8. Integrált optika és nanofotonika. 8.1. Integrált hullámvezetők és fotonikai elemek: fényforrás, detektor, modulátor, interferométerek, szenzorok. 8.2.

Az előadások a következő témára: "8. Integrált optika és nanofotonika. 8.1. Integrált hullámvezetők és fotonikai elemek: fényforrás, detektor, modulátor, interferométerek, szenzorok. 8.2."— Előadás másolata:

1 8. Integrált optika és nanofotonika. 8.1. Integrált hullámvezetők és fotonikai elemek: fényforrás, detektor, modulátor, interferométerek, szenzorok. 8.2. Fotonikai kristályok. 8.3. Nanofotonika elemei: közeli tér optika, optikai csipesz, nanofluidika. 8.4. Plazmonika elemei. Alkalmazások: új fotonikai elemek és eszközök, infokommunikációs technológiák, szenzorika.

2 Lézerdiódák, detektorok, erősítők, áramkörök – mind félvezetők, integrálhatók a Si, SiO 2, GaAs, zafir, polimer struktúrákba. Optikai erősítők, modulátorok, passzív elemek, csatolók – dielektrikumok, szervetlen kristályok, üvegek, polimerek. Passzív eszközök: egy- vagy többmódusú hullámvezetők lencsék, prizmák, tükrök, rácsok Csatolók, kapcsolók: optikai csatolók hullámhossz-konverterek multiplexerek Az integrált optika egyesíti az egy- vagy több optikai funkcióval rendelkező elemeket, eszközöket a mikroelektronikai integrált elemekkel, áramkörökkel, és ehhez hullámvezetés-alapú technológiát alkalmaz. Aktív eszközök: dióda lézerek optikai erősítők modulátorok fotodetektorok Elektronikai eszközök: CMOS memória MEMS, multiplexerek Erősítők áramkörök

3 Integrált optikai hullámvezetők és eszközök Nagy törésmutató Kis törésmutató Szükséges optikai elemek: Fényforrások (integrált lézerdiódák, LED). Detektorok (UV,VIS, IR). Hullámvezetők (sík és szálak). Modulátorok, szűrők, diffrakciós rácsok. Csatoló elemek (lencsék, prizmák, Bragg rácsok). Gyakori elem: Mach-Zehnder interferométer. Mérés: fáziseltolás. Hatás (érzékelés) mechanizmusa : kémiai, elektromos, törésmutató-változás!

4 Integrált optikai szerkezet Funkciók: beérkező optikai jel erősítése, detektálása, szűrése, integrált mikroelektronikai erősítő- PD, LD vezérlése, továbbá multiplexelés-demultiplexelés.

5 A hullámvezetők típusait már elemeztük, itt megemlítendők a fotonikai kristályokból kialakítható hullámvezetők. Fotonikai kristály A 2D vagy 3D térben periódusosan elrendezett dielektromos/fémes struktúrák (rácsok) képezik a fotonikai kristályt. Ennek alaptulajdonságai: a fény Bragg diffrakciója, tiltott sávok a fényhullám terjedésében bizonyos frekvenciákon, méret (periódus) – frekvencia összefüggés. A legegyszerűbb fotonikai kristály: 1D periódusos struktúra, multiréteges film (Bragg tükör), melynek van tiltott fény frekvencia (energia) sávja. Ha ebbe „hibát” helyezünk, szelektív szűrőt-tükröt kapunk. Eli Yablonovics és John Sajeev 1987-ben kimutatták a tiltott sávok jelenlétét 3D struktúrákban. Összehasonlítás: A hullámvezető teljes visszaverődés alapján működik. Vezetne fényt egy, pontokból álló, hullámvezető? Analógia: elektronok a kristályrácsban! IGEN, mert a méreteken nem alkalmazható a sugároptika!

6 1 D tiltott sáv : hullámvezetés 2 D hullámvezető struktúrák Lineáris „hiba ” Alkalmazás: integrált elemek összeköttetése, fényszálak, szenzorok.

7 Hullámvezető: folyadékkal telitett csatornák (külön alkalmazásuk a mikro-nanofluidika) Lényege: lamináris folyás, amíg Re  2000 Re- Reynold szám., ahol L =csatorna átmérője v = folyás sebessége = sűrűség η = viszkozitás Alkalmazás: bioszenzorok, lab-on-chip, molekulák, sejtek szelektálása. Kombinálható optikai vezérléssel-méréssel, felületi plazmonrezonanciával kísért méréstechnikában.

8 Nanofotonika: közeli tér optika. A felbontás messze a /2 alatt van, és a rés mérete (apertúrája) szabja meg. Lézerfény bevezetése: fémmel borított, kónuszra szűkített hullámvezető szál. Működés: transzmisszió, reflexió, szórás módban. Alkalmazás: SNOM (NSOM) – Scanning Nearfield Optical Microscope, biológiai minták roncsolás mentes vizsgálatai, optikai memória lehetséges fejlesztése.

9 Optikai szenzorok Alkalmazható: jelenlét-mérésre, törésmutató/reflexió változás mérésére. Alkalmazható: elektromosság-mentes hőmérés, mikrohullám-terekben. Teljes belső optikai visszaverődéshez igazítható törésmutató-mérés.

10 Hullámvezető: veszteségek mérése Párhuzamosan: környezeti hatások érzékelése a törésmutató- különbségek változtatásával. A mozgó prizmát immerziós folyadékkal illesztjük a felülethez. A szál a szórt fényt detektálja.

11 Integrált optikai szenzor Követelmények: a hullámvezető jól vezet az infravörös tartományban, a lézer hangolható a molekuláris elnyelési spektrumhoz, a detektor érzékeny az adott hullámhosszokon, az érzékelő réteg kellően funkcionalizálható.

12 Lézercsipesz: atomok, molekulák befogása, mozgatása. A fény törik: a golyó lefele irányítja a fénysugarakat, a fénysugarak felfelé irányítják a golyót! N m(rész) n k(közeg), tehát F r(grad) F s(szórás) A részecske mint egy dipólus, amelyre hat a fény elektromos tere. A gradiens és a szórás erők (elektromágneses megközelítés, méret r) : ahol:I 0 – a fény intenzitása, -a részecske(szféra) szórási metszete, n k –a közeg törésmutatója, c- a fény sebessége vákuumban, - a lézerfény hullámhossza,r-szemcse sugara,  - szemcse polarizációja. A gradiens erő emeli, a szórás – lefele tolja a részecskét.

13 Lézercsipesz alkalmazása: befogni és manipulálni a dielektromos részecskéket (mikro-nanométer méretek), valamint erőt mérni (1-100 pN nagyságú). Mérhető a molekula rugalmassága, szakító erők, kölcsönhatások. Fontos alkalmazás: biológia, sejtrészletek preparálása.

14 Fotonika nanoskálán: plazmonika, a mikro-nanoelektronika és a fotonika szintézise. Plazmonok: a „szabad elektrongáz” sűrűségének kollektív oszcillációi, többnyire optikai frekvenciákon. Felületi plazmonok: a felülethez (határfelülethez) kötött plazmonok, melyek kölcsönhatnak a fénnyel, azaz plazmon-polaritonok. Vagy: elektron-sűrűség hullámok, amelyek a fém-dielektrikum határán terjednek, s amelyeket a kisugárzó (evanescent) elektromágneses hullámok gerjesztenek. Felületi plazmonrezonancia: SPR – a megvilágító fényhullám rezgése rezonanciában van a plazmon oszcillációkkal –elnyelés!! Az elektromos tér nem hatol be a fémbe, mert a benne levő elektronok ezt árnyékolják, egy ellenkező teret formálnak (pld. a tükörtöltés). De magas frekvenciákon (nagy fotonenergiák) a külső tér rezgése túl gyors a követéshez, így elnyelődik. A megfelelő energia a plazmon energiája, E pl =h pl /2. Tipikusan E pl = 10- 30 eV, de van 2-3 eV is!  p   n. Feltétetelek : Legyenek szabad elektronok : Pb,In,Hg,Sn,Cd – plazmon frekvenciák az UV-tartományban, Cu, Ag, Au, Al- a látható tartományban ! Legyenek sima felületek, pld. 50 nm Au réteg üvegen, vagy legyenek nanorészecskék (3-50 nm, nanopálcikák).

15 A dielektromos állandó komplex szám:  =  1 + i  2. A valós rész  1 a törésmutatót jellemzi, az imaginárius rész  2 az abszorpciót jellemzi. A plazmon olyan E p energiánál keletkezik, ahol  1 =0, a felületi plazmon pedig olyan E s energiánál, ahol  1 =-1. (pontosabban ott, ahol Im (1/) és Im (1/(+1)) maximálisak). A plazmonok és a mátrix anyag E=E 0 – optikai átmenet, a fémekben E 0 =0.  (k) divergál a plazmarezonanciánál: nagy k, rövid.

16 Példa: HeNe = 633 nm, SP = 60 nm Ar-lézer, Ag-SiO 2 :

17 =, a gömb polarizálhatósága. ε = ε 1 (ω)+i ε 2 (ω) = a fém részecske komplex dielektromos állandója, amelyben ε 1 (ω) valós és negatív. ε m = a közeg dielektromos állandója, valós és frekvenciától független a vizsgált tartományban. Az elektromos térbe helyezett fém nanorészecskében a negatív töltések elmozdulnak a pozitívoktól, dipól keletkezik, melynek polarizációja: A p rezonánsan erősödik, haminimum.

18 Plazmonok : Szabad elektronok a fémben, Drude modell: A felülethez „kötött” plazmonok kölcsönhathatnak a fénnyel : SSP, felületi plazmon- polaritonok. Rezonans felületi plazmon-polaritonok kelthetők a nanorészecskékben (NR): N - a szabad elektronok sürüsége, m- az effektív tömegük. Elektromágneses hullám: E=E 0 exp [i( kr- ωt)], (E=E 0 sin(kx-ωt)),, k –hullámvektor. n c = n – ik, a fémekben R= [(n-1) 2 + k 2 ]/ [(n+1) 2 + k 2 ], k- az n c imaginárius része, extinkció: k= c /2 ω,  = 4  /n c. Dielektrikumokban: k=0,  - vezetés, kicsi, nincs elnyelés. Fémekben :  - nagy, n és k nagyok lehetnek, R1 ! DE: változó kölcsönhatási idők (frekvenciák) REZONANCIÁHOZ vezetnek!

19 Dielektrikum:  1  0, fém:  2  0. Felületi plazmon-polariton: elektromágneses hullám a fém-dielektrikum határfelületén. Az elektromágneses hullám a felületi töltések plazma-oszcillációihoz csatolt., a dielektrikumban : Felület: fém (arany)-dielektrikum (levegő),  m  -  d Kretschmann-módszer : a prizma törésmutatója fontos a hangoláshoz! SPP : elektron-sűrűség hullámok, amelyek a fém-dielektrikum határán terjednek, s amelyeket a kisugárzó (evanescent) elektromágneses hullámok gerjesztenek.

20

21 Optikai-plazmon csatornák integrálása: az optoelektronika és a nanoelektronika egyesítése. Először Stockman mutatta ki, lásd Phys.Rev.Letters, 93, 137404 (2004). Egy sor arany nanoszemcse is plazmonvezetőként alkalmazható.

22 Lehető alkalmazások: plazmon lencse, multiplexer, integrált elemek, napelemek. Fluoreszcencia, Raman-szorás, elektron-lyuk párok gerjesztésének erősítése! Biológiai és más anyagok növelt érzékelése. Nagy felbontású digitális információtárolás. Nanoprintelés. Kutatások a Debreceni Egyetemen: plazmonok által erősített optikai írás, tömegátvitel amorf kalkogenid (As(Ge)-S(Se)) rétegekben.

23 Fényindukált változások szerves nanokompozitokban

24 Teszt kérdések 1.A közeli tér optikai mikroszkóp laterális felbontása: A. Kisebb a megvilágítás hullámhosszától. B. Nagyobb a megvilágítás hullámhosszától. C. Nem függ attól. D. Függ a megvilágító aperturától. 2. A felületi plazmon-polariton: A. A fém-dielektrikum határfelületéhez kötött elektromágneses hullám. B. Egy felületi rácshibán lekötött elektron. C. A felülethez kötött elektron-lyuk pár rezgése. D. A dielektrikumban indukált polarizáció lecsengése. 3. Arany nanoszemcsét tartalmazó üveget plazmon-rezonáns hullámhosszon megvilágítjuk. A. A minta melegedni fog. B. A minta melegedni és kisugározni fog. C. A minta visszaveri a gerjesztő fényt. D. A minta színe megváltozik.

25 4. Egy szilícium dioxidba integrált hullámvezető törésmutatója: A. nagyobb, mint a dioxidé, B. kisebb, mint a dioxidé, C. egyenlők. 5. Egy szilícium dioxid integrált hullámvezetőbe prizmával akarjuk bevezetni a fényt. A prizma törésmutatója: A. nagyobb, mint a dioxidé, B. kisebb, mint a dioxidé, C. egyenlők. 6. Gerjeszthető e plazmon-polariton egy dielektrikum lemezben? 7. Milyen erőkkel tartja a lézercsipesz a molekulát? 8. Hogyan tudna He-Ne lézer sugárzással 20 nm átmérőjű jelet írni egy fényérzékeny felületen? 9. Mit jelent a hullámvezető optikai szenzor funkcionalizálása? 10. Milyen fizikai paraméter változását „érzi” az optikai hullámvezető szenzor?