Do cấu trúc tuần hoàn của chất điện môi, nên tinh thể quang tử có thể tạo ra vùng cấm quang, đó là dải tần số không tồn tại mode quang học nào. Tinh thể quang tử chặn các photon (ánh sáng) có năng lượng nằm trong vùng cấm quang và cho phép các photon khác truyền qua. Sự tồn tại của vùng cấm quang học đã
10 µm 1D 2D 3D (a) (f) (e) (d) (c) (b)
tạo ra nhiều hiện tượng quang học mới và thú vị, cũng như được sử dụng để điều khiển ánh sáng cho các ứng dụng cụ thể.
Trong môi trường đồng nhất, ánh sáng truyền đi theo đường thẳng mà không gặp bất kì sự phân tán nào. Nhưng khi truyền trong môi trường không đồng nhất có chiết suất khác nhau, ánh sáng bị phản xạ và khúc xạ tại mặt phân cách giữa các môi trường. Khi các mặt phân cách được sắp xếp một cách tuần hoàn giống như tinh thể quang tử, ánh sáng bị tán xạ sẽ kết hợp với nhau [52]. Khi đó, sự giao thoa sẽ tăng cường hoặc triệt tiêu một số tần số truyền qua cấu trúc.
Hình 1. 13. Cấu trúc màng đa lớp [52]
Sự tồn tại của một vùng cấm quang (photonic bandgap -PBG) thường được quyết định bởi hai thông số quan trọng: sự chênh lệch chiết suất giữa các môi trường đó là sự sai khác giữa chiết suất của vật liệu với môi trường xung quanh và hệ số lấp đầy được xác định bằng phần thể tích vật liệu chiếm chỗ. Bên cạnh đó hình dạng cấu trúc và hằng số mạng quyết định vị trí và độ rộng của vùng cấm quang. Trong một số điều kiện, tinh thể quang tử ngăn cản các photon (với các phân cực khác nhau) truyền qua theo tất cả các hướng, khi đó ta có vùng cấm quang hoàn toàn (complete PBG). Ngược lại, nếu các photon chỉ bị ngăn cản theo một hướng nhất định, hoặc phân cực xác định ta nói tinh thể quang tử có vùng cấm quang không hoàn toàn. Khi đó, vùng cấm quang của tinh thể quang tử phụ thuộc vào góc tới cũng như độ phân cực của chùm sáng tới tinh thể quang tử [46].
Nhiễu xạ Bragg được coi là cơ sở tạo ra vùng cấm quang và cơ chế cơ bản là dựa vào sự giao thoa của ánh sáng. Hình 1.14 biểu diễn sự nhiễu xạ Bragg trên một cấu trúc mạng tinh thể. Tương tự như tia X nhiễu xạ trên các mặt tinh thể của chất rắn, các tia sáng cũng nhiễu xạ trên các mặt phẳng tinh thể của tinh thể quang tử.
Hình 1. 14. Nhiễu xạ tia X trên bề mặt tinh thể.
Chùm tia X có bước sóng chiếu tới một tinh thể chất rắn dưới góc tới . Do tinh thể có tính chất tuần hoàn, các mặt tinh thể sẽ cách nhau những khoảng đều đặn d, đóng vai trò giống như các cách tử nhiễu xạ và tạo ra hiện tượng nhiễu xạ của các tia X. Nếu ta quan sát các chùm tia tán xạ theo phương phản xạ (bằng góc tới) thì hiệu quang trình giữa các tia tán xạ trên các mặt là: L = 2.d.sin𝜃
Như vậy, để có cực đại nhiễu xạ thì góc tới phải thỏa mãn điều kiện: L = 2.d.sin𝜃 = mλ, với m là số nguyên nhận các giá trị 1, 2,...; d là khoảng cách giữa các mặt phẳng mạng. Đây là định luật Vulf - Bragg mô tả hiện tượng nhiễu xạ tia X trên các mặt tinh thể. Trong tinh thể quang tử, các thông số mạng ứng với tần số quang học và gây ra nhiễu xạ Bragg mạnh xảy ra ở phạm vi tần số này.
Áp dụng định luật Vulf – Bragg cho tinh thể quang tử, bước sóng phản xạ từ họ mặt (111) của cấu trúc FCC xếp chặt [53]:
với d111 = 0,816 D, D là đường kính của hạt cầu silica, θ là góc tới [37]. Chiết suất hiệu dụng neff được tính 𝑛𝑒𝑓𝑓 = 𝑓. 𝑛𝑠𝑝ℎ𝑒𝑟𝑒 + (1 − 𝑓). 𝑛𝑣𝑜𝑖𝑑, trong đó hệ số lấp đầy với cấu trúc FCC là f = 0,74, chiết suất của các hạt cầu silica nsphere = 1,45 và chiết suất của không khí (các khe trống) nvoid = 1.