Φωτονικός κρύσταλλος

Ένας φωτονικός κρύσταλλος είναι ένα σύγχρονο υλικό που αποτελείται εναλλάξ από στοιχειώδη κύτταρα με υψηλό και χαμηλό δείκτη διάθλασης και διαστάσεις συγκρίσιμες με το μήκος κύματος του φωτός από μια δεδομένη φασματική περιοχή. Οι φωνικοί κρύσταλλοι χρησιμοποιούνται στην οπτοηλεκτρονική. Υποτίθεται ότι η χρήση ενός φωτονικού κρυστάλλου θα επιτρέψει, για παράδειγμα. να ελέγχει τη διάδοση ενός φωτεινού κύματος και θα δημιουργήσει ευκαιρίες για τη δημιουργία φωτονικών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων και οπτικών συστημάτων, καθώς και τηλεπικοινωνιακών δικτύων με τεράστιο εύρος ζώνης (της τάξης των Pbps).

Η επίδραση αυτού του υλικού στο μονοπάτι του φωτός είναι παρόμοια με την επίδραση ενός πλέγματος στην κίνηση των ηλεκτρονίων σε ένα κρύσταλλο ημιαγωγών. Εξ ου και η ονομασία «φωτονικός κρύσταλλος». Η δομή ενός φωτονικού κρυστάλλου εμποδίζει τη διάδοση των κυμάτων φωτός στο εσωτερικό του σε ένα συγκεκριμένο εύρος μηκών κύματος. Στη συνέχεια, το λεγόμενο χάσμα φωτονίων. Η ιδέα της δημιουργίας φωτονικών κρυστάλλων δημιουργήθηκε ταυτόχρονα το 1987 σε δύο ερευνητικά κέντρα των ΗΠΑ.

Ο Eli Jablonovich της Bell Communications Research στο New Jersey εργάστηκε σε υλικά για φωτονικά τρανζίστορ. Τότε ήταν που επινόησε τον όρο «photonic bandgap». Την ίδια στιγμή, ο Sajiv John του Πανεπιστημίου Prieston, ενώ εργαζόταν για τη βελτίωση της αποτελεσματικότητας των λέιζερ που χρησιμοποιούνται στις τηλεπικοινωνίες, ανακάλυψε το ίδιο κενό. Το 1991, ο Eli Yablonovich έλαβε τον πρώτο φωτονικό κρύσταλλο. Το 1997, αναπτύχθηκε μια μέθοδος μάζας για τη λήψη κρυστάλλων.

Ένα παράδειγμα τρισδιάστατου φωτονικού κρυστάλλου που απαντά στη φύση είναι το οπάλιο, ένα παράδειγμα του φωτονικού στρώματος του φτερού μιας πεταλούδας του γένους Morpho. Ωστόσο, οι φωτονικοί κρύσταλλοι συνήθως κατασκευάζονται τεχνητά σε εργαστήρια από πυρίτιο, το οποίο είναι επίσης πορώδες. Ανάλογα με τη δομή τους χωρίζονται σε μονοδιάστατα, δύο και τρισδιάστατα. Η απλούστερη δομή είναι η μονοδιάστατη δομή. Οι μονοδιάστατοι φωτονικοί κρύσταλλοι είναι γνωστά και μακροχρόνια χρησιμοποιούμενα διηλεκτρικά στρώματα, τα οποία χαρακτηρίζονται από έναν συντελεστή ανάκλασης που εξαρτάται από το μήκος κύματος του προσπίπτοντος φωτός. Στην πραγματικότητα, πρόκειται για έναν καθρέφτη Bragg, που αποτελείται από πολλά στρώματα με εναλλασσόμενους υψηλούς και χαμηλούς δείκτες διάθλασης. Ο καθρέφτης Bragg λειτουργεί σαν ένα κανονικό χαμηλοπερατό φίλτρο, ορισμένες συχνότητες ανακλώνται ενώ άλλες περνούν από μέσα. Εάν κυλήσετε τον καθρέφτη Bragg σε ένα σωλήνα, θα έχετε μια δισδιάστατη δομή.

Παραδείγματα τεχνητά δημιουργημένων δισδιάστατων φωτονικών κρυστάλλων είναι οι φωτονικές οπτικές ίνες και τα φωτονικά στρώματα, τα οποία, μετά από αρκετές τροποποιήσεις, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να αλλάξουν την κατεύθυνση ενός φωτεινού σήματος σε αποστάσεις πολύ μικρότερες από ό,τι στα συμβατικά ολοκληρωμένα οπτικά συστήματα. Υπάρχουν επί του παρόντος δύο μέθοδοι για τη μοντελοποίηση των φωτονικών κρυστάλλων.

πρώτα – Το PWM (μέθοδος επίπεδων κυμάτων) αναφέρεται σε μονοδιάστατες και δισδιάστατες δομές και συνίσταται στον υπολογισμό των θεωρητικών εξισώσεων, συμπεριλαμβανομένων των εξισώσεων Bloch, Faraday, Maxwell. Δεύτερος Η μέθοδος για τη μοντελοποίηση δομών οπτικών ινών είναι η μέθοδος FDTD (Finite Difference Time Domain), η οποία συνίσταται στην επίλυση των εξισώσεων Maxwell με χρονική εξάρτηση για το ηλεκτρικό πεδίο και το μαγνητικό πεδίο. Αυτό καθιστά δυνατή τη διεξαγωγή αριθμητικών πειραμάτων σχετικά με τη διάδοση ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων σε δεδομένες κρυσταλλικές δομές. Στο μέλλον, αυτό θα καταστήσει δυνατή την απόκτηση φωτονικών συστημάτων με διαστάσεις συγκρίσιμες με εκείνες των μικροηλεκτρονικών συσκευών που χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο του φωτός.

Μερικές εφαρμογές του φωτονικού κρυστάλλου:

• Επιλεκτικοί καθρέφτες αντηχείων λέιζερ,
• κατανεμημένα λέιζερ ανάδρασης,
• Φωτονικές ίνες (φωτονικές κρυσταλλικές ίνες), νήματα και επίπεδες,
• Φωτονικοί ημιαγωγοί, εξαιρετικά λευκές χρωστικές,
• LED με αυξημένη απόδοση, Μικροσυντονιστές, Μεταϋλικά - αριστερά υλικά,
• Ευρυζωνική δοκιμή φωτονικών συσκευών,
• φασματοσκοπία, συμβολομετρία ή οπτική τομογραφία συνοχής (OCT) - χρησιμοποιώντας ένα ισχυρό φαινόμενο φάσης.