Fotonik kristal (PC), refraktif indeksinin periyodik olarak
1, 2 veya 3 boyutlarda değiştiği yapıya sahip bir malzemedir.
Fotonik kristallerin ayırıcı bir özelliği, uzaysal olarak refraktif
indeksindeki periyodik değişimdir. Refraktif (kırınım) indeksleri, periyodik
olarak uzanan mekansal yönlerin sayısına bağlı olarak, fotonik kristaller 1
boyutlu, 2 boyutlu ve üç boyutlu olarak adlandırılır; veya 1D PC, 2D PC ve 3D
PC (D boyut) olarak kısaltılır. 2D ve 3D PC'lerin şematik yapısı Şekil'de verilmiştir.
Fotonik kristallerin en çarpıcı özelliği, oldukça büyük bir
kırılma indeksine sahip 3D PC'lerde spektrumun bazı bölgelerinde, fotonik bant
boşluklarının (PBG) varlığıdır; PC'lerde PBG'nin içinde bulunan fotonların
emisyonu veya yayılımı imkansızdır. Özellikle, PBG içindeki spektrumlu radyasyon
dışardan PC'ye nüfuz edemez, içinde bulunamaz ve tamamen sınırdan yansıtılır;
yasak, yalnızca yapısal kusurlar veya PC'nin küçük boyutlu olması durumunda
kopar. Aynı zamanda, kasıtlı olarak üretilen çizgisel kusurlar, eğilme
kayıplarının düşük olduğu (kıvrımın mikron yarıçapına kadar olan) dalga
kılavuzlarıdır, nokta kusurları küçük boşluklardır. Işık (foton) demeti
performansının kontrol edilebilirliğine dayanan 3D PC potansiyelinin pratikte
uygulanması henüz araştırma aşamasındadır.
Genellikle düzlemsel (film) fotonik kristaller biçiminde
veya fotonik kristal fiberler (PCF) şeklinde kullanılan 2D PC'lerin pratik
uygulamasında önemli ilerleme kaydedilmiştir.
Bir PCF, merkezi parçada dikey uzanan bir kusuru bulunan,
iki boyutlu bir yapıdır. Temelde yeni bir optik fiber türü olarak, PCF'ler,
diğer optik fiber türlerinde olmayan ışık dalgalarını ve kontrol ışık
sinyallerini taşıma özelliğine sahiptir.
Bir boyutlu fotonik kristaller(1D PCs), farklı kırma
indekslerine sahip çok katmanlı değişken bir yapıdır. Klasik optikte, fotonik
kristal terimi ortaya çıkmadan çok önce, bu gibi periyodik yapılarda, girişim
ve difraksiyon nedeniyle ışık dalgalarının doğasında önemli değişiklikler
olduğu bilinmekteydi. Örneğin, çok tabakalı yansıtıcı kaplamalar, uzun süre boyunca
dielektrik aynalar ve ince film girişim filtreleri üretiminde; ve Bragg
gratingler spektral seçiciler ve filtreler olarak kullanılanılmaktadır. PC'nin
yaygınlaşmasından sonra kırılma indeksinin bir yönde periyodik olarak değiştiği
bu tabakalı ortamlar bir boyutlu fotonik kristal sınıfına yönlendirildi. Işık
dikey olarak çarpıldığında, çok tabakalı kaplamalarda yansıma özelliğine
spektral bağımlılık, Bragg tablosu olarak adlandırılır; bazı dalga boylarında
tabaka sayısı arttıkça yansıma indeksi hızla birine yaklaşır. Şekil B'de bir
okla gösterildiği gibi spektral aralık içine giren ışık dalgaları, periyodik
yapıdan hemen hemen hepsini yansıtır. PC terminolojisinde bu dalga boyu bölgesi
ve ilgili foton enerjileri aralığı (veya enerji bandı) tabakalara dikey olarak
giden ışık dalgaları için bir aralıktır.
PC'nin pratik uygulama potansiyeli fotonların benzersiz
kontrol edilebilirliği nedeniyle büyüktür, Şüphe yok ki önümüzdeki yıllarda
bugün kullanılan veya geliştirilenlerden farklı yeni cihazlar ve yapısal unsurlar
geliştirilecektir.
Fotonikte PC uygulamasında, E. Yablonovich'in spontan
emisyon spektrumunu kontrol etmek için tam PBG'li PC'leri kullanmayı öneren
makalesini yayınlamasının ardından gerçekleştirilmiştir.
Yakın gelecekte beklenen fotonik cihazlar:
·
Düşük eşikli ultra boyutlu PC lazerler
·
Kontrol edilebilir emisyon spektrumlu, parlak PC
LED'ler
·
Mikron büküm yarıçaplı çok küçük boyutlu PC
dalgakılavuzları
·
Düzlemsel PC'lere dayanan yüksek entegrasyon
derecesine sahip fotonik entegre devreler
·
Ayarlanabilir olanlar da dahil, minyatür
PC-spektral filtreler
·
Optik rasgele erişimli depolama PC aygıtları
·
Optik sinyal PC-işleme cihazları
·
Hallow PCF'ye dayanan yüksek güçlü lazer ışınımı
veen aygıtlar
Üç boyutlu bilgisayarların kullanımını uygulamak için
yapılan en cazip, aynı zamanda en zorlu şey, bilgi işlemek için fotonik ve
elektronik cihazların çok büyük hacimli entegre setlerinin oluşturulmasıdır
Üç boyutlu fotonik kristallerin diğer olası uygulamaları
arasında suni opal mücevherat imalatı sayılabilir.
Fotonik kristaller doğal ortamda bulunur ve çevremizdeki
dünyaya renk tonları ekler. Bu nedenle, abalone (Haliotidae) gibi yumuşakça
kabukların inci kaplaması 1D PC yapısında, deniz fare antenlerine ve polişelatlar
kıllar 2D PC, ve doğal yarı kıymetli taşlar, opallar ve Afrika swallowtail'in
kanatları (Papilio ulysses) doğal üç boyutlu fotonik kristallerdir.
(a) 2D (üstte) ve 3D (altta) fotonik kristalin yapısı,
(b) GaAs / AlxOy'nin çeyrek-dalga boylu tabakalardan oluşan bir 1D fotonik kristali bant aralığı (bant aralığı değeri bir ok ile gösterilmiştir),
(c) nikelin ters fotonik kristali
(b) GaAs / AlxOy'nin çeyrek-dalga boylu tabakalardan oluşan bir 1D fotonik kristali bant aralığı (bant aralığı değeri bir ok ile gösterilmiştir),
(c) nikelin ters fotonik kristali
