Photonischer Kristall

Ein photonischer Kristall ist ein modernes Material, das abwechselnd aus Elementarzellen mit hohem und niedrigem Brechungsindex besteht und deren Abmessungen mit der Wellenlänge von Licht aus einem bestimmten Spektralbereich vergleichbar sind. Phonische Kristalle werden in der Optoelektronik verwendet. Es wird davon ausgegangen, dass beispielsweise der Einsatz eines photonischen Kristalls dies ermöglichen wird. um die Ausbreitung einer Lichtwelle zu kontrollieren und Möglichkeiten für die Schaffung photonischer integrierter Schaltkreise und optischer Systeme sowie Telekommunikationsnetze mit einer enormen Bandbreite (in der Größenordnung von Pbps) zu schaffen.

Die Wirkung dieses Materials auf den Lichtweg ähnelt der Wirkung eines Gitters auf die Bewegung von Elektronen in einem Halbleiterkristall. Daher der Name „photonischer Kristall“. Die Struktur eines photonischen Kristalls verhindert die Ausbreitung von Lichtwellen in einem bestimmten Wellenlängenbereich. Dann die sogenannte Photonenlücke. Das Konzept der Herstellung photonischer Kristalle wurde 1987 gleichzeitig in zwei US-amerikanischen Forschungszentren entwickelt.

Eli Jablonovich von Bell Communications Research in New Jersey arbeitete an Materialien für photonische Transistoren. Damals prägte er den Begriff „photonische Bandlücke“. Zur gleichen Zeit entdeckte Sajiv John von der Prieston University die gleiche Lücke, als er an der Verbesserung der Effizienz von Lasern für die Telekommunikation arbeitete. 1991 erhielt Eli Yablonovich den ersten photonischen Kristall. 1997 wurde eine Massenmethode zur Gewinnung von Kristallen entwickelt.

Ein Beispiel für einen natürlich vorkommenden dreidimensionalen photonischen Kristall ist Opal, ein Beispiel für die photonische Schicht des Flügels eines Schmetterlings der Gattung Morpho. Allerdings werden photonische Kristalle meist künstlich in Laboren aus Silizium hergestellt, das ebenfalls porös ist. Entsprechend ihrer Struktur werden sie in ein-, zwei- und dreidimensionale unterteilt. Die einfachste Struktur ist die eindimensionale Struktur. Eindimensionale photonische Kristalle sind bekannte und seit langem verwendete dielektrische Schichten, die sich durch einen Reflexionskoeffizienten auszeichnen, der von der Wellenlänge des einfallenden Lichts abhängt. Tatsächlich handelt es sich hierbei um einen Bragg-Spiegel, der aus vielen Schichten mit abwechselnd hohen und niedrigen Brechungsindizes besteht. Der Bragg-Spiegel funktioniert wie ein normaler Tiefpassfilter, einige Frequenzen werden reflektiert, während andere durchgelassen werden. Wenn man den Bragg-Spiegel zu einer Röhre rollt, erhält man eine zweidimensionale Struktur.

Beispiele für künstlich erzeugte zweidimensionale photonische Kristalle sind photonische optische Fasern und photonische Schichten, die nach mehreren Modifikationen verwendet werden können, um die Richtung eines Lichtsignals in Abständen zu ändern, die viel kleiner sind als in herkömmlichen integrierten Optiksystemen. Derzeit gibt es zwei Methoden zur Modellierung photonischer Kristalle.

erste – PWM (Plane Wave Method) bezieht sich auf ein- und zweidimensionale Strukturen und besteht in der Berechnung theoretischer Gleichungen, einschließlich der Bloch-, Faraday-, Maxwell-Gleichungen. Zweite Die Methode zur Modellierung faseroptischer Strukturen ist die FDTD-Methode (Finite Difference Time Domain), die darin besteht, die Maxwell-Gleichungen mit einer Zeitabhängigkeit für das elektrische Feld und das magnetische Feld zu lösen. Dadurch ist es möglich, numerische Experimente zur Ausbreitung elektromagnetischer Wellen in gegebenen Kristallstrukturen durchzuführen. Damit sollen künftig photonische Systeme möglich werden, deren Abmessungen mit denen mikroelektronischer Geräte zur Lichtsteuerung vergleichbar sind.

Einige Anwendungen von photonischen Kristallen:

• Selektive Spiegel von Laserresonatoren,
• Distributed-Feedback-Laser,
• Photonische Fasern (photonische Kristallfaser), Filamente und planare,
• Photonische Halbleiter, ultraweiße Pigmente,
• LEDs mit erhöhter Effizienz, Mikroresonatoren, Metamaterialien - Linksmaterialien,
• Breitbandtests von photonischen Geräten,
• Spektroskopie, Interferometrie oder optische Kohärenztomographie (OCT) – unter Ausnutzung eines starken Phaseneffekts.