Fotoninis kristalas

Fotoninis kristalas yra moderni medžiaga, kurią pakaitomis sudaro elementarieji elementai, kurių lūžio rodiklis yra aukštas ir mažas, o matmenys yra panašūs į šviesos bangos ilgį iš tam tikro spektro diapazono. Foniniai kristalai naudojami optoelektronikoje. Daroma prielaida, kad fotoninio kristalo naudojimas leis, pvz. valdyti šviesos bangos sklidimą ir sudaryti galimybes kurti fotonines integrines grandines ir optines sistemas, taip pat didžiulio pralaidumo (Pbps) telekomunikacijų tinklus.

Šios medžiagos poveikis šviesos keliui yra panašus į gardelės poveikį elektronų judėjimui puslaidininkiniame kristale. Iš čia ir kilo pavadinimas „fotoninis kristalas“. Fotoninio kristalo struktūra neleidžia sklisti šviesos bangoms jo viduje tam tikru bangos ilgių diapazonu. Tada vadinamasis fotonų tarpas. Fotoninių kristalų kūrimo koncepcija buvo sukurta vienu metu 1987 m. dviejuose JAV tyrimų centruose.

Eli Jablonovich iš Bell Communications Research Naujajame Džersyje dirbo su fotoninių tranzistorių medžiagomis. Tada jis sugalvojo terminą „photonic bandgap“. Tuo pat metu Sajiv John iš Priestono universiteto, siekdamas pagerinti telekomunikacijose naudojamų lazerių efektyvumą, atrado tą patį spragą. 1991 m. Eli Yablonovich gavo pirmąjį fotoninį kristalą. 1997 metais buvo sukurtas masės metodas kristalams gauti.

Natūraliai susidarančio trimačio fotoninio kristalo pavyzdys yra opalas, Morpho genties drugelio sparno fotoninio sluoksnio pavyzdys. Tačiau fotoniniai kristalai dažniausiai gaminami dirbtinai laboratorijose iš silicio, kuris taip pat yra akytas. Pagal struktūrą jie skirstomi į vienmačius, dvimačius ir trimačius. Paprasčiausia struktūra yra vienmatė struktūra. Vienmačiai fotoniniai kristalai yra gerai žinomi ir seniai naudojami dielektriniai sluoksniai, kuriems būdingas atspindžio koeficientas, priklausantis nuo krintančios šviesos bangos ilgio. Tiesą sakant, tai yra Bragg veidrodis, susidedantis iš daugybės sluoksnių su kintančiais aukštais ir žemais lūžio rodikliais. Bragg veidrodis veikia kaip įprastas žemųjų dažnių filtras, kai kurie dažniai atsispindi, o kiti praleidžiami. Jei Bragg veidrodį suksite į vamzdelį, gausite dvimatę struktūrą.

Dirbtinai sukurtų dvimačių fotoninių kristalų pavyzdžiai yra fotoninės optinės skaidulos ir fotoniniai sluoksniai, kuriuos atlikus keletą modifikacijų galima pakeisti šviesos signalo kryptį daug mažesniais atstumais nei įprastose integruotose optikos sistemose. Šiuo metu yra du fotoninių kristalų modeliavimo būdai.

первый – PWM (plokštumos bangų metodas) reiškia vienmates ir dvimates struktūras ir susideda iš teorinių lygčių apskaičiavimo, įskaitant Blocho, Faradėjaus, Maksvelo lygtis. Antra Šviesolaidinių struktūrų modeliavimo metodas yra FDTD (Finite Difference Time Domain) metodas, kurį sudaro Maksvelo lygčių sprendimas su elektrinio lauko ir magnetinio lauko priklausomybe nuo laiko. Tai leidžia atlikti skaitmeninius elektromagnetinių bangų sklidimo tam tikrose kristalinėse struktūrose eksperimentus. Ateityje tai turėtų sudaryti galimybę gauti fotoninių sistemų, kurių matmenys būtų panašūs į mikroelektroninių prietaisų, naudojamų šviesai valdyti, matmenis.

Kai kurie fotoninių kristalų pritaikymai:

• Atrankiniai lazerinių rezonatorių veidrodžiai,
• paskirstyto grįžtamojo ryšio lazeriai,
• Fotoniniai pluoštai (fotoniniai kristalų pluoštai), gijos ir plokštumos,
• Fotoniniai puslaidininkiai, itin balti pigmentai,
• Didesnio efektyvumo šviesos diodai, mikrorezonatoriai, metamedžiagos – kairiosios medžiagos,
• Fotoninių prietaisų plačiajuosčio ryšio bandymai,
• spektroskopija, interferometrija arba optinė koherentinė tomografija (OCT) – naudojant stiprų fazės efektą.