Лаборатория оптических материалов и структур

Трехмерные волноводные структуры чрезвычайно сложны для количественного анализа, поэтому для их описания принято применять приближенные алгоритмы на основе метода эффективного показателя преломления (EIM). Однако, EIM обладает принципиальным недостатком, который заключается в том, что трехмерный волновод с двумя характерными параметрами (ширина и толщина), заменяется на двумерный волновод, но только с одним пространственным параметром (ширина).

В результате, дисперсионные свойства трехмерного и двумерного волноводов (см. Рис.) принципиально отличаются, что может приводить к большим ошибкам (до 35%), при описании оптических свойств (например, групповой скорости (группового индекса), размера свободной спектральной зоны, величины отклика на локальные возмущения и т.д.) различных фотонных структур. Нами предложен и обоснован модифицированный метод эффективного показателя преломления (MEIM), который впервые использует два пространственных параметра. Это позволило преодолеть указанное выше принципиальное ограничение метода EIM и более чем на порядок (до 1%) повысить точность численного анализа различных трехмерных волноводных структур в ходе двумерного моделирования методом конечных разностей во временной области (FDTD).

Предложен и численно промоделирован новый интегрально-оптический элемент для считывания информации о длине волны волоконных датчиков, работающих на основе изменения рабочей длины волны под действием внешних возмущений. Оптический фильтр на основе структуры кремний-на-изоляторе (КНИ) формируется с помощью множества наклонных отражателей на основе глубоких канавок, пересекающих сердцевину оптического волновода. Считывание данных о длине волны осуществляется на основании изменения во времени оптического сигнала, проходящего через указанный фильтр, рабочая длина волны которого линейно перестраивается за счет изменения температуры в канальных оптических волноводах на КНИ. Работа устройства исследована для компактных структур с 32 линиями отражателей путем прямого двумерного численного моделирования (см. Рис.) методом конечных разностей во временной области (2D FDTD).

Экстраполяция этих результатов на устройства с характерным размером порядка 1 см, показывает, что они могут обеспечить спектральное разрешение на уровне 1-5 пм при перестройке длины волны около 40 нм в спектральном диапазоне 1.55 мкм за время около 1 мс. При условии опроса датчиков один раз в секунду, потребляемая мощность составит около 16 мВт. Такие параметры считывающего элемента очень перспективны для практического использования. Устройство может быть изготовлено на основе современных КМОП-совместимых нанофотонных технологий.

Слоистый тригональный борат калия алюминия K₂Al₂B₂O₇, пр. группа P321, прозрачен до ~180 нм, обладает высоким двулучепреломлением n~0.08 и является одним из лучших нелинейно-оптических кристаллов для преобразования частот в УФ диапазоне спектра. Впервые синтезированы и изучены твердые растворы состава K_2(1-x)Rb_2xAl₂B₂O₇, образующиеся при замещении калия на рубидий. В результате структурных иследований установлена, что кристаллическая структура типа K₂Al₂B₂O₇ сохраняется в диапазоне 0₂B₂O₇. По совокупности известных литературных данных определено поле структурных параметров, показанное на Рис. 2, в котором возможно существование структур типа K₂Al₂B₂O₇.

Рис. 1. Кристаллическая структура KRbAl2B2O7.	Рис. 2. Известные кристаллы и твердые растворы со структурой K2Al2B2O7.

Видно, что для данного структурного типа наблюдаются чрезвычайно широкие диапазоны изменения параметров элементарной ячейки, определяемые возможностью относительного разворота сочленённых углами треугольников BO₃ и тетраэдров AlO₄ в слоях - BO₃-AlO₄- при вхождении катионов в межслоевое пространство. Таким образом, структура K₂Al₂B₂O₇ весьма расположена к образованию твёрдых растворов замещения в позициях калия или алюминия. Стабильность слоистого кристалического каркаса при замещении части калия на рубидий подтверждена методами спектроскопии комбинационного рассеяния света (КРС). Показанный на Рис. 3 спектр КРС кристалла KRbAl₂B₂O₇ практически не отличается от аналогичного спектра для K₂Al₂B₂O₇.

Рис. 3. Спектр КРС кристалла KRbAl2B2O7.	Рис. 4. РФЭС спектр валентной зоны KRbAl2B2O7.

Электронная структура KRbAl₂B₂O₇ исследована методом РФЭС. В частности, на Рис. 4 показано строение валентной зоны данного бората. Видно, что в рассматриваемом кристалле потолок валентной зоны определяется относительно широкой группой смешанных состояний. Путем сопоставления РФЭС измерений с результатами теоретических расчетов зонной структуры KRbAl₂B₂O₇ показано, что потолок валентной зоны образован орбиталями бора и кислорода. Установлено, что зонная структура соединений семейства K₂Al₂B₂O₇ практически не зависит от комбинации щелочных элементов на позициях калия, что говорит о сохранении величин нелинейно-оптических коэффициентов при образовании твёрдых растворов.

Интерес к изучению поверхностей (0001) монокристаллов V₂VI₃ связан с проявлением этими соединениями свойств топологических изоляторов (ТИ), открытых несколько лет назад. Данные материалы являются изоляторами в объёме, поверхность которых становится проводящей вследствие сильного спин- орбитального взаимодействия и возникновения спин-расщеплённых поверхностных состояний с непрерывным спектром, образующим Дираковский конус. Соединение Bi₂Se₃ кристаллизуется в пространственной группе R-3m и характеризуется выраженной слоистой структурой с объёмной шириной запрещенной зоны E_g = 0.3 эВ.

Совершенный монокристалл Bi₂Se₃ был выращен в Институте геологии и минералогии СО РАН с использованием вращающегося теплового поля (рис.1а).

Методами рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, атомно-силовой и сканирующей туннельной микроскопии и спектроскопии продемонстрирована инертность поверхности скола (0001) монокристаллического Bi₂Se₃ к окислению: после месяца хранения образцов на воздухе на поверхности не образуются собственные оксиды висмута и селена (рис.2). Получены атомно-гладкие поверхности макроскопических размеров (~2-3 см²) со средней квадратичной шероховатостью менее 0.1 нм (рис.1b,d) и атомным разрешением структуры (1×1)- (0001) Bi₂Se₃ (рис.1c) после двухнедельной экспозиции на воздухе. Измерение туннельной проводимости выявило квазилинейную зависимость поверхностной плотности состояний от энергии в запрещённой зоне Bi₂Se₃ (рис.1c).

Таким образом, в работе продемонстрированы инертные свойства поверхности (0001) Bi₂Se₃, являющиеся универсальными для слоистых материалов с высокой степенью совершенства поверхности. Стабильность поверхности (0001) Bi₂Se₃ объясняется тем, что поверхностные атомы селена на идеально терминированной (0001) поверхности имеют замкнутые электронные оболочки с направленными связями внутрь кристалла и с отсутствующими болтающимися орбиталями.

Полученные результаты продемонстрировали сохранение ТИ свойств поверхности (0001) объемного топологического изолятора Bi₂Se₃ при длительном хранении в атмосферных условиях.

Графен привлекает внимание как новый и уникальный двумерный электронный материал для будущего наноэлектроники из-за его "естественного" двумерного характера локализации электронов в одном из пространственных измерений. Для создания функциональных наноустройств, таких как одноэлектронные транзисторы, квантовые точечные контакты, или квантовые точки (КТ), требуется локализация электронов и по двум оставшимся пространственным измерениям. Известно, что в свободно-подвешенном состоянии мембрана из графена не является плоской, а имеет выпуклости и впадины, амплитуда которых достигает 1 нм. Искусственное создание каких-либо трёхмерных структур из плоского монослоя графена весьма затруднительна. Предложены новые 3D-структуры на основе графена, предварительно осаждённого на упругонапряженную InGaAs пленку. Такая напряжённая структура графен/InGaAs из-за локального подтравливания подложки выпучивается и поверхность графена принимает трёхмерную структуру. Теоретически и численно изучены условия выпучивания для круговых структур: графена/InGaAs. Показано, что для тонкой круговой плёнки из InGaAs с монослоем графена с радиусом 120 нм и толщиной 4 нм реализуются три осесимметричных формы выпучивания. Для начального значения упругой деформации пластины в 3% деформации в графене достигают 1%. Эта деформация радиально распределена неоднородно в монослое графена. Контроллируемые форма её поверхности и модуляция физических свойств графена из-за неоднородности упругих напряжений позволит в будущем создавать различного рода квантовые наноустройства.

Например, известно, что локально выпученные или деформированные области графена обладают избирательно повышенной энергетической способностью образования связи с адсорбатами на её поверхности, и, если, например, будет адсорбироваться водород, то в этой области образуется локальный n-i переход. В таких структурах должны проявляться гигантские градиентные явления в сильных магнитных полях [Vorob'ev et al. Phys. Rev. 2006]. Структуры перспективны для формирования графеновых квантовых колец и других функциональных элементов.

Множество оптических элементов используют пересечение канальных оптических волноводов. Предложен и исследован новый тип эффективного пересечения кремниевых полосковых волноводов (кремниевых проволок) с помощью вертикальной связи (через окисный слой) суживающейся части кремниевого волновода с верхним широким канальным полимерным волноводом (см. Рис.а).

Численное трехмерное моделирование методом конечных разностей во временной области (3D FDTD) позволило показать, что оптимальная структура длиной всего 70 мкм может обеспечивать 98% эффективность прямого прохождения (см. Рис.б) и еще более высокую эффективность 99.9% для перпендикулярного прохождения.

При этом обеспечивается незначительное отражение назад (-50 дБ) и пренебрежимо малые перекрестные помехи (-70 дБ). Предлагаемое пересечение кремниевых волноводов может быть изготовлено по КМОП-совместимой технологии и найти широкое применение в области полупроводниковой фотоники и сенсорики в случаях, когда множественные эффективные пересечения волноводов необходимы для обеспечения высоких параметров оптических устройств, реализованных в структурах кремний-на-изоляторе и имеющих высокий контраст показателя с окружающим окислом.

Предложены и исследованы новые широкие одномодовые канальные оптические волноводы с наложенной полоской и решеткой (НПР) (Рис.1а) из нитрида кремния на буферном окисном слое планарного волновода кремний-на-изоляторе (КНИ). Центральная полоска шириной 10 мкм формирует канальный многомодовый волновод, а дифракционные решетки с периодом 0.6 мкм, изготовленные на краях структуры, создают модозависимые дополнительные потери за счёт излучения в окружающую среду. Оптические свойства предлагаемых волноводов обсуждаются на основе результатов трёхмерного численного моделирования методами FDTD и BPM. Показано [1, 2], что широкий НПР-волновод является практически одномодовым, так как обладает малыми потерями на распространение (0.3 дБ/см) для фундаментальной моды и высоким уровнем подавления мод высокого номера (Рис.1б). Новые НПР-волноводы можно изготовить за счёт объединения технологий нанофотоники и интегральной оптики. Они являются КМОП совместимыми и являются базовыми для создания различных фотонных элементов, в том числе, перестраиваемых оптических фильтров и мультиплексоров на основе запатентованной многоотражательной технологии.

1. Andrei V. Tsarev, "New wide strip and grating loaded quasi-single-mode waveguide on SOI," Opt. Express 17, 13095-13101 (2009). IF = 3.88.
2. А.В.Царев, "Оптические свойства широких одномодовых канальных волноводов с наложенной полоской и дифракционной решеткой", Квантовая электроника (2009), принята к печати. IF = 0.84.

В настоящей работе методом химического осаждением из водного раствора, без проведения дополнительной термообработки преципитата, получены нанокристаллы высокотемпературной модификации оксида германия β-GeO₂ с ацентричной кристаллической структурой, пространственная группа P3₂21, a = 498.7(4) pm, c = 565.2(5) pm, поле стабильности которой обычно располагается при температурах T > 1033-1116°С. Получены моноразмерные, однотипные по морфологии, несклонные к агрегатированию нанокристаллы с характерным размером ~500 нм и габитусом 1:1 (Рис.1.а). Методами КР-спектроскопии и РФА установлено отсутствие каких-либо низкотемпературных фазовых переходов при хранении в течение нескольких месяцев на воздухе в температурном интервале Т = 24-54°С, что подтверждает высокую структурную стабильность синтезированной полиморфной модификации оксида германия. Предположительно стабилизация высокотемпературной фазы достигается благодаря вхождению некоторого количества ионов H⁺ в кристаллическую решетку GeO₂. Исследованы оптические характеристики синтезированных нанокристаллов. Спектр оптического пропускания показан на Рис.1.б. Наблюдается резкий край пропускания при λ ~ 220 nm, связанный с фундаментальным поглощением в данном материале. Ширина запрещённой зоны, оценённая из оптических измерений в предположении прямозонных переходов, составляет E_g = 5.72 eV. На основании данных, полученных методами ДТГ, ИК- и КР-спектроскопии, ПЭМ, РЭМ, РЭМ-РМА и РФА рассмотрены факторы размера, состава и особенностей локальной структуры синтезированных кристаллов, обеспечивающие стабильность существования тригональной ацентричной модификации β-GeO₂ при комнатной температуре.

1. V.V. Atuchin, T.A. Gavrilova, S.A. Gromilov, V.G. Kostrovsky, L.D. Pocrovsky, I.B. Troitskaia, R.S. Vemuri, G. Carbajal-Franco, C.V. Ramana. Low-temperature chemical synthesis and microstructure analysis of GeO₂ crystals with α-quartz structure. Crystal Growth & Design 149 (2009) 1829-1832. IF = 4.22.

Выполнено исследование распространения света в полосковом оптическом волноводе с наклонным отражателем в виде одномерного фотонного кристалла из периодического набора наноразмерных отверстий (см. Рис. а). Путем прямого трехмерного численного моделирования методом конечных разностей во временной области (3D FDTD) было показано, что для волны ТЕ-поляризации при угле падения около 39° наблюдается эффект Брюстера.

Это позволяет обеспечить малые коэффициенты деления пучка (< 0.04) в широком спектральном диапазоне. Рассмотрены механизмы дополнительных оптических потерь из-за рассеяния на трёхмерном дискретном отражателе из периодического набора периодических дырок. На примере волновода кремний-на-изоляторе с отражателем из набора отверстий с шагом 300 нм и диаметром 200 нм, заполненных окислом кремния, показано, что оптические потери могут быть пренебрежимо малыми, несмотря на высокий контраст показателя преломления (см. Рис. б). Предлагаемые делители пучка на одномерных фотонных кристаллах являются КМОП совместимыми и могут быть использованы при конструировании различных мульти-отражательных фильтрующих элементов для оптической связи и сенсорики.

Моноклинные кристаллы KPb₂Br₅, пр. группа P2₁/c, a = 8.854(2), b = 7.927(2), c = 12.485(3) Å, β = 90.05(3), Z = 4, являются одной из лучших матриц для лазерноактивных ионов Nd³⁺, Tb³⁺, Dy³⁺ и Er³⁺. Кристаллическая структура KPb₂Br₅ показана на Рис.1. Монокристалл KPb₂Br₅ был выращен методом Бриджмена из стехиометрического расплава. Измерения электронной структуры данного соединения были произведены методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) для порошкового образца, приготовленного из кристалла оптического качества. Для возбуждения фотоэмиссии использовалось Al Kα излучение c энергией рентгеновских квантов 1486.6 эВ. В результате впервые установлено строение валентной зоны данного бромида (Рис.2) и электронные параметры верхних остовных уровней. Вблизи вершины валентной зоны доминирует интенсивный пик с энергией 3.6 эВ, связанный с наличием ионов Br в кристаллической решётке.

Рис.1. Кристаллическая структура KPb2Br5.	Рис.2. Валентная зона KPb2Br5.

Впервые определены разностные энергетические параметры Δ_K = (BE K 2p_3/2 - BE Br 3d) and Δ_Pb = (BE Pb 4f_7/2 - BE Br 3d) для ионов K⁺ и Pb²⁺ в решетке KPb₂Br₅, позволившие произвести сравнительный анализ ионности связей K-Br и Pb-Br в различных бромидах. Кроме фотоэлектронных линий основных элементов обнаружены линии углерода (С 1s) и кислорода (O 1s). Линия C 1s отнесена к углеводородам, адсорбированным на поверхности. Слабая интенсивность линии O 1s свидетельствует о высокой устойчивости поверхности KPb₂Br₅ по отношению к окислению кислородом атмосферы.

Предложен метод синтеза редкой гексагональной модификации оксида молибдена путем осаждения кристаллов h-MoO₃ из раствора парамолибдата аммония азотной кислотой при температуре T=85°C. Микроморфология полученных нанокристаллов и картина ПЭМ, подтверждающая фазовый состав оксида, показаны на рисунке. Формирование гексагональной модификации оксида молибдена подтверждено рентгенофазовым анализом (РФА) и просвечивающей электронной микроскопией (ПЭМ). Кристаллы h-MoO₃ представляют собой стержни с поперечным сечением ~500 нм и длиной ~30 мкм.

Полученные нанокристаллы отличаются выраженной огранкой и однородностью геометрических размеров. Проведено исследование зависимости геометрических параметров стержней в зависимости от условий синтеза и воздействия ультразвука в процессе кристаллизации. Впервые получены ИК- и КР-спектры для гексагональной модификации оксида молибдена h-MoO3.

Для увеличения и стабилизации качества пучка на выходе технологической установки "Луч" (РФЯЦ ВНИИЭФ) рассчитана конфигурация эллиптических фокусирующих киноформных элементов многокомпонентного растра формата 200×200 мм² в приближении реальных световых пучков. Разработана конструкция широкоформатного линзового растра, показанная на Рис. 1, и технология его изготовления.

Линзовый растр изготовлен методами прецизионного травления и испытан в рабочем канале установки "Луч" на длине волны λ = 0,527 мкм при плотности мощности облучения 1,6×10¹⁴ Вт/см². Параметры пятна фокусировки показаны на Рис. 2. Применение растра нового типа обусловило прирост однородности пучка фокусировки на ≈30% и увеличение доли энергии в нем на ≈30% относительно растра однокомпонентной структуры. Получено стабильное качество пучка по глубине продольного положения мишени до 1000 мкм. С использованием растра проведены эксперименты по генерации плоских ударных волн (УВ) при взаимодействии светового пучка с лазерной мишенью. Они показали высокую стабильность качества УВ на выходе базы - разновременность времени выхода УВ в серии экспериментов составила менее 10 пс.