Fotonisk kristall

En fotonisk kristall är ett modernt material som omväxlande består av elementära celler med högt och lågt brytningsindex och dimensioner jämförbara med ljusets våglängd från ett givet spektralområde. Foniska kristaller används i optoelektronik. Det antas att användningen av en fotonisk kristall tillåter t.ex. att kontrollera utbredningen av en ljusvåg och kommer att skapa möjligheter för skapandet av fotoniska integrerade kretsar och optiska system, samt telekommunikationsnätverk med en enorm bandbredd (i storleksordningen Pbps).

Effekten av detta material på ljusets väg liknar effekten av ett gitter på elektronernas rörelse i en halvledarkristall. Därav namnet "fotonisk kristall". Strukturen hos en fotonisk kristall förhindrar utbredningen av ljusvågor inuti den inom ett visst våglängdsområde. Sedan det så kallade fotongapet. Konceptet att skapa fotoniska kristaller skapades samtidigt 1987 i två amerikanska forskningscentra.

Eli Jablonovich från Bell Communications Research i New Jersey arbetade med material för fotoniska transistorer. Det var då han myntade termen "fotoniskt bandgap". Samtidigt upptäckte Sajiv John från Prieston University, medan han arbetade för att förbättra effektiviteten hos lasrar som används inom telekommunikation, samma lucka. 1991 fick Eli Yablonovich den första fotoniska kristallen. 1997 utvecklades en massmetod för att erhålla kristaller.

Ett exempel på en naturligt förekommande tredimensionell fotonisk kristall är opal, ett exempel på det fotoniska lagret av vingen på en fjäril av släktet Morpho. Fotonkristaller tillverkas dock vanligtvis artificiellt i laboratorier av kisel, som också är poröst. Enligt deras struktur är de uppdelade i en-, två- och tredimensionella. Den enklaste strukturen är den endimensionella strukturen. Endimensionella fotoniska kristaller är välkända och länge använda dielektriska skikt, som kännetecknas av en reflektionskoefficient som beror på våglängden hos det infallande ljuset. I själva verket är detta en Bragg-spegel, som består av många lager med omväxlande höga och låga brytningsindex. Bragg-spegeln fungerar som ett vanligt lågpassfilter, vissa frekvenser reflekteras medan andra passeras igenom. Om du rullar Bragg-spegeln till ett rör får du en tvådimensionell struktur.

Exempel på artificiellt skapade tvådimensionella fotoniska kristaller är fotoniska optiska fibrer och fotoniska skikt, som efter flera modifieringar kan användas för att ändra riktningen på en ljussignal på avstånd som är mycket mindre än i konventionella integrerade optiksystem. Det finns för närvarande två metoder för att modellera fotoniska kristaller.

первый – PWM (plane wave method) avser en- och tvådimensionella strukturer och består av beräkning av teoretiska ekvationer, inklusive Bloch, Faraday, Maxwells ekvationer. För det andra Metoden för att modellera fiberoptiska strukturer är FDTD-metoden (Finite Difference Time Domain) som består i att lösa Maxwell-ekvationerna med ett tidsberoende för det elektriska fältet och magnetfältet. Detta gör att man kan utföra numeriska experiment på utbredningen av elektromagnetiska vågor i givna kristallstrukturer. I framtiden bör detta göra det möjligt att erhålla fotoniska system med dimensioner jämförbara med de hos mikroelektroniska enheter som används för att styra ljus.

Några tillämpningar av fotoniska kristaller:

• Selektiva speglar av laserresonatorer,
• distribuerade återkopplingslasrar,
• Fotoniska fibrer (fotoniska kristallfibrer), filament och plana,
• Fotoniska halvledare, ultravita pigment,
• Lysdioder med ökad effektivitet, mikroresonatorer, metamaterial - vänstermaterial,
• Bredbandstestning av fotoniska enheter,
• spektroskopi, interferometri eller optisk koherenstomografi (OCT) - med en stark faseffekt.