фотонний кристал

Фотонний кристал - це сучасний матеріал, що складається поперемінно з елементарних осередків з великим і малим показником заломлення та розмірами, порівнянними із довжиною хвилі світла з даного інтервалу спектру. Фонічні кристали використовують у оптоэлектронике. Передбачається, що використання фотонного кристала дозволить, наприклад. для управління поширенням світлової хвилі та створить можливості для створення фотонних інтегральних схем та оптичних систем, а також телекомунікаційних мереж з величезною пропускною спроможністю (порядку Пбіт/с).

Вплив цього матеріалу на шлях світла подібно до впливу решітки на рух електронів у напівпровідниковому кристалі. Звідси і назва "фотонний кристал". Структура фотонного кристала перешкоджає поширенню всередині нього світлових хвиль у певному діапазоні довжин хвиль. Потім так званий фотонний проміжок. Концепція створення фотонних кристалів була створена одночасно у 1987 році у двох дослідницьких центрах США.

Елі Яблонович із Bell Communications Research у Нью-Джерсі працював над матеріалами для фотонних транзисторів. Саме тоді він запровадив термін "фотонна заборонена зона". У той же час Саджів Джон з Прайстонського університету, працюючи над підвищенням ефективності лазерів, що використовуються в телекомунікаціях, виявив цю прогалину. 1991 року Елі Яблонович отримав перший фотонний кристал. У 1997 році було розроблено масовий метод отримання кристалів.

Прикладом тривимірного фотонного кристала, що зустрічається в природі, є опал, приклад фотонного шару крила метелика роду Morpho. Однак фотонні кристали зазвичай виготовляються штучно в лабораторіях із кремнію, також пористого. За своєю будовою вони поділяються на одно-, дво- та тривимірні. Найпростіша структура – ​​це одновимірна структура. Одномірні фотонні кристали є відомими і давно використовувані діелектричні шари, котрим характерний коефіцієнт відбиття, залежить від довжини хвилі падаючого світла. Фактично це бреггівське дзеркало, що складається з безлічі шарів з високими і низькими показниками заломлення, що чергуються. Дзеркало Брегга працює як звичайний фільтр нижніх частот, одні частоти відбиваються, інші пропускаються. Якщо звернути дзеркало Брегга в трубку, то вийде двомірна структура.

Прикладами штучно створених двовимірних фотонних кристалів є фотонні оптичні волокна і фотонні шари, які після декількох модифікацій можна використовувати зміни напряму світлового сигналу на відстанях, значно менших, ніж у звичайних системах інтегральної оптики. В даний час існує два методи моделювання фотонних кристалів.

перший - ШІМ (метод плоских хвиль) відноситься до одно-і двовимірних структур і полягає в розрахунку теоретичних рівнянь, у тому числі рівнянь Блоха, Фарадея, Максвелла. Другий Методом моделювання волоконно-оптичних структур є метод FDTD (Finite Difference Time Domain), який полягає у вирішенні рівнянь Максвелла з тимчасовою залежністю для електричного та магнітного поля. Це дозволяє проводити чисельні експерименти щодо поширення електромагнітних хвиль у заданих кристалічних структурах. У майбутньому це має дозволити отримати фотонні системи з розмірами, які можна порівняти з розмірами мікроелектронних пристроїв, що використовуються для керування світлом.

Деякі застосування фотонного кристала:

• Селективні дзеркала лазерних резонаторів
• Лазери з розподіленим зворотним зв'язком,
• Фотонні волокна (фотонно-кристалічне волокно), нитки та планарні,
• Фотонні напівпровідники, ультрабілі пігменти,
• Світлодіоди з підвищеним ККД, Мікрорезонатори, Метаматеріали – ліві матеріали,
• Широкосмугове тестування фотонних пристроїв,
• спектроскопія, інтерферометрія чи оптична когерентна томографія (ОКТ) – використання сильного фазового ефекту.