Fotonický krystal

Fotonický krystal je moderní materiál sestávající střídavě z elementárních buněk s vysokým a nízkým indexem lomu a rozměry srovnatelnými s vlnovou délkou světla z daného spektrálního rozsahu. Fonické krystaly se používají v optoelektronice. Předpokládá se, že použití fotonického krystalu umožní např. k řízení šíření světelné vlny a vytvoří příležitosti pro tvorbu fotonických integrovaných obvodů a optických systémů a také telekomunikačních sítí s obrovskou šířkou pásma (řádově Pbps).

Vliv tohoto materiálu na dráhu světla je podobný vlivu mřížky na pohyb elektronů v polovodičovém krystalu. Odtud název „fotonický krystal“. Struktura fotonického krystalu brání šíření světelných vln uvnitř něj v určitém rozsahu vlnových délek. Pak tzv. fotonová mezera. Koncept vytváření fotonických krystalů vznikl současně v roce 1987 ve dvou amerických výzkumných centrech.

Eli Jablonovich z Bell Communications Research v New Jersey pracoval na materiálech pro fotonické tranzistory. Tehdy vymyslel termín „fotonický bandgap“. Ve stejné době Sajiv John z Priestonské univerzity při práci na zlepšení účinnosti laserů používaných v telekomunikacích objevil stejnou mezeru. V roce 1991 obdržel Eli Yablonovich první fotonický krystal. V roce 1997 byla vyvinuta hromadná metoda získávání krystalů.

Příkladem přirozeně se vyskytujícího trojrozměrného fotonického krystalu je opál, příklad fotonické vrstvy křídla motýla rodu Morpho. Fotonické krystaly se ale většinou vyrábí uměle v laboratořích z křemíku, který je navíc porézní. Podle struktury se dělí na jedno-, dvou- a trojrozměrné. Nejjednodušší strukturou je jednorozměrná struktura. Jednorozměrné fotonické krystaly jsou známé a dlouho používané dielektrické vrstvy, které se vyznačují koeficientem odrazu, který závisí na vlnové délce dopadajícího světla. Ve skutečnosti se jedná o Braggovo zrcadlo, které se skládá z mnoha vrstev se střídajícími se vysokými a nízkými indexy lomu. Braggovo zrcadlo funguje jako běžný dolní propust, některé frekvence se odrážejí, zatímco jiné procházejí. Pokud Braggovo zrcadlo srolujete do tubusu, získáte dvourozměrnou strukturu.

Příkladem uměle vytvořených dvourozměrných fotonických krystalů jsou fotonická optická vlákna a fotonické vrstvy, pomocí kterých lze po několika úpravách měnit směr světelného signálu na mnohem menší vzdálenosti než v běžných integrovaných optických systémech. V současnosti existují dvě metody pro modelování fotonických krystalů.

první – PWM (metoda rovinných vln) označuje jedno- a dvourozměrné struktury a spočívá ve výpočtu teoretických rovnic, včetně rovnic Bloch, Faraday, Maxwell. Druhý Metodou pro modelování struktur z optických vláken je metoda FDTD (Finite Difference Time Domain), která spočívá v řešení Maxwellových rovnic s časovou závislostí pro elektrické pole a magnetické pole. To umožňuje provádět numerické experimenty se šířením elektromagnetických vln v daných krystalových strukturách. V budoucnu by to mělo umožnit získat fotonické systémy s rozměry srovnatelnými s mikroelektronickými zařízeními používanými k ovládání světla.

Některé aplikace fotonického krystalu:

• Selektivní zrcadla laserových rezonátorů,
• distribuované zpětnovazební lasery,
• Fotonická vlákna (vlákno fotonického krystalu), vlákna a planární,
• Fotonické polovodiče, ultrabílé pigmenty,
• LED se zvýšenou účinností, Mikrorezonátory, Metamateriály - levé materiály,
• Širokopásmové testování fotonických zařízení,
• spektroskopie, interferometrie nebo optická koherentní tomografie (OCT) – využívající silný fázový efekt.