Fotoniskais kristāls
Fotoniskais kristāls ir moderns materiāls, kas pārmaiņus sastāv no elementāršūnām ar augstu un zemu refrakcijas indeksu un izmēriem, kas ir salīdzināmi ar gaismas viļņa garumu no noteiktā spektra diapazona. Foniskos kristālus izmanto optoelektronikā. Tiek pieņemts, ka fotoniskā kristāla izmantošana ļaus, piemēram. kontrolēt gaismas viļņa izplatību un radīs iespējas izveidot fotoniskās integrālās shēmas un optiskās sistēmas, kā arī telekomunikāciju tīklus ar milzīgu joslas platumu (apmēru Pbps).
Šī materiāla ietekme uz gaismas ceļu ir līdzīga režģa ietekmei uz elektronu kustību pusvadītāju kristālā. Līdz ar to nosaukums "fotoniskais kristāls". Fotoniskā kristāla struktūra novērš gaismas viļņu izplatīšanos tā iekšienē noteiktā viļņu garuma diapazonā. Tad tā sauktā fotonu sprauga. Fotonisko kristālu radīšanas koncepcija tika radīta vienlaikus 1987. gadā divos ASV pētniecības centros.
Eli Jablonovich no Bell Communications Research Ņūdžersijā strādāja pie materiāliem fotoniskajiem tranzistoriem. Toreiz viņš izdomāja terminu "fotoniskā josla". Tajā pašā laikā Sadživs Džons no Priestonas universitātes, strādājot pie telekomunikācijās izmantoto lāzeru efektivitātes uzlabošanas, atklāja to pašu plaisu. 1991. gadā Eli Yablonovich saņēma pirmo fotonisko kristālu. 1997. gadā tika izstrādāta masas metode kristālu iegūšanai.
Dabā sastopama trīsdimensiju fotoniskā kristāla piemērs ir opāls, kas ir Morpho ģints tauriņa spārna fotoniskā slāņa piemērs. Taču fotoniskie kristāli parasti tiek mākslīgi izgatavoti laboratorijās no silīcija, kas arī ir porains. Pēc struktūras tos iedala vienas, divu un trīsdimensiju. Vienkāršākā struktūra ir viendimensijas struktūra. Viendimensionālie fotoniskie kristāli ir labi zināmi un sen lietoti dielektriskie slāņi, kuriem raksturīgs atstarošanas koeficients, kas atkarīgs no krītošās gaismas viļņa garuma. Faktiski tas ir Bragg spogulis, kas sastāv no daudziem slāņiem ar mainīgiem augstu un zemu refrakcijas indeksu. Bragg spogulis darbojas kā parasts zemas caurlaidības filtrs, dažas frekvences tiek atspoguļotas, bet citas tiek izlaistas cauri. Ja Braga spoguli sarullējat caurulē, jūs iegūstat divdimensiju struktūru.
Mākslīgi izveidoto divdimensiju fotonisko kristālu piemēri ir fotoniskās optiskās šķiedras un fotoniskie slāņi, kurus pēc vairākām modifikācijām var izmantot gaismas signāla virziena maiņai daudz mazākos attālumos nekā parastajās integrētajās optikas sistēmās. Pašlaik ir divas fotonisko kristālu modelēšanas metodes.
pirmais – PWM (plaknes viļņu metode) attiecas uz viendimensiju un divdimensiju struktūrām un sastāv no teorētisko vienādojumu aprēķināšanas, ieskaitot Bloha, Faradeja, Maksvela vienādojumus. Otrais Optisko šķiedru struktūru modelēšanas metode ir FDTD (Finite Difference Time Domain) metode, kas sastāv no Maksvela vienādojumu risināšanas ar laika atkarību elektriskajam laukam un magnētiskajam laukam. Tas ļauj veikt skaitliskus eksperimentus par elektromagnētisko viļņu izplatīšanos noteiktās kristāla struktūrās. Nākotnē tam būtu jārada iespēja iegūt fotoniskās sistēmas, kuru izmēri ir salīdzināmi ar gaismas kontrolei izmantoto mikroelektronisko ierīču izmēriem.
Daži fotonisko kristālu pielietojumi:
- Lāzera rezonatoru selektīvie spoguļi,
- izplatītās atgriezeniskās saites lāzeri,
- Fotoniskās šķiedras (fotoniskās kristāla šķiedras), pavedieni un plaknes,
- Fotoniskie pusvadītāji, īpaši balti pigmenti,
- LED ar paaugstinātu efektivitāti, Mikrorezonatori, Metamateriāli - kreisi materiāli,
- Fotonisko ierīču platjoslas testēšana,
- spektroskopija, interferometrija vai optiskās koherences tomogrāfija (OCT) – izmantojot spēcīgu fāzes efektu.
