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cristal fotónico

El ópalo de esta pulsera contiene una microestructura periódica natural responsable de su color iridiscente . Es esencialmente un cristal fotónico natural.
Las alas de algunas mariposas contienen cristales fotónicos. [1] [2]

Un cristal fotónico es una nanoestructura óptica en la que el índice de refracción cambia periódicamente. Esto afecta a la propagación de la luz del mismo modo que la estructura de los cristales naturales da lugar a la difracción de rayos X y que las redes atómicas (estructura cristalina) de los semiconductores afectan a su conductividad de los electrones . Los cristales fotónicos se encuentran en la naturaleza en forma de coloración estructural y reflectores animales y, tal como se producen artificialmente, prometen ser útiles en una variedad de aplicaciones.

Los cristales fotónicos se pueden fabricar en una, dos o tres dimensiones. Los cristales fotónicos unidimensionales pueden estar formados por finas capas de película depositadas unas sobre otras. Los bidimensionales se pueden fabricar mediante fotolitografía o perforando agujeros en un sustrato adecuado. Los métodos de fabricación para los tridimensionales incluyen perforar bajo diferentes ángulos, apilar múltiples capas 2D una encima de otra, escribir con láser directo o, por ejemplo, instigar el autoensamblaje de esferas en una matriz y disolver las esferas.

Los cristales fotónicos pueden, en principio, encontrar usos allí donde sea necesario manipular la luz. Por ejemplo, los espejos dieléctricos son cristales fotónicos unidimensionales que pueden producir espejos de reflectividad ultraalta a una longitud de onda específica. Los cristales fotónicos bidimensionales llamados fibras de cristales fotónicos se utilizan para la comunicación por fibra óptica , entre otras aplicaciones. Los cristales tridimensionales podrían algún día usarse en computadoras ópticas y podrían conducir a células fotovoltaicas más eficientes . [3]

Aunque la energía de la luz (y de toda la radiación electromagnética ) está cuantificada en unidades llamadas fotones , el análisis de los cristales fotónicos requiere sólo de la física clásica . "Fotónica" en el nombre es una referencia a la fotónica , una designación moderna para el estudio de la luz ( óptica ) y la ingeniería óptica. De hecho, la primera investigación sobre lo que ahora llamamos cristales fotónicos puede haber tenido lugar ya en 1887, cuando el físico inglés Lord Rayleigh experimentó con pilas dieléctricas multicapa periódicas , demostrando que podían efectuar una banda prohibida fotónica en una dimensión. El interés por la investigación creció con el trabajo realizado en 1987 por Eli Yablonovitch y Sajeev John sobre estructuras ópticas periódicas con más de una dimensión, ahora llamadas cristales fotónicos.

Introducción

Difracción de una estructura periódica en función de la longitud de onda incidente. En algunos rangos de longitud de onda, la onda no puede penetrar la estructura.

Los cristales fotónicos están compuestos de microestructuras o nanoestructuras dieléctricas , metalodieléctricas o incluso superconductoras periódicas que afectan la propagación de ondas electromagnéticas de la misma manera que el potencial periódico en un cristal semiconductor afecta la propagación de electrones , determinando bandas de energía electrónica permitidas y prohibidas . Los cristales fotónicos contienen regiones que se repiten regularmente de índice de refracción alto y bajo . Las ondas de luz pueden propagarse a través de esta estructura o puede no permitirse la propagación, dependiendo de su longitud de onda. Las longitudes de onda que pueden propagarse en una dirección determinada se denominan modos y los rangos de longitudes de onda que se propagan se denominan bandas . Las bandas de longitudes de onda no permitidas se denominan bandas prohibidas fotónicas . Esto da lugar a distintos fenómenos ópticos, como la inhibición de la emisión espontánea , [4] espejos omnidireccionales de alta reflexión y guías de ondas de baja pérdida . La banda prohibida de los cristales fotónicos puede entenderse como la interferencia destructiva de múltiples reflejos de luz que se propagan en el cristal en cada interfaz entre capas de regiones de índice de refracción alto y bajo, similar a las bandas prohibidas de los electrones en los sólidos.

Hay dos estrategias para abrir la banda prohibida fotónica completa. El primero es aumentar el contraste del índice de refracción para que la banda prohibida en cada dirección se haga más amplia y el segundo es hacer que la zona de Brillouin se parezca más a una esfera. [5] Sin embargo, el primero está limitado por las tecnologías y materiales disponibles y el segundo está restringido por el teorema de restricción cristalográfica . Por esta razón, los cristales fotónicos con banda prohibida completa demostrados hasta la fecha tienen una red cúbica centrada en las caras con la zona de Brillouin más esférica y están hechos de materiales semiconductores de alto índice de refracción. Otro enfoque consiste en explotar estructuras cuasicristalinas sin límites de cristalografía. Se informó una banda prohibida fotónica completa para muestras de polímeros cuasicristalinos de bajo índice fabricadas mediante impresión 3D. [6]

La periodicidad de la estructura del cristal fotónico debe ser alrededor o mayor que la mitad de la longitud de onda (en el medio) de las ondas de luz para que se presenten efectos de interferencia. La longitud de onda de la luz visible varía entre aproximadamente 400 nm (violeta) y aproximadamente 700 nm (roja) y la longitud de onda resultante dentro de un material requiere dividirla por el índice promedio de refracción . Por lo tanto, las regiones repetidas de constante dieléctrica alta y baja deben fabricarse a esta escala. En una dimensión, esto se logra de manera rutinaria utilizando técnicas de deposición de películas delgadas .

Historia

Los cristales fotónicos se han estudiado de una forma u otra desde 1887, pero nadie utilizó el término cristal fotónico hasta más de 100 años después, después de que Eli Yablonovitch y Sajeev John publicaran dos artículos históricos sobre cristales fotónicos en 1987. [4] [ 7] La historia temprana está bien documentada en forma de historia cuando la Sociedad Estadounidense de Física la identificó como uno de los desarrollos históricos en física . [8]

Antes de 1987, los cristales fotónicos unidimensionales en forma de pilas dieléctricas multicapa periódicas (como el espejo de Bragg ) se estudiaban exhaustivamente. Lord Rayleigh comenzó su estudio en 1887, [9] demostrando que tales sistemas tienen una banda prohibida fotónica unidimensional, un rango espectral de gran reflectividad, conocido como banda de parada . Hoy en día, estas estructuras se utilizan en una amplia gama de aplicaciones, desde revestimientos reflectantes hasta mejorar la eficiencia de los LED y espejos altamente reflectantes en ciertas cavidades láser (ver, por ejemplo, VCSEL ). Las bandas de paso y de parada en los cristales fotónicos fueron llevadas a la práctica por primera vez por Melvin M. Weiner [10] , quien llamó a esos cristales "medios discretos ordenados en fases". Weiner logró esos resultados extendiendo la teoría dinámica de Darwin [11] para la difracción de Bragg de rayos X a longitudes de onda arbitrarias, ángulos de incidencia y casos en los que el frente de onda incidente en un plano reticular se dispersa apreciablemente en la dirección de dispersión hacia adelante. Vladimir P. Bykov, [12] realizó un estudio teórico detallado de las estructuras ópticas unidimensionales, quien fue el primero en investigar el efecto de una banda prohibida fotónica en la emisión espontánea de átomos y moléculas incrustadas dentro de la estructura fotónica. Bykov también especuló sobre lo que podría suceder si se utilizaran estructuras ópticas periódicas bidimensionales o tridimensionales. [13] El concepto de cristales fotónicos tridimensionales fue discutido luego por Ohtaka en 1979, [14] quien también desarrolló un formalismo para el cálculo de la estructura de bandas fotónicas. Sin embargo, estas ideas no despegaron hasta después de la publicación de dos artículos históricos en 1987 por Yablonovitch y John. Ambos artículos se referían a estructuras ópticas periódicas de alta dimensión, es decir, cristales fotónicos. El objetivo principal de Yablonovitch era diseñar densidad fotónica de estados para controlar la emisión espontánea de materiales incrustados en el cristal fotónico. La idea de John era utilizar cristales fotónicos para afectar la localización y el control de la luz.

Después de 1987, el número de trabajos de investigación sobre cristales fotónicos comenzó a crecer exponencialmente. Sin embargo, debido a la dificultad de fabricar estas estructuras a escalas ópticas (ver Desafíos de fabricación), los primeros estudios fueron teóricos o en el régimen de microondas, donde se pueden construir cristales fotónicos en la escala de centímetros más accesible. (Este hecho se debe a una propiedad de los campos electromagnéticos conocida como invariancia de escala. En esencia, los campos electromagnéticos, como soluciones a las ecuaciones de Maxwell , no tienen una escala de longitud natural, por lo que las soluciones para la estructura de escala en centímetros en frecuencias de microondas son las mismas que para estructuras a escala nanométrica en frecuencias ópticas.)

En 1991, Yablonovitch había demostrado la primera banda prohibida fotónica tridimensional en el régimen de microondas. [5] La estructura que Yablonovitch pudo producir implicó perforar una serie de agujeros en un material transparente, donde los agujeros de cada capa forman una estructura de diamante inversa; hoy se conoce como Yablonovite .

En 1996, Thomas Krauss demostró un cristal fotónico bidimensional en longitudes de onda ópticas. [15] Esto abrió el camino para fabricar cristales fotónicos en materiales semiconductores tomando prestados métodos de la industria de los semiconductores.

Pavel Cheben demostró un nuevo tipo de guía de ondas de cristal fotónico: la guía de ondas de rejilla de sublongitud de onda (SWG). [16] [17] La ​​guía de ondas SWG opera en una región por debajo de la longitud de onda, lejos de la banda prohibida. Permite controlar directamente las propiedades de la guía de ondas mediante la ingeniería a nanoescala del metamaterial resultante , al tiempo que mitiga los efectos de interferencia de las ondas. Esto proporcionó "un grado de libertad faltante en la fotónica" [18] y resolvió una limitación importante en la fotónica del silicio , que era que su conjunto restringido de materiales disponibles era insuficiente para lograr funciones ópticas complejas en el chip. [19] [20]

Hoy en día, estas técnicas utilizan placas de cristal fotónico, que son cristales fotónicos bidimensionales "grabados" en placas de semiconductor. La reflexión interna total confina la luz a la losa y permite efectos de cristal fotónico, como la ingeniería de dispersión fotónica en la losa. Investigadores de todo el mundo están buscando formas de utilizar placas de cristal fotónico en chips de computadora integrados para mejorar el procesamiento óptico de las comunicaciones, tanto dentro del chip como entre chips. [ cita necesaria ]

Técnica de fabricación de autoclonación, propuesta para cristales fotónicos de rango visible e infrarrojo por Sato et al. en 2002, utiliza litografía por haz de electrones y grabado en seco : las capas de surcos periódicos formadas litográficamente se apilan mediante deposición por pulverización regulada y grabado, lo que da como resultado "corrugaciones estacionarias" y periodicidad. Se produjeron dispositivos de dióxido de titanio / sílice y pentóxido de tantalio /sílice, aprovechando sus características de dispersión y su idoneidad para la deposición por pulverización catódica. [21]

Estas técnicas aún tienen que madurar hasta convertirse en aplicaciones comerciales, pero los cristales fotónicos bidimensionales se utilizan comercialmente en fibras de cristal fotónico [22] (también conocidas como fibras perforadas, debido a los orificios de aire que las atraviesan). Las fibras de cristal fotónico fueron desarrolladas por primera vez por Philip Russell en 1998 y pueden diseñarse para poseer propiedades mejoradas sobre las fibras ópticas (normales) .

Los estudios han avanzado más lentamente en cristales fotónicos tridimensionales que en bidimensionales. Esto se debe a que la fabricación es más difícil. [22] La fabricación de cristales fotónicos tridimensionales no tenía técnicas heredables de la industria de semiconductores a las que recurrir. Sin embargo, se han hecho intentos de adaptar algunas de las mismas técnicas y se han demostrado ejemplos bastante avanzados, [23] por ejemplo en la construcción de estructuras de "pilas de leña" construidas sobre una base plana capa por capa. Otra línea de investigación ha intentado construir estructuras fotónicas tridimensionales a partir del autoensamblaje , esencialmente dejando que una mezcla de nanoesferas dieléctricas se asiente desde la solución en estructuras periódicas tridimensionales que tienen bandas prohibidas fotónicas. El grupo de Vasily Astratov del Instituto Ioffe se dio cuenta en 1995 de que los ópalos naturales y sintéticos son cristales fotónicos con una banda prohibida incompleta. [24] La primera demostración de una estructura de "ópalo inverso" con una banda prohibida fotónica completa se produjo en 2000, por investigadores de la Universidad de Toronto y el Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC), España. [25] El campo en constante expansión de la fotónica natural, la bioinspiración y la biomimética (el estudio de las estructuras naturales para comprenderlas y utilizarlas mejor en el diseño) también está ayudando a los investigadores en cristales fotónicos. [26] [27] [28] [29] Por ejemplo, en 2006 se descubrió un cristal fotónico natural en las escamas de un escarabajo brasileño. [30] De manera análoga, en 2012 se encontró una estructura cristalina de diamante en un gorgojo [31] [32] y una arquitectura de tipo giroide en una mariposa. [33] Más recientemente, se han encontrado cristales fotónicos giroides en las púas de las plumas de los pájaros hoja de alas azules y son responsables de la coloración azul brillante del pájaro. [34] Algunas publicaciones sugieren la viabilidad de la banda prohibida fotónica completa en el rango visible en cristales fotónicos con medios ópticamente saturados que se puede implementar mediante el uso de luz láser como una bomba óptica externa. [35]

Estrategias de construcción

El método de fabricación depende del número de dimensiones en las que debe existir la banda prohibida fotónica.

Cristales fotónicos unidimensionales

Para producir un cristal fotónico unidimensional, se pueden depositar periódicamente capas de película delgada de diferente constante dieléctrica sobre una superficie, lo que conduce a una banda prohibida en una dirección de propagación particular (como la normal a la superficie). Una rejilla de Bragg es un ejemplo de este tipo de cristal fotónico. Los cristales fotónicos unidimensionales pueden incluir capas de materiales ópticos no lineales en los que el comportamiento no lineal se acentúa debido a la mejora del campo en longitudes de onda cercanas al llamado borde de banda degenerado. Esta mejora de campo (en términos de intensidad) puede llegar a donde N es el número total de capas. Sin embargo, se ha demostrado que mediante el uso de capas que incluyen un material ópticamente anisotrópico se puede lograr una mejora del campo que, junto con la óptica no lineal, tiene aplicaciones potenciales como, por ejemplo, en el desarrollo de un interruptor totalmente óptico . [36]

Se puede implementar un cristal fotónico unidimensional utilizando capas alternas repetidas de un metamaterial y vacío. [37] Si el metamaterial es tal que la permitividad y permeabilidad relativas siguen la misma dependencia de la longitud de onda, entonces el cristal fotónico se comporta de manera idéntica para los modos TE y TM , es decir, para las polarizaciones s y p de la luz incidente en ángulo.

Recientemente, los investigadores fabricaron una rejilla de Bragg (cristal fotónico unidimensional) a base de grafeno y demostraron que admite la excitación de ondas electromagnéticas superficiales en la estructura periódica utilizando un láser He-Ne de 633 nm como fuente de luz. [38] Además, también se ha propuesto un nuevo tipo de cristal fotónico dieléctrico de grafeno unidimensional. Esta estructura puede actuar como un filtro de infrarrojos lejanos y puede admitir plasmones de superficie de baja pérdida para aplicaciones de detección y guías de ondas. [39] También se han propuesto cristales fotónicos 1D dopados con metales bioactivos (es decir, plata ) como dispositivos de detección de contaminantes bacterianos . [40] Se han utilizado cristales fotónicos 1D planos similares hechos de polímeros para detectar vapores de compuestos orgánicos volátiles en la atmósfera. [41] [42] Además de los cristales fotónicos en fase sólida, algunos cristales líquidos con orden definido pueden demostrar color fotónico. [43] Por ejemplo, los estudios han demostrado que varios cristales líquidos con ordenamiento posicional unidimensional de corto o largo alcance pueden formar estructuras fotónicas. [43]

Cristales fotónicos bidimensionales

En dos dimensiones, se pueden perforar agujeros en un sustrato que sea transparente a la longitud de onda de radiación que la banda prohibida está diseñada para bloquear. Se han empleado con éxito redes de agujeros triangulares y cuadrados.

La fibra Holey o fibra de cristal fotónico se puede fabricar tomando varillas cilíndricas de vidrio en una red hexagonal y luego calentándolas y estirándolas; los espacios de aire en forma de triángulo entre las varillas de vidrio se convierten en los orificios que confinan los modos.

Cristales fotónicos tridimensionales

Hay varios tipos de estructuras que se han construido: [44]

Una fibra de cristal fotónico
Una fibra de cristal fotónico. Imágenes SEM de fibra producida por NRL de EE. UU . (izquierda) El diámetro del núcleo sólido en el centro de la fibra es de 5 µm, mientras que (derecha) el diámetro de los agujeros es de 4 µm. Fuente: http://www.nrl.navy.mil/techtransfer/fs.php?fs_id=97
Una imagen SEM de un cristal fotónico de PMMA autoensamblado en dos dimensiones.

Cavidades de cristal fotónico

No solo la banda prohibida, los cristales fotónicos pueden tener otro efecto si eliminamos parcialmente la simetría mediante la creación de una cavidad de tamaño nanométrico . Este defecto permite guiar o atrapar la luz con la misma función que el resonador nanofotónico y se caracteriza por la fuerte modulación dieléctrica en los cristales fotónicos. [51] Para la guía de ondas, la propagación de la luz depende del control en el plano proporcionado por la banda prohibida fotónica y del largo confinamiento de la luz inducido por el desajuste dieléctrico. En el caso de la trampa de luz, la luz queda fuertemente confinada en la cavidad, lo que da lugar a mayores interacciones con los materiales. Primero, si ponemos un pulso de luz dentro de la cavidad, se retrasará nanosegundos o picosegundos y esto es proporcional al factor de calidad de la cavidad. Finalmente, si colocamos un emisor dentro de la cavidad, la luz de emisión también se puede mejorar significativamente e incluso el acoplamiento resonante puede pasar por la oscilación de Rabi. Esto está relacionado con la electrodinámica cuántica de cavidades y las interacciones se definen por el acoplamiento fuerte y débil del emisor y la cavidad. Los primeros estudios para la cavidad en losas fotónicas unidimensionales suelen realizarse en rejillas [52] o estructuras de retroalimentación distribuida . [53] Para las cavidades de cristal fotónico bidimensionales, [54] [55] [56] son ​​útiles para fabricar dispositivos fotónicos eficientes en aplicaciones de telecomunicaciones, ya que pueden proporcionar un factor de calidad muy alto de hasta millones con un volumen de modo más pequeño que la longitud de onda. . Para las cavidades de cristales fotónicos tridimensionales, se han desarrollado varios métodos, incluido el enfoque litográfico capa por capa, [57] litografía por haz de iones de superficie , [58] y la técnica de micromanipulación . [59] Todas las cavidades de cristal fotónico mencionadas que confinan estrechamente la luz ofrecen una funcionalidad muy útil para los circuitos fotónicos integrados, pero es un desafío producirlas de una manera que permita reubicarlas fácilmente. [60] No hay control total con la creación de la cavidad, la ubicación de la cavidad y la posición del emisor en relación con el campo máximo de la cavidad mientras los estudios para resolver esos problemas aún están en curso. La cavidad móvil de nanocables en cristales fotónicos es una de las soluciones para adaptar esta interacción de la materia ligera. [61]

Desafíos de fabricación

La fabricación de cristales fotónicos de dimensiones superiores enfrenta dos desafíos principales:

Un método de fabricación prometedor para cristales fotónicos periódicos bidimensionales es una fibra de cristal fotónico, como una fibra perforada . Utilizando técnicas de estiramiento de fibra desarrolladas para fibras de comunicaciones , se cumplen estos dos requisitos y las fibras de cristal fotónico están disponibles comercialmente. Otro método prometedor para desarrollar cristales fotónicos bidimensionales es la denominada losa de cristal fotónico. Estas estructuras consisten en una losa de material, como el silicio , al que se le puede modelar utilizando técnicas de la industria de los semiconductores. Estos chips ofrecen la posibilidad de combinar el procesamiento fotónico con el procesamiento electrónico en un solo chip.

Para los cristales fotónicos tridimensionales, se han utilizado varias técnicas, incluida la fotolitografía y técnicas de grabado similares a las utilizadas para los circuitos integrados . [23] Algunas de estas técnicas ya están disponibles comercialmente. Para evitar la compleja maquinaria de los métodos nanotecnológicos , algunos enfoques alternativos implican el cultivo de cristales fotónicos a partir de cristales coloidales como estructuras autoensambladas.

Ahora se pueden producir películas y fibras de cristal fotónico 3D a escala masiva utilizando una técnica de ensamblaje por cizallamiento que apila esferas de polímero coloidal de 200 a 300 nm en películas perfectas de red de fcc . Debido a que las partículas tienen una capa de caucho transparente más suave, las películas se pueden estirar y moldear, ajustando las bandas prohibidas fotónicas y produciendo sorprendentes efectos de color estructurales .

Computar la estructura de la banda fotónica.

La banda prohibida fotónica (PBG) es esencialmente la brecha entre la línea de aire y la línea dieléctrica en la relación de dispersión del sistema PBG. Para diseñar sistemas de cristal fotónico, es esencial diseñar la ubicación y el tamaño de la banda prohibida mediante modelado computacional utilizando cualquiera de los siguientes métodos:

Una simulación en vídeo de fuerzas y campos de dispersión en una estructura de cristal fotónico [62]

Esencialmente, estos métodos resuelven las frecuencias (modos normales) del cristal fotónico para cada valor de la dirección de propagación dada por el vector de onda, o viceversa. Las distintas líneas en la estructura de bandas corresponden a los diferentes casos de n , el índice de bandas. Para una introducción a la estructura de bandas fotónicas, consulte los libros de K. Sakoda [66] y Joannopoulos [51] .

Estructura de bandas de un cristal fotónico 1D, núcleo de aire DBR calculado mediante la técnica de expansión de onda plana con 101 ondas planas, para d/a=0,8 y contraste dieléctrico de 12,250.

El método de expansión de onda plana se puede utilizar para calcular la estructura de banda utilizando una formulación propia de las ecuaciones de Maxwell y, así, resolviendo las frecuencias propias para cada una de las direcciones de propagación de los vectores de onda. Resuelve directamente el diagrama de dispersión. Los valores de intensidad del campo eléctrico también se pueden calcular en el dominio espacial del problema utilizando los vectores propios del mismo problema. Para la imagen que se muestra a la derecha, corresponde a la estructura de bandas de un reflector de Bragg distribuido 1D ( DBR ) con núcleo de aire intercalado con un material dieléctrico de permitividad relativa 12,25 y una relación entre el período reticular y el espesor del núcleo de aire (d/ a) de 0,8, se resuelve utilizando 101 ondas planas sobre la primera zona de Brillouin irreducible . El método de dispersión inversa también aprovechó la expansión de la onda plana, pero formula la ecuación de Maxwell como un problema propio para el vector de onda k, mientras que la frecuencia se considera un parámetro. [63] Por lo tanto, resuelve la relación de dispersión en lugar de lo que hace el método de onda plana. El método de dispersión inversa permite encontrar valores complejos del vector de onda, por ejemplo en la banda prohibida, lo que permite distinguir los cristales fotónicos del metamaterial. Además, el método está preparado para tener en cuenta la dispersión de frecuencia de la permitividad.

Para acelerar el cálculo de la estructura de la banda de frecuencia, se puede utilizar el método de expansión reducida del modo Bloch (RBME) . [67] El método RBME se aplica "además" de cualquiera de los métodos de expansión principales mencionados anteriormente. Para modelos de celdas unitarias grandes, el método RBME puede reducir el tiempo necesario para calcular la estructura de bandas hasta en dos órdenes de magnitud.

Aplicaciones

Los cristales fotónicos son materiales ópticos atractivos para controlar y manipular el flujo de luz. Los cristales fotónicos unidimensionales ya se utilizan ampliamente, en forma de ópticas de película delgada , con aplicaciones que van desde recubrimientos de baja y alta reflexión en lentes y espejos hasta pinturas y tintas que cambian de color . [68] [69] [48] Los cristales fotónicos de dimensiones superiores son de gran interés tanto para la investigación fundamental como para la aplicada, y los de dos dimensiones están comenzando a encontrar aplicaciones comerciales.

Los primeros productos comerciales que involucran cristales fotónicos periódicos bidimensionales ya están disponibles en forma de fibras de cristal fotónico, que utilizan una estructura de microescala para confinar la luz con características radicalmente diferentes en comparación con la fibra óptica convencional para aplicaciones en dispositivos no lineales y guías de longitudes de onda exóticas. Las contrapartes tridimensionales aún están lejos de la comercialización, pero pueden ofrecer características adicionales, como la no linealidad óptica requerida para el funcionamiento de los transistores ópticos utilizados en las computadoras ópticas , cuando algunos aspectos tecnológicos, como la capacidad de fabricación y las principales dificultades, como el desorden, estén bajo control. [70] [ cita necesaria ]

Las guías de ondas de cristal fotónico SWG han facilitado nuevos dispositivos fotónicos integrados para controlar la transmisión de señales luminosas en circuitos integrados fotónicos, incluidos acopladores de chips de fibra, cruces de guías de ondas, multiplexores de modos y longitudes de onda, interruptores ópticos ultrarrápidos, guías de ondas atérmicas, sensores bioquímicos y circuitos de gestión de polarización. , acopladores de interferencia de banda ancha, lentes de guía de ondas planas, guías de ondas anisotrópicas, nanoantenas y conjuntos ópticos en fase. [19] [71] [72] Los acopladores nanofotónicos SWG permiten un acoplamiento altamente eficiente e independiente de la polarización entre chips fotónicos y dispositivos externos. [17] Se han adoptado para el acoplamiento de chips de fibra en la fabricación de chips optoelectrónicos en volumen. [73] [74] [75] Estas interfaces de acoplamiento son particularmente importantes porque cada chip fotónico necesita estar conectado ópticamente con el mundo externo y los propios chips aparecen en muchas aplicaciones establecidas y emergentes, como redes 5G, interconexiones de centros de datos, chips interconexiones -a chip, sistemas de telecomunicaciones de metro y de larga distancia y navegación para automóviles.

Además de lo anterior, los cristales fotónicos han sido propuestos como plataformas para el desarrollo de células solares [76] y sensores ópticos, [77] incluidos sensores químicos y biosensores. [78] [79]

Ver también

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con los cristales fotónicos .

Referencias

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