ფოტონური კრისტალი

ფოტონიკური კრისტალი არის თანამედროვე მასალა, რომელიც შედგება მონაცვლეობით ელემენტარული უჯრედებისგან მაღალი და დაბალი რეფრაქციული ინდექსით და ზომებით, რომლებიც შედარებულია მოცემული სპექტრული დიაპაზონიდან სინათლის ტალღის სიგრძესთან. ფონური კრისტალები გამოიყენება ოპტოელექტრონიკაში. ვარაუდობენ, რომ ფოტონიკური კრისტალის გამოყენება საშუალებას მისცემს, მაგალითად. გააკონტროლოს სინათლის ტალღის გავრცელება და შექმნის შესაძლებლობას ფოტონიკური ინტეგრირებული სქემებისა და ოპტიკური სისტემების, ასევე სატელეკომუნიკაციო ქსელების შესაქმნელად უზარმაზარი გამტარუნარიანობით (Pbps რიგის).

ამ მასალის ეფექტი სინათლის გზაზე მსგავსია ღეროს ეფექტის ელექტრონების მოძრაობაზე ნახევარგამტარულ კრისტალში. აქედან მომდინარეობს სახელწოდება „ფოტონური კრისტალი“. ფოტონური კრისტალის სტრუქტურა ხელს უშლის მის შიგნით სინათლის ტალღების გავრცელებას ტალღის სიგრძის გარკვეულ დიაპაზონში. შემდეგ ფოტონების უფსკრული ე.წ. ფოტონური კრისტალების შექმნის კონცეფცია ერთდროულად შეიქმნა 1987 წელს აშშ-ის ორ კვლევით ცენტრში.

ელი ჯაბლონოვიჩი Bell Communications Research-იდან ნიუ ჯერსიში მუშაობდა მასალებზე ფოტონიკური ტრანზისტორებისთვის. სწორედ მაშინ გამოიგონა ტერმინი „ფოტონური ბანდგაპი“. ამავე დროს, საჯივ ჯონმა პრისტონის უნივერსიტეტიდან, როდესაც მუშაობდა ტელეკომუნიკაციებში გამოყენებული ლაზერების ეფექტურობის გაუმჯობესებაზე, აღმოაჩინა იგივე ხარვეზი. 1991 წელს ელი იაბლონოვიჩმა მიიღო პირველი ფოტონიკური კრისტალი. 1997 წელს შემუშავდა კრისტალების მიღების მასობრივი მეთოდი.

ბუნებრივად არსებული სამგანზომილებიანი ფოტონიკური კრისტალის მაგალითია ოპალი, მორფოს გვარის პეპლის ფრთის ფოტონიკური შრის მაგალითი. თუმცა, ფოტონიკური კრისტალები, როგორც წესი, ხელოვნურად მზადდება ლაბორატორიებში სილიკონისგან, რომელიც ასევე ფოროვანია. მათი სტრუქტურის მიხედვით, ისინი იყოფა ერთ, ორ და სამგანზომილებიანად. უმარტივესი სტრუქტურა არის ერთგანზომილებიანი სტრუქტურა. ერთგანზომილებიანი ფოტონიკური კრისტალები არის ცნობილი და დიდი ხნის განმავლობაში გამოყენებული დიელექტრიკული ფენები, რომლებიც ხასიათდება არეკვლის კოეფიციენტით, რომელიც დამოკიდებულია შუქის ტალღის სიგრძეზე. სინამდვილეში, ეს არის ბრაგის სარკე, რომელიც შედგება მრავალი ფენისგან მონაცვლეობით მაღალი და დაბალი რეფრაქციული ინდექსებით. ბრეგის სარკე მუშაობს ჩვეულებრივი დაბალი გამტარი ფილტრის მსგავსად, ზოგიერთი სიხშირე აისახება, ზოგი კი გადის. თუ ბრეგის სარკეს მილში გადაახვევთ, მიიღებთ ორგანზომილებიან სტრუქტურას.

ხელოვნურად შექმნილი ორგანზომილებიანი ფოტონიკური კრისტალების მაგალითებია ფოტონიკური ოპტიკური ბოჭკოები და ფოტონიკური ფენები, რომლებიც, რამდენიმე მოდიფიკაციის შემდეგ, შეიძლება გამოყენებულ იქნას სინათლის სიგნალის მიმართულების შესაცვლელად ბევრად უფრო მცირე მანძილზე, ვიდრე ჩვეულებრივი ინტეგრირებული ოპტიკური სისტემები. ამჟამად არსებობს ორი მეთოდი ფოტონიკური კრისტალების მოდელირებისთვის.

первый – PWM (სიბრტყე ტალღის მეთოდი) ეხება ერთ და ორგანზომილებიან სტრუქტურებს და მოიცავს თეორიული განტოლებების გამოთვლას, მათ შორის ბლოხის, ფარადეის, მაქსველის განტოლებებს. მეორე ოპტიკურ-ბოჭკოვანი სტრუქტურების მოდელირების მეთოდი არის FDTD (სასრული სხვაობის დროის დომენი) მეთოდი, რომელიც მოიცავს მაქსველის განტოლებების ამოხსნას ელექტრული ველისა და მაგნიტური ველის დროზე დამოკიდებულებით. ეს საშუალებას გაძლევთ განახორციელოთ რიცხვითი ექსპერიმენტები ელექტრომაგნიტური ტალღების გავრცელებაზე მოცემულ კრისტალურ სტრუქტურებში. მომავალში, ამან შესაძლებელი უნდა გახადოს სინათლის კონტროლისთვის გამოყენებული მიკროელექტრონული მოწყობილობების ზომების მქონე ფოტონიკური სისტემების მოპოვება.

ფოტონიკური კრისტალების ზოგიერთი გამოყენება:

• ლაზერული რეზონატორების შერჩევითი სარკეები,
• განაწილებული უკუკავშირის ლაზერები,
• ფოტონური ბოჭკოები (ფოტონური კრისტალური ბოჭკო), ძაფები და პლანური,
• ფოტონიკური ნახევარგამტარები, ულტრა თეთრი პიგმენტები,
• LED-ები გაზრდილი ეფექტურობით, მიკრორეზონატორები, მეტამასალები - მარცხენა მასალები,
• ფოტონიკური მოწყობილობების ფართოზოლოვანი ტესტირება,
• სპექტროსკოპია, ინტერფერომეტრია ან ოპტიკური თანმიმდევრული ტომოგრაფია (OCT) - ძლიერი ფაზის ეფექტის გამოყენებით.