Cristallo fotonico

Un cristallo fotonico è un materiale moderno costituito alternativamente da cellule elementari con un indice di rifrazione alto e basso e dimensioni paragonabili alla lunghezza d'onda della luce da un determinato intervallo spettrale. I cristalli fonici sono usati nell'optoelettronica. Si presume che l'uso di un cristallo fotonico lo consentirà, ad esempio. per controllare la propagazione di un'onda luminosa e creerà opportunità per la creazione di circuiti integrati fotonici e sistemi ottici, nonché reti di telecomunicazioni con un'enorme larghezza di banda (dell'ordine del Pbps).

L'effetto di questo materiale sul percorso della luce è simile all'effetto di un reticolo sul movimento degli elettroni in un cristallo semiconduttore. Da qui il nome "cristallo fotonico". La struttura di un cristallo fotonico impedisce la propagazione delle onde luminose al suo interno in un certo intervallo di lunghezze d'onda. Poi il cosiddetto gap fotonico. Il concetto di creare cristalli fotonici è stato creato contemporaneamente nel 1987 in due centri di ricerca statunitensi.

Eli Jablonovich della Bell Communications Research nel New Jersey ha lavorato sui materiali per i transistor fotonici. Fu allora che coniò il termine "bandgap fotonico". Allo stesso tempo, Sajiv John della Prieston University, mentre lavorava per migliorare l'efficienza dei laser utilizzati nelle telecomunicazioni, ha scoperto la stessa lacuna. Nel 1991 Eli Yablonovich ha ricevuto il primo cristallo fotonico. Nel 1997 è stato sviluppato un metodo di massa per ottenere cristalli.

Un esempio di cristallo fotonico tridimensionale presente in natura è l'opale, un esempio dello strato fotonico dell'ala di una farfalla del genere Morpho. Tuttavia, i cristalli fotonici sono solitamente realizzati artificialmente nei laboratori dal silicio, che è anche poroso. In base alla loro struttura, sono divisi in mono, bidimensionali e tridimensionali. La struttura più semplice è la struttura unidimensionale. I cristalli fotonici unidimensionali sono strati dielettrici ben noti e utilizzati da tempo, caratterizzati da un coefficiente di riflessione che dipende dalla lunghezza d'onda della luce incidente. Si tratta infatti di uno specchio di Bragg, costituito da molti strati con indici di rifrazione alti e bassi alternati. Lo specchio di Bragg funziona come un normale filtro passa basso, alcune frequenze vengono riflesse mentre altre vengono attraversate. Se arrotoli lo specchio di Bragg in un tubo, ottieni una struttura bidimensionale.

Esempi di cristalli fotonici bidimensionali creati artificialmente sono le fibre ottiche fotoniche e gli strati fotonici, che, dopo diverse modifiche, possono essere utilizzati per cambiare la direzione di un segnale luminoso a distanze molto inferiori rispetto ai tradizionali sistemi ottici integrati. Attualmente esistono due metodi per modellare i cristalli fotonici.

prima – PWM (plane wave method) si riferisce a strutture uni e bidimensionali e consiste nel calcolo di equazioni teoriche, incluse le equazioni di Bloch, Faraday, Maxwell. Secondo Il metodo per la modellazione delle strutture in fibra ottica è il metodo FDTD (Finite Difference Time Domain), che consiste nel risolvere le equazioni di Maxwell con una dipendenza dal tempo per il campo elettrico e il campo magnetico. Ciò consente di effettuare esperimenti numerici sulla propagazione delle onde elettromagnetiche in determinate strutture cristalline. Ciò dovrebbe consentire in futuro di ottenere sistemi fotonici con dimensioni paragonabili a quelle dei dispositivi microelettronici utilizzati per il controllo della luce.

Alcune applicazioni del cristallo fotonico:

• Specchi selettivi di risonatori laser,
• laser a feedback distribuito,
• Fibre fotoniche (fibra di cristallo fotonico), filamenti e planari,
• Semiconduttori fotonici, pigmenti ultrabianchi,
• LED ad efficienza aumentata, Microrisonatori, Metamateriali - materiali di sinistra,
• Test a banda larga di dispositivi fotonici,
• spettroscopia, interferometria o tomografia a coerenza ottica (OCT) - utilizzando un forte effetto di fase.