Фотонен кристал

Фотонен кристал е съвременен материал, състоящ се последователно от елементарни клетки с висок и нисък коефициент на пречупване и размери, сравними с дължината на вълната на светлината от даден спектрален диапазон. Фоничните кристали се използват в оптоелектрониката. Предполага се, че използването на фотонен кристал ще позволи напр. да контролира разпространението на светлинна вълна и ще създаде възможности за създаване на фотонни интегрални схеми и оптични системи, както и телекомуникационни мрежи с огромна честотна лента (от порядъка на Pbps).

Ефектът на този материал върху пътя на светлината е подобен на ефекта на решетката върху движението на електроните в полупроводников кристал. Оттук и името "фотоничен кристал". Структурата на фотонния кристал предотвратява разпространението на светлинни вълни в него в определен диапазон от дължини на вълните. Тогава така наречената фотонна празнина. Концепцията за създаване на фотонни кристали е създадена едновременно през 1987 г. в два изследователски центъра в САЩ.

Ели Яблонович от Bell Communications Research в Ню Джърси работи върху материали за фотонни транзистори. Тогава той измисли термина "фотонна лента". В същото време Сажив Джон от университета в Пристън, докато работи за подобряване на ефективността на лазерите, използвани в телекомуникациите, открива същата пропаст. През 1991 г. Ели Яблонович получава първия фотонен кристал. През 1997 г. е разработен масов метод за получаване на кристали.

Пример за естествено срещащ се триизмерен фотонен кристал е опалът, пример за фотонния слой на крилото на пеперуда от рода Morpho. Фотонните кристали обаче обикновено се правят изкуствено в лаборатории от силиций, който също е порест. Според структурата си те се делят на едно-, дву- и триизмерни. Най-простата структура е едномерната структура. Едномерните фотонни кристали са добре познати и отдавна използвани диелектрични слоеве, които се характеризират с коефициент на отражение, който зависи от дължината на вълната на падащата светлина. Всъщност това е огледало на Браг, състоящо се от много слоеве с редуващи се висок и нисък индекс на пречупване. Огледалото на Bragg работи като обикновен нискочестотен филтър, някои честоти се отразяват, докато други се пропускат. Ако навиете огледалото на Браг в тръба, ще получите двуизмерна структура.

Примери за изкуствено създадени двуизмерни фотонни кристали са фотонни оптични влакна и фотонни слоеве, които след няколко модификации могат да се използват за промяна на посоката на светлинния сигнал на разстояния, много по-малки, отколкото в конвенционалните интегрирани оптични системи. В момента има два метода за моделиране на фотонни кристали.

первый – PWM (метод на равнинни вълни) се отнася до едно- и двумерни структури и се състои в изчисляване на теоретични уравнения, включително уравненията на Блок, Фарадей, Максуел. Втори Методът за моделиране на оптични структури е методът FDTD (Finite Difference Time Domain), който се състои в решаване на уравнения на Максуел с времева зависимост за електрическото поле и магнитното поле. Това прави възможно провеждането на числени експерименти за разпространението на електромагнитни вълни в дадени кристални структури. В бъдеще това трябва да направи възможно получаването на фотонни системи с размери, сравними с тези на микроелектронните устройства, използвани за управление на светлината.

Някои приложения на фотонния кристал:

• Селективни огледала на лазерни резонатори,
• лазери с разпределена обратна връзка,
• Фотонни влакна (фотонни кристални влакна), нишки и равнинни,
• Фотонни полупроводници, ултрабели пигменти,
• Светодиоди с повишена ефективност, Микрорезонатори, Метаматериали - леви материали,
• Тестване на широколентови фотонни устройства,
• спектроскопия, интерферометрия или оптична кохерентна томография (OCT) - използвайки силен фазов ефект.