Controlul propagarii fascicolului de fotoni

Introducere

Controlul propagarii fascicolului de fotoni

In secolul al - XX - lea au fost cel putin doua revolutii tehnologice. Prima, descoperirea semiconductorilor care a dus la dezvoltarea industriei electronice si cea de - a doua este o consecinta a inventiei si aplicatiilor laserului. Proprietatile semiconductorilor si a laserilor sunt determinate de comportamentul dinamic si cooperant al electronilor si al fotonilor in medii controlate foarte atent. Electronii sunt fermioni care interactioneaza puternic si pot fi localizati rapid datorita sarcinii pozitive al nucleului unui atom, semiconductorii permitand o delocalizare controlata a electronilor. Fotonii sunt bozoni care interactioneaza slab dar care se propaga cu o viteza mare, iar laserul duce la aparitia unui numar ridicat de fotoni coerenti. Este evident ca, comportamentul cuantic al fotonilor si electronilor sta la baza multor tehnologii moderne. Fenomene compexe, de o mare importanta practica, au loc prin plasarea electronilor si a fotonilor in medii noi, fabricate printr - o alegere foarte atenta a materialelor [1], [2].

Odata cu aparitia acestei noi clase de materiale numite cristale fotonice sau materiale fotonice cu bandǎ interzisǎ, s - a obtinut raspunsul la o intrebare care a intrigat comunitatea stiintifica o perioada lunga de timp : Ce structura ne ofera un control complet asupra propagarii fotonilor? Pentru a da un raspuns mai detaliat la aceasta intrebare pornim de la o analogie cu cristalele semiconductoare. Un cristal e realizat dintr - o retea de atomi si molecule. Pentru un electron propagandu - se prin cristal, reteaua prezinta un potential periodic, care ii dicteaza multe din proprietatiile sale conductoare. Reteaua poate introduce zone interzise in structura de benzi energetice a cristalului, si astfel, electronii cu anumite energii nu se propaga in anumite directii. Daca potentialul este suficient de puternic zona interzisa se poate extinde catre toate directiile posibile, rezultand o banda energetica interzisa completa. Semiconductorii au o banda interzisa completa intre benzile de conductie si de valenta.

In ultimii 50 de ani, semiconductorii au jucat un rol vital in aproape orice aspect al tehnologiilor moderne, cercetatorii sa modificand proprietatile conductoare a acestor materiale, ceea ce a condus la aparitia tranzistoarelor. In ultimii 10 ani s - a ajuns la concluzia ca se pot realiza lucruri asemanatoare si cu fascicolele de fotoni, folosindu - se cristale fotonice, care sunt materialele optice analoage semiconduc-torilor electronici

Ideea de baza consta in realizarea unor materiale care sa modeleze proprietatile fotonilor in acelasi mod in care cristalele semiconductoare afecteaza proprietatiile electronilor. Proprietatiile electronilor sunt determinate de ecuatia lui Schroedinger:

, (1.1)

iar proprietatiile fotonilor sunt guvernate de ecuatiile lui Maxwell, care se pot grupa sub o forma asemanatoare cu ecuatiia lui Schroedinger,

(1.2)

Cele doua ecuatii sunt probleme liniare de valori proprii ale caror solutii depind de potentialul V(r) sau de functia dielectrica . De aceea daca am construi un cristal format din "atomi" dielectrici uniformi si asezati periodic, atunci fluxul de fotonii care se ciocneste de cristal se poate descrie in termeni de benzi permise sau interzise, ca in cazul electroniilor. Astfel putem realiza cristale fotonice cu o banda fotonica interzisa (BFI) completa. O banda fotonica interzisa presupune existenta unui interval de frecvente pentru care fotonii nu trec prin cristal in orice directie de propagare.

Proiectand localizarea spectrala si spatiala a benzii interzise, se poate modela "curgerea fascicolului de fotoni" in functie de necesitate. Un astfel de cristal, cu o banda fotonica interzisa completa, se foloseste de exemplu ca o oglinda ideala, pentru fascicole de fotoni care vin din orice directie. O BFI partiala permite propagarea fotoniilor de - a lungul anumitor directii si se foloseste ca substrat pentru emitatoare directionale. Mai mult, daca avem un defect in structura cristalului fotonic, atunci acest defect devine o suprafata interna in interiorul careia fotonii pot fi confinati sau localizati. Un defect punctual creaza o microcavitate, iar un defect in lungime un ghid de unda . Aceasta abilitate de a modela benzile fotonice pentru aplicatii specifice, ofera posibilitatea de a controla proprietatiile undelor electromagnetice. Acum putem realiza ce potential extraordinar ne ofera cristalele fotonice.