Фотонні кристали Національний університет Львівська політехніка Кафедра фотоніки

Фотонний кристал це надгратка (crystal superlattice) - середовище, в якому штучно створено додаткове поле з періодом, що на порядки перевищує період основних ґраток. Для фотонів таке поле одержують періодичною зміною коефіцієнта заломлення середовища - в одному, двох або трьох вимірах (1D-, 2D-, 3D-фотонні структури відповідно). Якщо період оптичної надгратки рівний довжині електромагнітної хвилі, то поведінка фотонів кардинально відрізняється від їх поведінки в гратках звичайного кристала, вузли якого знаходяться один від одного на відстані, багато меншій за довжину хвилі світла. Тому такі гратки і одержали особливу назву - фотонні кристали ! Фотонні кристали це періодичні системи, які складаються з окремих областей діелектриків з високим та низьким показниками заломлення Що таке фотонний кристал?

Що можна робити з фотонними кристалами? Одним з перших практично важливих застосувань 1D-фотонних структур стало виготовлення діелектричних покриттів з унікальними оптичними характеристиками, для створення високоефективних оптичних спектральних фільтрів і зниження небажаного відбивання від оптичних елементів Звичайні дифракційні гратки - це теж приклад 1D- фотонних структур: за аналогією з ними фотонні кристали називають іноді тривимірними дифракційними гратками. Поширення випромінювання в таких гратках визначається умовою максимуму інтерференції світла, розсіяного на вузлах, і залежить від кута між напрямом хвилевого вектора і осями дифракційних граток - фотонного кристала

На рис. 1 схематично показане явище дифракції променів світла на періодичних структурах різної розмірності. При розсіянні фотонів на 1D- і 2D-структурах завжди знаходяться такі напрями розповсюдження променів, для яких умова максимуму інтерференції виконана. Для одновимірного кристала - нитки (а), утворюють конічні поверхні, а в двовимірному випадку (б) - сукупність окремих, ізольованих один від одного променів. а) б) Тривимірний випадок (в) принципово відрізняється від одновимірного і двовимірного тим, що умова максимуму інтерференції для даної довжини хвилі світла може виявитися нездійсненною ні для одного з напрямів в просторі. Розповсюдження фотонів з такими довжинами хвиль в тривимірному кристалі неможливе, а відповідні їм енергії утворюють заборонені фотонні зони в)

Фотонні кристали можна розділити на провідники, ізолятори, напівпровідники Фотонні ізолятори володіють широкими забороненими зонами. Такій умові задовольняють, наприклад, широкодіапазонні багатошарові діелектричні дзеркала. На відміну від звичайних непрозорих середовищ, в яких світло швидко затухає, перетворюючись на тепло, фотонні ізолятори світло не поглинають. Фотонні провідники володіють широкими дозволеними зонами. Це прозорі тіла, в яких світло пробігає велику відстань, практично не поглинаючись. Фотонні напівпровідники володіють вужчими в порівнянні з ізоляторами забороненими зонами. Використання фотонних напівпровідників зручно для організації управління світловими потоками. Це можна робити, наприклад, впливаючи на положення і ширину забороненої зони

Фотонні кристали представляють величезний інтерес для побудови лазерів нового типу, оптичних комп'ютерів, зберігання і передавання інформації Футуристичне представлення повністю оптичного чіпа, який складається з різних типів фотонних кристалів та інших оптичних елементів. Фотонні кристали передбачається використовувати для створення оптичних інтегральних схем так само, як звичайні напівпровідники, метали і діелектрики використовуються для створення електронних інтегральних схем Фотонні кристали використовують для створення перемикачів світла – оптичних транзисторів та оптичних ключів для побудови оптичних компютерів

Ще одна можливість, використання фотонних кристалів, - створення нового типу хвилеводів. На основі фотонних кристалів можна створювати оптоволокно нового типу Паралельно з хвилеводами на основі фотонних кристалів ведуться технологічні опрацьовування інших компонентів телекомунікаційної техніки, в першу чергу - пасивних оптичних фільтрів, перемикачів і низькопорогових лазерів

Фотонні кристали в природі – велика рідкість.