Fotoninen kristalli

Fotonikide on moderni materiaali, joka koostuu vuorotellen alkeissoluista, joiden taitekerroin on korkea ja matala ja mitoiltaan verrattavissa tietyn spektrialueen valon aallonpituuteen. Äänikiteitä käytetään optoelektroniikassa. Oletetaan, että fotonikiteen käyttö mahdollistaa mm. ohjaamaan valoaallon etenemistä ja luo mahdollisuuksia integroitujen fotonisten piirien ja optisten järjestelmien sekä valtavan kaistanleveyden (luokkaa Pbps) tietoliikenneverkkojen luomiseen.

Tämän materiaalin vaikutus valon reitille on samanlainen kuin hilan vaikutus elektronien liikkeisiin puolijohdekiteessä. Tästä johtuu nimi "fotoninen kristalli". Fotonikiteen rakenne estää valoaaltojen etenemisen sen sisällä tietyllä aallonpituusalueella. Sitten niin sanottu fotonirako. Ajatus fotonikiteiden luomisesta syntyi samanaikaisesti vuonna 1987 kahdessa yhdysvaltalaisessa tutkimuskeskuksessa.

Eli Jablonovich Bell Communications Researchista New Jerseystä työskenteli materiaalien parissa fotonitransistoreille. Silloin hän loi termin "photonic bandgap". Samaan aikaan Sajiv John Priestonin yliopistosta, kun hän työskenteli televiestinnässä käytettävien laserien tehokkuuden parantamiseksi, havaitsi saman aukon. Vuonna 1991 Eli Yablonovich sai ensimmäisen fotonikiteen. Vuonna 1997 kehitettiin massamenetelmä kiteiden saamiseksi.

Esimerkki luonnossa esiintyvästä kolmiulotteisesta fotonikiteestä on opaali, esimerkki Morpho-suvun perhosen siiven fotonikerroksesta. Fotonikiteitä valmistetaan kuitenkin yleensä keinotekoisesti laboratorioissa piistä, joka on myös huokoista. Rakenteensa mukaan ne jaetaan yksi-, kaksi- ja kolmiulotteisiin. Yksinkertaisin rakenne on yksiulotteinen rakenne. Yksiulotteiset fotonikiteet ovat hyvin tunnettuja ja pitkään käytettyjä dielektrisiä kerroksia, joille on ominaista tulevan valon aallonpituudesta riippuva heijastuskerroin. Itse asiassa tämä on Bragg-peili, joka koostuu useista kerroksista, joissa on vuorotellen korkea ja matala taitekerroin. Bragg-peili toimii kuin tavallinen alipäästösuodatin, jotkin taajuudet heijastuvat, kun taas toiset kulkevat läpi. Jos käännät Braggin peilin putkeen, saat kaksiulotteisen rakenteen.

Esimerkkejä keinotekoisesti luoduista kaksiulotteisista fotonikiteistä ovat fotoniset optiset kuidut ja fotonikerrokset, joilla voidaan useiden muunnelmien jälkeen muuttaa valosignaalin suuntaa huomattavasti pienemmillä etäisyyksillä kuin perinteisissä integroiduissa optisissa järjestelmissä. Fotonikiteiden mallintamiseen on tällä hetkellä kaksi menetelmää.

первый – PWM (plane wave method) viittaa yksi- ja kaksiulotteisiin rakenteisiin ja koostuu teoreettisten yhtälöiden laskemisesta, mukaan lukien Blochin, Faradayn ja Maxwellin yhtälöt. Toinen Kuituoptisten rakenteiden mallinnusmenetelmänä on FDTD (Finite Difference Time Domain) -menetelmä, joka koostuu Maxwellin yhtälöiden ratkaisemisesta sähkökentän ja magneettikentän aikariippuvuudella. Tämä mahdollistaa numeeristen kokeiden suorittamisen sähkömagneettisten aaltojen etenemisestä tietyissä kiderakenteissa. Tulevaisuudessa tämän pitäisi mahdollistaa fotonijärjestelmien aikaansaaminen, joiden mitat ovat verrattavissa valon ohjaamiseen käytettävien mikroelektronisten laitteiden mittoihin.

Jotkut fotonikiteen sovellukset:

• Laserresonaattorien selektiiviset peilit,
• hajautetut palautelaserit,
• Fotoniset kuidut (fotoniset kidekuitu), filamentit ja tasomaiset,
• Fotoniset puolijohteet, ultravalkoiset pigmentit,
• LEDit tehostetulla teholla, mikroresonaattorit, metamateriaalit - vasen materiaali,
• Fotonilaitteiden laajakaistatestaus,
• spektroskopia, interferometria tai optinen koherenssitomografia (OCT) - käyttämällä voimakasta vaihevaikutusta.