background image

P

P

h

h

o

o

t

t

o

o

n

n

i

i

c

c

 

 

c

c

r

r

y

y

s

s

t

t

a

a

l

l

s

s

:

:

 

 

T

T

h

h

e

e

 

 

c

c

o

o

n

n

c

c

e

e

p

p

t

t

 

 

S

S

y

y

n

n

t

t

h

h

e

e

s

s

i

i

s

s

 

 

P

P

r

r

o

o

p

p

e

e

r

r

t

t

i

i

e

e

s

s

 

 

A

A

p

p

p

p

l

l

i

i

c

c

a

a

t

t

i

i

o

o

n

n

s

s

 

 

 

 

Sergey Gaponenko 

  

Institute of Molecular and Atomic Physics 

National Academy of Sciences, Minsk, Belarus

 

http://imaph.bas-net.by

 

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 

http://www.fineprint.com

background image

 

 

P

P

a

a

r

r

t

t

 

 

I

I

 

 

 

 

I

I

n

n

t

t

r

r

o

o

d

d

u

u

c

c

t

t

i

i

o

o

n

n

 

 

 

 

T

T

h

h

e

e

 

 

p

p

h

h

o

o

t

t

o

o

n

n

i

i

c

c

 

 

c

c

r

r

y

y

s

s

t

t

a

a

l

l

 

 

c

c

o

o

n

n

c

c

e

e

p

p

t

t

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 

http://www.fineprint.com

background image

Electrons vs photons and EM-waves 

E –

 energy,

 

ω

 – 

frequency,

 k – 

wavenumber,

 c – 

speed of light in vacuum

 

parameter 

electrons 

photons 

rest mass 

m

0

 

= 9,109534

10

31

 kg 

zero 

charge 

å 

= 1,602189

10

19

 C 

zero 

spin 

1/2 

dispersion law (in free space) 

= h

2

k

2

/2m

0

 

h

ω

 = c k  

density of states  
(in 3 dimensions) 

D E

m

E

(

)

/

/

/

/

=

3 2 1 2

1 2 1 2 3

2

π

h

 

D(

ω

) = 

ω

2

/2

π

2

c

3

  

statistic 

Fermi–Dirac 

Bose–Einstein 

 

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 

http://www.fineprint.com

background image

Properties of electrons which have no 

analog for EM waves 

 

 

 

e-e interactions (excitons, e-h plasma, Coulomb blockade…) 

 

spin effects 

 

Fermi-liquid in metals 

 

superconductivity 

 

etc… 

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 

http://www.fineprint.com

background image

Isomorphism of Schroedinger and Helmholtz equations 

 

Steady-state single-particle Schroedinger equation with U(x) potential 

h

2

2

2

0

m

x

E

U x

x

+

=

Ψ

Ψ

( )

( )

( )

[

]

 

 

Helmholtz equation for a EM-wave in 

ε

(x) medium 

+

=

2

2

2

0

E x

x

c

E x

(

)

(

)

(

)

ε

ω

 

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 

http://www.fineprint.com

background image

Electron and EM-wave in a complex medium 

 
 
 

 

∧∧∧∧∧

 

 

   

 

   

   

 

 

 

     

 

∧∧∧∧∧

 

 

A B 

 

 

 

 x 

   

 

   

→ 

∧∧∧∧ 

       

 

 

 

   

 

 

 

 

U(x)

 

electron 

 

     

   

   

   

   

 

 

 

 

→ 

∧∧∧∧ 

       

 

 

 

   

 

 

 

 

n(x)

 

EM-wave

 

 

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 

http://www.fineprint.com

background image

 

 

Textbook analogies of quantum particles 
and EM-waves 

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 

http://www.fineprint.com

background image

Textbook example 1: Reflection from a barrier 

h

λ

2

=

h

[2m(E-U)]

1/2

(2mE)

1/2

E

U

x

Ψ

(x)

x

EM -wave

electron

λ

1

=

A

n

1

λ

2

λ

1

n

1

/n

2

λ

1

 n

2

 < n

1

x

 

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 

http://www.fineprint.com

background image

Tunneling: A quantum phenomenon? 

Ψ

( x )

c o o r d i n a t e

E

U

0

E n e r g y

0

 

Leontovich and Mandelshtam, 1928 

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 

http://www.fineprint.com

background image

Tunneling in optics  

Transparency of thin metal films 

p r o p a g a tio n  a x is

m e ta l  la y e r

tr a n s m i tte d

w a v e

r e f le c t e d

in c id e n t

0

E ( )

 

 

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 

http://www.fineprint.com

background image

Electron in a well between two barriers: 

resonant tunneling 

transmittance

Energy

0

1

U

1

U

0

E

2

E

1

ψ

2

ψ

1

Energy

coordinate

 

A cornerstone phenomenon for nanoelectronics: 

“Resonant tunneling in semiconductors: Physics and applications”. Kluwer 1991. 

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 

http://www.fineprint.com

background image

Fabry-Perot resonator

 

 

(with metal mirrors) 

0,0

0,5

1,0

λ

0

/2

λ

0

coordinate

metal mirror

metal mirror

tr

an

sm

it

ta

n

ce

wavelength

 

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 

http://www.fineprint.com

background image

1D-periodic structures 

reflection

reflection

reflection

transmission

ω

=ck/n

wavenumber

fr

eq

u

en

cy

EM-w ave

g ap

Kr onig, Penney 1931

Elec tr on

coordinate

Energy

Wavenumber

 

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 

http://www.fineprint.com

background image

Photonic band structure in 1D 

Brilloun zones for em-waves 

 

E=pc/n

E=pc

E

n

er

g

y

Wavenumber

(c)

(b)

Wavenumber

forbidden

gap

π

/a

Wavenumber

+

π

/a

-

π

/a

forbidden

gap

(a)

1D continuous medium 

Periodic medium 

Reduced diagram 

 

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 

http://www.fineprint.com

background image

 

                     

                           

0.5

1

1.5

2

0.2

0.4

0.6

0.8

1

 

0.5

1

1.5

2

0.2

0.4

0.6

0.8

1

 

Frequency [arb.units] 

Frequency [arb.units] 

Finite periodic structure 

Bragg reflector 

Periodic structure with defect 

Planar Microcavity 

Interference filter 

 

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 

http://www.fineprint.com

background image

Photonic solids 

 

Photonic  band  gap  in  optical 

range  can  be  performed  in  1-, 
2-, and 3 dimensions 

 
 

 

Only  a  single  group  reported 
on  light  localisation  in  a  3  d- 
structure 

 
 

 

Coherent backscattering is well 
reproducible 

 

Electrons 1982-83

 Albada, Lagendijk (1985)

 Wolf, Maret (1985)

Anderson 1958

John 1984 - theory

Lagendijk 1999 - expts

Yablonovitch 1987

Quantum theory of solids

1930-40

Coherent backscaterring

Random scaterrers

Localisation of light?

3D-periodicity

Photonic crystal

n

2

n

1

 

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 

http://www.fineprint.com

background image

 

 

P

P

a

a

r

r

t

t

 

 

I

I

I

I

 

 

F

F

a

a

b

b

r

r

i

i

c

c

a

a

t

t

i

i

o

o

n

n

 

 

o

o

f

f

 

 

p

p

h

h

o

o

t

t

o

o

n

n

i

i

c

c

 

 

c

c

r

r

y

y

s

s

t

t

a

a

l

l

s

s

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 

http://www.fineprint.com

background image

P

P

h

h

o

o

t

t

o

o

n

n

i

i

c

c

 

 

c

c

r

r

y

y

s

s

t

t

a

a

l

l

s

s

 

 

i

i

n

n

 

 

N

N

a

a

t

t

u

u

r

r

e

e

 

 

1-dimensional

iridescent coating  

of fly’s wings

 

 

 

 

2-dimensional:  

surface of moth’s eye, 

human eye cornea

 

 

 

 

3-dimensional: 

gem opals

 

 

Isaac Newton 1730            Interference in peacock feathers 

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 

http://www.fineprint.com

background image

1

1

-

-

d

d

i

i

m

m

e

e

n

n

s

s

i

i

o

o

n

n

a

a

l

l

 

 

s

s

t

t

r

r

u

u

c

c

t

t

u

u

r

r

e

e

s

s

:

:

 

 

 

 

Thin-film vacuum deposition 

(routine technique in laser production)  

 

 

Thin film  multilayer heterostructures 

(MBE, MOCVD – Bragg

 

reflector in 

semiconductor VCSEL lasers)

 

 

 

S

S

i

i

l

l

i

i

c

c

o

o

n

n

:

:

 

 

porous structures with periodic porosity

 

 

 

 

S

S

i

i

l

l

i

i

c

c

o

o

n

n

:

:

 

 

a

a

n

n

i

i

s

s

o

o

t

t

r

r

o

o

p

p

i

i

c

c

 

 

e

e

t

t

c

c

h

h

i

i

n

n

g

g

 

 

V. Tolmachev et al. Proceeding SPIE 2003

 

 

Si/air:

 

Largest Refraction index gradient!

 

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 

http://www.fineprint.com

background image

The field of 1D multilayer structures is rather old. 

?

?

 

 

Is it possible to find smth novel in design and application

 

 

 

Propagation of em-wave in 

non-periodic

 structures (e. g. fractal-like) and application to 

filter design:  

                            Zhukovsky, Lavrinenko, Sandomirskii, Gaponenko, Phys. Rev. E 65, 036621 (2002) 

 

 

Optical data coding:

    

        

Gaponenko et al. Opt. Communications 49, 205 (2002) 

 

 

Omnidirectional reflector:

         

Chigrin, Gaponenko, et al.  Appl. Phys. B 68, 25 (1999) 

 

   

 

 

 

 

Joannopoulos,  Fink  et al.   Patent  US 6130780 (2000) 

 

 

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 

http://www.fineprint.com

background image

2

2

D

D

 

 

S

S

i

i

 

 

p

p

h

h

o

o

t

t

o

o

n

n

i

i

c

c

 

 

c

c

r

r

y

y

s

s

t

t

a

a

l

l

s

s

 

 

P

P

r

r

e

e

-

-

p

p

a

a

t

t

t

t

e

e

r

r

n

n

e

e

d

d

 

 

a

a

n

n

i

i

s

s

o

o

t

t

r

r

o

o

p

p

i

i

c

c

 

 

e

e

t

t

c

c

h

h

i

i

n

n

g

g

 

 

 

 

 Idea:

 

 V.Lehmann and H.Foll, J.Electrochem. Soc. 137, 653 (1990)

 

 

 

 

 Realisation:

 

 

many groups over the world, pore size from 0.3 to 10 

µm 

 

 

 Pre-patterning:

 

 

holographic techniques, electron beam lithography and other. 

 

 

Honey-comb structures on Si substrate                  Calculated band structure 

       Van Driel et al. MRS Proc. V.722 (2002)                                      Meade et al, APL 1992 

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 

http://www.fineprint.com

background image

Porous anodic alumina: 

 a 2D photonic crystal for the visible 

            

Masuda  et  al  –  Appl. Phys. Lett.  71, 2770  (1997) 

 

 

High transmission along pore axis (98% in our measurements) 

 

 

High reflectance in the plane ortogonal to pore axis 

 

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 

http://www.fineprint.com

background image

3

3

D

D

 

 

p

p

h

h

o

o

t

t

o

o

n

n

i

i

c

c

 

 

c

c

r

r

y

y

s

s

t

t

a

a

l

l

s

s

 

 

 

2 approaches 

 

 

Self-organization: Solid state colloidal crystals 

 

 

Combination of photolithography + selective etching 

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 

http://www.fineprint.com

background image

O

O

p

p

a

a

l

l

-

-

b

b

a

a

s

s

e

e

d

d

 

 

s

s

t

t

r

r

u

u

c

c

t

t

u

u

r

r

e

e

s

s

 

 

Petrov, Bogomolov, Gaponenko et al.  

Phys. Rev. Lett. 81, 77 (1998) 

Bogomolov, Gaponenko et al.  

Phys. Rev. E 81, 7619 (1997) 

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 

http://www.fineprint.com

background image

First publications 

Astratov, V. N., Bogomolov, V. N. et al.,  Il Nuovo Cimento 17, 1349 (1995)  

Bogomolov, V.N., Gaponenko, S.V. et al. Applied Physics A 63, 613 (1996) 

 

Opals can be impregnated with highly refractive materials: 

 

 

Polymers

     Petrov,…, Gaponenko et al, PRL 1998 

 

 

TiO

2

            Kapitonov, Gaponenko et al. Phys. Stat. Sol. B 1998, Vos et al. Science 1998 

 

 

Q-dots

        Astratov et al, Phys. Lett. 1996, Romanov et al, Phys. Stat. Sol. 1997, Gaponenko 

                        et al. JETP Lett. 1998, Norris et al.  1998,  Meseguer et al. J. Cryst. Growth 1997 

 

 

Fullerenes

   Zakhidov et al. Science 1998 

 

 

Poly-Si

        Vlasov, Norris Nature 2001 

 

 

V

2

O

 

Golubev et al. Appl. Phys. Lett. 2001

 

 

 

Liquid crystals 

Kitzerow et al. Appl. Phys. Lett. 2002

 

 
Then SiO

2

 can be removed by etching. These structures are called 

inverse opals”

 

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 

http://www.fineprint.com

background image

 

Band sturcture of inverse opal 

photonic crystal with n=3.45 

John and Busch, Opt. Expr. 2002 

 

Inverse opal structure of poly-Si on 

Si substrate 

 

Vlasov et al. Nature 4141 (2001) 289

 

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 

http://www.fineprint.com

background image

3D PC:

  

Woodpile structures 

 

Realizations: selective etching +wafer bonding: A masterpiece made by man 

 

InP, GaAs:

 Noda et al. Science  289 (2000) 604 

 

 

Poly-Si:

  Dood, PhD Thesis Amsterdam 2002 

 

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 

http://www.fineprint.com

background image

Optical characteristics of  a 4-layer woodpile InP photonic crystal 

 

 

 

 

 

Omnidirectional 3D photonic band gap has been reported by the Kyoto Uni group! 

Noda et al. Science  289 (2000) 604 

 

 

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 

http://www.fineprint.com

background image

 

 

P

P

a

a

r

r

t

t

 

 

I

I

I

I

I

I

 

 

A

A

p

p

p

p

l

l

i

i

c

c

a

a

t

t

i

i

o

o

n

n

 

 

 

 

o

o

f

f

 

 

p

p

h

h

o

o

t

t

o

o

n

n

i

i

c

c

 

 

c

c

r

r

y

y

s

s

t

t

a

a

l

l

s

s

 

 

:

:

 

 

 

 

 

 

 

 

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 

http://www.fineprint.com

background image

T

T

r

r

a

a

d

d

i

i

t

t

i

i

o

o

n

n

a

a

l

l

 

 

o

o

p

p

t

t

i

i

c

c

a

a

l

l

 

 

f

f

i

i

b

b

e

e

r

r

:

:

 

 

Total reflection in high-refractive material 

 

Drawbacks:   finite absorption increase losses 

bending results in leakage 

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 

http://www.fineprint.com

background image

 2D PC based waveguides for light bending

 

(Caltech–Corning) 

Loncar et al. Appl. Phys. Lett. 77 (2000) 1937 

Note:

  

Macroporous Si or porous Al

2

O

3

 properly impregnated with other 

materials can be used to fabricate planar “printed circuits” 

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 

http://www.fineprint.com

background image

Waveguide inside a 3D photonic crystal 

Materials: GaAs, InP 

S. Noda et al. Science 289 (2000) 605; Appl. Phys. Lett. 75 (1999) 3741

 

 

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 

http://www.fineprint.com

background image

P

P

h

h

o

o

t

t

o

o

n

n

i

i

c

c

 

 

c

c

r

r

y

y

s

s

t

t

a

a

l

l

 

 

f

f

i

i

b

b

e

e

r

r

s

s

 

 

 

 

Hollow fiber: 

no absorption losses! 

Filled fiber:  

polarization control 

Team headed by Prof. Philip Russel (Bath Uni, England + Blaze Photonics) 

Publications: Physics World 5, No. 8 p. 37 (1992), SCIENCE 285, 1537 (1999) 

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 

http://www.fineprint.com

background image

A

A

p

p

p

p

l

l

i

i

c

c

a

a

t

t

i

i

o

o

n

n

:

:

 

 

A

A

n

n

t

t

i

i

-

-

r

r

e

e

f

f

l

l

e

e

c

c

t

t

i

i

n

n

g

g

 

 

 

 

c

c

o

o

a

a

t

t

i

i

n

n

g

g

s

s

 

Problem:  Frenel reflection at Silicon/air boundary exceeds 

30%

 

Solution:  AR coating has been proposed using the moth eye design.  

Lalanne et al. Nanotechnology 8, 53 (1997) 

 

For  a  silicon  surface  patterned 
with 

an 

800-nm-period 

reflectance  is  reduced  to  below 

2%  over  the  1.5–5.5-µm

  band. 

Motheye surfaces are capable of 
maintaining  low  reflectance, 
even  as  the  incident  angle  is 
increase to 50°. 

 

 

Laser Focus World , August 1999 

 

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 

http://www.fineprint.com

background image

A

A

p

p

p

p

l

l

i

i

c

c

a

a

t

t

i

i

o

o

n

n

 

 

 

 

o

o

f

f

 

 

p

p

h

h

o

o

t

t

o

o

n

n

i

i

c

c

 

 

c

c

r

r

y

y

s

s

t

t

a

a

l

l

s

s

:

:

 

 

 

 

 

 

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 

http://www.fineprint.com

background image

Spontaneous emission of photons 

a result of interaction with EM-vacuum 

E

G

hk

|G, 1

k

>

|E, 0

k

>

  

W

∝ 

D(k)

<E,0|H

int

|G,1>

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 

http://www.fineprint.com

background image

Density of states

: Definition 

L

x

U

 

∆k = 

π

/L

 

 Universal function  

in 3d-space 

     

D(k)

=

k

2

2

2

π

 

  D(E)D k

dk

dE

( )

 

N E E

V

D E dE

E

E

(

)

(

)

,

1

2

1

2

=

 

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 

http://www.fineprint.com

background image

DOS for photons in 3d-space 

 

0

1

2

3

0

25

50

D(E) = 4

π

E

2

/(hc)

3

D(E)

µ

-3

eV

-1

E = h

ν

, eV

photon

 

 

 

 

 

D(

ω

)= 

1

2

2

2

3

π

ω

c

 

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 

http://www.fineprint.com

background image

E. Pursell  1947 

 –     first prediction of modified spontaneous 

emission in mesoscopic structures

 

Model mesoscopic structures in which the effect is being studied: 

 

Media with > 1  

 

Microcavities 

 

Thin layers 

 

Photonic crystals (3d and 2d) 

 

Cell membranes 

 

Metal–dielectric interfaces 

 

Nuclear reactions 

 

 

F

F

r

r

e

e

e

e

z

z

i

i

n

n

g

g

 

 

o

o

f

f

 

 

s

s

p

p

o

o

n

n

t

t

a

a

n

n

e

e

o

o

u

u

s

s

 

 

d

d

e

e

c

c

a

a

y

y

 

 

i

i

n

n

 

 

p

p

e

e

r

r

i

i

o

o

d

d

i

i

c

c

 

 

m

m

e

e

d

d

i

i

a

a

 

 

V.P.Bykov  JETP 1972

 

E.Yablonovitch PRL 1987 – 

The PC concept

 

 

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 

http://www.fineprint.com

background image

1

1

D

D

-

-

P

P

C

C

:

:

 

 

 

 

Quantum confined Si 
nanocrystals in porous Si 

microcavity

 

 

L

L

.

.

P

P

a

a

v

v

e

e

s

s

i

i

 

 

e

e

t

t

 

 

a

a

l

l

.

.

 

 

P

P

h

h

y

y

s

s

.

.

 

 

R

R

e

e

v

v

.

.

 

 

B

B

 

 

1

1

9

9

9

9

5

5

 

 

 

 

 

 

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 

http://www.fineprint.com

background image

Anisotropic light emission from porous alumina structures

 

PL enhancement of ions embedded in porous Al

2

O

3

 

N.V. Gaponenko et al.   

Appl. Phys. Letters     76, 1006   (2000) 

J. Electrochem. Soc.  148,  H13 (2001) 

 149, H49 (2002)

 

 

z

y

x

 

S.Gaponenko, N.Gaponenko, A.Lutich, I.Molchan, J. Appl. Spectr. 2003 

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 

http://www.fineprint.com

background image

Light emitting device utilizing a periodic dielectric structure 

Efficient extraction of light: A combination of antireflection coating and spontaneous emission control 

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 

http://www.fineprint.com

background image

Decay of Eu

3+

 complexes in opal-based structures 

Decay time distributions in bulk polystyrol and in a opal-based photonic crystal 

Ksenzov, Pavich, Petrov, Gaponenko, in press 

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 

http://www.fineprint.com

background image

 

 

A

A

p

p

p

p

l

l

i

i

c

c

a

a

t

t

i

i

o

o

n

n

 

 

 

 

o

o

f

f

 

 

p

p

h

h

o

o

t

t

o

o

n

n

i

i

c

c

 

 

c

c

r

r

y

y

s

s

t

t

a

a

l

l

s

s

 

 

:

:

 

 

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 

http://www.fineprint.com

background image

1D photonic crystals are  being used in VCSEL as 

Bragg mirrors 

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 

http://www.fineprint.com

background image

2D  photonic  crystals  are  involved  in semiconductor laser 
design in 3 ways: 

 

Semiconductor laser mirrors 

Forchel et al.  Semicond. Sci. Tech. 16  (2001) 227;  

Appl. Phys. Lett. 79  (2001) 4091 

 

Distributed feedback structures 

 

Formation of high-Q microcavities  
via defects in PC lattice  

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 

http://www.fineprint.com

background image

In DFB lasers wavelength-selective feedback is formed by means of 
coupling of active medium with grating. 

For example in dye DFB lasers grating is formed inside active medium 
using 2 interfering pump beam forming a standing wave and a periodic 
alteration of gain coefficient and refraction index.  

In a semiconductor DFB laser a grating is attached to active layer so 
that difracted light multiply comes back to gain region 

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 

http://www.fineprint.com

background image

Recently 

Susumu Noda et al. (Kyoto Uni, Japan)

 have demonstrated a 2D 

PC based InP DFB laser 

Imada et al. Appl. Phys. Lett. 75 (1999) 316 

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 

http://www.fineprint.com

background image

6 equivalent directions exist which provide  

multiple reflection of emitted light 

 

 

 

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 

http://www.fineprint.com

background image

The spectrum of outcoming radiation is the same in all directions 

Imada et al. Phys. Rev. B 65 (2002) 195306 

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 

http://www.fineprint.com

background image

Comment:

  Gain medium and PC are separated.  

Does PC actually plays a role of a feedback structure or 
only helps to extract efficiently outcoming light? 

 

 

Theory of 2D PC-based DFB laser  

with gain medium inside PC 

S. Nojima (NTT Basic Res. Lab. Japan) 

Phys. Rev. B  65 (2002) 073103 

J. Appl. Phys. 90 (2001) 545 

Loop-like reccurent-photon feedback is predicted for 2d DFB laser 
contrary to straight-forward feedback in a 1D DFB-laser 

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 

http://www.fineprint.com

background image

Two-dimensional photonic band-gap defect mode laser 

Caltech group (Painter, Scherer, Yariv, Dapkus et al) 

Science 284 (1999) 1819 

Material: 

InGaAsP

 

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 

http://www.fineprint.com

background image

Spectral and power features 

λ

 = 1.504 

µ

m, 

∆λ

 = 0.2 nm, T = 143 K  

optical pumping by a 830 nm semiconductor laser 

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 

http://www.fineprint.com

background image

Two-dimensional photonic band-gap defect mode laser

  

(Korean Adv. Inst. Technol.)

 

InGaAsP on InP, room temperature operation,  

pump by 980 nm 1 MHz semiconductor laser 

Hwang et al Appl. Phys. Lett. 76 (2000) 2982 

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 

http://www.fineprint.com

background image

3D 

structures based  on opals with laser dyes

 

Frolov, …, Zakhidov  et al.  Opt. Comm. 162 (1999) 241

 

610

615

620

0

100

200

300

400

500

 

Эксперимент

 

Лоренц

И

н

те

нс

ив

н

ос

ть

от

н.

 е

д

.

Длина волны, нм

Gaponenko et al. 1999, unpublished 

Drawbacks:

 Block domain structure of macro-opal samples.  + photobleaching of dye.   

Plans:

 To use smaller monoblock samples, to apply picosecond pumping 

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 

http://www.fineprint.com

background image

Shkunov, …, Zakhidov, … Adv. Funct. Mat. 12, 21 (2002) 

 

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 

http://www.fineprint.com

background image

One more PC application: 

Heat isolators and heat conductors. 

 

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 

http://www.fineprint.com

background image

O

O

p

p

t

t

i

i

c

c

a

a

l

l

 

 

c

c

i

i

r

r

c

c

u

u

i

i

t

t

r

r

y

y

 

 

b

b

a

a

s

s

e

e

d

d

 

 

o

o

n

n

 

 

p

p

h

h

o

o

t

t

o

o

n

n

i

i

c

c

 

 

c

c

r

r

y

y

s

s

t

t

a

a

l

l

:

:

 

 

A blue dream or a bright future? 

Figure courtesy to S. Noda 

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 

http://www.fineprint.com

background image

C

C

o

o

n

n

c

c

l

l

u

u

s

s

i

i

o

o

n

n

s

s

 

 

Books 

1.  P. Yeh “Optical Waves in Layered Media” (Wiley, NY 1988).  

2.  J. Joannopoulos, R. Meade,  J. Winn  

“Photonic Crystals: Molding the Flow of Light”  Princeton, 1995 

3.  Kazuaki Sakoda  “Optical Properties of Photonic Crystals “  2001 

Springer  

Review 

Krauss T F, De la Rue R M, PROG QUANT ELECTRON  23:  51-96 1999. 
 

Special issues:  

JOSA B 1993,      

 

 

J. Mod. Opt. 1994,  

J. Lightwave Techn. 1999,   MRS Bull. 2001 

 

Web-site

  

 

www.pbglink.com

 

 supported by Yuri Vlasov

 

 

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 

http://www.fineprint.com

background image

A

A

c

c

t

t

i

i

v

v

i

i

t

t

y

y

 

 

i

i

n

n

 

 

M

M

i

i

n

n

s

s

k

k

 

 

1

1

D

D

:

:

   

Theory (IMAPh—BSU) 

  

 

 

Zn/ZnSe-multilayer structures (with IRE, Russia) 

Optical properties of  multilayer fractal structures 

2

2

D

D

:

:

   

Theory 

 

 

 

Synthesis: porous alumina (BSUIR) 

Anisotropic optical properties of porous alumina incl. PL 

Impregnation with dyes, lanthanides, polymers 

Lasing 

???

 

3

3

D

D

:

:

   

Theory 

 

 

 

Light emission in opal-based PC 

Impregnation with dyes, lanthanides, polymers 

Lasing 

???

 

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version 

http://www.fineprint.com