Kryształ fotoniczny

Kryształ fotoniczny to nowoczesny materiał składający się na przemian z komórek elementarnych o wysokim i niskim współczynniku załamania światła i wymiarach porównywalnych z długością fali światła z danego zakresu widmowego. Kryształy foniczne są wykorzystywane w optoelektronice. Zakłada się, że zastosowanie kryształu fotonicznego pozwoli np. do sterowania propagacją fali świetlnej i stworzy możliwości tworzenia fotonicznych układów scalonych i systemów optycznych oraz sieci telekomunikacyjnych o ogromnej przepustowości (rzędu Pb/s).

Wpływ tego materiału na drogę światła jest podobny do wpływu siatki na ruch elektronów w krysztale półprzewodnikowym. Stąd nazwa „kryształ fotoniczny”. Struktura kryształu fotonicznego uniemożliwia propagację w jego wnętrzu fal świetlnych w określonym zakresie długości fal. Wtedy tak zwana przerwa fotonowa. Koncepcja tworzenia kryształów fotonicznych powstała równolegle w 1987 roku w dwóch amerykańskich ośrodkach badawczych.

Eli Jablonovich z Bell Communications Research w New Jersey pracował nad materiałami na tranzystory fotoniczne. To wtedy ukuł termin „fotoniczne pasmo wzbronione”. W tym samym czasie Sajiv John z Prieston University, pracując nad poprawą wydajności laserów stosowanych w telekomunikacji, odkrył tę samą lukę. W 1991 roku Eli Yablonovich otrzymał pierwszy kryształ fotoniczny. W 1997 roku opracowano masową metodę otrzymywania kryształów.

Przykładem naturalnie występującego trójwymiarowego kryształu fotonicznego jest opal, przykład warstwy fotonicznej skrzydła motyla z rodzaju Morpho. Jednak kryształy fotoniczne są zwykle wytwarzane sztucznie w laboratoriach z krzemu, który również jest porowaty. Zgodnie z ich strukturą dzielą się na jedno-, dwu- i trójwymiarowe. Najprostszą strukturą jest struktura jednowymiarowa. Jednowymiarowe kryształy fotoniczne to dobrze znane i od dawna stosowane warstwy dielektryczne, które charakteryzują się współczynnikiem odbicia zależnym od długości fali padającego światła. W rzeczywistości jest to lustro Bragga, składające się z wielu warstw o ​​naprzemiennych wysokich i niskich współczynnikach załamania światła. Lustro Bragga działa jak zwykły filtr dolnoprzepustowy, niektóre częstotliwości są odbijane, a inne przepuszczane. Jeśli zwiniesz lustro Bragga w rurkę, otrzymasz dwuwymiarową strukturę.

Przykładami sztucznie tworzonych dwuwymiarowych kryształów fotonicznych są światłowody fotoniczne oraz warstwy fotoniczne, które po kilku modyfikacjach mogą służyć do zmiany kierunku sygnału świetlnego na odległości znacznie mniejsze niż w konwencjonalnych układach optyki zintegrowanej. Obecnie istnieją dwie metody modelowania kryształów fotonicznych.

первый – PWM (metoda fali płaskiej) odnosi się do struktur jedno- i dwuwymiarowych i polega na obliczeniu równań teoretycznych, w tym równań Blocha, Faradaya, Maxwella. drugi Metodą modelowania struktur światłowodowych jest metoda FDTD (Finite Difference Time Domain), która polega na rozwiązywaniu równań Maxwella z zależnością czasową dla pola elektrycznego i pola magnetycznego. Pozwala to na przeprowadzanie eksperymentów numerycznych dotyczących propagacji fal elektromagnetycznych w określonych strukturach krystalicznych. W przyszłości powinno to pozwolić na uzyskanie układów fotonicznych o gabarytach porównywalnych z urządzeniami mikroelektronicznymi służącymi do sterowania światłem.

Niektóre zastosowania kryształu fotonicznego:

• Selektywne lustra rezonatorów laserowych,
• lasery z rozproszonym sprzężeniem zwrotnym,
• Światłowody fotoniczne (światłowód fotoniczny krystaliczny), filamentowe i płaskie,
• Półprzewodniki fotoniczne, ultrabiałe pigmenty,
• Diody LED o podwyższonej wydajności, Mikrorezonatory, Metamateriały - materiały lewe,
• Badania szerokopasmowe urządzeń fotonicznych,
• spektroskopia, interferometria czy optyczna koherentna tomografia (OCT) – wykorzystujące efekt silnej fazy.