Cristalli fotonici

CRISTALLI FOTONICI
I cristalli fotonici nascono dall’osservazione della natura: le
ali di farfalla hanno una struttura periodica che seleziona e
riflette completamente determinate lunghezze d’onda,
facendoci vedere colori brillanti.
Un opale
Le ali di una farfalla
CRISTALLI FOTONICI 1
I cristalli fotonici sono strutture in cui l’interazione della luce con il materiale
avviene su una scala di poche lunghezze d’onda così da permettere una riduzione
della dimensione dei componenti fino a 106 volte rispetto ai tradizionali componenti
ottici ed optoelettronici integrati.
I cristalli fotonici sono strutture dielettriche periodiche caratterizzate da un “band
gap fotonico” (PBG, Photonic Band Gap) tale che frequenze comprese entro un
determinato intervallo non possono propagarsi all’interno del mezzo.
Le loro proprietà dipendono principalmente dalla “regolarità” della struttura e
dall’elevato indice di rifrazione.
I cristalli fotonici possono assumere una configurazione monodimensionale (1-D),
bidimensionale (2-D) e tridimensionale (3-D).
Un cristallo 1-D si ottiene alternando strati di materiale ad alto indice di rifrazione
con altri con indice di rifrazione più basso in modo da realizzare una struttura
periodica.
Una struttura 2-D si ottiene realizzando in un generico substrato dei “forellini” di
spessore e profondità determinati in maniera opportuna, tale da ottenere una
struttura periodica bidimensionale.
I cristalli 3-D sono ovviamente più complessi poiché richiedono una struttura
isotropa: tra le tecniche adottate si ha il cosiddetto “impilamento” (stacking) che
consiste nella “costruzione” del cristallo “strato per strato”.
CRISTALLI FOTONICI
La presenza di una periodicità determina interferenza costruttiva o
distruttiva e quindi il passaggio o meno della radiazione.
Questo determina la nascita di una Bandgap Ottica
E’ possibile individuare per i cristalli fotonici tre possibili bande: la
banda dielettrica, di cui fanno parte tutte le frequenze per le quali
l’onda è maggiormente concentrata nel mezzo ad indice di rifrazione
maggiore, la banda d’aria, che è costituita da tutte le frequenze per le
quali, invece, l’onda è maggiormente concentrata
nel mezzo ad indice di rifrazione
minore, ed infine la banda proibita
(photonic band gap), ossia l’insieme
di frequenze che non possono
transitare all’interno del cristallo
fotonico.
CRISTALLI FOTONICI 2
Le proprietà dei cristalli fotonici permettono di realizzare guide d’onda fotoniche,
anche con curvature più “aspre” rispetto a quelle ottenibili con fibre ottiche
standard, separatori di fascio ottico (beam splitter), led e laser molto efficienti dal
punto di vista della dissipazione termica, giunzioni a Y e filtri ad elevata selettività.
a) Esempio di guida d’onda; b) esempio di filtro ottico; c) esempio di laser
CRISTALLI FOTONICI 3
I cristalli fotonici possono essere impiegati per realizzare guide d’onda ottiche:
esse possono essere costituite, ad esempio, da una singola linea di cilindri
“mancanti” all’interno della quale si propaga il segnale ottico (Fig.a).
Le proprietà dei cristalli fotonici permettono la realizzazione di curvature “secche”,
di 60° oppure di 90°, con bassissime perdite. Ciò permette di costruire giunzioni a
Y, alla base di strutture interferometriche di tipo Mach-Zehnder.
Possono essere realizzati filtri ottici (Fig.b), ad esempio mediante la rimozione
selettiva di “fori” in una struttura 2-D. La possibilità di intervenire a livello strutturale
modificando la dimensione dei fori permette di sagomare la risposta del filtro,
ottenendo anche profili fortemente selettivi in lunghezza d’onda.
Un’altra fondamentale applicazione è rappresentata dal laser a cristalli fotonici,
ottenibili introducendo nei “microtubi” materiali opportuni (come, ad esempio,
coloranti dye) per realizzare il mezzo attivo della sorgente laser. Nell’esempio in
Fig.c, è stato realizzato un cammino periodico di “cilindri” verticali in cui è presente
un difetto rappresentato, in questo caso, da un anello privo di tali cilindri: la luce è
forzata ad essere “intrappolata” all’interno dell’area difettata generando così
l’oscillazione laser.
E’ possibile realizzare sorgenti laser che emettono orizzontalmente e verticalmente
e che possono essere strutturate in configurazioni a schiera (tunable array).
(F, G )   dr F (r )  G (r )  (F, G )  (G, F)
*
*
(F, G )  (F, G ) (operatore hermitiano )
PhC 2 - D
Esempio di cristallo fotonico bidimensionale (2-D). Il “reticolo” è costituito da
colonne cilindriche di dielettrico di raggio r e costante dielettrica e. Il materiale è
omogeneo nella direzione z (i cilindri hanno un’ “altezza” molto più grande del
raggio) mentre presenta una struttura reticolare sul piano x-y con costante
reticolare “a” (“celle” costituite da quattro cilindri i cui “centri” formano un quadrato
di lato “a”).
FIBRE A CRISTALLI FOTONICI
PCF (Photonic Crystal Fibre)
Le fibre a cristalli fotonici sono strutture caratterizzate da una determinata
configurazione di microtubi di aria che corrono per tutta la loro lunghezza.
Queste strutture presentano caratteristiche propagative particolari:
- propagazione singolo-modo nell’intera regione spettrale da 400 a 2000 nm;
- area di modo ampia;
- effetti di band gap ottici.
Tali caratteristiche ne consentono l’impiego in molte applicazioni, anche perché i
microtubi possono essere riempiti di gas, di liquidi o di altre “sostanze” tali da
determinare una molteplicità di effetti.
La progettazione di tali componenti è rivolta all’ottimizzazione di alcuni parametri
della fibra, come la dispersione cromatica, l’area efficace, la dispersione di
polarizzazione.
E’ possibile progettare fibre altamente birifrangenti da utilizzare come fibre a
mantenimento di polarizzazione.
Sinora sono state raggiunte lunghezze non superiori ai 100 m.
Le PCF permettono di guidare la “luce in aria” sfruttando il “band gap fotonico”
(PBG, Photonic BandGap).
Fibra a Cristallo Fotonico (PCF)
La filatura di queste fibre è caratterizzata da alti costi.
Si crea una preforma di grandi
dimensioni piena di “tubicini” e poi si
fila in una torre di filatura simile a
quella delle fibre standard.
Fibra a Cristallo Fotonico (PCF)
L’utilizzo dei cristalli fotonici per la realizzazione di fibre ottiche ha permesso
di ottenere proprietà molto interessanti:
- le proprietà guidanti possono essere ingegnerizzate in maniera efficace,
aggiustando i parametri geometrici delle microstrutture;
- l’introduzione di anisotropie nella struttura della fibra permette di realizzare
fibre altamente birifrangenti “a singola polarizzazione”, singolo-modo,
“polarizzanti”,
Fibra a Cristallo Fotonico (PCF)
Segnale ottico confinato
nel core della fibra.
Fibra ottica a cristallo fotonico.
Dimensioni contenute della fibra permettono di
ottenere buoni risultati in termini di efficienza
e dispositivi con dimensioni molto compatte.
Materiale: Pure Silica
Dimensione Core (Triangular Core Av Diam): 2.1 μm
Diametro Cladding: 128 μm
Attenuazione: < 9 dB/km
Mode Field Diameter (1550nm): 2.8 μm
NA (1550nm): 0.4
g : 11 (W∙km)-1
Lunghezze Disponibili: 20m, 50m