Fotonski kristal

Fotonski kristal je sodoben material, sestavljen izmenično iz elementarnih celic z visokim in nizkim lomnim količnikom ter dimenzijami, primerljivimi z valovno dolžino svetlobe iz danega spektralnega območja. Fonični kristali se uporabljajo v optoelektroniki. Predvideva se, da bo uporaba fotonskega kristala omogočila npr. za nadzor širjenja svetlobnega valovanja in bo ustvaril priložnosti za ustvarjanje fotonskih integriranih vezij in optičnih sistemov, pa tudi telekomunikacijskih omrežij z veliko pasovno širino (reda Pbps).

Učinek tega materiala na pot svetlobe je podoben učinku rešetke na gibanje elektronov v polprevodniškem kristalu. Od tod tudi ime "fotonski kristal". Struktura fotonskega kristala preprečuje širjenje svetlobnih valov znotraj njega v določenem območju valovnih dolžin. Nato tako imenovana fotonska vrzel. Koncept ustvarjanja fotonskih kristalov je nastal istočasno leta 1987 v dveh ameriških raziskovalnih centrih.

Eli Jablonovich iz Bell Communications Research v New Jerseyju je delal na materialih za fotonske tranzistorje. Takrat je skoval izraz "fotonska pasovna vrzel". Istočasno je Sajiv John z univerze Prieston med prizadevanjem za izboljšanje učinkovitosti laserjev, ki se uporabljajo v telekomunikacijah, odkril isto vrzel. Leta 1991 je Eli Yablonovich prejel prvi fotonski kristal. Leta 1997 je bila razvita množična metoda za pridobivanje kristalov.

Primer naravnega tridimenzionalnega fotonskega kristala je opal, primer fotonske plasti krila metulja iz rodu Morpho. Fotonske kristale pa običajno umetno izdelujejo v laboratorijih iz silicija, ki je prav tako porozen. Po strukturi jih delimo na eno-, dvo- in tridimenzionalne. Najenostavnejša struktura je enodimenzionalna struktura. Enodimenzionalni fotonski kristali so dobro poznane in že dolgo uporabljane dielektrične plasti, za katere je značilen odbojni koeficient, odvisen od valovne dolžine vpadne svetlobe. Pravzaprav je to Braggovo zrcalo, sestavljeno iz številnih plasti z izmenično visokimi in nizkimi lomnimi količniki. Braggovo zrcalo deluje kot navaden nizkopasovni filter, nekatere frekvence se odbijajo, druge pa prepuščajo. Če Braggovo ogledalo zvijete v cev, dobite dvodimenzionalno strukturo.

Primeri umetno ustvarjenih dvodimenzionalnih fotonskih kristalov so fotonska optična vlakna in fotonske plasti, ki jih je po več modifikacijah mogoče uporabiti za spreminjanje smeri svetlobnega signala na veliko manjših razdaljah kot v običajnih integriranih optičnih sistemih. Trenutno obstajata dve metodi za modeliranje fotonskih kristalov.

первый – PWM (metoda ravninskih valov) se nanaša na eno- in dvodimenzionalne strukture in je sestavljena iz izračuna teoretičnih enačb, vključno z enačbami Bloch, Faraday, Maxwell. Drugo Metoda za modeliranje struktur iz optičnih vlaken je metoda FDTD (Finite Difference Time Domain), ki sestoji iz reševanja Maxwellovih enačb s časovno odvisnostjo za električno polje in magnetno polje. To omogoča izvajanje numeričnih eksperimentov o širjenju elektromagnetnih valov v danih kristalnih strukturah. To naj bi v prihodnosti omogočilo pridobivanje fotonskih sistemov z dimenzijami, primerljivimi z mikroelektronskimi napravami za nadzor svetlobe.

Nekatere uporabe fotonskih kristalov:

• Selektivna zrcala laserskih resonatorjev,
• laserji s porazdeljeno povratno informacijo,
• Fotonska vlakna (fotonska kristalna vlakna), filamenti in ravnina,
• Fotonski polprevodniki, ultra beli pigmenti,
• LED s povečanim izkoristkom, mikroresonatorji, metamateriali - levi materiali,
• Širokopasovno testiranje fotonskih naprav,
• spektroskopijo, interferometrijo ali optično koherentno tomografijo (OCT) – z uporabo močnega faznega učinka.