Design Rules of Photonic BandGap Devices

In recent years the Internet spreading has carried to an increasing request of wider band and electronic integration for telecommunication network. This aspect leads to define new technologies, as Photonic BandGap (PBG) crystals, in order to obtain a faster data treatment. PBG crystals are able to overcome the typical integration limits of traditional optical circuits, allowing a scale of integration similar to the electronic ULSI. PBG crystals are materials able to influence the light propagation analogously it occurs for the propagation of the electrons in semiconductors. In fact, in photonic crystals, to propagate some light quanta (or photons) a principle similar to what is seen for the semiconductor crystals will be exploited, as the crystal periodicity is artificially realized by means of alternation of dielectric macroscopic materials. According to their geometrical characteristics, photonic crystals inhibit the light propagation in one or more directions, depending on the working frequency: if so, a band gap exists, i.e. a frequency range in which the wave cannot propagate. The introduction of defects inside the periodical structure of a photonic crystal determines the forming of photonic states located in the gap. Such characteristic is exploited to carry out devices with high capabilities, for example optical micro-resonators (in which a column is removed) or low losses waveguides, which are based on the presence of a bandgap and not on the total internal reflection. In this paper, after a brief description of operation principle of photonic crystals, we present a review of the most important photonic crystals devices, describing, in particular, the main steps required to model and to design resonant cavities and particle accelerators.

L’avvento di Internet ha condotto ad una richiesta senza precedenti di larghezza di banda nelle reti di telecomunicazioni. Di qui è nata la necessità di sviluppare nuove tecnologie avanzate che consentano di processare dati ad alta velocità. E’ ampiamente riconosciuto, peraltro, che solo i circuiti fotonici possono assolvere a questo ruolo. Uno dei limiti maggiori per conseguire questo obiettivo è il livello di integrazione attualmente raggiungibile con i circuiti fotonici che possono svolgere solo poche funzioni sullo stesso chip. La ragione principale è la dimensione dei componenti fotonici, che si estende tipicamente in alcuni mm. I cristalli fotonici (Photonic Crystals, PC o Photonic BandGap, PBG) possono essere impiegati per superare questo limite. I nuovi componenti ottici basati su guide d’onda a cristalli fotonici possono essere ordini di grandezza più piccoli di quelli convenzionali, consentendo un livello di integrazione paragonabile alla ULSI in elettronica. L’idea che sta alla base dei cristalli fotonici è la possibilità di realizzare materiali con caratteristiche tali da influire sulle proprietà dei fotoni analogamente a quanto i cristalli semiconduttori influiscono sulle proprietà degli elettroni. In un cristallo semiconduttore il reticolo atomico fornisce un potenziale periodico per un elettrone che si propaga attraverso di esso. La simmetria del reticolo cristallino e la natura del potenziale elettrico sono tali che, dall’andamento periodico degli atomi del reticolo, si ha la formazione di un intervallo (gap) energetico per gli stati elettronici, ossia di una regione energetica preclusa al moto degli elettroni. In un cristallo fotonico si riproducono per i fotoni le condizioni degli elettroni nei cristalli ordinari: l’analogo del potenziale atomico periodico è, in questo caso, generato da un reticolo di materiali dielettrici macroscopici. Se le costanti dielettriche dei materiali sono sufficientemente differenti, lo scattering alla Bragg dalle interfacce dei dielettrici può riprodurre per i fotoni molti dei fenomeni dovuti ai potenziali atomici di cui risentono gli elettroni, cioè si può impedire alla luce di propagarsi nella struttura secondo certe direzioni a frequenze specifiche, oppure in tutte le direzioni per un certo intervallo di frequenze proibite che costituisce un bandgap fotonico completo. Introducendo opportune irregolarità, note come difetti, nella struttura periodica di un cristallo fotonico, e, quindi, perturbandone la periodicità, si riesce a creare facilmente stati fotonici localizzati nel gap, mediante cui realizzare dispositivi ottici di nuova concezione. In questo articolo, dopo una rapida descrizione del principio di funzionamento dei cristalli fotonici, vengono esaminati i criteri di progetto per la realizzazione dei principali dispositivi ottici a PBG, con particolare riferimento a cavità risonanti e acceleratori di particelle.