Fotonikus kristály matematikai modellje. Fotonikus kristályok elektrokémiája Fotonikus kristályhullám tulajdonságai

A törésmutató változásának természete szerint a fotonikus kristályok három fő osztályba sorolhatók:

1. Egydimenziós, amelyben a törésmutató periodikusan változik egy térbeli irányban, amint az a 2. ábrán látható. Ezen az ábrán az L szimbólum a törésmutató változásának periódusát jelöli, és két anyag törésmutatója ( de általános esetben tetszőleges számú anyag jelen lehet). Az ilyen fotonikus kristályok különböző törésmutatójú, egymással párhuzamos, különböző anyagokból álló rétegekből állnak, és a rétegekre merőlegesen egy térirányban mutathatják ki tulajdonságaikat.

1. ábra - Egydimenziós fotonikus kristály sematikus ábrázolása

2. Kétdimenziós, amelyben a törésmutató periodikusan változik két térbeli irányban a 2. ábrán látható módon. Ezen az ábrán a fotonikus kristályt törésmutatójú téglalap alakú tartományok hoznak létre, amelyek törésmutatójú közegben vannak. Ebben az esetben a törésmutatóval rendelkező tartományok egy kétdimenziós köbös rácsban vannak rendezve. Az ilyen fotonikus kristályok két térbeli irányban mutathatják ki tulajdonságaikat, és a törésmutatójú tartományok alakja nem korlátozódik téglalapokra, mint az ábrán, hanem bármilyen lehet (kör, ellipszis, tetszőleges stb.). A kristályrács, amelyben ezek a régiók vannak rendezve, szintén eltérő lehet, és nem csak köbös, mint az ábrán.

- 2. ábra Egy kétdimenziós fotonikus kristály sematikus ábrázolása

3. Háromdimenziós, amelyben a törésmutató periodikusan három térbeli irányban változik. Az ilyen fotonikus kristályok három térbeli irányban mutathatják meg tulajdonságaikat, és háromdimenziós kristályrácsba rendezett térfogati régiók (gömbök, kockák stb.) tömbjeként ábrázolhatók.

Az elektromos közegekhez hasonlóan a tiltott és engedélyezett zóna szélességétől függően a fotonikus kristályok vezetőkre oszthatók - amelyek kis veszteséggel képesek nagy távolságra fényt vezetni, dielektrikumok - szinte tökéletes tükrök, félvezetők - anyagok, amelyek pl. visszaverő bizonyos hullámhosszú fotonok és szupravezetők, amelyekben a kollektív jelenségeknek köszönhetően a fotonok gyakorlatilag korlátlan távolságra képesek terjedni.

Vannak rezonáns és nem rezonáns fotonikus kristályok is. A rezonáns fotonikus kristályok abban különböznek a nem rezonáns kristályoktól, hogy olyan anyagokat használnak, amelyeknek a frekvencia függvényében a permittivitásának (vagy törésmutatójának) van egy pólusa valamilyen rezonanciafrekvencián.

A fotonikus kristályok minden inhomogenitását fotonikus kristályhibának nevezzük. Az ilyen területeken gyakran koncentrálódik az elektromágneses tér, amelyet a fotonikus kristályok alapján épített mikrorezonátorokban és hullámvezetőkben használnak.

Az elektromos közegekhez hasonlóan a tiltott és engedélyezett zóna szélességétől függően a fotonikus kristályok vezetőkre oszthatók - amelyek kis veszteséggel képesek nagy távolságra fényt vezetni, dielektrikumok - szinte tökéletes tükrök, félvezetők - anyagok, amelyek pl. visszaverő bizonyos hullámhosszú fotonok és szupravezetők, amelyekben a kollektív jelenségeknek köszönhetően a fotonok gyakorlatilag korlátlan távolságra képesek terjedni. Vannak rezonáns és nem rezonáns fotonikus kristályok is. A rezonáns fotonikus kristályok abban különböznek a nem rezonáns kristályoktól, hogy olyan anyagokat használnak, amelyeknek a frekvencia függvényében a permittivitásának (vagy törésmutatójának) van egy pólusa valamilyen rezonanciafrekvencián.

A fotonikus kristályok minden inhomogenitását fotonikus kristályhibának nevezzük. Az ilyen területeken gyakran koncentrálódik az elektromágneses tér, amelyet a fotonikus kristályok alapján épített mikrorezonátorokban és hullámvezetőkben használnak. Számos analógia létezik az elektromágneses hullámok fotonikus kristályokban való terjedésének és a kristályok elektronikus tulajdonságainak leírásában. Nézzünk meg néhányat ezek közül.

1. A kristályon belüli elektron állapotát (a mozgás törvényét) a Schrldinger-egyenlet megoldása adja meg, a fény terjedése a fotonikus kristályban a hullámegyenletnek engedelmeskedik, ami a Maxwell-egyenletek következménye:

• 2. Az elektron állapotát w(r, t) skaláris hullámfüggvény írja le, az elektromágneses hullám állapotát vektormezők - a mágneses vagy elektromos komponens erőssége, H (r, t) vagy E (r, t).
• 3. A w(r,t) elektronhullámfüggvény kiterjeszthető wE(r) sajátállapotok sorozatára, amelyek mindegyike a saját E energiájának felel meg. A H(r,t) elektromágneses térerősséget egy monokromatikus komponensek (módok) szuperpozíciója elektromágneses mező Hsh(r), amelyek mindegyike megfelel a saját értékének - a w mód frekvenciájának:

4. A Schrldinger- és Maxwell-egyenletben szereplő U(r) atompotenciál és e(r) dielektromos permittivitás periodikus függvények, amelyek periódusai megegyeznek a kristályrács és a fotonikus kristály bármely R vektorával:

U(r) = U(r + R), (3)

5. Az elektron hullámfüggvényére és az elektromágneses tér erősségére a Bloch-tétel teljesül az u k és a periodikus függvényekkel. u k .

• 6. A k hullámvektorok lehetséges értékei kitöltik egy kristályrács Brillouin zónáját vagy egy fotonikus kristály egységcelláját, amely az inverz vektorok terében van megadva.
• 7. Az E elektronenergia, amely a Schrldinger-egyenlet sajátértéke, és a hullámegyenlet sajátértéke (a Maxwell-egyenletek következményei) - az u módusfrekvencia - összefügg a hullámvektorok k értékével. Bloch-függvények (4) az E(k) és u(k) diszperziós törvény szerint.
• 8. Az atomi potenciál transzlációs szimmetriáját megbontó szennyezőatom kristályhiba, és a hiba környezetében lokalizált szennyezőelektronikus állapotot hozhat létre. A fotonikus kristály egy bizonyos tartományában bekövetkezett átengedési változás megtöri az e(r) transzlációs szimmetriát, és egy megengedett módus megjelenéséhez vezet a fotonikus sávban, amely annak térbeli környezetében lokalizálódik.

2

Bevezetés Az ősidők óta az ember, aki egy fotonikus kristályt talált, lenyűgözi benne egy különleges irizáló fényjáték. Megállapították, hogy a különféle állatok és rovarok pikkelyeinek és tollainak irizáló túlcsordulása a rajtuk lévő felépítményeknek köszönhető, amelyek fényvisszaverő tulajdonságaik miatt a fotonikus kristályok nevet kapták. A fotonikus kristályok a természetben találhatók: ásványokban (kalcit, labradorit, opál); a lepkék szárnyán; bogárhéjak; egyes rovarok szeme; algák; halpikkelyek; pávatollak. 3

Fotonikus kristályok Olyan anyag, amelynek szerkezetét a törésmutató periodikus térbeli változása jellemzi. Alumínium-oxid alapú fotonikus kristály. M. DEUBEL, G.V. FREYMANN, MARTIN WEGENER, SURESH PEREIRA, KURT BUSCH ÉS COSTAS M. SOUKOULIS „Tármidimenziós fotonikus-kristálysablonok direkt lézeres írása telekommunikációhoz”// Természetes anyagok 2. köt. 3, P

Egy kis történelem… 1887 Rayleigh volt az első, aki az elektromágneses hullámok terjedését vizsgálta periodikus struktúrákban, ami hasonló az egydimenziós fotonikus kristályhoz, a Photonic Crystalshoz – a kifejezést az 1980-as évek végén vezették be. a félvezetők optikai analógjának jelölésére. Ezek egy áttetsző dielektrikumból készült mesterséges kristályok, amelyekben rendezetten levegő "lyukak" keletkeznek. 5

Fotonikus kristályok – a világ energia jövője A magas hőmérsékletű fotonikus kristályok nemcsak energiaforrásként működhetnek, hanem rendkívül jó minőségű (energia-, vegyi) detektorként és érzékelőként is szolgálhatnak. A massachusettsi tudósok által létrehozott fotonikus kristályok wolfram és tantál alapúak. Ez a vegyület nagyon magas hőmérsékleten is kielégítően működik. Akár ˚С. Annak érdekében, hogy a fotonikus kristály elkezdjen átalakítani egyfajta energiát egy másik, kényelmesen használható energiaforrássá, bármilyen forrás (hő, rádiósugárzás, kemény sugárzás, napfény stb.) megteszi. 6

7

Az elektromágneses hullámok diszperziós törvénye fotonikus kristályban (kiterjesztett zónák diagramja). A jobb oldal a kristály adott irányára mutatja a frekvencia közötti kapcsolatot? valamint a ReQ (szilárd görbék) és az ImQ (szaggatott görbe az omega stop zónában) értékei -

Fotonikus réselmélet 1987-ig, amikor Eli Yablonovitch, a Bell Communications Research munkatársa (jelenleg az UCLA professzora) bevezette az elektromágneses sávrés fogalmát. A horizont bővítése: Eli Yablonovitch yablonovitch-uc-berkeley előadása John Pendry előadása john-pendry-imperial-college/view 9

A természetben is megtalálhatók fotonikus kristályok: az afrikai fecskefarkú lepkék szárnyain a puhatestűek héjának gyöngyházhatású bevonata, mint például a galiotis, a tengeri egér héja és a sokszínű féreg sörtéi. Fotó egy opál karkötőről. Az opál természetes fotonikus kristály. „A megtévesztő remények kövének” hívják 10

11

Nincs melegítés és a pigmentbevonat fotokémiai roncsolása" title="(!LANG: Az FA-alapú szűrők előnyei az abszorpciós mechanizmussal (abszorpciós mechanizmus) szemben élő szervezeteknél: Az interferencia színezéshez nincs szükség fényenergia elnyelésére és disszipációjára, => nincs melegítés és a pigmentbevonat fotokémiai megsemmisülése" class="link_thumb"> 12 !} Az FA alapú szűrők előnyei az abszorpciós mechanizmussal (abszorpciós mechanizmus) szemben élő szervezeteknél: Az interferencia színezéshez nincs szükség fényenergia elnyelésére és disszipációjára, => nincs melegedés és a pigmentbevonat fotokémiai roncsolása. A forró éghajlaton élő lepkék szárnya irizáló mintázatú, és a felszínen lévő fotonikus kristály szerkezete csökkenti a fényelnyelést, és ezáltal a szárnyak felmelegedését. A tengeri egér már régóta használ fotonikus kristályokat. 12 nincs felmelegedés és a pigmentbevonat fotokémiai roncsolódása "> nincs melegedés és a pigmentbevonat fotokémiai roncsolódása A forró éghajlaton élő pillangók irizáló szárnymintázatúak, a felületen lévő fotonikus kristály szerkezete, mint kiderült, csökkenti a fényelnyelés és ennek következtében a szárnyak felmelegedése A tengeri egér már régóta alkalmaz fotonikus kristályokat a gyakorlatban. , => nincs melegedés és a pigment fotokémiai roncsolása"> title="Az FA alapú szűrők előnyei az abszorpciós mechanizmussal (abszorpciós mechanizmussal) szemben élő szervezeteknél: Az interferencia színezéshez nincs szükség fényenergia elnyelésére és disszipációjára, => nincs melegedés és a pigmentbevonat fotokémiai roncsolása"> !}

Morpho didius irizáló pillangó és szárnyának mikroképe a diffrakciós biológiai mikrostruktúra példájaként. Irizáló természetes opál (féldrágakő) és mikroszerkezetének képe, amely szorosan egymásra helyezett szilícium-dioxid gömbökből áll. tizenhárom

A fotonikus kristályok osztályozása 1. Egydimenziós. Amelyben a törésmutató periodikusan egy térbeli irányban változik az ábrán látható módon. Ezen az ábrán a Λ szimbólum a törésmutató változásának periódusát és a két anyag törésmutatóját jelöli (de általában bármennyi anyag jelen lehet). Az ilyen fotonikus kristályok különböző törésmutatójú, egymással párhuzamos, különböző anyagokból álló rétegekből állnak, és a rétegekre merőlegesen egy térirányban mutathatják ki tulajdonságaikat. tizennégy

2. Kétdimenziós. Amelyben a törésmutató az ábrán látható módon két térbeli irányban periodikusan változik. Ezen az ábrán egy fotonikus kristályt n1 törésmutatójú téglalap alakú régiók hoznak létre, amelyek n2 törésmutatójú közegben vannak. Ebben az esetben az n1 törésmutatójú tartományok egy kétdimenziós köbös rácsban vannak rendezve. Az ilyen fotonikus kristályok két térbeli irányban mutathatják ki tulajdonságaikat, és az n1 törésmutatójú régiók alakja nem korlátozódik a téglalapokra, mint az ábrán, hanem bármilyen lehet (kör, ellipszis, tetszőleges stb.). A kristályrács, amelyben ezek a régiók vannak rendezve, szintén eltérő lehet, és nem csak köbös, mint az ábrán. tizenöt

3. Háromdimenziós. Amelyben a törésmutató periodikusan három térbeli irányban változik. Az ilyen fotonikus kristályok három térbeli irányban mutathatják meg tulajdonságaikat, és háromdimenziós kristályrácsba rendezett térfogati régiók (gömbök, kockák stb.) tömbjeként ábrázolhatók. tizenhat

Fotonikus kristályok alkalmazásai Az első alkalmazás a spektrális csatorna szétválasztás. Sok esetben nem egy, hanem több fényjel halad végig egy optikai szálon. Néha válogatni kell őket – mindegyiket külön úton kell elküldeni. Például - egy optikai telefonkábel, amelyen keresztül egyszerre több beszélgetés zajlik különböző hullámhosszokon. A fotonikus kristály ideális eszköz a kívánt hullámhossz "faragásához" a folyamból és oda irányításához, ahol szükséges. A második egy kereszt a fényáramokhoz. Egy ilyen eszköz, amely megvédi a fénycsatornákat a kölcsönös befolyásolástól, amikor azok fizikailag kereszteződnek, feltétlenül szükséges a könnyű számítógép és a könnyű számítógépes chipek létrehozásakor. 17

Fotonikus kristályok a távközlésben Nem sok év telt el az első fejlesztések kezdete óta, amikor a befektetők számára világossá vált, hogy a fotonikus kristályok alapvetően új típusú optikai anyagok, és fényes jövő előtt állnak. A fotonikus kristályok optikai tartományban történő fejlesztése a kereskedelmi alkalmazás szintjéig valószínűleg a távközlés területén fog bekövetkezni. tizennyolc

21

A litográfiai és holografikus módszerek előnyei és hátrányai az FC Pluss megszerzésére: a kialakított szerkezet magas minősége. Gyors gyártási sebesség Könnyű tömeggyártás Hátrányok Drága berendezés szükséges Lehetséges élélesség-romlás Nehéz összeállítások elkészítése 22

Az alján lévő közeli képen látható a fennmaradó 10 nm-es nagyságrendű érdesség. Ugyanez az érdesség látható holografikus litográfiával készült SU-8 sablonjainkon is. Ez egyértelműen azt mutatja, hogy ez az érdesség nem a gyártási folyamathoz kapcsolódik, hanem inkább a fotoreziszt végső felbontásához. 24

Ahhoz, hogy az alapvető PBG-k hullámhosszait távközlési üzemmódban 1,5 µm-ről és 1,3 µm-ről elmozdítsuk, 1 µm vagy kisebb távolságra van szükség a rudak síkjában. A legyártott mintákkal van egy probléma: a rudak kezdenek érintkezni egymással, ami a frakció nemkívánatos nagymértékű kitöltéséhez vezet. Megoldás: A rúd átmérőjének csökkentése, ezáltal a frakció feltöltése oxigénplazmában való maratással 26

A PC optikai tulajdonságai A közeg periodicitása miatt a fotonikus kristályon belüli sugárzás terjedése hasonlóvá válik egy közönséges kristályon belüli elektron mozgásához, periodikus potenciál hatására. A PC sávszerkezetében bizonyos körülmények között rések keletkeznek, hasonlóan a természetes kristályok tiltott elektronikus sávjaihoz. 27

Kétdimenziós periodikus fotonikus kristályt kapunk szilícium-dioxid szubsztrátumra négyzetes fészekbe ültetett függőleges dielektromos rudak periodikus szerkezetének kialakításával. A "hibák" fotonikus kristályba helyezésével olyan hullámvezetőket lehet létrehozni, amelyek bármilyen szögben meghajlítva 100%-os áteresztőképességet adnak Kétdimenziós fotonikus struktúrák sávszélességgel 28

Új módszer polarizációérzékeny fotonikus sávrésekkel rendelkező szerkezet előállítására Megközelítés kidolgozása fotonikus sávrés szerkezetének más optikai és optoelektronikai eszközökkel való kombinálására Rövid- és hosszúhullámú sávhatárok megfigyelése. A tapasztalat célja: 29

A fotonikus sávrés (PBG) szerkezetének tulajdonságait meghatározó fő tényezők a töréskontraszt, a magas és alacsony anyagindexek aránya a rácsban, valamint a rácselemek elrendezése. A használt hullámvezető konfigurációja hasonló a félvezető lézeréhez. A tömb nagyon kicsi (100 nm átmérőjű), a hullámvezető magjára lyukakat martak, amelyek hatszögletű rácsot alkottak 30

2a ábra A rács és a Brillouin zóna vázlata, amely szemlélteti a szimmetria irányait egy vízszintes, szorosan egymásra épülő rácsban. b, c Átviteli jellemzők mérése 19 nm-es fotonikus rácson. 31 Brillouin zóna szimmetrikus irányokkal

4. ábra Az 1 (a) és 2 (b) sávnak megfelelő haladó hullámok profiljainak elektromos mezőjének fényképei, a TM polarizáció K pontja közelében. Az a-ban a mezőnek ugyanolyan reflexiós szimmetriája van az y-z síkról, mint a síkhullámnak, ezért könnyen kölcsönhatásba kell lépnie a bejövő síkhullámmal. Ezzel szemben b-ben a mező aszimmetrikus, ami nem teszi lehetővé ennek a kölcsönhatásnak a létrejöttét. 33

Következtetések: A PBG szerkezetek tükörként és elemként használhatók a félvezető lézerek emissziójának közvetlen szabályozására A PBG koncepciók bemutatása a hullámvezető geometriában lehetővé teszi nagyon kompakt optikai elemek megvalósítását. hogy lehetőség lesz nemlineáris effektusok alkalmazására 34

A nanoméretű struktúrák és fotonikus kristályok fotonikájának ötlete az optikai sávszerkezet létrehozásának lehetőségét elemezve született. Feltételezték, hogy az optikai sávszerkezetben, valamint a félvezető sávszerkezetben a különböző energiájú fotonok megengedett és tiltott állapotainak létezniük kell. Elméletileg egy olyan közeg modellt javasoltak, amelyben a közeg permittivitásának vagy törésmutatójának periodikus változásait használták a rács periodikus potenciáljaként. Így bevezették a „fotonikus kristályban” a „fotonikus sávrés” fogalmát.

Fotonikus kristály egy szuperrács, amelyben egy mezőt mesterségesen hoznak létre, és periódusa nagyságrendekkel nagyobb, mint a főrács periódusa. A fotonikus kristály egy félig átlátszó dielektrikum, amely bizonyos periodikus szerkezettel és egyedi optikai tulajdonságokkal rendelkezik.

A periódusos szerkezetet a legkisebb lyukak alkotják, amelyek periodikusan változtatják az r dielektromos állandót, ezek átmérője olyan, hogy szigorúan meghatározott hosszúságú fényhullámok haladnak át rajtuk. Az összes többi hullám elnyelődik vagy visszaverődik.

Fotonikus sávok képződnek, amelyekben a fény terjedésének fázissebessége e-től függ.. A kristályban a fény koherensen terjed, és a terjedés irányától függően tiltott frekvenciák jelennek meg. A fotonikus kristályok Bragg-diffrakciója az optikai hullámhossz-tartományban történik.

Az ilyen kristályokat fotonikus sávszélességű anyagoknak (PBG) nevezik. A kvantumelektronika szempontjából Einstein stimulált emissziós törvénye nem áll fenn ilyen aktív közegben. Ennek a törvénynek megfelelően az indukált emisszió és abszorpció mértéke egyenlő, és a gerjesztett értékek összege N 2és izgatott

atomok JV jelentése A, + N. = N. Akkor vagy 50%.

A fotonikus kristályokban 100%-os szintű populációinverzió lehetséges. Ez lehetővé teszi a szivattyú teljesítményének csökkentését és a kristály szükségtelen melegítésének csökkentését.

Ha a kristályt hanghullámok érik, akkor a fényhullám hossza és a kristályra jellemző fényhullám mozgási iránya változhat. A fotonikus kristályok megkülönböztető tulajdonsága a visszaverődési együttható arányossága R a fény a spektrum hosszú hullámhosszú részében a co 2 frekvencianégyzetében, és nem úgy, mint a Rayleigh-szórásnál R~ 4-től. Az optikai spektrum rövidhullámú összetevőjét a geometriai optika törvényei írják le.

A fotonikus kristályok ipari létrehozása során meg kell találni a háromdimenziós szuperrácsok létrehozásának technológiáját. Ez nagyon nehéz feladat, mivel a litográfiai módszereket alkalmazó szabványos replikációs technikák elfogadhatatlanok a 3D nanostruktúrák létrehozásához.

A kutatók figyelmét a nemes opál keltette fel (2.23. ábra). Ez egy Si() 2 ásvány? P 1.0 hidroxid alosztály. A természetes opálokban a gömbök üregei szilícium-dioxiddal és molekuláris vízzel vannak kitöltve. A nanoelektronika szempontjából az opálok szorosan (főleg a köbös törvény szerint) szilícium-dioxid nanogömbjei (globulusai). A nanogömbök átmérője általában 200-600 nm tartományba esik. A szilícium-dioxid gömböcskék csomagolása háromdimenziós rácsot képez. Az ilyen szuperrácsok 140-400 nm méretű szerkezeti üregeket tartalmaznak, amelyeket félvezető, optikailag aktív és mágneses anyagokkal lehet kitölteni. Opálszerű szerkezetben lehetőség nyílik nanoméretű szerkezetű háromdimenziós rács létrehozására. Az opális opálmátrix szerkezet 3E fotonikus kristályként szolgálhat.

Kidolgozták az oxidált makropórusos szilícium technológiáját. E technológiai eljárás alapján háromdimenziós szerkezeteket hoztak létre szilícium-dioxid csapok formájában (2.24. ábra).

Ezekben a struktúrákban fotonikus sávhézagokat találtak. A sávszélesség paraméterei a litográfiai folyamatok szakaszában, vagy a csapszerkezet más anyagokkal való feltöltésével változtathatók.

A fotonikus kristályok alapján többféle lézert fejlesztettek ki. A fotonikus kristályokon alapuló optikai elemek másik osztálya az fotonikus kristályszálak(FKV). Van nekik

Rizs. 2.23. Szintetikus opál szerkezete (a)és természetes opálok (b)"

" Forrás: Gudilin E. A.[satöbbi.]. A nanovilág gazdagsága. Fotóesszé az anyag mélyéről; szerk. Yu. D. Tretyakova. M.: BINOM. Tudáslabor, 2010.

Rizs. 2.24.

sávrés egy adott hullámhossz-tartományban. A hagyományos optikai szálakkal ellentétben a fotonikus sávszélességű szálak képesek a zéró diszperziós hullámhosszt a spektrum látható tartományába tolni. Ebben az esetben a látható fény terjedésének szoliton rezsimjeinek feltételei biztosítottak.

A levegőcsövek méretének és ennek megfelelően a mag méretének változtatásával növelhető a fénysugárzás erejének koncentrációja, a szálak nemlineáris tulajdonságai. A szál és a burkolat geometriájának változtatásával az erős nemlinearitás és az alacsony diszperzió optimális kombinációja érhető el a kívánt hullámhossz-tartományban.

ábrán A 2.25-öt bemutatják az FCF-nek. Két típusra oszthatók. Az első típust FKV-nak nevezik, folyamatos fényvezető maggal. Szerkezetileg egy ilyen szál kvarcüveg mag formájában készül, fotonikus kristály héjában. Az ilyen szálak hullámtulajdonságait mind a teljes belső visszaverődés hatása, mind a fotonikus kristály sávtulajdonságai biztosítják. Ezért az alacsony rendű módusok széles spektrális tartományban terjednek az ilyen szálakban. A magasabb rendű módok a héjba tolódnak el, és ott leépülnek. Ebben az esetben a kristály hullámvezető tulajdonságait nulla rendű módokhoz a teljes belső visszaverődés hatása határozza meg. A fotonikus kristály sávszerkezete csak közvetetten nyilvánul meg.

A második típusú FKV üreges fényvezető maggal rendelkezik. A fény terjedhet a szál magján és a burkolaton keresztül is. A lényegében

Rizs. 2.25.

a - szakasz folyamatos fényvezető maggal;

6 - üreges fényvezető lakószálú szakaszon a törésmutató kisebb, mint a héj átlagos törésmutatója. Ez lehetővé teszi a szállított sugárzás teljesítményének jelentős növelését. Jelenleg olyan szálakat hoztak létre, amelyek vesztesége 0,58 dB / km hullámhosszon X= 1,55 µm, ami közel áll a szabványos egymódusú szál veszteségéhez (0,2 dB/km).

A fotonikus kristályszálak egyéb előnyei között megjegyezzük a következőket:

• egymódusú üzemmód minden számított hullámhosszhoz;
• a fő divatfoltok széles választéka;
• a diszperziós együttható állandó és magas értéke 1,3-1,5 μm hullámhossz esetén és nulla diszperzió a látható spektrum hullámhosszainál;
• szabályozott polarizációs értékek, csoportsebesség diszperziók, átviteli spektrum.

A fotonikus kristályburkolatú szálakat széles körben használják az optika, a lézerfizika és különösen a távközlési rendszerek problémáinak megoldására. Az utóbbi időben a fotonikus kristályokban fellépő különféle rezonanciák vonzották az érdeklődést. A fotonikus kristályokban a polariton effektusok elektron- és fotonrezonanciák kölcsönhatása során jönnek létre. Az optikai hullámhossznál jóval kisebb periódusú fém-dielektromos nanoszerkezetek létrehozásakor olyan helyzet valósítható meg, amelyben a feltételek r

A fotonika fejlődésének igen jelentős termékei a távközlési száloptikai rendszerek. Működésük az információs jel elektro-optikai átalakításán, a modulált optikai jel száloptikai fényvezetővé történő továbbításán és az inverz opto-elektronikus átalakításon alapul.

) — olyan anyag, amelynek szerkezetét a törésmutató periodikus változása jellemzi 1, 2 vagy 3 térbeli irányban.

Leírás

A fotonikus kristályok (PC) megkülönböztető jellemzője a törésmutató térben periodikus változása. Azon térbeli irányok számától függően, amelyek mentén a törésmutató periodikusan változik, a fotonikus kristályokat egydimenziósnak, kétdimenziósnak és háromdimenziósnak, vagy rövidítve 1D PC, 2D PC és 3D PC (D - az angol dimenzióból) nevezik. , ill. Hagyományosan a 2D PC és a 3D PC felépítését az 1. ábra mutatja.

A fotonikus kristályok legszembetűnőbb tulajdonsága az, hogy egy 3D-s PC-ben kellően nagy kontraszttal rendelkeznek bizonyos spektrális régiók összetevőinek törésmutatóiban, amelyeket teljes fotonikus sávrésnek (PBG) neveznek: a fotonenergiához tartozó sugárzás megléte. A PBG-hez ilyen kristályokban lehetetlen. Különösen az a sugárzás, amelynek spektruma a PBG-hez tartozik, kívülről nem hatol be a PC-be, nem létezhet benne, és teljesen visszaverődik a határról. A tilalom megsértésére csak akkor kerül sor, ha szerkezeti hibák vannak, vagy ha a számítógép mérete korlátozott. Ebben az esetben a céltudatosan létrehozott lineáris hibák kis hajlítási veszteséggel (akár mikronos görbületi sugarúak), a ponthibák miniatűr rezonátorok. A 3D PC-ben rejlő potenciális lehetőségek gyakorlati megvalósítása a fénysugarak (foton) sugarak jellemzőinek szabályozási lehetőségei alapján még csak most kezdődik. Nehezíti, hogy a jó minőségű 3D PC-k létrehozására szolgáló hatékony módszerek, a lokális inhomogenitások, lineáris és ponthibák célzott kialakítására szolgáló módszerek, valamint más fotonikus és elektronikus eszközökkel való interfész módszerei hiányoznak.

Lényegesen nagyobb előrelépés történt a 2D PC-k gyakorlati alkalmazása terén, amelyeket általában sík (film) fotonikus kristályok vagy (PCF) formájában használnak (a részleteket lásd a vonatkozó cikkekben).

A PCF-ek kétdimenziós szerkezetek, középső részének hibája, merőleges irányban megnyúlt. Az optikai szálak alapvetően új típusaként a PCF-ek lehetőséget biztosítanak a fényhullámok szállítására és a más típusok számára elérhetetlen fényjelek szabályozására.

Az egydimenziós PC-k (1D PC-k) különböző törésmutatókkal rendelkező, váltakozó rétegekből álló többrétegű szerkezetek. A klasszikus optikában már jóval a „fotonikus kristály” kifejezés megjelenése előtt köztudott volt, hogy az ilyen periodikus struktúrákban a fényhullámok terjedésének jellege jelentősen megváltozik az interferencia és a diffrakció jelenségei miatt. Például a többrétegű fényvisszaverő bevonatokat régóta széles körben használják tükrök és film interferenciaszűrők, valamint volumetrikus Bragg-rácsok, mint spektrális szelektorok és szűrők gyártására. Miután a PC elterjedtté vált, az olyan réteges közegeket, amelyekben a törésmutató periodikusan egy irányba változik, az egydimenziós fotonikus kristályok osztályába kezdték besorolni. A fény merőleges beesése esetén a többrétegű bevonatok visszaverődési együtthatójának spektrális függése az úgynevezett "Bragg-tábla" - bizonyos hullámhosszokon a reflexiós együttható gyorsan megközelíti az egységet a rétegek számának növekedésével. ábrán látható spektrális tartományba eső fényhullámok. b nyíl, szinte teljesen tükröződnek a periodikus szerkezetből. Az FK terminológiája szerint a rétegekre merőlegesen terjedő fényhullámok számára ez a hullámhossz-tartomány és a megfelelő fotonenergiák tartománya (vagy energiasáv) tilos.

A PC-k gyakorlati alkalmazási lehetőségei óriásiak a fotonok szabályozásának egyedülálló lehetőségeinek köszönhetően, és még nem tárták fel teljesen. Kétségtelen, hogy az elkövetkező években új eszközöket és szerkezeti elemeket fognak javasolni, amelyek valószínűleg alapvetően különböznek a ma használt vagy kifejlesztettektől.

A PC-k fotonikai felhasználásának óriási kilátásai E. Yablonovich cikkének megjelenése után valósultak meg, amelyben teljes PBG-vel rendelkező PC-k használatát javasolták a spontán emissziós spektrum szabályozására.

A közeljövőben várható fotonikus eszközök között a következők szerepelnek:

• ultra-kis, alacsony küszöbű FK lézerek;
• szuperfényes PC-k szabályozott emissziós spektrummal;
• mikron hajlítási sugarú szubminiatűr FK hullámvezetők;
• fotonikus integrált áramkörök, magas fokú integrációval sík PC-k alapján;
• miniatűr FK spektrális szűrők, beleértve a hangolhatóakat is;
• Véletlen elérésű optikai memória FK eszközei;
• FK optikai jelfeldolgozó eszközök;
• üreges maggal rendelkező PCF alapú nagy teljesítményű lézersugárzás leadására szolgáló eszköz.

A 3D-s PC-k legcsábítóbb, de egyben legnehezebb alkalmazása az információfeldolgozást szolgáló fotonikus és elektronikus eszközök ultranagy volumetrikusan integrált komplexeinek létrehozása.

A 3D fotonikus kristályok egyéb lehetséges felhasználási területei közé tartozik a mesterséges opál alapú ékszerek gyártása.

A fotonikus kristályok a természetben is megtalálhatók, további színárnyalatokat adva a minket körülvevő világnak. Így a puhatestűek, például a haliotis héjának gyöngyház bevonata 1D FC szerkezetű, a tengeri egér antennái és egy polichaeta féreg sörtéi 2D FC, az afrikai fecskefarkú természetes féldrágaköves opáljai és szárnyai. A lepkék (Papilio ulysses) természetes háromdimenziós fotonikus kristályok.

Illusztrációk

a– kétdimenziós (felső) és háromdimenziós (alsó) PC felépítése; b egy egydimenziós PC sávszélessége, amelyet negyedhullámhosszú GaAs/AlxOy rétegek alkotnak (a sávközt nyíl mutatja); ban ben a fordított nikkel FC, amelyet az FNM Moszkvai Állami Egyetem munkatársai szereztek be. M.V. Lomonoszova N.A. Sapolotova, K.S. Napolsky és A.A. Eliszeev