Введение
Модель фононов-поляритонов
Поларитоника – это промежуточный режим между фотоникой и субмикроволновой электроникой (см. рис. 1). В этом режиме сигналы переносятся смесью электромагнитных и колебательных волн решетки, известных как фононные поляритоны, а не токами или фотонами. Поскольку фононные поляритоны распространяются с частотами в диапазоне от сотен гигагерц до нескольких терагерц, поларитоника объединяет электронику и фотонику. Веским стимулом для развития поларитоники является потребность в высокоскоростной обработке сигналов, а также в линейной и нелинейной терагерцовой спектроскопии. Поларитоника обладает отличительными преимуществами перед электроникой, фотоникой и традиционной терагерцовой спектроскопией, заключающимися в потенциальной возможности создания полностью интегрированной платформы, поддерживающей генерацию, направленное распространение, манипулирование и детектирование терагерцовых волн в одном материале с заданным рисунком. Как и электроника и фотоника, поларитоника требует трех основных элементов: надежной генерации формы сигнала, детектирования, а также направленного распространения и управления. Без всех трех элементов поларитоника сведется лишь к фононным поляритонам, подобно тому, как электроника и фотоника сведутся лишь к электромагнитному излучению. Объединение этих трех элементов позволяет реализовать функциональность устройств, аналогичную функциональности в электронике и фотонике.
Иллюстрация
Для иллюстрации функциональности поляритонных устройств рассмотрим гипотетическую схему на рис. 2 (справа). Импульсы оптического возбуждения, генерирующие фононные поляритоны, в верхней левой и нижней правой части кристалла, входят перпендикулярно кристаллической поверхности (внутрь страницы). Образующиеся фононные поляритоны распространяются в стороны от областей возбуждения. Вход в волноводы облегчают отражающие и фокусирующие структуры. Фононные поляритоны направляются по цепи терагерцовыми волноводами, сформированными в кристалле. Функциональность схемы определяется структурой интерферометра в верхней части и структурой связанных волноводов в нижней части схемы. Последняя использует фотонный кристалл с дефектом (желтый), который может обеспечить бистабильность для связанных волноводов.
Формирование волны
Фононные поляритоны, генерируемые в ферроэлектрических кристаллах, распространяются преимущественно в боковом направлении относительно импульса возбуждения благодаря высоким диэлектрическим проницаемостям ферроэлектрических кристаллов, что облегчает их отделение от генерирующих их импульсов возбуждения. Таким образом, фононные поляритоны становятся доступными для непосредственного наблюдения и когерентного управления по мере их перемещения из области возбуждения в другие части кристалла. Боковое распространение является ключевым для поляритонной платформы, в которой генерация и распространение происходят в одном кристалле. Детальный анализ отклика в виде излучения Черенкова, подобного терагерцовым волнам, показывает, что в большинстве случаев необходимо учитывать также компоненту распространения в прямом направлении.
Обнаружение сигнала
Прямое наблюдение распространения фононных поляритонов стало возможным благодаря визуализации в реальном пространстве, в которой пространственные и временные профили фононных поляритонов отображаются на ПЗС-камеру с использованием преобразования фазы Талбота в амплитуду. Само по себе это было выдающимся прорывом. Впервые электромагнитные волны были визуализированы напрямую, напоминая круги на воде от упавшего в нее камня (см. рис. 3). Визуализация в реальном пространстве является предпочтительным методом детектирования в поляритонике, хотя другие, более традиционные методы, такие как оптическая затворная техника Керра, дифракция с временным разрешением, интерферометрическое зондирование и генерация второй гармоники, индуцированная терагерцовым полем, полезны в некоторых приложениях, где визуализация в реальном пространстве затруднена. Например, структурированные материалы с элементами размером порядка нескольких десятков микрометров вызывают паразитическое рассеяние света, используемого для визуализации. В этом случае детектирование фононных поляритонов возможно только путем фокусировки более традиционного зонда, например, упомянутых выше, в неповрежденную область кристалла.
Направление и управление
Последний элемент, необходимый для поляритоники, – это направленное распространение и управление. Полное боковое распространение, параллельное кристаллической плоскости, достигается за счет генерации фононных поляритонов в кристаллах толщиной, сопоставимой с длиной волны фононного поляритона. Это вынуждает распространение происходить в одном или нескольких доступных модах плоскостного волновода. Однако дисперсия в этих модах может существенно отличаться от дисперсии при распространении в объеме, и для использования этого необходимо понимать эту дисперсию. Управление и направленное распространение фононных поляритонов также может быть достигнуто с помощью волноводных, отражающих, дифракционных и диспергирующих элементов, а также фотонных кристаллов и кристаллов с эффективным показателем преломления, которые могут быть непосредственно интегрированы в кристалл-подложку. Однако ниобат лития, танталат лития и другие перовскиты не поддаются стандартным технологиям формирования структур. Фактически, единственным известным травителем, демонстрирующим даже незначительный успех, является плавиковая кислота (HF), которая травит медленно и преимущественно вдоль оптической оси кристалла.
Лазерная микрообработка
Фемтосекундная лазерная микрообработка используется для изготовления устройств путем фрезерования "воздушных" отверстий и/или канавок в ферроэлектрических кристаллах, направляя лазерный луч через область фокусировки фемтосекундного лазера. Преимущества фемтосекундной лазерной микрообработки для широкого спектра материалов хорошо известны. Вкратце, свободные электроны создаются в фокусе луча посредством многофотонного возбуждения. Поскольку пиковая интенсивность фемтосекундного лазерного импульса на много порядков превышает интенсивность импульсов большей длительности или непрерывных лазеров, электроны быстро возбуждаются и нагреваются, формируя квантовую плазму. Особенно в диэлектрических материалах, электростатическая нестабильность, индуцированная плазмой, оставшихся ионов кристаллической решетки, приводит к выбросу этих ионов и, как следствие, к абляции материала, оставляя дефект материала в области лазерного фокуса. Кроме того, поскольку длительность импульса и время абляции значительно меньше времени теплового выравнивания, фемтосекундная лазерная микрообработка не подвержена негативному влиянию зоны термического воздействия, такому как образование трещин и плавление в областях, прилегающих к зоне обработки.
Внешние ссылки
Дэвид У. Уорд: Поларитоника: промежуточный режим между электроникой и фотоникой, диссертация на соискание ученой степени доктора философии, Массачусетский технологический институт, 2005. Это основной источник для данной статьи.