Фонон-поляритондар: жаңа толқындық режим, электроника мен фотониканы байланыстырады. ТГц жиілікте жылдам сигналдарды өңдеуге және спектроскопияға арналған.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Фонондар мен поляритондар моделі
Model of phonons polaritons
Поляритоника – фотоника мен субмикротолқындық электроника арасындағы аралық режим (1-суретті қараңыз). Бұл режимде сигналдар ток немесе фотондар емес, фонондық поляритондар деп аталатын электромагниттік және кристалдық тербеліс толқындарының қоспасы арқылы тасымалданады. Фонондық поляритондар жүздеген гигагерцтен бірнеше терагерцке дейінгі жиіліктермен таратылатындықтан, поляритоника электроника мен фотоника арасындағы қашықтықты қысқартады. Поляритоникаға түрткіс беретін маңызды фактор – жоғары жылдамдықты сигналды өңдеуге және сызықтық және сызықсыз терагерц спектроскопиясына қажеттілік. Поляритоника электроникаға, фотоникаға және дәстүрлі терагерц спектроскопиясына қарағанда ерекше артықшылықтарға ие, себебі ол терагерц толқындарын жасау, бағыттау, манипуляциялау және оқу мүмкіндігін қамтамасыз ететін толық интеграцияланған платформаның потенциалын ұсынады, бәрі бір материалда. Поляритоника, электроника және фотоника сияқты, үш элементті қажет етеді: берік толқын пішінін жасау, анықтау және бағыттау мен басқару. Осы үш элемент болмаса, поляритоника тек фонон поляритондарына дейін кемітіледі, ал электроника мен фотоника тек электромагниттік сәулеленуге дейін кемітіледі. Бұл үш элемент құрылғының электроника мен фотоникаға ұқсас функционалдығын қамтамасыз ету үшін біріктірілуі мүмкін.
Polaritonics is an intermediate regime between photonics and sub microwave electronics (see Fig. 1). In this regime, signals are carried by an admixture of electromagnetic and lattice vibrational waves known as phonon polaritons, rather than currents or photons. Since phonon polaritons propagate with frequencies in the range of hundreds of gigahertz to several terahertz, polaritonics bridges the gap between electronics and photonics. A compelling motivation for polaritonics is the demand for high speed signal processing and linear and nonlinear terahertz spectroscopy. Polaritonics has distinct advantages over electronics, photonics, and traditional terahertz spectroscopy in that it offers the potential for a fully integrated platform that supports terahertz wave generation, guidance, manipulation, and readout in a single patterned material. Polaritonics, like electronics and photonics, requires three elements: robust waveform generation, detection, and guidance and control. Without all three, polaritonics would be reduced to just phonon polaritons, just as electronics and photonics would be reduced to just electromagnetic radiation. These three elements can be combined to enable device functionality similar to that in electronics and photonics.
Үлгі
Поляритондық құрылғылардың жұмыс істеу принципін түсіндіру үшін, 2-суретті (оң жақта) қарастырайық. Кристаллдың жоғарғы сол және төменгі оң жағындағы фонон-поляритондарды тудыратын оптикалық қозу импульстері кристалл бетіне перпендикуляр (сурет бетіне қарай) еніп түседі. Нәтижесінде пайда болатын фонон-поляритондар қоздыру аймақтарынан жанындағы кеңістікке қарай таралады. Толқын жетектеріне енуді шағылыстырып, шоғырландыратын құрылымдар жеңілдетеді. Фонон-поляритондар кристаллға ойылған терагерцтік толқын жетектері арқылы схема бойынша бағытталады. Схеманың жұмыс істеуі интерферометрлік құрылымда (жоғарғы бөлігінде) және схеманың төменгі бөлігіндегі біріктірілген толқын жетекші құрылымында қамтамасыз етіледі. Соңғысы біріктірілген толқын жетекшісі үшін екі тұрақты күйді қамтамасыз ететін ақаулықпен (сары түспен белгіленген) фотондық жолақтық аралық құрылымын пайдаланады.
To illustrate the functionality of polaritonic devices, consider the hypothetical circuit in Fig. 2 (right). The optical excitation pulses that generate phonon polaritons, in the top left and bottom right of the crystal, enter normal to the crystal face (into the page). The resulting phonon polaritons will travel laterally away from the excitation regions. Entrance into the waveguides is facilitated by reflective and focusing structures. Phonon polaritons are guided through the circuit by terahertz waveguides carved into the crystal. Circuit functionality resides in the interferometer structure at the top and the coupled waveguide structure at the bottom of the circuit. The latter employs a photonic bandgap structure with a defect (yellow) that could provide bistability for the coupled waveguide.
Толқын пішінін жасау
Фероэлектрлік кристаллдарда туындаған фонондық поляритондар, ферроэлектрлік кристаллдардың жоғары диэлектрлік тұрақтылығына байланысты, қоздыру импульсіне шамамен көлденең бағытта таралады, бұл фонондық поляритондарды оларды тудырған қоздыру импульстерінен оңай бөліп алуға мүмкіндік береді. Сондықтан фонондық поляритондар тікелей байқауға, сондай-ақ когерентті түрлендіруге қолжетімді, олар қоздыру аймағынан кристалдың басқа бөліктеріне жылжығанда. Көлденең таралу, генерация мен таралу бір кристалда жүзеге асатын поляритондық платформа үшін аса маңызды. Черенков сәулеленуі сияқты терагерцтік толқынға жауапты толық қарастыру, көптеген жағдайларда ескерілуі тиіс алға қарай таралу компонентінің бар екенін көрсетеді.
Phonon polaritons generated in ferroelectric crystals propagate nearly laterally to the excitation pulse due to the high dielectric constants of ferroelectric crystals, facilitating easy separation of phonon polaritons from the excitation pulses that generated them. Phonon polaritons are therefore available for direct observation, as well as coherent manipulation, as they move from the excitation region into other parts of the crystal. Lateral propagation is paramount to a polaritonic platform in which generation and propagation take place in a single crystal. A full treatment of the Cherenkov radiation like terahertz wave response reveals that in general, there is also a forward propagation component that must be considered in many cases.
Сигналды анықтау
Фонон-поляритонның таралуын тікелей бақылау нақты кеңістікте бейнелеу арқылы мүмкін болды, онда фонон-поляритонның кеңістіктік және уақыттық профильдері Тэлбот фазасын амплитудаға түрлендіру арқылы CCD камерасына бейнеленеді. Бұл өзіндік ерекше жетістік болды. Электр-магниттік толқындарды су бетіне түскен тас салдарынан пайда болатын көлдегі толқындар сияқты тікелей бейнелеу алғаш рет осылай жүзеге асты (3-суретті қараңыз). Поляритоникада нақты кеңістікте бейнелеу – басым детекциялау әдісі, алайда басқа дәстүрлі әдістер де бар, мысалы, оптикалық Керр қақпасы, уақыт бойынша ажыратылатын дифракция, интерферометриялық зондтау және терагерцтік өріс тудырған екінші гармоникалық генерация, олар нақты кеңістікте бейнелеуді қолдану қиын болған жағдайларда пайдалы. Мысалы, ондаған микрометрге жуық өлшемдері бар құрылымды материалдар бейнелеу жарығының паразиттік шашырауына себеп болуы мүмкін. Сонда фонон-поляритонды анықтау үшін бұрын аталған дәстүрлі зондты кристаллдың зақымдалмаған аймағына бағыттау қажет.
Direct observation of phonon polariton propagation was made possible by real space imaging, in which the spatial and temporal profiles of phonon polaritons are imaged onto a CCD camera using Talbot phase to amplitude conversion. This by itself was an extraordinary breakthrough. It was the first time that electromagnetic waves were imaged directly, appearing much like ripples in a pond when a rock plummets through the water's surface (see Fig. 3). Real space imaging is the preferred detection technique in polaritonics, though other more conventional techniques like optical Kerr gating, time resolved diffraction, interferometric probing, and terahertz field induced second harmonic generation are useful in some applications where real space imaging is not easily employed. For example, patterned materials with feature sizes on the order of a few tens of micrometres cause parasitic scattering of the imaging light. Phonon polariton detection is then only possible by focusing a more conventional probe, like those mentioned before, into an unblemished region of the crystal.
Бағыттау және бақылау
Поляритониканың соңғы қажетті элементі – басқару және бағыттау. Кристалл жазықтығына параллель толық көлденең таралу, фонон поляритон толқынының ұзындығына шамалас қалыңдығы бар кристалдарда фонон поляритондарды тудыру арқылы қол жеткізіледі. Бұл таралуды қол жетімді жалақ толқын жетектерінің бірі немесе бірнеше режимінде жүргізуге мәжбүрлейді. Дегенмен, осы режимдердегі дисперсия көлемді таралудан күрт өзгеше болуы мүмкін, сондықтан оны пайдалану үшін дисперсияны түсіну қажет. Фонон поляритон таралуын басқару және бағыттау, сондай-ақ бағытталған толқын, шағылыстыратын, дифракциялық және дисперсиялық элементтер, сондай-ақ тікелей негізгі кристалға енгізілетін фотоникалық және тиімді индекс кристалдары арқылы да жүзеге асырылуы мүмкін. Алайда, литий ниобаты, литий танталаты және басқа да перовскиттер стандартты материалды өңдеу техникаларына төзімді емес. Шындығында, тіпті аз ғана сәттілікке қол жеткізген жалғыз реагент – гидрофтор қышқылы (HF), ол баяу және негізінен кристаллдың оптикалық осі бағытында өңдейді.
The last element requisite to polaritonics is guidance and control. Complete lateral propagation parallel to the crystal plane is achieved by generating phonon polaritons in crystals of thickness on the order of the phonon polariton wavelength. This forces propagation to take place in one or more of the available slab waveguide modes. However, dispersion in these modes can be radically different from that in bulk propagation, and in order to exploit this, the dispersion must be understood. Control and guidance of phonon polariton propagation may also be achieved by guided wave, reflective, diffractive, and dispersive elements, as well as photonic and effective index crystals that can be integrated directly into the host crystal. However, lithium niobate, lithium tantalate, and other perovskites are impermeable to the standard techniques of material patterning. In fact, the only etchant known to be even marginally successful is hydrofluoric acid (HF), which etches slowly and predominantly in the direction of the crystal optic axis.
Лазерлік микроөңдеу
Фемтосекундтық лазерлік микроөңдеу, құрылғыларды жасау үшін фемтосекундтық лазерлік сәулесінің фокус аймағы арқылы бағыттау арқылы ферроэлектрлік кристалдарға "ауа" тесіктерін және/немесе ойыстарды ойып жасау үшін қолданылады. Фемтосекундтық лазерлік микроөңдеудің кең ауқымды материалдар үшін артықшылықтары жақсы сипатталған. Қысқасы, көп фотондық қозу арқылы сәуле фокусында еркін электрондар пайда болады. Фемтосекундтық лазерлік импульстің максималды қарқындылығы, ұзақ импульстік немесе үздіксіз толқынды лазерлерге қарағанда бірнеше есе жоғары болғандықтан, электрондар жылдам қозады, қыздырылып кванттық плазма құрайды. Атап айтқанда, диэлектрлік материалдарда плазманың тудырған электростатикалық тұрақсыздығы қалған тор иондарының шығарылуына және осылайша материалдың абляциялануына әкеледі, нәтижесінде лазерлік фокус аймағында материалдық бос кеңістік пайда болады. Сонымен қатар, импульс ұзақтығы және абляция уақыты термалдану уақытынан әлдеқайда жылдам болғандықтан, фемтосекундтық лазерлік микроөңдеу, жоспарланған зақымдалған аймаққа жақын аймақтарда жарылу және еру сияқты жылу әсерінен туындайтын жағымсыз әсерлерге ұшырамайды.
Femtosecond laser micromachining is used for device fabrication by milling 'air' holes and/or troughs into ferroelectric crystals by directing them through the focus region of a femtosecond laser beam. The advantages of femtosecond laser micromachining for a wide range of materials have been well documented. In brief, free electrons are created within the beam focus through multiphoton excitation. Because the peak intensity of a femtosecond laser pulse is many orders of magnitude higher than that from longer pulse or continuous wave lasers, the electrons are rapidly excited, heated to form a quantum plasma. Particularly in dielectric materials, the electrostatic instability, induced by the plasma, of the remaining lattice ions results in ejection of these ions and hence ablation of the material, leaving a material void in the laser focus region. Also, since the pulse duration and ablation time scales are much faster than the thermalization time, femtosecond laser micromachining does not suffer from the adverse effects of a heat affected zone, like cracking and melting in regions neighboring the intended damage region.
Сыртқы сілтемелер
Дэвид У. Уорд: Поляритоника: электроника мен фотоника арасындағы орталық режим, Ph. D. диссертациясы, Массачусетс технология институты, 2005. Бұл мақаланың басты дереккөзі.
David W. Ward: Polaritonics: An Intermediate Regime between Electronics and Photonics, Ph. D. Thesis, Massachusetts Institute of Technology, 2005. This is the main reference for this article.