| Studium vlastností fotonických krystalů |
| Vladimír Kuzmiak, Ph.D.; Prof. Jiří Čtyroký, DSc. |
| Year: 2000 |
|
Myšlenka využít periodicky uspořádaných dielektrických materiálů
(fotonických krystalů) jako prostředku, pomocí nichž lze ovlivňovat
chování fotonů a v důsledku toho i jejich interakci s pevnou látkou, se
stala předmětem širokého zájmu jak z hlediska základního výzkumu, tak
kvůli mnoha potenciálním aplikacím (viz např. J. D. Joannopoulos, R. D.
Meade, and J. N. Winn, Photonic Crystals, Molding Flow of Light (Princeton
University Press, Princeton, NJ, 1995). Bylo teoreticky ukázáno, že funkci
mnoha optických a optoelektronických zařízení lze značně zlepšit, pokud se
při jejich konstrukci podaří využít technologií založených na fotonických
krystalech. Umístněním atomů či molekul do vhodné struktury fotonického
krystalu je možno výrazně ovlivnit jejich vyzařovací charakteristiky
vlastnosti, např. potlačit nežádoucí spontánní luminiscenci, a tohoto
efektu využít při konstrukci účinných zdrojů optického záření. Bodové a
čárové defekty ve fotonickém krystalu se mohou chovat jako rezonátory a
optické vlnovody velmi malých rozměrů, které by mohly být využity v
integrovaných optických obvodech s velmi vysokým stupněm integrace.
V rámci probíhajích projektů NSF INT-932651 a COST 268 byly studovány vlastnosti jednorozměrných a dvojrozměrných fotonických krystalů. Pomocí numerické metody konečných diferencí byly provedeny výpočty lokalizovaných modů, které se mohou objevit v pásu zakázaných frekvencí, je-li do neporušeného krystalu zaveden izolovaný bodový defekt v substituční resp. intersticiální poloze [1]. Se vzrůstajícím zájmem o vývoj aktivních prvků byly v poslední době studovány jevy související se šířením elektromagnetického vlnění ve fotonických krystalech s nelineární dielektrickou konstantou a vlastnosti související s dynamickými efekty, jako např. generací druhé harmonické a indukovanými mezipásovými přechody. V návaznosti na toto úsilí jsme se v rámci probíhajícího projektu dále zabývali studiem vlastností souvisejících se zesílením vyzářené energie s frekvencí odpovídající modu čárového defektu s využitím jevu parametrické rezonance [2], ke které dochází na základě periodické modulace dielektrické konstanty pomocí slabého parametrického signálu. Vzhledem k technologické náročnosti přípravy trojrozměrných fotonických krystalů je ve světě intenzivně zkoumána i možnost realizace a využití dvojrozměrných fotonických krystalů vytvořených v planárních optických vlnovodech. Základním předpokladem správné funkce takových struktur jsou nízké ztráty způsobené vyzařováním z planárního vlnovodu. Abychom mohli takové jevy analyzovat, zdokonalili jsme naši metodu pro přesnou numerickou analýzu vlastností planárních optických vlnovodných struktur založenou na rozkladu vln šířících se ve vlnovodech v obousměrně se šířící vlastní vidy zabudováním nového typu okrajových podmínek, tzv. „dokonale přizpůsobených vrstev“ ve formulaci rozšíření souřadnice do komplexní roviny. Metoda byla využita při numerické analýze ztrát vyzařováním při šíření vln v jednorozměrných fotonických krystalech v planárním vlnovodu. Teoretický rozbor chování fotonických struktur v planárním optickém vlnovodu vycházející z výše uvedené metody ukázal, že pokud vektorová vlnová rovnice pro šíření vln v takových strukturách umožňuje separaci souřadnice kolmé k rovině vlnovodu, může se v takových strukturách šířit optické záření zcela beze ztrát [3]. |
|