Fotonisch kristal

Een fotonisch kristal is een modern materiaal dat afwisselend bestaat uit elementaire cellen met een hoge en lage brekingsindex en afmetingen die vergelijkbaar zijn met de golflengte van licht uit een bepaald spectraal bereik. Fonische kristallen worden gebruikt in opto-elektronica. Aangenomen wordt dat bijvoorbeeld het gebruik van een fotonisch kristal het toelaat. om de voortplanting van een lichtgolf te beheersen en zal kansen creëren voor het creëren van fotonische geïntegreerde schakelingen en optische systemen, evenals telecommunicatienetwerken met een enorme bandbreedte (in de orde van Pbps).

Het effect van dit materiaal op de lichtbaan is vergelijkbaar met het effect van een tralie op de beweging van elektronen in een halfgeleiderkristal. Vandaar de naam "fotonisch kristal". De structuur van een fotonisch kristal voorkomt de voortplanting van lichtgolven erin in een bepaald golflengtebereik. Dan de zogenaamde foton gap. Het concept van het creëren van fotonische kristallen werd in 1987 gelijktijdig gecreëerd in twee Amerikaanse onderzoekscentra.

Eli Jablonovich van Bell Communications Research in New Jersey werkte aan materialen voor fotonische transistors. Het was toen dat hij de term "fotonische bandgap" bedacht. Tegelijkertijd ontdekte Sajiv John van Prieston University, terwijl hij werkte aan het verbeteren van de efficiëntie van lasers die in de telecommunicatie worden gebruikt, dezelfde kloof. In 1991 ontving Eli Yablonovich het eerste fotonische kristal. In 1997 werd een massamethode ontwikkeld om kristallen te verkrijgen.

Een voorbeeld van een natuurlijk voorkomend driedimensionaal fotonisch kristal is opaal, een voorbeeld van de fotonische laag van de vleugel van een vlinder van het geslacht Morpho. Fotonische kristallen worden echter meestal kunstmatig in laboratoria gemaakt van silicium, dat ook poreus is. Volgens hun structuur zijn ze verdeeld in een-, twee- en driedimensionaal. De eenvoudigste structuur is de eendimensionale structuur. Eendimensionale fotonische kristallen zijn bekende en lang gebruikte diëlektrische lagen, die worden gekenmerkt door een reflectiecoëfficiënt die afhangt van de golflengte van het invallende licht. In feite is dit een Bragg-spiegel, bestaande uit vele lagen met afwisselend hoge en lage brekingsindices. De Bragg-spiegel werkt als een normaal laagdoorlaatfilter, sommige frequenties worden gereflecteerd terwijl andere worden doorgelaten. Als je de Bragg-spiegel in een buis rolt, krijg je een tweedimensionale structuur.

Voorbeelden van kunstmatig gecreëerde tweedimensionale fotonische kristallen zijn fotonische optische vezels en fotonische lagen, die na verschillende modificaties kunnen worden gebruikt om de richting van een lichtsignaal te veranderen op afstanden die veel kleiner zijn dan in conventionele geïntegreerde optische systemen. Er zijn momenteel twee methoden om fotonische kristallen te modelleren.

eerste – PWM (plane wave method) verwijst naar een- en tweedimensionale structuren en bestaat uit de berekening van theoretische vergelijkingen, waaronder de vergelijkingen van Bloch, Faraday, Maxwell. Tweede De methode voor het modelleren van glasvezelstructuren is de FDTD-methode (Finite Difference Time Domain), die bestaat uit het oplossen van de Maxwell-vergelijkingen met een tijdsafhankelijkheid voor het elektrische veld en het magnetische veld. Dit maakt het mogelijk om numerieke experimenten uit te voeren op de voortplanting van elektromagnetische golven in bepaalde kristalstructuren. Dit moet het in de toekomst mogelijk maken om fotonische systemen te verkrijgen met afmetingen die vergelijkbaar zijn met die van micro-elektronische apparaten die worden gebruikt om licht te sturen.

Enkele toepassingen van fotonisch kristal:

• Selectieve spiegels van laserresonatoren,
• gedistribueerde feedbacklasers,
• Fotonische vezels (fotonische kristalvezel), filamenten en vlakke,
• Fotonische halfgeleiders, ultrawitte pigmenten,
• LED's met verhoogde efficiëntie, Microresonators, Metamaterialen - linkermaterialen,
• Breedband testen van fotonische apparaten,
• spectroscopie, interferometrie of optische coherentietomografie (OCT) - gebruikmakend van een sterk fase-effect.