FUNCIONAMIENTO BÁSICO DE UN CRISTAL FOTÓNICO

Los cristales fotónicos representan para la luz, o en general para las ondas electromagnéticas, lo que los semiconductores para los electrones. Esto quiere decir que al igual  que los semiconductores que  presentan un rango de energías prohibido para los electrones (gap), los cristales fotónicos lo presentan para los fotones. Su funcionamiento es básicamente el de un material que se torna transparente (conduce) a opaco (no conduce), cuando se le llena de agujeros periódicamente distribuidos en las tres direcciones del espacio. La periodicidad del material ha de ser razonablemente parecida a  la longitud de onda de la radiación electromagnética que se quiere controlar, es decir la distancia entre los agujeros debe ser del orden de la longitud de onda a transportar.

Cuando la luz penetra en estos materiales la radiación se difunde en cada uno de los centros de dispersión (scattering) que lo forman. El resultado final es que parte de la radiación se verá reforzada mientras que otra quedará anulada en función de ciertos parámetros característicos como  su longitud de onda, dirección, índice de refracción de los materiales así como del tamaño y distribución de los centros de dispersión. De este modo y por analogía con los semiconductores, llamamos gap fotónico al rango de frecuencias electromagnéticas en las que no existen modos de propagación permitidos para ninguna dirección del cristal.

Los parámetros que definen un cristal fotónico y cuya cuantificación determina sus propiedades son cuatro:

ESTRUCTURA CRISTALINA:    Que está relacionada con la forma en que queda modulado el índice de refracción. Pudiendo adoptar estructura triangulares, cuadradas y de panal de abeja entre otras, para sistemas 2D. Mientras que  los sistemas 3D pueden presentar cualquiera de las estructuras correspondientes a los 32 grupos puntuales cristalográficos (o 230 grupos espaciales).

TOPOLOGÍA:   El campo queda concentrado en las zonas de mayor constante dieléctrica, por lo que es muy importante conocer la disposición de estos centros de dispersión. Si estos se encuentran aislados entre sí e inmersos en un medio de menor constante dieléctrica, se dice que tienen una topología tipo Cermet. Por el contrario, si los centros de dispersión se encuentran interconectados se dice que adoptan una topología tipo Network.

CONTRASTE DE ÍNDICES:      Es la razón entre los índices de refracción mayor y menor del material compuesto que forma el cristal fotónico. En general existe un umbral por debajo del cual no se abre ningún gap fotónico completo. Este umbral será diferente para las distintas estructuras y topologías

FACTOR DE LLENADO:           Es la razón entre el volumen ocupado por uno de los materiales con respecto al volumen total.

La combinación de todos estos factores hace que existan una multitud de posibles estructuras con muy diversas propiedades fotónicas, es decir un modo localizado de la combinación de los parámetros que definen un cristal, se define como una cavidad resonante donde un particular rango de longitudes de onda puede ser guiada

CONCLUSIONES

Los cristales fotónicos tienen una enorme importancia por su aplicación tecnológica; por ejemplo, con ellos, se podrían fabricar lásers de altísima eficiencia, o diseñar materiales transparentes u opacos para determinadas frecuencias con aplicación en la industria civil o militar en campos tales como las telecomunicaciones optoelectrónica e informática. Por ello, la competencia en desarrollar los cristales fotónicos que manejen altas frecuencias es impetuosa entre los laboratorios públicos y los privados, para diseñar y fabricar los mencionados cristales. Téngase en cuenta lo difícil que sería llenar un material de agujeros periódicamente distribuidos, cuyo tamaño fuera del orden de fracciones de micra.

*Martha M. Ortiz Palacios es subdirectora académica del Instituto Tecnológico Superior de Libres.

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