کریستال فوتونیک

کریستال فوتونی یک ماده مدرن است که به طور متناوب از سلول های ابتدایی با ضریب شکست بالا و پایین و ابعاد قابل مقایسه با طول موج نور از یک محدوده طیفی معین تشکیل شده است. کریستال های آوایی در اپتوالکترونیک استفاده می شوند. فرض بر این است که استفاده از یک کریستال فوتونیک به عنوان مثال اجازه می دهد. برای کنترل انتشار موج نور و ایجاد فرصت هایی برای ایجاد مدارهای مجتمع فوتونیک و سیستم های نوری و همچنین شبکه های مخابراتی با پهنای باند عظیم (در حد Pbps).

تأثیر این ماده در مسیر نور مشابه تأثیر توری بر حرکت الکترون ها در کریستال نیمه هادی است. از این رو نام "کریستال فوتونیک" است. ساختار یک کریستال فوتونی از انتشار امواج نور در داخل آن در محدوده مشخصی از طول موج ها جلوگیری می کند. سپس به اصطلاح شکاف فوتونی. مفهوم ایجاد کریستال های فوتونیک به طور همزمان در سال 1987 در دو مرکز تحقیقاتی ایالات متحده ایجاد شد.

Eli Jablonovich از Bell Communications Research در نیوجرسی روی مواد برای ترانزیستورهای فوتونی کار کرد. پس از آن بود که او اصطلاح «باند گپ فوتونیک» را ابداع کرد. در همان زمان، ساجیو جان از دانشگاه پریستون، در حالی که برای بهبود کارایی لیزرهای مورد استفاده در مخابرات کار می کرد، همین شکاف را کشف کرد. در سال 1991، الی یابلونوویچ اولین کریستال فوتونیک را دریافت کرد. در سال 1997، روش جرمی برای به دست آوردن کریستال ها توسعه یافت.

نمونه‌ای از یک کریستال فوتونیک سه‌بعدی طبیعی، عقیق است، نمونه‌ای از لایه فوتونیک بال پروانه‌ای از جنس Morpho. با این حال، کریستال های فوتونی معمولاً به طور مصنوعی در آزمایشگاه ها از سیلیکون ساخته می شوند که متخلخل نیز می باشد. با توجه به ساختار آنها به یک، دو و سه بعدی تقسیم می شوند. ساده ترین ساختار، ساختار یک بعدی است. بلورهای فوتونیک یک بعدی، لایه های دی الکتریک شناخته شده و قدیمی هستند که با ضریب بازتابی که به طول موج نور فرودی بستگی دارد، مشخص می شوند. در واقع این یک آینه براگ است که از لایه های زیادی با ضریب شکست بالا و پایین متناوب تشکیل شده است. آینه براگ مانند یک فیلتر پایین گذر معمولی عمل می کند، برخی از فرکانس ها منعکس می شوند و برخی دیگر از آنها عبور می کنند. اگر آینه براگ را در یک لوله بغلتانید، ساختاری دو بعدی خواهید داشت.

نمونه‌هایی از کریستال‌های فوتونیک دو بعدی که به‌طور مصنوعی ایجاد شده‌اند، فیبرهای نوری فوتونیک و لایه‌های فوتونیک هستند که پس از چندین اصلاح، می‌توان از آنها برای تغییر جهت سیگنال نور در فواصل بسیار کوچک‌تر از سیستم‌های اپتیک یکپارچه معمولی استفاده کرد. در حال حاضر دو روش برای مدل سازی بلورهای فوتونی وجود دارد.

первый - PWM (روش موج صفحه) به ساختارهای یک بعدی و دو بعدی اطلاق می شود و شامل محاسبه معادلات نظری از جمله معادلات بلوخ، فارادی، ماکسول است. دوم روش مدل‌سازی ساختارهای فیبر نوری، روش FDTD (دامنه زمان تفاضل محدود) است که شامل حل معادلات ماکسول با وابستگی زمانی برای میدان الکتریکی و میدان مغناطیسی است. این امر امکان انجام آزمایش های عددی را در مورد انتشار امواج الکترومغناطیسی در ساختارهای کریستالی مشخص می دهد. در آینده، این امر باید امکان دستیابی به سیستم‌های فوتونیک با ابعادی قابل مقایسه با دستگاه‌های میکروالکترونیکی که برای کنترل نور استفاده می‌شوند را فراهم کند.

برخی از کاربردهای کریستال فوتونی:

• آینه های انتخابی تشدید کننده های لیزری،
• لیزرهای بازخورد توزیع شده،
• الیاف فوتونیک (الیاف کریستال فوتونیک)، رشته ها و مسطح،
• نیمه هادی های فوتونیک، رنگدانه های فوق سفید،
• LED با افزایش کارایی، میکرورزوناتورها، فرامواد - مواد سمت چپ،
• آزمایش پهنای باند دستگاه های فوتونیک،
• طیف سنجی، تداخل سنجی یا توموگرافی انسجام نوری (OCT) - با استفاده از یک اثر فاز قوی.