Kryształ fotoniczny

Kryształ fotoniczny to nowoczesny materiał złożony na przemian z komórek elementarnych o dużym i małym współczynniku załamania światła i rozmiarach porównywalnych z długością fal świetlnych z określonego przedziału widma. Kryształy foniczne używane są w optoelektronice. Przypuszcza się, że zastosowanie kryształu fotonicznego pozwoli m.in. na kontrolowanie rozchodzenia się fali świetlnej oraz stworzy możliwości budowania fotonicznych układów scalonych i optycznych oraz sieci telekomunikacyjnych o ogromnych przepustowościach (rzędu Pbitów/s).

Wpływ jaki ten materiał ma na bieg światła, jest podobny do wpływu wywieranego przez sieć krystaliczną na ruch elektronów w krysztale półprzewodnika. Stąd nazwa "kryształ fotoniczny". Struktura kryształu fotonicznego powoduje, że fale świetlne z pewnego zakresu długości fal nie mogą rozchodzić się w jego wnętrzu. Wówczas powstaje tzw. przerwa fotoniczna. Koncepcja stworzenia kryształów fotonicznych powstała jednocześnie w 1987 w dwóch ośrodkach badawczych na terenie USA.

Eli Yablonovitch z Bell Communications Research w New Jersey pracował nad materiałami dla tranzystorów fotonicznych. Wówczas to sformułował pojęcie "fotoniczna przerwa wzbroniona" (ang. photonic bandgap). W tym samym czasie Sajeev John w Priceton University pracował nad zwiększeniem wydajności laserów stosowanych w telekomunikacji odkrył tę samą przerwę. W 1991 roku Eli Yablonovith uzyskał pierwszy kryształ fotoniczny. W 1997 roku opracowana została masowa metoda wytwarzania kryształów.

Przykładem naturalnie występującego trójwymiarowego kryształu fotonicznego jest opal, przykładem warstwy fotonicznej skrzydła motyli z rodzaju Morpho. Kryształy fotoniczne zwykle jednak wytwarzane są sztucznie w laboratoriach z krzemu, również porowatego. Ze względu na budowę dzieli się je na jedno-, dwu- i trójwymiarowe. Najprostsza struktura to struktura jednowymiarowa. Jednowymiarowymi kryształami fotonicznymi są znane i od dawna wykorzystywane warstwy dielektryczne, które charakteryzują się współczynnikiem odbicia zależnym od długości fali padającego światła. Jest to w istocie zwierciadło Bragga złożone z wielu warstw na przemian o dużym i małym współczynniku załamania światła. Zwierciadło Bragga działa jak zwykły filtr przepustowy, pewne częstotliwości są odbijane, a inne przepuszczane. Jeżeli zwiniemy zwierciadło Bragga w rurkę to otrzymamy strukturę dwuwymiarową.

Przykładami wytworzonych sztucznie dwuwymiarowych kryształów fotonicznych są światłowody fotoniczne oraz warstwy fotoniczne, które po kilku modyfikacjach mogą służyć do zmiany kierunku sygnału świetlnego na odległościach znacznie mniejszych niż w konwencjonalnych układach optyki zintegrowanej. Obecnie istnieją dwie metody modelowania kryształów fotonicznych.

Pierwsza - PWM (Plane wave method) odnosi się do struktur jedno- i dwuwymiarowych i polega na obliczeniu równań teoretycznych, między innymi równań Blocha, Faradaya, Maxwella. Drugą metodą modelowania struktur światłowodowych jest metoda FDTD (Finite Difference Time Domain) polegająca na rozwiązywaniu równań Maxwella z zależnością czasową dla pola elektrycznego i pola magnetycznego. Pozwala ona na przeprowadzanie eksperymentów numerycznych propagacji fali elektromagnetycznej w zadanych strukturach krystalicznych. W przyszłości powinno to pozwolić na otrzymanie układów fotonicznych o rozmiarach porównywalnych z rozmiarami urządzeń mikroelektronicznych, służących do sterowania światłem.

Niektóre zastosowania kryształu fotonicznego:

Zwierciadła selektywne rezonatorów laserowych,
Lasery z rozłożonym sprzężeniem zwrotnym,
Światłowody fotoniczne (photonic crystal fiber), włóknowe i planarne,
Półprzewodniki fotoniczne, Ultra-białe pigmenty,
Diody elektroluminescencyjne o zwiększonej sprawności, Mikro-rezonatory, Metamateriały - materiały lewoskrętne,
Szerokopasmowe testowanie urządzeń fotonicznych,
spektroskopia, interferometria czy koherentna tomografia optyczna (OCT) - wykorzystanie silnego efektu przesunięcia fazowego.