フォトニック結晶は、半導体結晶内の周期ポテンシャルが電子の動きに影響を与えるのと同じように、許容エネルギー帯と禁止エネルギー帯を作成して電磁波の伝播を変更するように設計された誘電体または金属材料の周期構造です。このような構造では、ある周波数または波長において電磁波 (EM) の伝播モードが存在しないことをバンド ギャップと呼びます。
フォトニック結晶の最も単純な形式は、「ブラッグミラー」とも呼ばれる多層スタックで構成される 1次元周期構造です。ギャップまたは禁止バンドを生成できることを初めて示したのは、1887 年のレイリー卿でした。バンド ギャップを持つ 2 次元または 3 次元の構造を生成する可能性は、1987 年に Eli Yablonovitch と Sajeev John によって始められました。
オパールは、シリカのマイクロビーズがほぼ規則的に配置された岩石です。実際、完全なバンドギャップを持たない場合でも（つまり、バンドギャップが材料の主な結晶学的方向すべてに沿って広がっているわけではありません）、それは天然のフォトニック結晶です。基礎となる物理現象は微細構造による光の回折であり、干渉を生成するには結晶の周期が入射光の波長の半分程度、つまり可視領域で機能するには 200 ～ 400 nm でなければなりません。同様に、海の虫アフロディタには、人間が作ったものよりも効率的なフォトニック結晶を構成する棘があります。
これらの構造は現在、自然放出の抑制、高反射率の全方位ミラー、低損失導波路などの光学分野における数多くの実験の源となっています…フォトニック結晶はすでに通信タイプのアプリケーションでの光の制御と操作を可能にしています。二次元結晶は確かに、アプリケーションの開発に必要な成熟レベルに達しています。 3 次元フォトニック結晶の製造はまだ研究段階にありますが、3Dフォノニック結晶はすでに存在しています…
マイクロ波では、これらのフォトニック結晶は電磁バンドギャップ材料と呼ばれることもあります。これらは、周期的な金属または金属誘電体のアセンブリを使用して作成されることが多く、電気通信で使用されるフィルター、アンテナ、およびさまざまなコンポーネントの製造が可能になります。
散布図
固体物理学と同様、フォトニック結晶はその分散図によって特徴付けられます。ブロッホ・フロケの定理により、結晶がサポートできる電磁モードの存在を判断できます。特定の伝播方向 (通常は波動ベクトルで与えられます) について、システムがサポートできるすべての固有周波数を報告します。この図は散布図と呼ばれ、波長と波数ベクトルの関数として考えられるモードを表します。
