Kryształ fotoniczny

Kryształ fotoniczny to struktura o periodycznie (okresowo, powtarzającym się) rozłożonym współczynniku załamania, w której występuje fotoniczna przerwa energetyczna. Własności kryształów fotonicznych sprawiają, że są obecnie bardzo aktywnie badaną grupą materiałów i znajdują one liczne zastosowania.

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. Joannopoulos).

Obecnie wytwarzane są struktury fotoniczne z przerwą fotoniczną dla długości fal elektromagnetycznych z zakresu widzialnego (400–700 nm). Przerwa fotoniczna występuje dla fal o długościach zbliżonych do okresu rozkładu współczynnika załamania - w przypadku fal widzialnych oznacza to, że na jeden okres rozkładu współczynnika załamania przypada ilość rzędu 1000 warstw atomowych. Występowanie fotonicznej przerwy wzbronionej jest analogiczne jak w przypadku półprzewodników (Równanie Schrödingera). Kryształy fotoniczne wytwarzane są m.in. 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.

Do modelowania pola elektromagnetycznego w kryształach fotonicznych stosuje się wiele metod znanych z innych dziedzin optyki czy elektrodynamiki. Wymienić tu można: metodę fal płaskich - PWM (ang. Plane wave method), metodę różnic skończonych w dziedzinie czasu FDTD (z ang. Finite Difference Time Domain), polegającą na numerycznym rozwiązywaniu równań Maxwella z zależnością czasową dla pola elektrycznego i pola magnetycznego, metodę momentów, wraz z jej licznymi odmianami, a także inne liczne metody półanalityczne i w pełni analityczne. Jak do tej pory, analityczne rozwiązanie równań Maxwella zostało znalezione tylko w najprostszym, jednowymiarowym krysztale fotonicznym.

Niektóre zastosowania:

• Zwierciadła selektywne rezonatorów laserowych,
• Lasery z rozłożonym sprzężeniem zwrotnym,
• Światłowody fotoniczne (photonic crystal fiber), włóknowe i planarne,
• Półprzewodniki fotoniczne,
• Ultrabiałe pigmenty,
• Diody elektroluminescencyjne o zwiększonej sprawności,
• 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], Politechnice Łódzkiej (w Instytucie Fizyki[5]), Politechnice Warszawskiej[6] oraz na UW (wydz. Optyki[7]) i w ITME w WARSZAWIE[8].

Więcej informacji na stronie [9] oraz [10], [11] i [12]