Нанофотоника. 
Наноэлектроника

Зонные структуры фотонных кристаллов

Нанофотоника — смежная область наноэлектроники и фотоники, в которой исследуются физические явления, возникающие при взаимодействии фотонов с объектами нанометровых размеров, а также разрабатываются функциональные устройства обработки и хранения информации, технологии их производства.

В приборах и устройствах нанофотоники используется свет, локализованный в пространстве, много меньшем длины волны Х_у или в объеме, меньшем X³. Если в классической оптике существует фундаментальное ограничение разрешающей способности оптического изображения, связанное с наличием рэлеевского критерия для минимального размера различимого объекта, то в нанофотонике найдены способы преодоления данного критерия. При этом используются новые или модифицированные эффекты линейного и нелинейного, классического или квантового взаимодействия лазерного света с атомами, молекулами, кластерами и наноструктурами. Практическое развитие этой области основано на создании лазеров и нанотехнологий, которые позволяют создавать субмикронные структуры (наноотверстия, нанощели, наноиглы и т. д.) для локализации света в очень малых размерах.

Создание фотонных кристаллов и фотонно-кристаллических, или «дырчатых», волоконных световодов на их основе является одним из наиболее перспективных оптических технологий последних лет. В построении модели фотонных кристаллов особую роль сыграла зонная теория структуры твердых тел. Для носителей заряда (электронов), находящихся в периодическом потенциале кристаллической решетки, существуют определенные разрешенные и запрещенные энергетические зоны, обусловленные этим потенциалом.

На рис. 5.78 приведена схема дифракции света на периодических структурах различной размерности. При рассеянии фотонов на 1 D-кристалле нити образуют конические поверхности. Па 20-структурах находятся такие направления распространения дифрагировавших лучей, для которых условие максимума интерференции выполнено, и формируется совокупность изолированных друг от друга лучей. В случае ЗО-структуры условие максимума интерференции для данной длины волны может оказаться невыполнимым ни для одного из направлений в пространстве. Распространение фотонов с такими длинами волн в трехмерном кристалле невозможно, а соответствующие им энергии образуют запрещенные фотонные зоны.

Роль периодического потенциала решетки выполняют периодические изменения диэлектрической проницаемости или показателя преломления в волноводной среде. Понятия «фотонный кристалл» и «фотонная запрещенная зона» стали ключевыми терминами новейшего направления современной оптики.