Fotonisk krystall

En fotonisk krystall er et moderne materiale som vekselvis består av elementære celler med høy og lav brytningsindeks og dimensjoner som kan sammenlignes med bølgelengden til lys fra et gitt spektralområde. Foniske krystaller brukes i optoelektronikk. Det antas at bruk av en fotonisk krystall vil tillate f.eks. å kontrollere forplantningen av en lysbølge og vil skape muligheter for å lage fotoniske integrerte kretser og optiske systemer, samt telekommunikasjonsnettverk med en enorm båndbredde (i størrelsesorden Pbps).

Effekten av dette materialet på lysbanen er lik effekten av et gitter på bevegelsen av elektroner i en halvlederkrystall. Derav navnet "fotonisk krystall". Strukturen til en fotonisk krystall forhindrer forplantning av lysbølger inne i den i et visst bølgelengdeområde. Deretter det såkalte fotongapet. Konseptet med å lage fotoniske krystaller ble skapt samtidig i 1987 i to amerikanske forskningssentre.

Eli Jablonovich fra Bell Communications Research i New Jersey jobbet med materialer for fotoniske transistorer. Det var da han laget begrepet "fotonisk bandgap". Samtidig oppdaget Sajiv John fra Prieston University, mens han arbeidet med å forbedre effektiviteten til lasere som brukes i telekommunikasjon, det samme gapet. I 1991 mottok Eli Yablonovich den første fotoniske krystallen. I 1997 ble en massemetode for å oppnå krystaller utviklet.

Et eksempel på en naturlig forekommende tredimensjonal fotonisk krystall er opal, et eksempel på det fotoniske laget av vingen til en sommerfugl av slekten Morpho. Imidlertid lages fotoniske krystaller vanligvis kunstig i laboratorier av silisium, som også er porøst. I henhold til deres struktur er de delt inn i en-, to- og tredimensjonale. Den enkleste strukturen er den endimensjonale strukturen. Endimensjonale fotoniske krystaller er velkjente og lenge brukte dielektriske lag, som er preget av en refleksjonskoeffisient som avhenger av bølgelengden til det innfallende lyset. Faktisk er dette et Bragg-speil, bestående av mange lag med vekslende høye og lave brytningsindekser. Bragg-speilet fungerer som et vanlig lavpassfilter, noen frekvenser reflekteres mens andre går gjennom. Hvis du ruller Bragg-speilet inn i et rør, får du en todimensjonal struktur.

Eksempler på kunstig skapte todimensjonale fotoniske krystaller er fotoniske optiske fibre og fotoniske lag, som etter flere modifikasjoner kan brukes til å endre retningen til et lyssignal ved avstander som er mye mindre enn i konvensjonelle integrerte optikksystemer. Det er for tiden to metoder for modellering av fotoniske krystaller.

første – PWM (planbølgemetode) refererer til en- og todimensjonale strukturer og består i beregning av teoretiske ligninger, inkludert Bloch, Faraday, Maxwell-ligningene. Sekund Metoden for å modellere fiberoptiske strukturer er FDTD (Finite Difference Time Domain) metoden, som består i å løse Maxwells ligninger med en tidsavhengighet for det elektriske feltet og magnetfeltet. Dette gjør at man kan utføre numeriske eksperimenter på forplantning av elektromagnetiske bølger i gitte krystallstrukturer. I fremtiden bør dette gjøre det mulig å få fotoniske systemer med dimensjoner som kan sammenlignes med mikroelektroniske enheter som brukes til å kontrollere lys.

Noen bruksområder for fotoniske krystaller:

• Selektive speil av laserresonatorer,
• distribuerte tilbakemeldingslasere,
• Fotoniske fibre (fotoniske krystallfibre), filamenter og plane,
• Fotoniske halvledere, ultrahvite pigmenter,
• LED med økt effektivitet, mikroresonatorer, metamaterialer - venstre materialer,
• Bredbåndstesting av fotoniske enheter,
• spektroskopi, interferometri eller optisk koherenstomografi (OCT) - ved bruk av sterk faseeffekt.