Fotonski kristal

Fotonski kristal je suvremeni materijal koji se naizmjenično sastoji od elementarnih stanica s visokim i niskim indeksom loma i dimenzijama usporedivim s valnom duljinom svjetlosti iz zadanog spektralnog raspona. Fonički kristali se koriste u optoelektronici. Pretpostavlja se da će korištenje fotonskog kristala omogućiti npr. za kontrolu širenja svjetlosnog vala i stvorit će mogućnosti za stvaranje fotonskih integriranih sklopova i optičkih sustava, kao i telekomunikacijskih mreža s golemom širinom pojasa (reda Pbps).

Učinak ovog materijala na put svjetlosti sličan je učinku rešetke na kretanje elektrona u poluvodičkom kristalu. Otuda i naziv "fotonski kristal". Struktura fotonskog kristala sprječava širenje svjetlosnih valova unutar njega u određenom rasponu valnih duljina. Zatim takozvani fotonski jaz. Koncept stvaranja fotonskih kristala nastao je istovremeno 1987. u dva američka istraživačka centra.

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

Primjer prirodnog trodimenzionalnog fotonskog kristala je opal, primjer fotonskog sloja krila leptira iz roda Morpho. Međutim, fotonski kristali se obično izrađuju umjetno u laboratorijima od silicija, koji je također porozan. Prema svojoj građi dijele se na jedno-, dvo- i trodimenzionalne. Najjednostavnija struktura je jednodimenzionalna struktura. Jednodimenzionalni fotonski kristali dobro su poznati i dugo korišteni dielektrični slojevi, koje karakterizira koeficijent refleksije koji ovisi o valnoj duljini upadne svjetlosti. Zapravo, ovo je Braggovo zrcalo, koje se sastoji od mnogo slojeva s izmjeničnim visokim i niskim indeksima loma. Braggovo zrcalo radi kao obični niskopropusni filtar, neke frekvencije se reflektiraju dok se druge prolaze. Ako Braggovo zrcalo zamotate u cijev, dobit ćete 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 sustavima. Trenutno postoje dvije metode za modeliranje fotonskih kristala.

первый – PWM (metoda ravnog vala) odnosi se na jednodimenzionalne i dvodimenzionalne strukture i sastoji se u izračunu teorijskih jednadžbi, uključujući Blochove, Faradayeve, Maxwellove jednadžbe. Drugi Metoda za modeliranje optičkih struktura je FDTD (Finite Difference Time Domain) metoda koja se sastoji u rješavanju Maxwellovih jednadžbi s vremenskom ovisnošću za električno polje i magnetsko polje. To omogućuje izvođenje numeričkih eksperimenata na širenju elektromagnetskih valova u zadanim kristalnim strukturama. U budućnosti bi to trebalo omogućiti dobivanje fotonskih sustava s dimenzijama usporedivim s onima mikroelektronskih uređaja koji se koriste za kontrolu svjetlosti.

Neke primjene fotonskog kristala:

• Selektivna zrcala laserskih rezonatora,
• laseri s distribuiranim povratnim informacijama,
• Fotonska vlakna (fotonska kristalna vlakna), filamenti i ravni,
• Fotonski poluvodiči, ultra-bijeli pigmenti,
• LED s povećanom učinkovitošću, Mikrorezonatori, Metamaterijali - lijevi materijali,
• širokopojasno testiranje fotonskih uređaja,
• spektroskopija, interferometrija ili optička koherentna tomografija (OCT) – korištenjem jakog faznog efekta.