В 1998 году появились сообщения о разработке трехмерных микроскопических структур, получивших название фотонной решетки. Микроскопические кристаллы, созданные на основе кремния, передают свет в оптическом диапазоне с минимальными потерями по различным траекториям с изгибом под прямым углом в заданную точку.Кристалл представляет собой пачку тонких кремниевых двухмерных дифракционных решеток, каждый слой которой повернут на 90° относительно соседнего. Число слоев исчисляется десятками. Что представляет собой набор слоев? Это пленочные светопрозрачные материалы с различными показателями преломления и различной толщины (рисунок 9.22).

Рисунок 9.22. Пример отражения волн в пакете тонких пленок

При нормальном падении света на плоскую границу раздела двух сред с показателями преломления n1 и n2 амплитудные коэффициенты отражения и пропускания света r и t определяются разностью показателей преломления

r = (n₁-n₂)/(n₁+n₂), t = 2n₁/n₁+n₂. (9.3)

Если n1>n2, то коэффициент r>0, а в противном случае он отрицателен. Рассмотрим падение световой волны перепендикулярно набору светопропускающих слоёв. При отражении света от пленки толщиной d₂ с показателем преломления n₂, ограниченной с обеих сторон средами с показателем преломления n₁, свет частично отражается от первой границы (с коэффициентом r), частично проходит (с коэффициентом t) и доходит до второй границы, набирая фазу 2 π n₂ d₂ /λ_<0 , отражается от второй границы с коэффициентом –r, возвращается к первой границе, снова набирая фазу 2 π n₂ d₂ /λ₀, и выходит наружу. Т.о., фаза волны, отраженной от первой границы, и фаза волны, прошедшей внутрь плёнки, отраженной от второй границы, и вернувшейся к первой границе, отличаются на величину ∆φ = 4 π n₂ d₂ /λ₀+ π. Если разность фаз ∆φ =2 π, то волны, отраженные от первой и второй границ, будут усиливать друг друга. Это возможно, если оптическая толщина пленки равна четверти длины волны

N₂d₂=λ₀/4. (9.4)

Если увеличить число слоев пар с показателями преломления n₁ и n₂, то коэффициент отражения света от структур увеличивается, а интенсивность света в толщине структур, экспоненциально уменьшается. Такие структуры получили название брэгговских отражателей. Один из примеров использования таких фотонных кристаллов приведен в конструкции лазера с вертикальными резонаторами.

Возможности по применению фотонных кристаллов многочисленны: создание световодных каналов в виде в волокон и управляемых волноводов; спектральное мультиплексирование и демультиплексирование для оптических сетей; кроссирование световых волн, которое необходимо для создания оптических процессов [86]. Пример фотонных кристаллов в виде волокон рассмотрен ниже.

Волокна с фотонно-кристаллической оболочкой (holey fibers, photonic crystal fibers) - новый тип оптических волноводов, чьи уникальные свойства представляют особенный интерес в контексте возможности решения насущных проблем современной оптики, лазерной физики, фотоники и телекоммуникаций. Эти волокна обычно изготавливаются из стекла, кварца или прозрачной пластмассы путем перетяжки из преформы, образованной из плотно упакованных трубок и стержней, собранной в соответствии с поперечным сечением волокна. В зависимости от структуры поперечного сечения, эти волокна имеют различные свойства, такие как одномодовый режим распространения в широком спектральном диапазоне, большая/малая площадь модового пятна для увеличения/уменьшения нелинейных эффектов, низкие или высокие потери на сгибах, высокая нелинейность для генерации гармоник и суперконтинуума, точно управляемые поляризация, дисперсия групповой скорости, спектр пропускания и двулучепреломление. Волокна этого типа имеют ряд преимуществ перед обычными кварцевыми световодами:

• одномодовый режим для всех длин волн излучения;

• широкий диапазон изменения площади пятна основной моды - до сотен μм²;

• постоянное значение коэффициента дисперсии (дисперсионный наклон равен 0.002 пс^.нм^-1.км^-1 для длин волн 1.3-1.5 μм);

• высокие значения коэффициента дисперсии (2000 пс^.нм^-1.км^-1 для специально разработанных структур);

• аномальная и нулевая дисперсия для длин волн меньше 1.3 μм (видимый спектр);

• контролируемая локализация поля в воздушных отверстиях.

Кроме того, области применения этих волокон многообразны:

• WDM устройства и дисперсионная компенсация;

• волоконные лазеры;

• микроскопия ближнего поля;

• генерация фемтосекундных импульсов для солитонов;

• оптический генератор;

• спектроскопия газов и жидкостей;

• оптическая транспортация микрочастиц.

Материал(ы) для производства волокон: оптическое стекло, композиция из стекол, композиция из стекол и металлов. Процессы: двух или трех фазное вытягивание стеклооптических полых капиллярных пучков, заполнение промежутков тесно упакованных волокон. В таблице 9.5 приведены геометрические характеристики пяти видов фотонно-кристаллических волокон [124].

Таблица 9.5. Геометрические характеристики фотонно-кристаллических волокон

На рисунке 9.23 представлена конструкция фотонного волокна в разрезе при значительном увеличении (более чем в 1000раз).

Рисунок 9.23. Конструкция волокна первого типа с одной сердцевиной в разрезе