. Майдыковский, М.Г. Мартемьянов, А.А. Федянин, О.А. Акципетров. Письма в ЖЭТФ 75, (2002).

[6] O. Bisi, S. Ossicini, L. Pavesi. Surf. Sci. Rep. 38, 1 (2000).

[7] S.W. Leonard, J.P. Mondia, H.M. van Driel, O. Toader, S. John, K. Busch, A. Birner, U. Gsele, V. Lehmann. Phys. Rev. B 61, R2389 (2000).

[8] В.Г. Голубев, В.А. Кособукин, Д.А. Курдюков, А.В. Медведев, А.Б. Певцов. ФТП 35, 710 (2001).

[9] P.K. Kashkarov, L.A. Golovan, A.B. Fedotov, A.I. Efimova, L.P. Kuznetsova, V.Yu. Timoshenko, D.A. Sidorov-Biryukov, A.M. Zheltikov, J.W. Haus. J. Opt. Soc. Am. B 19, (2002).

[10] W. Theiss. Surf. Sci. Rep. 29, 91 (1997).

[11] D. Kovalev, G. Polisski, J. Diener, H. Heckler, N. Kunzner, V.Yu. Timoshenko, F. Koch. Appl. Phys. Lett. 78, 916 (2001).

Физика твердого тела, 2005, том 47, вып.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.