Fotonski kristal

Fotonski kristal je moderan materijal koji se sastoji naizmjenično od elementarnih ćelija s visokim i niskim indeksom prelamanja i dimenzijama uporedivim s talasnom dužinom svjetlosti iz datog spektralnog raspona. Fonički kristali se koriste u optoelektronici. Pretpostavlja se da će upotreba fotonskog kristala omogućiti npr. da kontroliše širenje svetlosnog talasa i stvoriće mogućnosti za stvaranje fotonskih integrisanih kola i optičkih sistema, kao i telekomunikacionih mreža sa ogromnim propusnim opsegom (reda Pbps).

Učinak ovog materijala na putanju svjetlosti sličan je efektu rešetke na kretanje elektrona u poluvodičkom kristalu. Otuda i naziv "fotonski kristal". Struktura fotonskog kristala sprečava širenje svetlosnih talasa unutar njega u određenom opsegu talasnih dužina. Zatim takozvani fotonski jaz. Koncept stvaranja fotonskih kristala nastao je istovremeno 1987. godine u dva američka istraživačka centra.

Eli Jablonovich iz Bell Communications Research u New Jerseyu radio je na materijalima za fotonske tranzistore. Tada je skovao termin "fotonski pojas". U isto vrijeme, Sajiv John sa Univerziteta Prieston, dok je radio na poboljšanju efikasnosti lasera koji se koriste u telekomunikacijama, otkrio je isti jaz. 1991. Eli Yablonovich je dobio prvi fotonski kristal. Godine 1997. razvijena je masovna metoda za dobijanje kristala.

Primjer prirodnog trodimenzionalnog fotonskog kristala je opal, primjer fotonskog sloja krila leptira iz roda Morpho. Međutim, fotonski kristali se obično izrađuju umjetno u laboratorijama od silicija, koji je također porozan. Po svojoj strukturi dijele se na jedno-, dvo- i trodimenzionalne. Najjednostavnija struktura je jednodimenzionalna struktura. Jednodimenzionalni fotonski kristali su dobro poznati i dugo korišćeni dielektrični slojevi, koji se odlikuju koeficijentom refleksije koji zavisi od talasne dužine upadne svetlosti. U stvari, ovo je Braggovo ogledalo, koje se sastoji od mnogo slojeva s naizmjeničnim visokim i niskim indeksima prelamanja. Braggovo ogledalo radi kao običan niskopropusni filter, neke frekvencije se reflektuju, dok se druge propuštaju. Ako Braggovo ogledalo umotate u cijev, dobićete dvodimenzionalnu strukturu.

Primjeri umjetno stvorenih dvodimenzionalnih fotonskih kristala su fotonska optička vlakna i fotonski slojevi, koji se, nakon nekoliko modifikacija, mogu koristiti za promjenu smjera svjetlosnog signala na udaljenostima znatno manjim nego u konvencionalnim integriranim optičkim sistemima. Trenutno postoje dvije metode za modeliranje fotonskih kristala.

первый – PWM (metoda ravnih talasa) se odnosi na jednodimenzionalne i dvodimenzionalne strukture i sastoji se od izračunavanja teorijskih jednačina, uključujući Blochove, Faradayeve, Maxwellove jednačine. Drugi Metoda za modeliranje optičkih struktura je FDTD (Finite Difference Time Domain) metoda, koja se sastoji u rješavanju Maxwellovih jednadžbi sa vremenskom ovisnošću za električno polje i magnetsko polje. Ovo omogućava izvođenje numeričkih eksperimenata na širenju elektromagnetnih talasa u datim kristalnim strukturama. U budućnosti bi to trebalo da omogući dobijanje fotonskih sistema sa dimenzijama uporedivim sa mikroelektronskim uređajima koji se koriste za kontrolu svetlosti.

Neke primjene fotonskog kristala:

• Selektivna ogledala laserskih rezonatora,
• distribuirani laseri sa povratnom spregom,
• Fotonska vlakna (fotonska kristalna vlakna), filamenti i planarni,
• Fotonski poluprovodnici, ultra-beli pigmenti,
• LED diode sa povećanom efikasnošću, mikrorezonatori, metamaterijali - levi materijali,
• Širokopojasno testiranje fotonskih uređaja,
• spektroskopija, interferometrija ili optička koherentna tomografija (OCT) - korištenjem snažnog faznog efekta.