Одномерные фотонные кристаллы и микрорезонаторы на основе кремния тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

На правах рукописи

Толмачев Владимир Андреевич

ОДНОМЕРНЫЕ ФОТОННЫЕ КРИСТАЛЛЫ И МИКРОРЕЗОНАТОРЫ НА ОСНОВЕ КРЕМНИЯ

Специальность 01.04.05 - Оптика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Санкт - Петербург 2015

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном учреждении науки Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе Российской академии наук

Официальные Головань Леонид Анатольевич

оппоненты- Доктор физико-математических наук, профессор,

Московский государственный университет М.И.Ломоносова, доцент

Сидоров Александр Иванович

доктор физико-математических наук, с.н.с. Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, профессор

Котликов Евгений Николаевич

доктор физико-математических наук, профессор, Заслуженный работник высшей школы РФ, Санкт-Петербургский Государственный университет аэрокосмического приборостроения, профессор

Ведущая организация: Федеральное государственное автономное

образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет Петра Великого»

Защита состоится 25 июня 2015 г. в на заседании диссертационного совета Д212.227.02 при Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский проспект, д.49. ауд

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета и на сайте fppo.ifmo.ru.

Автореферат разослан « СТ » ¿^¿¿У 2015 г.

И

Ученый секретарь диссертационного совета Федоров А В

доктор физико-математических наук, профессор

|>с,'(;скискл',1

■)с;удл1'сIui пили

ВИЬЯИО'П.КЛ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования

В настоящее время во всем мире интенсивно разрабатываются фотонные элементы для создания оптического процессора и соответствующие оптоэлектронные схемы, в которых фотонные и электронные компоненты интегрируются на одном чипе. Одним из самых перспективных базовых материалов для их получения является кремний, так как он прозрачен в ИК области спектра и производство оптического процессора может осуществляться на единой технологической линии. Для реализации этой концепции сформировалось актуальное направление под названием «кремниевая фотоника». В последние годы в этом направлении активно продвигается идея разрабатывать фотонные элементы для использования не только в ближнем ИК (0.7-2.5 мкм), но в среднем (2.5-50 мкм) и дальнем ИК диапазонах, то есть в областях, где находятся характерные полосы поглощения многих химических и биологических молекул. Эффективная диагностика этих полос обеспечивает высокую надежность опознавания молекул в сложных составах и приведет к созданию массовых миниатюрных «лабораторий на чипе» для использования в промышленности, медицине, системах безопасности и контроля окружающей среды.

Для создания новых фотонных элементов на основе кремния актуальны исследования и разработки фотонных кристаллов (ФК) - периодических структур, в которых создается модуляция показателя преломления (диэлектрической проницаемости) в одном, двух или трех направлениях. В ФК возникают фотонные запрещенные зоны, в пределах которых излучение не может распространяться.

В одномерном ФК (1ФК) фотонная запрещенная зона (ФЗЗ) образуется только для одного направления в периодической структуре, состоящей, как правило, из двух низко- и высокопреломляющего компонент, например, в виде периодических тонких слоев с альтернативными показателями преломления (или в виде периодически микроструктурированного материала). На их основе созданы высокоэффективные отражатели, резонаторы, оптические фильтры и переключатели, обкладки волноводных структур и др. Преимуществом 1ФК по сравнению с двумерными и трехмерными ФК является простота и низкая стоимость их изготовления.

В фотонных элементах, предназначенных для оптических цепей на Si чипе, излучение должно распространяется вдоль плоскости подложки, но вышеупомянутые тонкопленочные технологии для их получения практически

не пригодны. Поэтому для создания фотонных структур на чипе используют методы микроструктурирования на полупроводниковых материалах.

В периодической сильноконтрастной структуре «Бьвоздух» существуют широкие ФЗЗ высоких порядков, которых могут быть использованы, также как и первая (основная) ФЗЗ. Для этого необходимо исследовать закономерности формирования ФЗЗ в 1ФК не только с традиционными четвертьволновыми компонентами, а в более широком диапазоне комбинаций толщин компонентов. Исследования оптических свойств одномерных ФК в этом классе материалов оказались не достаточно изученными и ограничивались в основном измерениями для одной длины волны, или для очень узкого диапазона спектра.

Объект исследования. Одномерные периодические структуры «кремний-воздух» и «кремний-жидкий кристалл», создающие отраженное и прошедшее излучение с заданными характеристиками.

Цель работы. Теоретические и экспериментальные исследования закономерностей формирования и преобразования фотонных запрещенных зон и резонансов в одномерных фотонных кристаллах, полученных с помощью методов микроструктурирования на 81.

Для достижения цели работы были поставлены и решались следующие научные задачи:

1. Развитие метода моделирования фотонных кристаллов в виде карт фотонных запрещенных зон для создания новых конструкций одномерных ФК и резонаторов на их основе;

2. Определение влияния геометрии падающего пучка и флуктуаций параметров 1ФК на фотонные запрещенные зоны;

3. Расширение полос высокого отражения путем создания составных 1ФК (оптических гетероструктур);

4. Выявление закономерностей при формировании ФЗЗ и областей прозрачности в трехкомпонентных 1ФК;

5. Управление фотонными запрещенными зонами в композитных 1ФК, используя оптические свойства жидких кристаллов (ЖК);

6. Подстраивание резонансов высоких порядков в резонаторах Фабри-Перо на основе структуры «81-ЖК-81;

7. Выявление принципов управления триплетными модами связанных резонаторов в 1ФК.

Методы исследования.

Для решения поставленных расчетно-теоретических задач использовались три метода определения оптических характеристик 1ФК. Метод зонных диаграмм был применен для расчета идеализированных 1ФК с бесконечным числом периодов. Метод матриц переноса был использован для расчета спектров отражения и пропускания 1ФК и резонаторов с конечным числом периодов, а также для определения распределения амплитуды электрического поля по структуре. Моделирование 1ФК с помощью карт ФЗЗ было использовано для полномасштабного исследования 1ФК в координатах «структура—свойство» и было усовершенствовано для расчета карт с областями резонансных мод и с областями прозрачности.

Для экспериментальных исследований использовались технологии микроструктурирования на кремнии: оптическая и электронно-лучевая литография, химическое и ионно-плазменное травление. Оптические исследования проводились в ближнем и среднем ИК диапазоне с помощью Фурье-спектрофотометра, совмещенного с ИК микроскопом (Я = 1.5-15 мкм), а также путем использования спектрального анализатора с оптоволоконным сопряжением (Я = 0.9-1.7 мкм). При этих измерениях излучение вводилось в 1ФК в направлении, параллельном плоскости 81 подложки. Для исследования электрооптических эффектов в жидкокристаллических элементах применялась поляризационная микроскопия высокого разрешения с видеорегистрацией, а для контроля параметров структуры 1ФК использовалась сканирующая электронная микроскопия.

Научная новизна работы состоит в следующем.

1. Рассчитаны карты ФЗЗ для одномерных фотонных кристаллов с оптическим контрастом в диапазоне от 3.42/1 до 3.42/1.7, с помощью которых исследованы закономерности преобразования ФЗЗ для оптических гетероструктур, трехкомпонентных ФК, композитных ФК и резонансных структур, а также проанализировано поведение ФЗЗ при введении флуктуаций геометрических параметров и фокусировки пучка.

2. Рассчитаны карты зон прозрачности 1ФК, совмещенные с картами ФЗЗ, позволяющие моделировать конструкции 1ФК в координатах «структура-свойство».

3. Выявлено влияние случайно индуцированных флуктуаций геометрических параметров 1ФК на смещение и деформацию областей фотонных запрещенных зон, в том числе с появлением в них дефектных состояний.

4. Установлено, что при усреднении спектров, рассчитанных для наклонных углов падения излучения, узкие высокопорядковые полосы высокого отражения (соответствующие ФЗЗ) могут деформироваться и полностью подавляться из-за преобладающего вклада полос отражения для больших углов падения.

5. Предложено для получения существенно расширенной полосы высокого отражения на спектре использовать близко расположенные ФЗЗ, характерные для сильноконтрастных 1ФК. Для этого применяются два ФК с различными константами решетки, которые составляются в единую оптическую гетероструктуру с объединением нескольких фотонных запрещенных зон, что было продемонстрировано экспериментально.

6. Выявлена корреляция между оптической толщиной введенного третьего регулярного слоя в периодическую структуру «81-воздух» и оптическим контрастом получающегося трехкомпонентного 1ФК. Таким образом, можно уменьшать оптический контраст и получить всенаправленную ФЗЗ в сильноконтрастном 1ФК.

7. Исследовано локальное подавление областей ФЗЗ на карте ФЗЗ трехкомпонентного 1ФК в зависимости от оптической толщины дополнительного слоя и появление на их месте областей (зон) прозрачности. В пределах этих областей выявлены широкие полосы пропускания на спектре, что было продемонстрировано экспериментально.

8. Исследована теоретически и экспериментально переориентация молекул ЖК, находящихся в композитном 1 ФК, как при нагревании, так и при приложении электрического поля. Достигнута управляемая электроподстройка края ФЗЗ с относительным сдвигом края полос АЯ/Я до 1.6 %.

9. Предложено трансформировать 1ФК в резонатор Фабри-Перо путем введения жидкого кристалла в один из его периодов с образованием полости резонатора с оптической толщиной 0.8(Я/2), а для получения существенной подстройки расчетных и экспериментальных пиков пропускания ДЯ/Я (до 10 %) - использовать резонансы высоких порядков.

10. Предложены и исследованы управляемые связанные резонаторы Фабри-Перо, находящиеся в структуре 1ФК на основе 81, в которых продемонстрировано влияние показателя преломления ЖК в индивидуальных полостях резонаторов на положение, сдвиг и подавление дефектных мод, а также на расщепление триплета резонансных пиков на дублет и монопик.

Положения, выносимые на защиту.

1. Метод моделирования фотонных кристаллов, в основе которого лежит расчет массива спектров отражения для фотонного кристалла в диапазоне факторов заполнения от 0 до 1, фильтрация спектральных данных по определенному критерию и получение карты областей фотонных запрещенных зон в координатах «структура - оптические свойства».

2. Соединение двух сильноконтрастных 1ФК с различными структурными параметрами формирует оптическую гетероструктуру, в которой объединяется от 3-х до 5-ти фотонных запрещенных зон с образованием расширенных спектральных полос высокого отражения.

3. Введение в двухкомпонентную периодическую систему третьей регулярной структуры эквивалентно изменению оптического контраста фотонного кристалла. Третий компонент в 1ФК способствует подавлению определенных ФЗЗ высоких порядков с образованием на карте кроме областей ФЗЗ значительных областей прозрачности, которые на спектрах появляются в виде широких полос пропускания с Т> 99 %.

4. Периодическая структура «^¡-жидкий кристалл» является управляемым фотонным кристаллом, в котором при приложении электрического поля происходит перестройка молекул нематического жидкого кристалла из разупорядоченного состояния в гомеотропную ориентацию, что приводит к изменению показателя преломления, подстройке оптического контраста фотонного кристалла и соответствующему сдвигу краев фотонных запрещенных зон.

5. Резонатор Фабри-Перо, состоящий из стенок кремния и жидкокристаллической полости, обеспечивает при приложении к нему электрического поля существенную подстройку интерференционных полос, благодаря оптимизированной геометрии компонентов и использованию резонансов высоких порядков.

6. При введении жидкого кристалла в два (или три) определенных периода структуры фотонного кристалла формируются два (или три) резонатора Фабри-Перо, имеющие оптическую толщину полостей 0.8(А/2), а в фотонных запрещенных зонах на спектре образуется дублет (или триплет) связанных резонансных мод. Положением и видом каждого из пиков дублета (или триплета) связанных мод можно целенаправленно управлять путем независимого изменения двулучепреломления ЖК с помощью электрического поля в заданной полости резонатора, причем возможность подстройки трех связанных резонаторов даег большее число комбинаций дефектных мод на спектре.

Практическая ценность работы определяется следующим.

1. Сконструированы и изготовлены образцы одномерных ФК с помощью методов микроструктурирования на Si (включающие фотолитографию, химическое и ионно-плазменное травление) с широким диапазоном структурных параметров: константы решетки а 1.6-24 мкм) и факторы заполнения fe = 0.09-0.6. Полученные 1ФК обладают основной ФЗЗ от Я = 6 мкм и выше, а также множеством ФЗЗ высоких порядков.

2. Экспериментально продемонстрировано расширение определенных полос с высокими значениями коэффициентов отражения в спектрах составных 1ФК (оптических гетероструктур), которые могут быть использованы для создания широкополосных отражателей и оптических фильтров для определенного диапазона длин волн.

3. Исследована возможность снижения оптического контраста 1ФК с целью получения в нем всенаправленной (omnidirectional) ФЗЗ, что можно использовать для создания обкладок в пустотелых волноводах на Si чипе и снижения потерь проходящего излучения.

4. Предложен и изготовлен оптический фильтр на основе Si (периодическая структура Si-Si02-B03Ayx), имеющий ширину полосы пропускания 1.3 мкм (Т = 92-98 %) в среднем ИК диапазоне (Я = 3-4 мкм), который можно использовать в качестве оптического элемента на чипе с широкими полосами отражения и пропускания в различных диапазонах ИК спектра.

5. Получен композитный 1ФК с помощью метода микроструктурирования на платформе «кремний на изоляторе» и путем введения в него жидкого кристалла. При приложении к стенкам Si электрического поля (от 2 до 10 вольт) достигнута обратимая переориентация молекул ЖК и соответствующая подстройка края ФЗЗ ДЯ/Я до 1.6 % в области спектра 10 мкм, что может быть использовано для получения подстраиваемого оптического фильтра или модулятора.

6. В резонаторе Фабри-Перо, изготовленном путем микроструктурирования на кремнии, экспериментально получен существенный относительный сдвиг высокопорядковых резонансных пиков ДЯ/Я до 10 %. Этот резонатор можно использовать в качестве электроуправляемого оптического фильтра, переключателя лазерных длин волн или умеренно-быстрого модулятора.

7. Экспериментально продемонстрирован 1ФК с тремя связанными резонаторами, который получен методом микроструктурирования на Si чипе и последующего введения жидкого кристалла в определенные периоды ФК. Теоретически предсказано, как с помощью независимого управления

ориентацией ЖК в каждом из резонаторов (при приложении электрического поля), можно управлять массивом узких полос пропускания на спектре (их положением и амплитудой), что может быть использовано для получения управляемых многоканальных оптических фильтров и биохимических сенсоров.

8. Разработан класс одномерных ФК и микрорезонаторов, получаемых методами микроструктурирования на кремнии и взаимодействующих с излучением, направленным параллельного плоскости подложки.

Достоверность и надежность результатов.

Основные положения и выводы диссертации надежно обоснованы тщательно проведенными экспериментальными исследованиями. Большое внимание в работе уделено сопоставлению полученных результатов с исследованиями других авторов. Результаты работы опубликованы в авторитетных рецензируемых российских и международных журналах, докладывались на ведущих международных и российских конференциях по теоретическим и экспериментальным исследованиям фотонных кристаллов и оптическому материаловедению для фотоники.

Апробация работы. Основные результаты работы представлялись и обсуждались на 43 российских и международных конференциях (лично представлено 22 доклада): м/н конференция "Micro- and nanoelectrionics MNE (2001,2003,2009, Звенигород); OPTO-Ireland SPIE (2002,2005, Ирландия); 2nd European Symposium On Photonic Crystals (2003, Польша); 4"" Российская конференция "Кремний-2003" (2003, Санкт-Петербург); 5lh Int. Conf. on Transparent Optical Networks ICTON (2003, Польша); NATO Advanced Research Workshop Summer School, Technishe Uni. (2003, Германия); 11 и 13й1 Int. Symp. "Nanostructures: Physics and Technology" (2003, 2005, Санкт-Петербург); Physics, Chemistry and Application of Nanostructures. Nanomeeting (2003, Минск); 6"" Российская конференция по физике полупроводников (2003, Санкт-Петербург); Conferences of the Europian Material Research Society E-MRS (2004, 2006, 2008, Франция); 3, 4, 5, 6, 7, 8 м/н конференции "Фундаментальные проблемы оптики ФПО" (2004, 2006, 2008, 2010, 2012, 2014, Санкт-Петербург); 3, 4, 5, 6, 7, 8 и 9 м/н конференции "Porous semiconductors - Science and Technology PSST" (2002, 2004, 2006, 2008, 2010, 2012, 2014, Испания); 2a" м/н конференция «Surface Coatings and Nanostructured Materials, NanoSMat2007» (2007, Portugal); SPIE conference on Microelectronics, MEMS and Nanotechnology (2007, Австралия); SPIE Photonics Europe (2008,Франция, 2010(Бельгия); Международный форум по нанотехнологиям (2008, Москва); SPIE Europe Optical Metrology Conference

(2009, Германия); Intel European Research and Innovation Conference (2007, 2009, 2010, Ирландия); XIII Международный Симпозиум "Нанофизика и Наноэлектроника" (2009, Н.Новгород); 14Ш м/н конференция «Оптика лазеров» (2010, Санкт-Петербург); X Intern. Conference on nanostructured materials NANO (2010, Италия); SPIE Photonics West (2011, 2012, США).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 70 работ, из них 49 работ в ведущих рецензируемых научных журналах в области оптики, включенных в систему цитирования Web of Science: 35 статей, 1 глава в книге, 13 публикаций в Proceedings of SPIE.

Личный вклад автора. Формулировка цели и задач диссертационной работы, разработка физических моделей, все расчетно-теоретические задачи (включая разработку программ в редакторе MathCad), формирование комплекса методик оптических исследований, обобщение представленных в работе результатов и написание диссертации были осуществлены автором лично, а также анализ большинства полученных расчетных и экспериментальных данных.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения и списка цитируемой литературы, включающего 200 ссылок, из них 59 ссылок на работы автора. Работа изложена на 275 страницах, содержит 127 рисунков и 5 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обсуждается объект исследования и актуальность работы, сформулирована цель и задачи, защищаемые положения, научная новизна и практическая значимость полученных результатов, а также дана краткая аннотация содержания отдельных глав.

Глава 1 посвящена описанию 3-х методов для моделирования фотонных свойств 1ФК: метод зонных диаграмм, метод матриц переноса, метод карт фотонных запрещенных зон.

Расчет дисперсионных кривых 1ФК (метод зонных диаграмм)

Для расчета дисперсионных кривых используется уравнение (1), которое описывает дисперсионную зависимость между частотой и волновым вектором К для блоховской волновой функции

cos Ка = cos(£ljri/|) cos(k2xd2) - В sin(klxdt) sin(k2id2) (1)

где klK и k2x представляют собой x компоненты волновых векторов k/ и k2 для

первого и второго слоев, соответственно.

Использование данного метода позволяет рассчитывать ФЗЗ для идеализированных 1ФК с бесконечным числом периодов [1, 2].

Метод матриц переноса

Используется подход с использованием произведения 2x2 матриц (8), в котором рассматривается прохождение плоской волны через периодическую структуру (рисунок 1 а). В этом подходе принимаются в расчет многочисленные отражения, имеющие место на каждой границе раздела:

+/• • • 1т-]'^т'1т\1 (2)

С помощью этого метода рассчитываются спектры отражения [3] и пропускания, распределение амплитуды электромагнитного поля по структуре реального 1ФК с конечным числом периодов.

Рисунок 1 - (а) Схема фрагмента периодической структуры, где а = d\ + d2; (б) SEM изображение 1ФК на основе периодической структуры «Si-воздух»

Расчет карт фотонных запрещенных зон.

Подход с использованием карты ФЗЗ (gap тар) для одномерного ФК демонстрировался ранее для периодической структуры с бесконечным числом периодов. В диссертационной работе использовался расчет карт ФЗЗ с любым числом периодов 1ФК, что является более привлекательным с экспериментальной точки зрения. Для построения карт ФЗЗ производится расчет спектров отражения R для множества значений толщин компонентов периодической структуры с использованием фактора заполнения //= d¡/a от 0.01 до 0.99. Далее из спектров выбираются значения частот (длин волн), которые соответствуют краям ФЗЗ по определенному критерию (например, R>0.999) и наносятся на график в координатах «/, - частота» или « f¡ - длина волны». Обычно для получения карты ФЗЗ производится расчет ста и более значений // [1,4]. На одном рисунке можно составить полную картину о

расположении ФЗЗ различного порядка и их ширине в зависимости от структурных параметров 1ФК (фактора заполнения, числа периодов, оптических констант компонентов) и условий взаимодействия излучения с 1ФК (угла падения, поляризации).

Проведено сопоставление данного подхода со структурами, рассчитанными исходя из четвертьволновых оптических толщин, которое показало, что, используя расчет карт ФЗЗ с непрерывным изменением геометрических параметров, можно получить более полную информацию о ширине ФЗЗ для 1ФК с различными структурными параметрами и более эффективно исследовать закономерности формирования и преобразования ФЗЗ, включая комбинирование нескольких 1ФК и резонансных структур. Кроме того, метод карт был модифицирован для моделирования фотонных структур с зонами прозрачности и областями резонансных мод [5].

В Главе 2 описываются экспериментальные методы изготовления и оптической характеризации образцов 1ФК, получаемых методом микроструктурирования на кремнии (рисунок 16). Для их изготовления используются методы, включающие фотолитографию и анизотропное травление (110) Si, которые в данной работе были оптимизированы, в частности, для получения структур на подложке «кремний на изоляторе» (КНИ). Образцы 1 ФК с линейными каналами, благодаря разным скоростям травления кристаллографических плоскостей в Si, получали с оптически гладкими поверхностями стенок и тем самым обеспечивались минимальные оптические потери при отражении и пропускании [6-8]. Разработаны конструкции с каналами и резервуарами для получения композитных 1ФК структур с введенным жидким кристаллом, в том числе на структуре КНИ, с возможностью приложения электрического потенциала к границам раздела Si-ЖК до 150 вольт.

Разработан комплекс методик для микролокальных оптических измерений 1ФК структур на Si чипе, включающий Фурье-микроспектроскопию (зондируемый размер образца 15x15 мкм2 и более) и программы для поиска (подгонки) параметров структур из экспериментальных спектров. С помощью этой методики охватывается значительный диапазон спектральных измерений (Я = 1.5 - 15 мкм), что дает возможность увидеть в сильноконтрастной периодической структуре на основе Si множество ФЗЗ (от 3 до 10 и более) [9]. Измеренные спектры отражения (пропускания) 1ФК демонстрируют, как правило, хорошее совпадение ФЗЗ с расчетными спектрами, характерными для периодической структуры «Si-воздух». На некоторых из этих спектров было обнаружено отсутствие некоторых полос отражения R, хотя они были

предсказаны в расчетах ФЗЗ, при этом остальные экспериментальные полосы хорошо совпали с теоретически рассчитанными ФЗЗ. Для объяснения этих особенностей были исследованы две возможные причины: 1) влияние фокусировки пучка (который формируется объективом ИК микроскопа), 2) влияние разупорядочения геометрических размеров (толщины) стенок 81 на деформацию и подавление ФЗЗ.

В результате исследования влияния геометрии падающего пучка при взаимодействии с периодической структурой «81-воздух» выявилось, что при усреднении формируемых спектров для различных углов падения излучения узкие высокопорядковые полосы высокого отражения могут деформироваться и подавляться на спектрах из-за разнонаправленного сдвига краев ФЗЗ [9]. Было получено хорошее соответствие расчета и эксперимента при усреднении спектров в диапазоне падающих пучков <р = 1 (Н30°.

Исследование влияния флуктуаций толщины стенок 81 на характер деформации областей ФЗЗ было проведено с учетом генерирования изменений толщин по случайному закону распределения. Вариация фактора заполнения fsi производилась в полном диапазоне изменения: от 0 до 1. Оценка влияния флуктуаций велась, в первую очередь, по изменению формы областей ФЗЗ, а также по возникновению в них дефектных состояний. Выявлен уровень их воздействия на деформацию ФЗЗ различного порядка [ 10] и установлено, что в пределах разнотолщинности 10-15 % устойчивой является 1-ая ФЗЗ и ближайшие к ней зоны (рисунок 2), при 20 30 % только 1-ая ФЗЗ, при > 40 % полностью разрушается и область 1-ой ФЗЗ.

Рисунок 2 - Влияние случайных геометрических отклонений в толщинах 81 на формирование областей на карте ФЗЗ для невозмущенного 1ФК (тонкие символы-линии) и 1ФК со стандартным отклонением толщины 81 стенок 8 = 0.1 (жирные символы-линии)

1.0,

0.5

а/А.

1.0

Одностороннее распределение флуктуации параметров приводит к сдвигу областей ФЗЗ на карте из-за изменения фактора заполнения 1ФК, а ярко выраженная флуктуация приводит к появлению дефектных состояний.

Продемонстрировано влияние экспериментально измеренных отклонений геометрических параметров на сдвиг резонансных пиков в спектрах отражения Л фотонного кристалла [11]. Результаты данного исследования дали возможность определять допуски в флуктуациях геометрических размеров при их технологической реализации и оптимизировать конструкции одномерных ФК структур.

В Главе 3 исследованы теоретически и экспериментально два варианта расширения полос отражения на спектрах. Первый вариант осуществлялся путем введения разупорядочения в толщину нескольких последовательных периодов 1 ФК. Уменьшение по экспоненциальному закону толщины стенок в трех крайних периодах привело к получению расширенной полосы отражения Я как в расчетном, так и экспериментальном спектрах [12].

Во втором варианте предложено использовать близко расположенные ФЗЗ в сильноконтрастном 1ФК для получения расширенных полос отражения [13-14]. Для этого составляются два 1ФК по следующему принципу: в первом 1ФК область пропускания, находящаяся между двумя областями ФЗЗ, должна быть в том же самом диапазоне, что и область ФЗЗ для второго 1ФК. Это приводит к объединению всех трех ФЗЗ с образованием расширенной полосы высокого отражения в спектре (рисунок 3).

1000 2000 3000 4000 5000 6000

Рисунок 3 - Расчетные спектры И для отдельных 1ФК и оптической гетероструктуры с расширенной ФЗЗ-2 в диапазоне 2700-4500 см

Используя предложенный подход, путем объединения от трех до пяти ФЗЗ, можно получать более существенное расширение полос отражения по сравнению с двухкратным расширение полосы отражения (R) при составлении гетероструктуры из двух 1ФК. Варьируя параметром а в отдельных 1ФК (при постоянном f), можно получить больше различных вариантов расширения полосы R по сравнению с вариацией параметра / при постоянном а. Образование расширенной полосы отражения на спектре в результате объединения 3-х ФЗЗ обоих 1ФК было продемонстрировано экспериментально в хорошем соответствии с расчетом.

Глава 4 посвящена исследованию фотонных запрещенных зон трехкомпонентных фотонных кристаллов. Введение в двухкомпонентный 1ФК дополнительного регулярного слоя приводит к образованию трехкомпонентного 1ФК [15].

Обычно, расчет таких структур осуществляется путем вариации геометрических параметров толщин трех слоев периодической структуры, и основывается, в определенной степени, на интуиции авторов и их опыте в расчетах слоевых структур. В диссертации использование карты ФЗЗ дает возможность предсказывать оптические характеристики 1ФК путем подбора только оптической толщины дополнительного слоя, так как параметры компонентов исходного 1ФК в виде фактора заполнения полностью представлены на карте.

Установлена корреляция между параметрами дополнительного слоя и оптическим контрастом 1ФК (рисунок 4), что дает возможность управления контрастом с помощью двух параметров этого слоя: толщиной d, и показателем преломления п, [16].

Если в сильноконтрастном 1ФК (Si-воздух) уменьшить оптический контраст, например, до 3.42/1.35, то тогда в нем можно получить всенаправленную (omnidirectional) ФЗЗ (с полным отражением излучения, падающего из воздуха, для любых углов падения и поляризаций). Для этого случая была выявлена зависимость значений ширины всенаправленной ФЗЗ от толщины дополнительного слоя, и установлено, что такая ФЗЗ может быть образована в диапазоне значений fs, от 0.22 до 0.6 с максимальной шириной 0.053(а/А) при /Si = 0.31 [17].

На картах ФЗЗ для 3-х компонентного 1ФК на основе периодической структуры «Si-Si02-B03flyx» было обнаружено локальное подавление ФЗЗ высоких порядков для определенного диапазона а/Х (рисунок 5).

Рисунок 4 - (а) Области 1-ой ФЗЗ трехкомпонентного 1ФК с различными значениями с!, ( при п, = 1.5); (б) области ФЗЗ двухкомпонентного 1ФК с различными значениями И/.

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

а/я

Рисунок 5 - Карта областей ФЗЗ трехкомпонентного 1ФК (овалы), совмещенная с картой областей (зон) пропускания (ЗП)

На спектрах отражения вместо полос отражения, соответствующих ФЗЗ, появились широкие полосы с коэффициентом пропускания Т > 99 %. Этот эффект наблюдался для набора спектров, рассчитанных для определенного диапазона факторов заполнения, например, для = 0.1-0.13 (рисунок 6а).

Далее, было предложено рассчитывать другой тип карты - карту областей прозрачности (зон прозрачности), на которой можно выявить закономерности формирования периодических структур с широкими полосами пропускания на спектрах. На полученной карте они выглядят в виде вытянутых фигур по форме, напоминающей «гребешки для волос», и находятся между областями ФЗЗ (рисунок 5) [18-19].

На основе оптимизированных расчетов была изготовлена структура на основе 1ФК «81-8Ю2-воздух», на экспериментальном спектре Т которой демонстрируется широкая полоса пропускания в диапазоне Я = 3.5 - 4.8 мкм (Т = 92-98 %), хорошо совпадающая с расчетом (рисунок 66) [20]. На основе полученных результатов можно разрабатывать оптические фильтры, сочетающие широкие полосы пропускания в одном диапазоне спектра с широкими полосами отражения - в другом.

ЗОНЯ

0.6 1-2

а/Л

Рисунок 6 - а) Трехмерное изображение семейства спектров с ФЗЗ и зоной прозрачности; б) расчетный (пунктир) и экспериментальный (сплошная) спектры Я трехкомпонентного 1ФК

Области ФЗЗ и области прозрачности для нормального падения излучения располагаются на совмещенной карте отдельно друг от друга. При наклонных углах эти области смещаются по-разному (в зависимости от поляризации падающего пучка). Так, полосы отражения на спектре для р-поляризации с увеличением угла падения расширяются, тогда как для в-поляризации -

становятся более узкими. При определенных условиях, полоса ФЗЗ для р-поляризации будет иметь перекрытие с полосой пропускания для б-поляризации. Этот эффект представляет интерес с точки зрения возможности получения узкополосного поляризатора. Для оптимизации конструкции были исследованы карты зон пропускания при наклонных пучках света, и при их совмещении с ФЗЗ выявлены углы падения (например, 60°) для получения полос на спектре с ярко выраженными поляризационными свойствами [21].

В Главе 5 исследованы композитные 1ФК структуры с жидким кристаллом, в которых можно управлять краями ФЗЗ. Рассмотрены варианты ориентации молекул ЖК при воздействии температуры и электрического поля. Для конструирования и оптимизации управляемых 1ФК структур «81-ЖК» в широком диапазоне факторов заполнения были рассчитаны карты ФЗЗ (рисунок 7) [22,23]. Установлено, что значительное смещение областей ФЗЗ на карте при изменении оптического контраста с 3.42/1.5 до 3.42/1.7 происходит в диапазоне факторов заполнения < 0.5, ввиду увеличения фракции ЖК в 1ФК и его возрастающего влияния на сдвиг края ФЗЗ.

О!2 О!4 Í6 0^8

а/я

Рисунок 7 - Карта ФЗЗ подстраиваемого композитного 1ФК «Si-ЖК» для двух яжк= 1.5 и 1.7

Впервые изготовлен 1ФК с жидким кристаллом, в котором излучение направлено параллельного плоскости подложки (рисунок 8а). После введения нематического ЖК, как правило, устанавливается планарная ориентация молекул вдоль направления каналов со сдвигом интерференционных полос в поляризационных Е- и Н-спектрах [24].

С помощью подгона расчетных спектров к экспериментальным спектрам при вариации яжк было определено двулучепреломление ЖК Дижк = 0.15. Кроме того, на спектрах выявляются характерные полосы поглощения молекул ЖК при v = 2222 см"1 (4.5мкм), 1600см"' (6.2 мкм) и 1497 см"1 (6.7 мкм), причем в

спектре Е эти полосы имеют большую интенсивность, чем в Н- спектре, что указывает на расположение длинной оси ЖК молекул вдоль направления электрического вектора и соотносится с планарной ориентацией молекул.

При нагреве образца до Т = 65°С ЖК переходит в изотропную фазу. Величина пжк, определяемая из подгонки спектра, оказалась равной 1.54, что соответствует справочным данным для ЖК марки Е7. Таким образом, по двум особенностям в спектрах (сдвиг интерференционных полос и изменение интенсивности полос поглощения) можно характеризовать ориентацию ЖК в канавках. Полученная термоподстройка первой ФЗЗ в области спектра 10 мкм привела к относительному сдвигу края ДА^ц/А = 2.4 %, который оказался близким к теоретически возможному значению, но был необратимым [24].

При исследовании электроподстройки ФЗЗ, впервые разработана конструкция 1ФК с использованием структуры «кремний на изоляторе» (КНИ), которая потребовалась для электроизоляции стенок друг от друга (рисунок 8а) [25].

мкм 2, мкм

Рисунок 8 - а) Схема переориентации ЖК (разупорядоченная-гомеотропная) в 2-х периодном композитном 1ФК; б) экспериментальные спектры электроподстройки края ФЗЗ; в) расчетный сдвиг АЯрасч

В результате исследований спектров при различных напряжениях и частотных параметрах модуляции электрического сигнала получена обратимая низковольтная (2-15 В) подстройка края ФЗЗ в области Л = 10 мкм со сдвиг-ом ДА = 160 нм (рисунок 86). На основе анализа спектров установлена переориентация молекул ЖК из частично-планарного до гомеотропного состояния. Оценено быстродействие устройства (~ 30 мс) - типичное для нематического ЖК Е7 [26-27].

В Главе 6 обсуждаются управляемые микрорезонаторы Фабри-Перо, полученные методом микроструктурирования на 81. Исследованы 2 типа 1ФК с введенным дефектом: 1) геометрическим и 2) оптическим, для которых с помощью карт ФЗЗ выявляются области резонансных мод и выбираются оптимальные конструкции с подстройкой дефектной моды [5]. Для первого типа резонатора Фабри-Перо продемонстрирована термоподстройка дефектной моды с относительным сдвигом положения на ДЛтерм/Я = 2.4 % для 1-ой ФЗЗ и 3.2 % для 3-ей ФЗЗ [28].

Для второго типа резонатора предложен подход, в котором предлагается трансформировать одномерный фотонный кристалл в резонатор Фабри-Перо путем введения ЖК в один из периодов структуры «8 ¡-воздух» [29]. В этом случае формируется «оптический дефект» оптическая толщина («¿/) которого увеличивается в ~ 1.6 раза, что является достаточным для получения резонансного пика (идеально должно быть 2пс/), который смещается в сторону от центра ФЗЗ, но незначительно, и находится в ее пределах с сохранением амплитуды и добротности пика, что было продемонстрировано на расчетных и экспериментальных спектрах /?. Таким образом, используя этот подход, конструирование и изготовление резонатора облегчается, так как не нужно изменять геометрическую толщину одного из периодов 1ФК.

Для подстройки фотонных свойств исследован классический резонатор Фабри-Перо, полученный методом микроструктурирования на 81 и состоящий из 2-х стенок 81 и полости, находящейся между ними, заполненной жидким кристаллом (рисунок 9).

Рисунок 9 - SEM изображения микрорезонатора Фабри-Перо на структуре КНИ: а) вид расколотой поперек структуры с высокой гладкостью поверхности стенок Si, б) тематический жидкий кристалл Е7 в полости демонстрирует хорошую смачиваемость поверхности Si

Для такого типа резонатора была рассчитана карта областей резонансных пиков (по аналогии с картой ФЗЗ), с помощью которой было предсказано получение значительной подстройки частоты резонансов (до 11 %) на спектре R (рисунок 1 Оа). Для этого необходимо использовать резонансы высоких порядков

и оптимизированные конструкции структур с соотношением геометрических толщин компонентов 81:ЖК =1:4 и 1:10 [30].

Изготовлены микрорезонаторы Фабри-Перо на платформе «кремний на изоляторе» (КНИ), на которых впервые получена обратимая электроподстройка резонансных пиков ДА/А до 10 % в среднем ИК (А = 5.6 мкм) и в ближнем ИК (А = 1.6 мкм). На основе анализа измеренных и расчетных спектров (рисунок 10) установлено, что при приложении электрического поля происходит переориентация молекул ЖК из частично-планарного состояния в гомеотропное и обратно. В результате реализуется обратимый электрооптический эффект с изменением показателя преломления Дижк до 0.17, близким к теоретически возможному (Длжк = 0.2).

5 4 3 2 X, мкм

1.0 0:05 о.о

Рисунок 10 - Расчетные (а) и экспериментальные спектры (б) со сдвигом резонансных пиков высоких порядков в резонаторе Фабри-Перо «81-ЖК-8Ь>, и с1жк= 0.6 и 7.4 мкм, соответственно;^,— 0.075

Применение плоских электродов (стенок из кремния) в данной конструкции на основе 1ФК структур обеспечивает высокую эффективность переключения молекул ЖК, низкие пороговые напряжения (2-15 В), возможность прецизионной подачи напряжения и, как результат, получение ряда пиков (5-6) в диапазоне одной полосы высокого отражения. Это создает перспективу применения такого микрорезонатора в устройствах на 81 чипе в качестве подстраиваемого фильтра (или модулятора), а также в качестве оптического переключателя лазерных длин волн при низких управляющих напряжениях (< 15 В). По достигаемому параметру подстройки резонанса (ДА/А = 10 %) исследованный микрорезонатор Фабри-Перо на 81 чипе значительно превосходит существующие аналоги, у которых ДА/А не более 1 %.

2000 3000 4000 5000 6000

V, СМ"'

В Главе 7 представлено исследование связанных резонаторов Фабри-Перо, которые получены в структуре 1ФК. При введении в периодическую структуру 1ФК «Б ¡-воздух» двух (трех) оптических дефектов путем заполнения двух (трех) периодов фотонного кристалла жидким кристаллом (рисунок 11а), формируются два (три) связанных резонатора с соответствующим дублетом (триплетом) дефектных мод на спектре (рисунок 11 в) [31].

Независимая подстройка состоянием ЖК (показателем преломления) в каждом из связанных резонаторов дает возможность управлять положением и амплитудой дефектных мод [11]. Исследованы различные варианты управления связанными резонаторами в зависимости от п жидкого кристалла в диапазоне 1.5-1.7.

Рисунок 11 - а) Схема 1ФК на основе «81-воздух» с тремя оптическими дефектами, созданными путем введения ЖК, б) с вариантом подстройки яжк только в центральной полости, в) расчетный спектре Т с триплетом дефектных мод для варианта ижк = 1.515 во всех полостях, г) для варианта ижк = 1.515-1.7-1.515 с расщеплением на дублет и монопик

При параллельной подстройке пространственное распределение электрического поля в резонаторах не изменяется, резонансные моды сохраняются с высокой амплитудой пиков Т. Непараллельная подстройка ижк в резонаторах приводит к формированию собственных резонансных мод, что ухудшает взаимодействие между ними и, как следствие, каждый из пиков в дублете подавляется.

Использование резонансов и фотонных запрещенных зон высоких порядков расширяет диапазон подстройки. Так, в 1-ой ФЗЗ при использовании параллельной подстройки триплетные пики находятся в пределах 10-15 % от ее ширины, тогда как в 3-ей ФЗЗ этот диапазон увеличивается до 60-70 %.

Суммарное число перестраиваемых триплетных пиков в 1 -ой ФЗЗ составляет 4, а в 3-ей ФЗЗ оно возрастает до 9. Резонансные моды получаемых структур имеют высокую амплитуду и добротность (до 0 = 400), а также хорошее разделение между пиками.

В 1ФК с тремя резонаторами Фабри-Перо при подстройке пж« в центральной полости с сохранением одинаковых значений в двух краевых резонаторах (рисунок 11 б) взаимодействие между крайними резонаторами сохраняется и, соответственно, сохраняется дублет мод на спектре (рисунок 11 г). Резонатор в центральной полости имеет собственную частоту, что приводит к появлению одиночного пика с увеличенной добротностью (до 1500). Соответственно, изменяется пространственное распределение амплитуды электрического поля внутри ФК: амплитуда резко возрастает в центральной полости (рисунок 12в), тогда как в краевых полостях - остается на прежнем уровне (рисунок 12а,б).

Рисунок 12 - а), б), в) Распределение амплитуды электрического поля по 1ФК с тремя резонаторами для трех резонансных волновых чисел после расщепления триплета, г) экспериментальный спектр микрорезонатора (жирная линия) и фрагмент расчетного спектра (тонкая линия) с триплетом резонансных пиков. ФК с константой решетки а = 1.6 мкм

В результате такого типа подстройки происходит расщепление триплета на дублет и монопик (рисунок 11 г). Следует отметить, что в случае с триплетными структурами возможности управления резонансными пиками существенно расширяются по сравнению с дублетным.

11X9 см"1

мкм 1140 СМ"1

Впервые с помощью микроструктурирования на кремнии получен образец 1ФК с тремя связанными ЖК резонаторами Фабри-Перо и измерен его спектр пропускания в ближнем ИК диапазоне (с помощью оптического спектрального анализатора и оптоволоконного сопряжения), на котором продемонстрирован триплет дефектных мод в 5-ой ФЗЗ (рисунок 12г). Полученные результаты хорошо согласуются с расчетными данными, а экспериментально достигнутая добротность пиков составила 0 =200.

Продемонстрировано независимое электроуправлении состоянием ЖК в трех связанных резонаторах с помощью поляризационного микроскопа в виде визуализации оптических эффектов.

В Главе 8 представлены фотонные элементы, полученные с помощью промышленной технологии изготовления чипов на 81, спектры которых демонстрируют хорошее соответствие расчетных и экспериментальных данных.

Метод жидкостного травления структур оказался подходящим для реализации в лаборатории, так как не требует дорогостоящего оборудования, и, что очень важно, обеспечил высокое качество вытравленной поверхности 81, что на данном этапе разработки, позволило исследовать целое семейство новых ФК структур и резонаторов на их основе. Образцы, полученные с помощью технологии ГРИТ, также показали приемлемое оптическое качество. Поэтому, при дальнейшей разработке, например, умеренно-быстрого модулятора, будет использована именно эта технология, а ее реализации возможна, например, на производственной базе в ОАО «Микрон», (г. Зеленоград).

В заключении диссертационной работы сформулированы основные результаты исследований.

Заключение

В диссертационной работе, согласно основной цели и сформулированным задачам для ее реализации, получены следующие основные результаты:

1. Развитие метода моделирования 1 ФК на основе карт фотонных зон позволило выявить закономерности формирования и преобразования ФЗЗ в координатах «структура 1ФК - оптические характеристики» при создании оптических гетероструктур, трехкомпонентных и композитных 1ФК, в которых были обнаружены и исследованы интерференционные эффекты взаимодействия излучения с периодической структурой.

2. При исследовании влияния геометрии падающего пучка было обнаружено, что фокусировка пучка ИК света в диапазоне углов падения 10-30° не оказывает влияния на положение ФЗЗ, за исключением зон малой ширины.

3. Моделирование с помощью карт ФЗЗ позволило выявить закономерности при деформации областей ФЗЗ в зависимости от уровня флуктуаций геометрических параметров 1ФК и вида их распределения. Степень деформации ФЗЗ высоких порядков может быть значительной и достигать полного подавления полос на спектре, тогда как форма 1 -ой и ближайших ФЗЗ мало изменяется при флуктуациях в пределах 15-20 %.

4. Экспериментально и теоретически показано, что расширенные полосы отражения на спектре можно получить путем введение разупорядочения в толщину компонентов 1ФК, а также с помощью формирования оптических гетероструктур, составленных из двух 1ФК с использованием сдвига факторов заполнения и/или константы решетки.

5. Выявлена корреляция между оптической толщиной введенного третьего регулярного слоя в периодическую структуру «81-воздух» и оптическим контрастом получающегося трехкомпонентного 1ФК. Таким образом, можно уменьшать оптический контраст и получить всенаправленную ФЗЗ в сильноконтрастном 1ФК.

6. Исследованы закономерности подавления определенных высокопорядковых ФЗЗ в зависимости от оптической толщины третьего регулярного слоя и формирования на их месте обширных областей прозрачности с получением широкой полосы пропускания на экспериментальном спектре.

7. Проведены теоретические исследования и экспериментально созданы 1ФК, получаемые путем микроструктурирования на кремнии и путем введения в него нематического жидкого кристалла, которые управляются электрическим полем. При введении ЖК, как правило, возникает самоустанавливающаяся ориентация молекул вдоль направления кремниевых стенок со сдвигом краев ФЗЗ в поляризационных спектрах. При переводе молекул ЖК из частично-планарной в гомеотропную ориентацию достигнута обратимая подстройка положения края ФЗЗ ДЯ/Я до 1.6 % в области Я =10 мкм.

8. При моделировании резонаторов Фабри-Перо было предложено использовать резонансы высоких порядков и оптимизированную структуру, а также воздействие электрического поля для переориентации молекул ЖК. Это позволило создать управляемые микрорезонаторы с обратимой подстройкой резонансных пиков ДЯ/Я до 10 % в среднем и в ближнем ИК диапазонах с вариацией показателя преломления Ди до 0.17 и низким напряжением поля (2-

15 В). Исследована ориентация молекул ЖК относительно кремниевых стенок по определенному сдвигу интерференционных полос на поляризационных спектрах из-за изменения показателя преломления ЖК, а также по изменению интенсивности полос поглощения их молекул.

9. Предложены и исследованы управляемые связанные жидкокристаллические резонаторы Фабри-Перо, находящиеся в структуре 1ФК на основе 81, в которых выявлены закономерности изменения положения дублетных и триплетных резонансных пиков, их подстройка, подавление и расщепление в зависимости от вариации показателей преломления в индивидуальных полостях резонаторов. Впервые в такой структуре экспериментально продемонстрирован триплет дефектных мод в области 1.6 мкм.

В диссертационной работе получены новые научные результаты в оптике одномерных фотонных кристаллов, которые включают теоретические и экспериментальные исследования закономерностей формирования фотонных запрещенных зон в координатах «структура - свойства». Наиболее важный результат - это развитие метода моделирования 1ФК на основе карт фотонных запрещенных зон. Этот метод способствовал развитию оптических гетероструктур, трехкомпонентных и композитных 1ФК, в которых были обнаружены и исследованы интерференционные эффекты в виде: «внутреннего просветления» 81 структуры, подавления и расщепления дефектных мод в связанных ЖК резонаторах при переориентации молекул нематического ЖК.

Важным результатом является создание экспериментальных периодических структур «81-жидкий кристалл», оптические свойства которых управляются электрическим полем и могут быть использованы в среднем и ближнем ИК диапазоне спектра.

Разработанные структуры могут быть включены в оптическую цепь на кремниевом чипе и служить основой для дальнейших перспективных разработок как в области оптических процессоров, так и в качестве высокочувствительных оптических сенсоров в широком диапазоне ИК спектра (от 1 до 20 мкм) в направлении «лаборатория на чипе».

Результаты проведенных исследований могут быть использованы не только в кремниевой фотонике, но и на других материалах с использованием микро- и наноструктурирования, а также в более широком диапазоне электромагнитного спектра от УФ до радиочастотного диапазона.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ в монографии:

1. Perova T.S., Tolmachev V.A., Berwick К. Design of Composite and Multi-Component One-Dimensional Photonic Crystal Structures Based on Silicon // Chapter 11 in book «Nanostructured Semiconductors. From base to applications», Eds. P. Granitzer, K. Rumpf. 2014. Singapure: Pan Stanford Publishing Pte Ltd, P. 453-526 (участие в написании и обсуждении главы); 4,5/1,5 п.л

в рецензируемых изданиях из списка ВАК:

2. Tolmachev V.A., Perova T.S., Ruttle J., Khokhlova E. Design of One-dimensional Photonic Crystals Using Combination of Band Diagrams and Photonic Gap Map Approaches // J.Appl.Phys. -2008. - V. 104. - No.5. - P. 033536 (1-5) (разработка концепции, все расчеты, участие в написании и обсуждении статьи); 0,31/0,06 пл.

3. Толмачев В.А. Спектры отражения и области запрещенных фотонных зон одномерного фотонного кристалла на основе периодической структуры Si-воздух // Оптика и спектроскопия-2004. - Т. 97. - № 2. - С. 292-2960,31/0,31 п. л.

4. Tolmachev V.A., Perova T.S., Berwick К. Design criteria and optical characteristics of one-dimensional photonic crystals based on periodically grooved silicon // Appl. Opt. 2003. -V.42. - No.3. - P. 5679-5683. (разработка концепции, все расчеты, участие в написании и обсуждении статьи). -0,31/0,1 п. л.

5. Tolmachev V., Perova Т., Krutkova Е., Khokhlova Е. Elaboration of the gap map method for the design and analysis of one-dimensional photonic crystal structures // Phys. E. Low-dimensional systems and nanostructures. - 2009. - V.41-P.l 122-1126. (разработка концепции, участие в написании и обсуждении статьи).-0,31/0,08 п.л.

6. Толмачев В.А., Границына J1.C., Власова Е.Н., Волчек Б.З, Нащекин А.В., Ременюк А.Д., Астрова Е.В. Одномерный фотонный кристалл, полученный с помощью вертикального анизотропного травления // Физика и техника полупроводников. - 2002. -Т. 36. № 8. - С. 996-1000. (участие в постановке задачи, участие в изготовлении образцов, в измерении и анализе спектров, в написании и обсуждении статьи). - 0.31/0.04 п.л.

7. Tolmachev V.A., Perova T.S., Astrova E.V., Volchek B.Z., Vij J.K. Vertically etched silicon as ID photonic crystal // Phys. stat. solidi (a). - 2003. - V. 197. - No. 2. - P. 544-549. (участие в постановке задачи, все расчеты, участие в

изготовлении образцов, в измерении и анализе спектров, в написании и обсуждении статьи). - 0,31/0,06 п.л.

8. Tolmachev V.A., Astrova E.V., Pilyugina Yu.A., Perova T.S., Moore R.A., Vij J.K. ID photonic crystal fabricated by wet etching of silicon // Optical Materials. -2005. - V. 28. - No.5. - P. 831-835. (участие в постановке задачи, все расчеты, участие в изготовлении образцов, в измерении и анализе спектров, в написании и обсуждении статьи). - 0,31/0,05 п.л.

9. Tolmachev V. A., Berwick К., Perova Т. S. The influence of light beam convergence on the stop-bands of a one-dimensional photonic crystal // Progress In Electromagnetic Research. - 2013. -V. 140. - P. 353-359. (разработка концепции, участие в постановке задачи, все расчеты, в написании и обсуждении статьи). - 0,44/0,15 п.л.

10. Tolmachev V.A., Baldycheva A.V., Berwick К., Perova T.S. Influence of fluctuations of the geometrical parameters on the photonic band gaps in one-dimensional photonic crystals // Progress In Electromagnetic Research. - 2012. -V.126.-P.285-302. (разработка концепции, все расчеты, участие в изготовлении образцов, в измерении и анализе спектров, в написании и обсуждении статьи). - 1,1/0,28 п.л.

11. Baldycheva A., Tolmachev V., Berwick К., Perova Т. Multi-channel Si-liquid crystal filter with fine tuning capability of individual channels for compensation of fabrication tolerances // Nanoscale Research Letters. - 2012. - No.7. - P.387(1-7). (участие в постановке задачи, в написании и обсуждении статьи). - 0,5/0,15 п.л.

12. Tolmachev V.A., Perova T.S., Pilyugina J., Moore R.A. Experimental evidence of photonic band gap extension for disordered ID photonic crystals based on Si // Optics Communications.-2006.-V.259.-No.l.-P.104-106. (разработка концепции, участие в постановке задачи, все расчеты, участие в изготовлении образцов, в измерении и анализе спектров, написании и обсуждении статьи). - 0,3/0,07 п.л.

13. Tolmachev V.A., Perova T.S., Moore R.A. Method of construction of composite one-dimensional photonic crystal with extended photonic band gaps // Opt. Exp.-2005.-V.13.-No.21.-P. 8433-8441. (разработка концепции, все расчеты, участие в написании и обсуждении статьи). - 0,56/0,19 п.л.

14. Tolmachev V.A., Perova T.S., Berwick К. Design of Id composite photonic crystals with an extended photonic band gap // J. Appl. Phys.-2006.- V. 99.-No. 3. P.033507(l-7). (разработка концепции, все расчеты, участие в написании и обсуждении статьи). - 0.31/0.1 п.л.

15. Tolmachev V.A., Baldycheva A.V., Krutkova E.Yu., Perova T.S., Berwick K. Optical characteristics of a one-dimensional photonic crystal with an additional regular layer // Proc.SPlE.-2009.-V.7390.-P.739017(l-10). (разработка концепции, участие в постановке задачи, в части расчетов, в написании и обсуждении статьи). - 0,44/0,09 п.л.

16. Tolmachev V.A., Baldycheva A.V., Dyakov S.A., Berwick К., Perova T.S. Optical contrast tuning in three-component ID Photonic Crystals // IEEE Journal of Lightwave Technology-2010.-V.28.-№ 10.-P. 1521-1529. (разработка концепции, участие в постановке задачи, в части расчетов, в написании и обсуждении статьи). - 0,56/0,11 п.л.

17. Baldycheva A.V., Tolmachev V.A., Perova T.S., Berwick К. Design of three-component one-dimensional photonic crystals for alteration of optical contrast and omni-directional reflection // Proc. SPIE.-2010.-V.7713.-P.7713-71(1-11). (разработка концепции, участие в постановке задачи, в части расчетов, в написании и обсуждении статьи). - 0,56/0,14 п.л.

18. Perova T.S., Tolmachev V.A., Baldycheva A. Design of three-component one-dimensional photonic crystals with tuning of optical contrast and regions of transparency // Phys. stat. solidi ( с ). - 2011. - V.8. - No.6. - P.1961-1965. (участие в постановке задачи, в части расчетов, в написании и обсуждении статьи). -0,31/0,1 п.л.

19. Baldycheva A., Perova Т., Tolmachev V. Formation of infrared regions of transparency in one-dimensional silicon photonic crystals // IEEE Photonics Technology Letters.-2011- V. 23. - No.4. - P. 2000-2002. (участие в постановке задачи, в части расчетов, в написании и обсуждении статьи). -0,18/0,06 п.л.

20. Baldycheva A., Tolmachev V.A., Perova T.S., Zharova Yu.A., Astrova E.V., Berwick K. Silicon photonic crystal filter with ultra-wide pass-band characteristics // Optics Letters.-2011.-V.36. - No.10. - P.1854-1856. (участие в постановке задачи, в написании и обсуждении статьи). - 0,18/0,03 пл.

21. Baldycheva A., Tolmachev V.A., Perova T.S., Berwick К., Zharova Yu.A., Astrova E.V. Design, fabrication and optical characterization of multi-component photonic crystals for integrated silicon microphotonics // Proc. SPIE. - 2011. - V. 7943. - P. 79430F(1-11). (участие в постановке задачи, в написании и обсуждении статьи). - 0,31/0,03 п.л.

22. Толмачев В.А. Перестройка запрещенных фотонных зон и спектров отражения одномерного фотонного кристалла на основе кремния и жидкого кристалла // Оптика и спектроскопия-2005. -Т. 99.-№ 5- С.799-803. -0,31/0,31 п.л.

23. Толмачев В.А., Астрова Е.В., Ременюк А.Д., Пилюгина Ю.А., Перова Т.С., Moore R.A. Оптические характеристки одномерных фотонных кристаллов на основе кремния в среднем ИК диапазоне спектра // Известия РАН. сер. Физическая-2005. - Т.69. - № 8. - С.1108-1110. (участие в постановке задачи, в написании и обсуждении статьи). - 0,18/0,03 п.л.

24. Perova T.S., Tolmachev V.A., Astrova E.V., Zharova Ju., O'Neill S.M. Tunable one-dimensional photonic crystal structures based on grooved Si infiltrated with liquid crystal E7 // Phys. stat. solidi. (c).-2007.-V.24- N0.6.-P. 1961-1965. (участие в постановке задачи, все расчеты, участие в изготовлении образцов, в измерении и анализе спектров, в написании и обсуждении статьи). -0,31/0,06 п. л.

25. Tolmachev V.A., Astrova E.V., Perova T.S., Zharova J.A., Grudinkin S.A., Melnikov V.A. Electro-tunable in-plane one-dimensional photonic structure based on silicon and liquid crystal // App. Phys. Lett. - 2007. - V.90. - P.011908(1-3) (разработка концепции, участие в постановке задачи, все расчеты, участие в изготовлении образцов, в измерении и анализе спектров, в написании и обсуждении статьи). - 0,18/0,03 п.л.

26. Tolmachev V.A., Grudinkin S.A., Zharova J.A., Melnikov V.A., Astrova E.V., Perova T.S. Electro-tuning of the photonic band gap in SOl-based structures infiltrated with liquid crystal // Proc. SP1E.-2008. - V.6996. - P.69961Z (1-9). (все расчеты, участие в постановке задачи, участие в изготовлении образцов, в измерении и анализе спектров, в написании и обсуждении статьи). -0,44/0,07 п.л.

27. Perova T.S., Tolmachev V.A., Astrova E.V. Tunable photonic structures based on silicon and liquid crystals // Proc. SPIE.-2008.-V.6801.- P.68010W(1-15). (участие в постановке задачи, в написании и обсуждении статьи). - 0,44/0,07 п.л.

28. Tolmachev V.A., Perova T.S., Astrova E.V. Thermo-tunable defect mode in one dimensional photonic structure based on grooved silicon and liquid crystal // Phys. stat. solidi Rapid Research Letters.- 2008. - V.2. - No.3. - P.114-116. (все расчеты, участие в постановке задачи, в изготовлении образцов, в измерении и анализе спектров, в написании и обсуждении статьи). - 0,18/0,06 п.л.

29. Tolmachev V., Perova Т, Baldycheva A. Transformation of one-dimensional silicon photonic crystal into Fabry-Perot resonator // Proc. SPIE. -2011. - V. 7943. - Р.79430Е(1-9). (разработка концепции, все расчеты, участие в постановке задачи, в изготовлении образцов, в измерении и анализе спектров, в написании и обсуждении статьи). - 0,62/0,21 п.л.

30. Tolmachev V. A., Melnikov V. A., Baldycheva А. V., Berwick К., Perova Т. S. Electrically tunable Fabry-Perot resonator based on microstructured Si containing

liquid crystal // Progress In Electromagnetic Research. - 2012. - V.122. - P.293-309. (разработка концепции, все расчеты, участие в постановке задачи, в изготовлении образцов, в измерении и анализе спектров, в написании и обсуждении статьи). - 1,0/0,2 п.л.

Baldycheva A., Tolmachev V.A., Perova T.S. Fine tunable multy-cavity Si photonic crystal filter // Proc. SPIE.-2012.-V. 8431.-P. 843ЮН(1-13). (участие в постановке задачи, в написании и обсуждении статьи). - 0,81/0,27 п.л.

Подписано в печать £¿> 03. . Формат 60 * 84 1/16 Усл. печ. л. Печ. л Тираж /00 экз. Заказ № Университет ИТМО. 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., 49 Изд.- инф. комплекс. 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9

15--i,776

16510

2010016510