Фотонный кристалл

Фотонный кристалл — это современный материал, состоящий попеременно из элементарных ячеек с большим и малым показателем преломления и размерами, сравнимыми с длиной волны света из данного интервала спектра. Фонические кристаллы используются в оптоэлектронике. Предполагается, что использование фотонного кристалла позволит, например. для управления распространением световой волны и создаст возможности для создания фотонных интегральных схем и оптических систем, а также телекоммуникационных сетей с огромной пропускной способностью (порядка Пбит/с).

Влияние этого материала на путь света подобно влиянию решетки на движение электронов в полупроводниковом кристалле. Отсюда и название «фотонный кристалл». Структура фотонного кристалла препятствует распространению внутри него световых волн в определенном диапазоне длин волн. Затем так называемый фотонный зазор. Концепция создания фотонных кристаллов была создана одновременно в 1987 году в двух исследовательских центрах США.

Эли Яблонович из Bell Communications Research в Нью-Джерси работал над материалами для фотонных транзисторов. Именно тогда он ввел термин «фотонная запрещенная зона». В то же время Саджив Джон из Прайстонского университета, работая над повышением эффективности лазеров, используемых в телекоммуникациях, обнаружил тот самый пробел. В 1991 году Эли Яблонович получил первый фотонный кристалл. В 1997 году был разработан массовый метод получения кристаллов.

Примером встречающегося в природе трехмерного фотонного кристалла является опал, пример фотонного слоя крыла бабочки рода Morpho. Однако фотонные кристаллы обычно изготавливаются искусственно в лабораториях из кремния, также пористого. По своему строению они делятся на одно-, двух- и трехмерные. Самая простая структура – ​​это одномерная структура. Одномерные фотонные кристаллы представляют собой известные и давно используемые диэлектрические слои, для которых характерен коэффициент отражения, зависящий от длины волны падающего света. Фактически это брэгговское зеркало, состоящее из множества слоев с чередующимися высокими и низкими показателями преломления. Зеркало Брэгга работает как обычный фильтр нижних частот, одни частоты отражаются, а другие пропускаются. Если свернуть зеркало Брэгга в трубку, то получится двумерная структура.

Примерами искусственно созданных двумерных фотонных кристаллов являются фотонные оптические волокна и фотонные слои, которые после нескольких модификаций можно использовать для изменения направления светового сигнала на расстояниях, значительно меньших, чем в обычных системах интегральной оптики. В настоящее время существует два метода моделирования фотонных кристаллов.

первый – ШИМ (метод плоских волн) относится к одно- и двумерным структурам и заключается в расчете теоретических уравнений, в том числе уравнений Блоха, Фарадея, Максвелла. Второй Методом моделирования волоконно-оптических структур является метод FDTD (Finite Difference Time Domain), который заключается в решении уравнений Максвелла с временной зависимостью для электрического поля и магнитного поля. Это позволяет проводить численные эксперименты по распространению электромагнитных волн в заданных кристаллических структурах. В будущем это должно позволить получить фотонные системы с размерами, сравнимыми с размерами микроэлектронных устройств, используемых для управления светом.

Некоторые применения фотонного кристалла:

• Селективные зеркала лазерных резонаторов,
• Лазеры с распределенной обратной связью,
• Фотонные волокна (фотонно-кристаллическое волокно), нити и планарные,
• Фотонные полупроводники, ультрабелые пигменты,
• Светодиоды с повышенным КПД, Микрорезонаторы, Метаматериалы – левые материалы,
• Широкополосное тестирование фотонных устройств,
• спектроскопия, интерферометрия или оптическая когерентная томография (ОКТ) – использование сильного фазового эффекта.