Cristal fotónico
Un cristal fotónico es un material estructurado de forma que su función dieléctrica varíe periódicamente en el espacio.
Los cristales fotónicos aparecen en la naturaleza y han sido estudiados por los científicos con diversos intereses durante los últimos 100 años.
Básicamente, los cristales fotónicos contienen regiones internas con constantes dieléctricas altas y bajas que se repiten de forma regular.
Esto hace que la elaboración de cristales fotónicos sea tediosa y difícil.
Dicho de otro modo, al igual que en materiales eléctricos existen bandas de energía prohibida para los electrones, en los cristales fotónicos, existen rangos prohibidos para los fotones.
(Bien dicho se diría que no existen estados disponibles para esas energías en el interior del material).
Es decir, un cristal fotónico es un material en el que existe un índice de refracción periódico en el espacio.
Además, para que pueda darse este fenómeno debe de ser un material no absorbente.
La periodicidad del índice de refracción puede ser en una, dos o las tres direcciones.
Así por ejemplo separaciones periódicas del orden del milímetro o de la micra, darán lugar a vacíos fotónicos en el rango de las microondas o el infrarrojo respectivamente.
Si se considera un medio lineal, densidades de carga y fuentes de corriente nulas, se pueden formular dos ecuaciones a partir del campo eléctrico o del campo magnético.
, propagándose por un medio cuya permitividad relativa es una función en el espacio de la siguiente forma:
Escrita así solo hace falta mirar líneas más arriba para comprobar su similitud con la ecuación (1).
Hay una diferencia esencial, en la aparición de los estados ligados para los fotones respecto a los electrones.
Lord Rayleigh empezó a estudiarlos en 1887,[4] mostrando que dichos sistemas poseen una banda fotónica prohibida, un rango espectral de gran reflexión, en una dimensión.
Bykov incluso pronosticó qué podría ocurrir si se empleasen estructuras bi- y tridimensionales.
Ambos artículos consideraron estructuras periódicas, cristales fotónicos, de alta dimensionalidad.
Sin embargo, debido a la dificultad que implica el fabricar estas estructuras a escala óptica (ver Fabricación), los estudios anteriores eran o bien teoréticos o en el rango de las microondas, donde los cristales fotónicos pueden ser fabricados en la mucho más accesible escala de los centímetros.
En 1991 Yablonovitch mostró la primera banda fotónica prohibida en tres dimensiones en el orden de las microondas.
El estudio de los cristales fotónicos tridimensionales ha evolucionado más despacio que su homólogo bidimensional.
Otra línea de investigación consiste en fabricar las estructuras fotónicas tridimensionales mediante auto-ensamblaje, básicamente se trata de permitir que nanoesferas dieléctricas suspendidas en un disolvente se dispongan en estructuras trimensionales periódicas que posean una banda fotónica prohibida (ver Cristales fotónicos coloidales).
El mayor desafío para obtener cristales fotónicos de alta dimensionalidad es la fabricación de estas estructuras con suficiente precisión para prevenir pérdidas debidas a la dispersión que atenúen las propiedades del cristal y que permitan su fabricación en serie.
Para los cristales fotónicos tridimensionales varias técnicas han sido usadas incluyendo la fotolitografía y técnicas de grabado similares a las usadas en la fabricación de circuitos integrados.
Algunas de estas técnicas están ya disponibles, por ejemplo; “Nanoscibe´s Direct Laser Writing system”.
La banda fotónica prohibida es básicamente un salto entre la línea del aire y la línea del dieléctrico en la estructura de bandas de energía debido a la dispersión refractiva.
La solución se obtiene aplicando ondas planas en 101 sobre la primera zona de Brillouin.
Los cristales fotónicos son atractivos materiales con propiedades ópticas que permiten controlar y manipular el flujo de luz.
Los cristales fotónicos de mayor dimensionalidad son de gran interés tanto para la investigación teórica como práctica y los bidimensionales empiezan a encontrar usos comerciales.
Los primeros productos comercializados que incluían cristales fotónicos periódicos en dos dimensiones son las fibras microestructuradas, que gracias a su estructura microscópica confinan la luz con resultados radicalmente mejores que para las fibras ópticas convencionales y encuentran su aplicación en aparatos de óptica no lineal y como insólitas guías de luz.
Sus análogos en tres dimensiones están lejos de llegar a comercializarse pero ofrecen características adicionales que pueden dar lugar a un nuevo concepto de tecnologías (por ejemplo; computadores ópticos) una vez que se controlen ciertas facetas tecnológicas como su fabricación y los principales problemas como el desorden en las estructuras.
