Fotonische Kristallen



Vergelijkbare documenten
Hertentamen Optica. 20 maart Zet je naam, studentennummer en studierichting bovenaan elk vel dat je gebruikt. Lees de 6 opgaven eerst eens door.

Coaxial Plasmonic Metamaterials for Visible Light M.A. van de Haar

Fotonische geïntegreerde circuits en vezelkoppelaars gebaseerd op InP gebonde membranen

Tentamen Optica. 19 februari 2008, 14:00 uur tot 17:00 uur

Citation for published version (APA): Shen, C. (2006). Wave Propagation through Photonic Crystal Slabs: Imaging and Localization [S.l.]: s.n.

Uitwerkingen Hertentamen Optica

Tentamen Optica. 20 februari Zet je naam, studentennummer en studierichting bovenaan elk vel dat je gebruikt. Lees de 6 opgaven eerst eens door.

TENTAMEN. x 2 x 3. x x2. cos( x y) cos ( x) cos( y) + sin( x) sin( y) d dx arcsin( x)

Exact Periode 5.2. Licht

Cover Page. The handle holds various files of this Leiden University dissertation.

Verticaal gekoppelde microringresonatoren gefabriceerd met waferbonding

Tentamen Golven en Optica

Fysica 2 Practicum. Laser

Cover Page. The handle holds various files of this Leiden University dissertation

Exact Periode 5 Niveau 3. Dictaat Licht

Polarisatie. Overig Golven, Polarisatie,

Verrassende uitkomsten in stromingen

FACULTEIT TECHNISCHE NATUURKUNDE. Kenmerk: /Gor/Hsa/Rrk. Datum: TENTAMEN

Uitwerkingen Tentamen Optica

, met ω de hoekfrequentie en

De 37 e Internationale Natuurkunde Olympiade Singapore Practicum-toets Woensdag 12 juli 2006

De snelheid van de auto neemt eerst toe en wordt na zekere tijd constant. Bereken de snelheid die de auto dan heeft.

Hertentamen Optica,11 april 2016 : uitwerkingen

In de figuur hieronder zie je een Elektromagnetische golf: een golf die bestaat uit elektrische en magnetische trillingen.(zie figuur).

Eindronde Natuurkunde Olympiade 2015 theorietoets deel 1

TWEEDE RONDE NATUURKUNDE OLYMPIADE 2012 TOETS APRIL uur

Faculteit Technische Natuurkunde Tentamen OPTICA voor BMT (3D010) 22 juni 1999, 14:00-17:00 uur

Cover Page. The handle holds various files of this Leiden University dissertation.

1. 1 Wat is een trilling?

Werkblad 2.2: Doppelspalt Simulatie voor Fysische Optica en voor Quantum Verschijnselen 1

(B) L_- Tentamen optica en optisch waarnemen

Begeleide zelfstudie Golven en Optica voor N (3B440)

Faculteit Biomedische Technologie Tentamen OPTICA (8N040) 16 augustus 2012, 9:00-12:00 uur

Lichtverstrooiing en lichtgeleiding

2.1 Wat is licht? 2.2 Fotonen

Samenvatting. Klassieke! deeltjes. Bosonen

Optische communicatie

Zonnestraling. Samenvatting. Elektromagnetisme

Samenvatting Inleiding

34 e Internationale Natuurkunde Olympiade Taipei, Taiwan Experimentele toets Woensdag 6 augustus 2003 Beschikbare tijd: 5 uur. Lees dit eerst!

Opgave 1 Vervormd vierkant kristal en elektronische structuur (totaal 24 punten)

6.1 Voortplanting en weerkaatsing van licht

Voorbereiding toelatingsexamen arts/tandarts. Fysica: Licht als golf en als deeltje. 24 juli dr. Brenda Casteleyn

Periodic and Aperiodic Plasmon Lattice Lasers A.H. Schokker

Exact Periode 5. Dictaat Licht

Cover Page. The handle holds various files of this Leiden University dissertation

Schriftelijk examen 2e Ba Biologie Fysica: elektromagnetisme

Cover Page. The handle holds various files of this Leiden University dissertation.

Samenvatting. Weerstand, magnetoweerstand en multilaagjes

Biofysische Scheikunde: NMR-Spectroscopie

Niet-lineair gedrag in een halfgeleider optische versterker en laser diode gebaseerd terugkoppelingsschema


What s in the experiment bag? Enkele experimenten om met het materiaal van de kit uit te voeren

FACULTEIT TECHNISCHE NATUURKUNDE. Kenmerk: /vGr. Datum: 24 juli 2000 TENTAMEN

Hoofdstuk 3: Licht. Natuurkunde VWO 2011/

Verstrooiing aan potentialen

Uitwerkingen Tentamen Optica

Nanogolfgeleider voor individuele fotonen

VORtech Computing. Experts in Technisch Rekenwerk MEMO. Verwerking van diagonale overlaten in WAQUA. BvtH/M Onderwerp. Documentinformatie

94 Samenvatting te vervormen, wordt de huid bijzonder stijf bij grotere vervormingen. Uit onderzoek is gebleken dat deze eigenschap deels toe te schri

Fysica 2 Practicum. X-stralen

Hoofdstuk 2 Appendix A hoofdstuk 3 hoofdstuk 4 (hoofdstuk 5)

The Color of X-rays. Spectral Computed Tomography Using Energy Sensitive Pixel Detectors E.J. Schioppa

Invloeden van schok en trillingen op product en verpakkingen

1 f T De eenheid van trillingstijd is (s). De eenheid van frequentie is (Hz).

Technische Universiteit Eindhoven

Figuur 7.21: Het Voronoi diagram van zes supermarkten, genummerd 1 t/m 6.

gaan. Er wordt hierbij veel warmte ontwikkeld die voor vervorming van de kristallen zorgt. Door deze vervorming wordt radiële dubbelbrekendheid in

Antwoorden Tentamen Fysica van de Vaste Stof woensdag 2 maart 2011, uur

Uitwerkingen tentamen Optica

Compton-effect. Peter van Zwol Sietze van Buuren Assistent: Heinrich Wörtche 16 oktober Samenvatting

EXAMEN HOGER ALGEMEEN VOORTGEZET ONDERWIJS IN 1975

σ = 1 λ 3,00 μm is: 3,00 x 10-4 cm σ = 1 cm / 3,00 x 10-4 cm= 3, cm -1

Opslaan & Vertragen van Licht

Nederlandstalige samenvatting

noiaterinzagelegging nu

Samenvatting. Sub-diffractie optica

TWEEDE RONDE NATUURKUNDE OLYMPIADE 2017 TOETS APRIL :00 12:45 uur

Basisprincipes glasvezelcommunicatie

Hierin is λ de golflengte in m, v de golfsnelheid in m/s en T de trillingstijd in s.

Cover Page. The handle holds various files of this Leiden University dissertation.

XXX INTERNATIONALE NATUURKUNDE OLYMPIADE PADUA, ITALIË THEORIE-TOETS

Uitwerkingen Hertentamen Optica

Noorderpoort Beroepsonderwijs Stadskanaal. Reader. Reflectie en breking. J. Kuiper. Transfer Database

Beoordelingscriteria tentamen G&O, 5 juli 2006

Cover Page. The handle holds various files of this Leiden University dissertation

Cover Page. The handle holds various files of this Leiden University dissertation

Samenvatting Het belang van elektronen-geleiding in vaste stoffen zal iedereen onderkennen die iets afweet van elektriciteit. Elektriciteit voorziet e

in een isolator? Dr. Erik van Heumen

Fractale dimensie. Eline Sommereyns 6wwIi nr.9

a) Bepaal door middel van een constructie de plaats van het beeld van de scherf en bepaal daaruit hoe groot Arno de scherf door de loep ziet.

Antenne impedantie Theorie en praktijk voorbeelden

Matthias Van Wonterghem, Pieter Vanhulsel Aluminium en hoge snelheid, een mooie toekomst?

Wet van Snellius. 1 Lichtbreking 2 Wet van Snellius 3 Terugkaatsing van licht tegen een grensvlak

Probing Light Emissions at the Nanoscale with Cathodoluminiscence B.J.M. Brenny

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN

Lasers. Laserlicht. l.a.s.e.r. Een laser is een lichtbron waar heel speciaal licht uit komt.

Hoofdstuk 4: Licht. Natuurkunde Havo 2011/2012.

Licht; Elektromagnetische straling een golf Licht; een deeltje (foto-elektrisch effect). Licht; als een lichtstraal Licht beweegt met de

Transcriptie:

Fotonische Kristallen René M. De Ridder Universiteit Twente, MESA * instituut, Lightwave Devices Group Postbus 217, 7500 AE Enschede E-mail: R. M.deRidder@el. utwente.nl Inleiding Relatief simpele, regelmatige structuren blijken soms verrassende optische eigenschappen te hebben. Een zogenaamd fotonisch kristal is zo n verrassende structuur. Het is een periodiek patroon van materialen met afwisselend hoge en lage waarden van de brekingsindex. Dat periodieke heeft een fotonisch kristal gemeen met de atomaire of moleculaire kristallen die in de natuur voorkomen. Een belangrijk verschil is de schaal. fotonische kristallen hebben een periode in de orde van een halve golflengte van het licht (ongeveer een micrometer), terwijl natuurlijke kristallen een ordening op nanometerschaal hebben Voorbeelden van driedimensionale fotonische kristallen zijn weergegeven in figuur 1. Een belangrijke eigenschap van fotonische kristallen kunnen we illustreren met een simpel voorbeeld: een diëlektrische spiegel. Figuur 1 3-dimensionale fotonische kristallen. (a) Yablonovite Il] genoemd naar de uitvinder, het plaatje laat zien hoe je de structuur kunt maken door een reeks gaten te boren oft etsen onder drie verschillende hoeken, (b) de houtstapel (wood-pile) [2]. (b) Nederlands Tijdschrift voor Fotonica, augustus 2001 9

Het simpelste fotonische kristal: de diëlektrische spiegel Hoewel de benaming 'fotonisch kristal' en de golf van belangstelling voor dit soort structuren tamelijk recent is, heeft men al veel eerder de bijzondere eigenschappen van periodieke diëlektrische structuren ingezien en toegepast. De dielektrische spiegel (figuur 2) kan beschouwd worden als een eendimensionaal fotonisch kristal. De lagen waaruit de spiegel is opgebouwd zijn alle een kwart golflengte dik. We beschouwen een van links af loodrecht invallende golf. Het is gemakkelijk in te zien dat de deelreflecties van alle grensvlakken precies in fase (op een geheel aantal 2n na) weer aan het buitenoppervlak terugkeren. Voor een oneindig aantal (verliesvrije) lagenparen zal dan ook totale reflectie optreden. Ook met een gering aantal lagen kan echter al een zeer grote reflectie optreden. Omdat aan elk grensvlak een vaste fractie van het daar nog aanwezige Iichtvermogen wordt gereflecteerd, zal de intensiteit exponentieel afnemen met de afstand vanaf het buitenvlak. Naarmate het verschil in brekingsindex tussen de lagen groter is, zal de gereflecteerde fractie per grensvlak toenemen en dus de indringdiepte van de golf in de structuur afnemen. De bovenstaande redenering geldt strikt genomen voor maar één golflengte. Bij een iets verschillende golflengte zullen de gereflecteerde golven niet meer precies in fase aankomen. Zolang die fase afwijking gering is, zal er nog steeds een netto constructief interferentie-effect optreden met daardoor een zeer grote effectieve reflectiecoefficiënt. Omdat de fouten toenemen evenredig met de indringdiepte, zal een lagenpakket met een groot indexcontrast en daardoor een geringe indringdiepte een grotere afwijking van de golflengte toestaan en daardoor een bredere reflectieband hebben dan een pakket met een lager contrast, zoals te zien is in figuur 2b. Een zelfde soort redenering kan worden opgezet voor hoekafwijkingen t O.V. loodrechte inval een lagenpakket met groot contrast vertoont totale refectie over een groter hoekbereik. Figuur 2 Dielektrische spiegel, bestaande uit alternerende lagen met hoge en lage brekingsindex (a) structuur, (b) transmissiecurven voor 2 verschillende gevallen getrokken lijn 5 lagenparen met indexverschil 1 O, gebroken lijn 14 lagenparen met indexverschil O 3 10 (b) Nederlands Tijdschrift voor Fotonica, augustus 2001

De fotonische 'bandgap' In termen van fotonische kristallen wordt een frequentiegebied waarin totale reflectie optreedt (en dus geen transmissie) een 'stopband' genoemd. Een stopband voor alle voortplantingsrichtingen en voor alle polarisatierichtingen van elektromagnetische golven wordt een (volledige) fotonische bandgap genoemd. Daarom worden deze kunstmatige materialen ook wel 'photonic bandgap structures' genoemd. Voor eén volledige fotonische bandgap heb je driedimensionale fotonische kristallen nodig, zoals in figuur 1. De eigenschap dat de breedte van de stopband toeneemt en de indringdiepte afneemt met toenemend indexcontrast blijft geldig voor meerdimensionale structuren De term 'bandgap' doet natuurlijk denken aan de elektrische verschijnselen in halfgeleiders. Dat is niet toevallig. Er is een duidelijke (maar niet volmaakte) analogie tussen het gedrag van elektronen in een halfgeleider en dat van fotonen in een fotonisch kristal: een fotonische bandgap vormt een verboden band van foton energieen. De analogie gaat nog verder, want je kunt een fotonisch kristal ook' 'dopen' met 'verontreinigingen' of defecten. een plaatselijk veranderen van de brekingsindex of het lokaal verbreken van de periodieke structuur Je kunt voor zo een fotonisch kristal ook tamelijk complexe 'banden plaatjes' uitrekenen waarop te zien is in welke richtingen en met welke snelheid golven van een bepaalde frequentie door het kristal kunnen lopen. Als je in zo een plaatje frequentiegebieden kunt vinden waarbij in geen enkele richting en met geen enkele snelheid golfvoortplanting mogelijk is, dan heb je een bandgap te pakken. Het is zelfs mogelijk 'donorachtige' en 'acceptorachtige' defecten te maken door respectievelijk materiaal tnet hoge brekingsindex toe te voegen of juist te verwijderen. Een goede inleiding in de fysica van fotonische kristallen is het boek van Joannopoulos [3] Mogelijke toepassingen van fotonische kristallen Een defect in een fotonisch kristai kan een zogenaamde gelokaliseerde toestand (localized state) veroorzaken: een resonantie ter plaatse van het defect met een frequentie die in de bandgap van het omliggende kristal ligt. lets anders beschouwd. een holte in een fotonisch kristal gedraagt zich als een resonator met een extreem hoge Q-factor. Zulke resonatoren kunnen zeer klein zijn (tot een kubieke golflengte). Grotere, lijnvormige defecten kunnen werken als verliesvrije golfgeleiders voor frequenties binnen de bandgap. Doordat de golven binnen de bandgap niet kunnen ontsnappen uit het kristal is het in principe mogelijk om golfgeleiders te maken met uiterst scherpe bochten. Overigens moeten die bochten wel zorgvuldig ontworpen worden, want de golf kan weliswaar niet ontsnappen, maar hij kan wel gereflecteerd worden Een combinatie van golfgeleiders en resonatoren maakt het mogelijk om zeer compacte filters te maken. Als we conventionele dielektrische kanaalgolfgeleiders, waarvoor de minimale bochtstraal ca. 500 pm is, vergelijken met kanalen in een fotonisch kristal met minimale bochtstraal <5 pm, dan leert een simpel rekensommetje dat in potentie de integratiedichtheid van geïntegreerde optica met een factor 1 O000 kan worden vergroot. Dat is werkelijk een revolutionaire stap voorwaarts! Een potentieel heel belangrijke toepassing van resonatoren en golfgeleiders in fotonische kristallen is het maken van zeer efficiënte lasers Een van de belangrijkste verliesmechanismen in lasers is de zogenaamde spontane emissie. Daarbij worden fotonen met een willekeurige fase in willekeurige richtingen uitgezonden. Deze fotonen dragen niet bij aan de coherente laserbundel, maar het heeft wel elektrische energie gekost om ze op te wekken. Een geëxciteerd atoom dat binnen in een fotonisch kristal zit kan op grond van kwantummechanische wetmatigheden geen foton uitzenden op frequenties binnen de band- Nederlands Tijdschrift voor Fotonica, augustus 2001 11

gap. Als men er in zou slagen om een laser binnen in een fotonisch kristal te maken (en alleen in één richting een uitgangspad voor fotonen te bieden), dan zal verreweg het grootste deel van de spontane emissie onderdrukt worden, waardoor het ideaal van een halfgeleiderlaser zonder drempelstroom nabij komt. Een andere mogelijk toepasbare eigenschap van fotonische kristallen is de bijzonder sterk van de golflengte afhangende voorplantingssnelheid van golven net buiten de bandgap. Deze sterke dispersie kan weer gebruikt worden voor filterdoeleinden. Omdat de groepssnelheid op de rand van de bandgap bijzonder laag is, is een zeer compacte optische vertragingslijn (optisch geheugen) denkbaar. Tot nu toe zijn dit soort toepassingen nog niet gerealiseerd. Men heeft fotonische kristallen kunnen maken met een volledige bandgap in het nabije infrarood (de belangrijke telecommunicatiegolflengten). Er zijn daarin ook resonatoren en golfgeleiders gerealiseerd, maar die bleken nog zeer aanzienlijke verliezen te vertonen. Het verst in de praktische ontwikkeling zijn fotonische kristallen voor het microgolfgebied (het eerste werkende fotonische kristal, in figuur la, is grofstoffelijk met een boormachine in een blok polystyreen gemaakt en met microgolven met een golflengte in de orde van een cm getest). Fotonische kristalstructuren worden nu gebruikt om het stralingspatroon van microgolfantennes te optimaliseren. Tweedimensionale fotonische kristallen Driedimensionale fotonische kristallen zijn moeilijk te maken. Nog moeilijker is het om in een 3D-kristal functionele structuren als golfgeleiders en resonatoren te vervaardigen en die van buitenaf toegankelijk te maken. Uit berekeningen is gebleken dat ook tweedimensionale fotonische kristallen interessant kunnen zijn. Dit zijn structuren, bestaande uit een rooster van oneindig lange evenwijdige cilinders met een hoge brekingsindex of het inverse daarvan (een rooster van evenwijdige gaten in een mate- riaal met hoge brekingsindex) Figuur 3 laat zien hoe de stopband van een 2Dkristal bepaald kan worden. Hierbij wordt gebruik gemaakt van een numerieke methode, de zogenaamde Finite-Difference Time-Domain (FDTD) methode [4],[5]. Hierin worden zowel de tijd en de ruimte gediscretiseerd waarbij vanuit een gegeven beginsituatie de evolutie in tijd en plaats van het elektromagnetisch veld wordt berekend door rechtstreeks de maxwellvergelijkingen in differentiaal vorm toe te passen, waarbij de differentialen (bijv. Sx, &y, St) worden vervangen door de eindige differenties Ax, Ay, At) (bepaald door de discretisatiestappen). Figuur 3a toont een doorsnede van de structuur die bestaat uit staafjes silicium (dit materiaal is transparant voor infrarode golven en heeft een zeer hoge brekingsindex) die zich uitstrekken in een vlak loodrecht op het vlak van tekening. Links van het kristal is een stralende dipool getekend die in het vlak in alle richtingen straalt. In een groot aantal punten aan de rechterkant van het kristal wordt bepaald hoeveel straling van de dipool wordt doorgelaten. Uit symmetrieoverwegingen hoeft slechts de transmissie over een hoekbereik van 45 graden bepaald te worden die moet gebeuren voor een groot aantal golflengten. Met de FDTD kunnen al die berekeningen in een klap worden uitgevoerd door de dipool een pulsvormig signaal te laten uitzenden Zo een puls omvat een breed frequentiespectrum. Van de in de tijd berekende transmissiesignalen kan d.m.v. een fouriertransformatie het spectrum worden bepaald. Figuur 3b toont een superpositie van ai die spectra, waarin een duidelijke stopband van ca 1300-1700 nm te zien is. Ook in deze 2D-kristallen zijn golfgeleiders en resonatoren te ontwerpen. In figuur 4 worden de berekende overdrachtsfuncties getoond van een rechte golfgeleider gekoppeld met een resonator in een fotonisch kristal. Figuur 4a toont een variant waarbij de resonator direct aan de golfgeleider is gekoppeld (zie inzet); de configuratie van 12 Nederlands Tijdschrih voor Fotonica, augustus 2001

h a 50 Wavelength @TI) Figuur 3 Berekening (met de Finite-Difference Time-Domain methode) van de fotonische stopband van een tweedimensionaal fotonisch kristal Methode van Remco Stoffer [5] (a) Structuur vierkant rooster (roosterafstand 600 nm) van oneindig lange 'palen' met vierkante doorsnede (de zwarte vierkantjes) met zijde 150 nm en brekingsindex 3 5 in een achtergrond met brekingsindex 1 O, (b) superpositie van transmissie curven voor een groot aantal voortplantingsrichtingen laat een duidelijke stopband zien rond de golflengte van 1500 nm figuur 4b is veel losser gekoppeld doordat er een 'paaltje' staat tussen de golfgeleider en de resonator In het geval van sterke koppeling wordt de resonator sterker gedempt door de aanwezigheid van de golfgeleider (de resonator kan zijn energie gemakkelijk weer kwijt en heeft dus een lage Q-factor), waardoor de dips in de transmissie veel breder zijn dan in het geval van zwakke koppeling In beide gevallen vertoont de structuur het gedrag van een periodiek bandsperfilter. Een animatie van de opslingering van het veld in de resonator kan gevonden worden op het internet [GI Uit het voorgaande blijkt dat 2D-fotontsche kristallen theoretisch heel interessante eigenschappen hebben Er is echter een klein praktisch probleempje: ze bestaan niet We leven in een driedimensionale wereld, en zelfs als we een oneindig uitgestrekt kristal zouden kunnen maken, dan nog kunnen we niet verhinderen dat elektromagnetische golven hun weg in de der- de dimensie kiezen (loodrecht op het vlak van tekening van figuur 3a). In de praktijk zal men structuren willen (en moeten) maken die begrensd zijn in de derde dimensie. De kristallen zijn dan niet meer zuiver 2D maar kunnen worden aangeduid als 'quasi-2d'. Deze beperking blijkt aanzienlijke consequenties te hebben. Quasi-tweedimensionale fotonische kristallen Behalve het feit dat de gapeigenschappen door de structuur bepaald worden, is er in het geval van zuivere 2D kristallen geen speciale praktische reden om de voorkeur te geven aan een structuur in de vorm van een bos van palen of de inverse structuur, een gatenkaas. Voor quasi-2d kristallen IS die praktische reden er wel: het is erg lastig om zwevende paaltjes te maken. Bovendien, als een golfgeleider wordt gemaakt door paaltjes weg te halen, dan is die golfgeleider aan de onder- en bovenkant open, waardoor de golf weer in de derde dimensie kan ontsnappen. Om die reden spitst Nederlands Tijdschrift voor Fotonica, augus!us 2001 13

I :] 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 Wavelength (p m) I I ni 888888888 888888888 8.88888I8 888888888 88.8 8.88 8888 8888 8.88 8808 888818888 111818a.8 r- 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 Wavelength (pm) Figuur 4 Transmissiefunctie van resonator gekoppeld aan rechte golfgeleider (a) sterke koppeling, (b) zwakke koppeling, 15) het merendeel van het praktische werk zich tegenwoordig toe op een membraanachtige structuur van een materiaal met hoge brekingsindex waarin een gaatjespatroon is aangebracht (in de Engelstalige literatuur bekend als 'photonic crystal slab'). Op plaatsen waar geen gaatjes zitten wordt een elektromagnetische golf in verticale richting opgesloten zoals in een normale diëlektrische-plaatgolfgeleider. In figuur 5 is een voorbeeld te zien van een structuur zoals die is gemaakt in de clean room van het MESA+-laboratorium (Laura Vogelaar 171). Het is een dun (enkele honderden nanometers) membraan van siliciumnitride. Voor de vervaardiging is een aantal stappen nodig: eerst wordt een dunne metaallaag op het nitride aangebracht; daarna 14 Nederlands Tijdschrift voor Fotonica, augustus 2001

Figuur 5 Quasi-2D fotonisch kristal vrijhangend siliciumnitride membraan met luchtgaten [7] wordt met een techniek die we Laser Interferentie Lithografie (LIL) noemen in fotolak op het metaal een periodiek patroon (de latere gaatjes) aangebracht door middel van een belichting met meerdere bundels ultraviolet laserlicht. Na ontwikkelen van de fotolak en etsen van het metaal hebben we een gaatjespatroon in het metaal. Daarna kunnen we selectief weer gaatjes dichtmaken door heel lokaal weer metaal te deponeren met behulp van een gefocusseerde ionenbundel (FIB). Vervolgens wordt het gaatjespatroon overgebracht in het nitride door te etsen met een middel dat het metaal niet aantast maar het nitride wel. Het metaal heeft dan dienst gedaan en kan verwijderd worden. Tenslotte kan het nitridemembraan nog vrijhangend gemaakt worden door het onderliggende materiaal (siliciumoxide) gedeeltelijk weg te etsen (met een nat chemisch proces), o.a door de gaatjes die zojuist in het nitride zijn gemaakt. Vroege experimenten met dit type fotonische kristallen hebben geleerd dat de derde dimensie bepaald niet verwaarloosd mag worden in de berekeningen Ais we een vlakke golf laten invallen op een grensvlak met een ideaal, zuiver 2D fotonisch kristal, dan zal die golf volledig gereflec- teerd worden voor alle frequenties in de bandgap van het kristal. Intuïtief zou je verwachten dat hetzelfde gebeurt als je een geleide golf in een membraan laat invallen op het grensvlak met een quasi-2d fotonisch kristal (dus op de grens tussen een gebied met en zonder gaatjes in het membraan). Uit het experiment bleek dat dit maar zeer ten dele het geval is: het overgrote deel van het lichtvermogen bleek verstrooid te worden uit het vlak van het membraan. We kunnen dus niet zonder meer de berekende resultaten van 2D structuren vertalen naar het quasi9d geval. De berekeningen moeten dan in 3 dimensies worden uitgevoerd. Helaas stuit dit op het praktische bezwaar dat met de huidige algoritmen 3D berekeningen zeer veel computertijd en geheugen vergen Een idee van wat er gebeurt kan echter wel worden verkregen met een 2D berekening in een vlak loodrecht op het membraanvlak, zoals aangegeven in figuur 6 Figuur 6b toont een momentopname (berekend met FDTD) van de interactie van een zeer korte puls met een quasi-1 D fotonisch kristal. Bepaalde frequentiecomponenten van die puls worden gereflecteerd als een geleide modus in de membraangolfgelei- Nederlands Tijdschrift voor Fotonica, augustus 2001 15

32 34 a 38 x Ilun1 o 5 10 15 al 25 JO 35 40 db Figuur 6 Optische verschijnselen, berekend in een 2D doorsnede van een dunne siliciumnitridelaag.op siliciumoxide, waarin een aantal diepe groeven is aangebracht Dit is een simulatie van de inval van een geleide golf op een quasi-eendimensionaal fotonisch kristal (a) de structuur met afmetingen en waarden van de brekingsindex; (b) interactie van een korte puls (enkele fs) met de periodieke structuur, (c) berekende spectra van reflectie (R) en transmissie (T) van de geleide golf en verstrooiingsverlies (L) naar wegstralende golven der (dit is wat oorspronkelijk verwacht werd voor alle fequenties in de bandgap), maar andere frequentiecomponenten blijken verstrooid te worden (diffractie) uit het vlak van de golfgeleider in diverse richtingen afhankelijk van de frequentie. Tenslotte is ook te zien dat een deel, frequenties buiten de bandgap, wordt doorgelaten als geleide modus Het is heel verhelderend om het hele interactieproces van de puls met de structuur als computeranimatie te bekijken, zie op het internet [6] Een en ander IS ook op andere wijze weergegeven in de spectra in figuur 6c Er is duidelijk een brede transmissiestopband te zien van 900-1430 nm Totale reflectie blijkt alleen op te treden aan de langgolvige rand van de stopband (1430 nm) Naarmate de frequentie dieper in de stop- 16 Nederlands Tildschrift voor Fotonica. augustus 2001

band ligt blijkt de reflectiecoëfficiënt af te nemen en het diffractieverlies toe te nemen De quasi-1 D structuur is natuurlijk een vereenvoudiging van het interessantere quasi-2d geval. Toch geven berekeningen aan structuren zoals in figuur 6a een idee van wat er kan gebeuren als een geleide golf in een golfgeleidend kanaal in een quasi-2d fotonisch kristal aankomt bij een haakse bocht De kunst wordt nu om deze structuren zo te ontwerpen dat de diffractieverliezen minimaal worden Dat probleem is nog niet opgelost, o a doordat 3D berekeningen nog niet praktisch zijn. Een indicatie is er al dat een in verticale zin symmetrische structuur gunstig is; daarom is het membraan in figuur 5 ook vrijhangend gemaakt. Op dit terrein valt nog veel werk te doen, zowel op het vlak van een slimme analytische aanpak van de verschijnselen als op het vlak van efficiënte numerieke methoden. Daarnaast is ook nog veel experimenteel werk nodig om de geldigheid van de modellen te verifieren. Conclusies Fotonische kristallen zijn veelbelovende structuren die uitzicht bieden op de realisatie van bijzondere componenten zoals microresonatoren en zeer efficiënte lasers, en die wellicht tot een toename kunnen leiden van de integratiedichtheid in de geïntegreerde optica met vele grootteordes. Voor deze toepassingen zullen de eerste praktische resultaten vermoedelijk met quasitweedimensionale structuren gerealiseerd worden Hoewel er de afgelopen jaen grote vooruitgang is geboekt zijn er nog volop uitdagingen, zowel op het terrein van de vervaardigingstechniek, de theorievorming en de ontwerptechnieken. Referenties [l] E. Yablonovitch, "Inhibited spontaneous emission in solid-state physics and electronics", Phys. Rev. Lett, vol. 58, pp. 2059-2062, 1987. [2] E Ozbay, E. Michel, G Tuttle, R. Biswas, K.M. Ho, J. Bostak, and D.M. Bloom, "Double-etch geometry for millimeterwave photonic band-gap crystals", Appl. Phys Lett., vol. 65, p. 1617, 1994 [3] J.D. Joannopoulos, R.D Meade, and J.N Winn: Photonic crystals: molding the flow of light, Princeton University Press., 1995. [4] A. Taflove: Computational Electrodynamics: The Finite-Difference Time- Domain Method, Boston: Artech House Inc., 1995. [5] R. Stoffer, H.J.W.M. Hoekstra, R.M de Ridder, E. van Groesen, F.P.H. van Beckum, "Numerical studies of 2D photonic crystals: Waveguides, coupling between waveguides and filters", Optical and Quantum Electronics, vol. 32, pp. 947-961, 2000. [6] http://www.el utwente.nl/tdm/ldg/ researchlpc-devl [7] L. Vogelaar, W. Nijdam, H.A.G M van Wolferen, R.M. de Ridder, F.B. Segerink, E. Flück, L. Kuipers, N.F. van Hulst, "Large scale photonic crystal slabs for visible light with waveguiding defect structures. fabrication with FIBassisted laser interference lithography", Advanced Materials, Vol 13, in print, 2001. Nederlands Tijdschrift voor Fotonica, augustus 2001 17