Kryształ fotoniczny

Kryształ fotoniczny to periodyczna (okresowa, powtarzająca się) nanostruktura, z regularnie rozmieszczonymi defektami o różnym współczynniku załamania, zaprojektowana do kierowania ruchem fotonów (fali elektromagnetycznej). Pozwalają na zakręcanie fotonów, niemal pod kątem prostym (w przeciwieństwie do np. światłowodów, w których to wraz z zakrzywieniem, powstają coraz większe straty).

Przykłady wyglądu kryształów fotonicznych (kolejno 1D, 2D i 3D): [1]

Kryształy fotoniczne [2] zwykle wytwarzane są sztucznie w laboratoriach, ale występują również w przyrodzie (np. opal). Koncepcja stworzenia kryształów fotonicznych powstała jednocześnie w 1987 w dwóch ośrodkach badawczych na terenie USA. Pierwszy - Eli Yablonovitch (Bell Communications Research w New Jersey) pracował nad materiałami dla tranzystorów fotonicznych - sformułował pojęcie fotoniczna przerwa wzbroniona (ang. photonic bandgap). W tym samym czasie - Sajeev John (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 (Shanhui Fan, John D. Joannopoulis).

Obecnie wytwarzane są struktury fotoniczne zbudowane z atomów o wielkości odpowiadającej długości fal elektromagnetycznych z zakresu widzialnego (400–700 nm). Występowanie fotonicznej przerwy wzbronionej jest analogiczne jak w przypadku półprzewodników (Równanie Schrödingera). Kryształy fotoniczne wytwarzane są z krzemu, również porowatego. Ze względu na budowę, kryształy fotoniczne dzieli się na jedno-, dwu- i trójwymiarowe. Najprostsza struktura to struktura jednowymiarowa. 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.

Obecnie istnieją dwie metody modelowania kryształów fotonicznych. Pierwsza - PWM (ang. 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 (z ang. 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.

Charakterystyczną cechą kryształów fotonicznych jest występowanie dziur w strukturze. Światło wchodząc do materiału z dziurami będzie się częściowo załamywać, a częściowo odbijać. Następstwem tego jest duże tłumienie wyższych modów, co z kolei pozwala na wprowadzenie fali o dużej energii.

Zastosowanie:

• Światłowody fotoniczne (photonic crystal fiber),
• Półprzewodniki fotoniczne,
• Nanoskopowe lasery,
• Ultrabiałe pigmenty,
• Diody emitujące światło,
• Mikrorezonatory,
• Metamateriały – materiały lewoskrętne,
• Szerokopasmowe testowanie urządzeń fotonicznych, spektroskopia, interferometria czy koherentna tomografia optyczna (OCT) - wykorzystanie silnego efektu przesunięcia fazowego.

W Polsce prace nad wytwarzaniem i modelowaniem kryształów i światłowodów fotonicznych są prowadzone w UMCS w Lublinie, na Politechnice Wrocławskiej[3],[4] oraz na UW (wydz. Optyki[5]) i w ITME w WARSZAWIE[6]. Więcej informacji na stronie [7] oraz [8], [9] i [10]