الکترونیک و مواد نوری

فیبرهای نوری در ارتباطات کوتاهتر مانند شبکه های دسترسی محلی و ارتباطات کامپیوتر به کامپیوتر جایگزین سیم های الکتریکی می شوند. در یک شبکه کاملاً یکپارچه ، ارتباط بین تراشه های رایانه ای مجاور و حتی درون یک تراشه رایانه ای با پرتوهای کوچک نور لیزر و نه برق برقرار می شود. رایانه های نوری از این نوع ممکن است سریعتر بوده و از معماری عصبی (اتصالات مدار شبیه به مغز انسان) پشتیبانی کنند ، برخلاف نمونه های الکترونیکی آنها ، که به دلیل برقراری ارتباط الکتریکی بین سیمهای مجاور ، در معماری محدود شده اند. به این معنی که جریان الکتریکی در یک سیم می تواند سیگنال های الکتریکی را که از سیم های مجاور عبور می کنند مختل کند. از طرف دیگر ، پرتوهای لیزر می توانند بدون ایجاد اختلال در یکدیگر زندگی کنند.به دام انداختن  جریان نور مورد نیاز برای کاربردهای پیشنهادی بالا به موادی نیاز دارد که می توانند نور را بسیار قوی تر از هر ماده طبیعی دیگری پراکنده کنند. هنگامی که در یک روز ابری تاریک می شود ، پراکندگی چندگانه نور را تجربه می کنیم. نور خورشید بارها از قطرات آب پراکنده می شود و مسیر انتشار پیچیده ای را قبل از رسیدن به زمین طی می کند. مسافتی را که نور در ابر طی می کند قبل از اینکه در جهت تصادفی پراکنده شود ، میانگین مسیر آزاد نامیده می شود. اثر پراکندگی چندگانه این است که میزان نوری که از طریق ابر منتقل می شود با ضریب نسبت ضخامت ابر به میانگین مسیر آزاد کاهش می یابد. بقیه از طرف دیگر برمی گردند ، به همین دلیل ابرها سفید به نظر می رسند. پراکندگی چندگانه نور نیز در بافت انسان صورت می گیرد. در اینجا میانگین مسیر آزاد برای نور با طول موج 1 میکرومتر حدود 1 میلی متر است.

نه ابرها و نه بافت انسانی نمی توانند نور را به اندازه کافی پراکنده کنند تا نور را بومی کنند. برای این منظور مجموعه ای از ساختارهای دی الکتریک میکروسکوپی که نور را 1000 برابر قوی تر از بافت انسان پراکنده می کنند مورد نیاز است. در این حالت ، مسیر آزاد میانگین حمل  به اندازه طول موج خود نور کوتاه می شود. اگر علاوه بر پراکندگی رزونانس قوی ذرات دی الکتریک منفرد ، نظم دوره ای پراکندگان وجود داشته باشد ، مسیرهای انتشار نور در فواصل فرکانسی خاص را می توان به طور کامل حذف کرد. حذف مسیرها در تمام جهات در یک باند فرکانس ، ایجاد یک باند باند فوتونی (PBG) نامیده می شود. ریزساختارهای دی الکتریک که این اثر را نشان می دهند ، مواد PBG نامیده می شوند.

در میکرو مدارهای الکترونیکی ، جریانهای الکتریکی توسط سیمهای نازک فلزی هدایت می شوند. الکترون ها در سطح مقطع سیم توسط عملکرد به اصطلاح کار (محدود کننده پتانسیل) فلز متصل می شوند. در نتیجه ، جریانهای الکتریکی مسیری را که سیم تعیین کرده است بدون فرار به پس زمینه دنبال می کنند. وضعیت امواج نوری بسیار متفاوت است. اگرچه فیبرهای نوری نور را در فواصل طولانی هدایت می کنند ، اما مدارهای نوری بر اساس الیاف وجود ندارند. این به این دلیل است که فضای خالی در حال حاضر رسانای ایده آل امواج نور است. در صورت خم شدن یا تحریف فیبر در مقیاس میکروسکوپی ، نور موجود در یک فیبر نوری به راحتی می تواند به حالتهای الکترومغناطیسی پس زمینه فضای خالی برسد. مواد PBG این مشکل را با حذف همه حالتهای الکترومغناطیسی پس زمینه در باند فرکانسهای مربوط برطرف می کند. مسیرهای نوری را می توان در داخل یک ماده PBG به شکل کانال های موجبر مهندسی شده ایجاد کرد. PBG نور را محلی می کند و از خروج آن از میکرو مدار نوری جلوگیری می کند.

این سوال که آیا نور می تواند محلی شود را می توان در قالب قیاس بین معادلات ماکسول برای انتشار امواج الکترومغناطیسی و معادله شرودینگر برای الکترونهایی که در پتانسیل پراکندگی منتشر می شوند ، مطرح کرد. یک موج الکترومغناطیسی تک رنگ با فرکانس ω را در نظر بگیرید که در محیطی که ثابت دی الکتریک آن از نقطه ای به نقطه دیگر در فضا متفاوت است به عنوان

(1) ϵx = ϵ0+ϵfluctx.

در اینجا ، ε0 قسمت متوسط ​​ثابت دی الکتریک است و εfluct (x) بخشی از ثابت دی الکتریک را نشان می دهد که از نقطه ای به نقطه دیگر در فضا متفاوت است. ما فرض می کنیم که ساختار دی الکتریک نور را جذب نمی کند و ثابت کلی دی الکتریک در همه جا واقعی و مثبت است. معادله موج برای چنین میدان نوری با استفاده از داده شده است

(2) ɛɛ − ∇2E →+∇ → (∇ → ⋅E →) −ω2c2ɛfluct (x) E → = ω2c2ɛ0E.

معادله (2) به شکلی شبیه معادله کوانتومی مکانیک شرودینگر نوشته شده است. در اینجا ، دو عبارت اول آنالوگهای اصطلاحات “انرژی جنبشی” در معادله شرودینگر هستند (ω2 / c2) به معادله موج ماکسول (2) یک میدان موج بردار را در مقابل عملکرد موج پیچیده پیچیده در معادله شرودینگر توصیف می کند.

ظرافت اساسی مکان یابی نور از معادله آشکار است. (2) بر خلاف الکترونها ، که می توانند برای مقادیر ویژه منفی (حالتهای مقید) در چاههای بالقوه انرژی منفی  به دام افتاده و محلی شوند ، مثبت کلی ثابت دی الکتریک (1) منجر به محدودیتی می شود که ارزش ویژه انرژی ، (ω2 / c2) ε0 است همیشه بیشتر از بالاترین موانع بالقوه ارائه شده توسط (ω2 / c2) εfluct (x). وقوع حالتهای محدود میدان امواج الکترومغناطیسی در این محدوده طیفی به مواد دی الکتریک بسیار تخصصی و با دقت مهندسی شده نیاز دارد.