Фотонні кристали Національний університет Львівська політехніка Кафедра фотоніки. - презентация

1 Фотонні кристали Національний університет Львівська політехніка Кафедра фотоніки

2 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?

3 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

4 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)

5 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

6 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

7 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

8 Фотонні кристали в природі – велика рідкість.