무질서 광 밴드 갭 (photonic bandgap) 재료의 광자 속성을 연구에 전자 레인지 및 유전체 고체의 육안 샘플을 사용하여
Summary
무질서 구조는 기능 결함 설계에서 광 밴드 갭 전례없는 자유를 형성하기위한 새로운 메커니즘을 제공합니다. 무질서 시스템의 계산 문제를 회피하기 위해, 우리는 PBG 재료의 새로운 클래스의 모듈 형 거시적 샘플을 구성하고 쉽고 저렴한 방법으로 자신의 규모 불변 광 특성을 특성화하기 위해 전자 레인지를 사용합니다.
Abstract
최근, 포토 닉 재료는 무질서한 완전한 포토 닉 밴드 갭 (PBG)의 형성을위한주기적인 결정의 대안으로서 제안되었다. 이 문서에서 우리는 건설, 전자 레인지를 사용하여 거시적 인 무질서 광자 구조를 특징 짓는 방법을 설명합니다. 전자 레인지 정권은 PBG 미디어를 구축하고 테스트 할 수있는 가장 편리한 실험 샘플 크기를 제공합니다. 쉽게 넘어 유전체 격자 구성 요소는 미리 인쇄 된 플라스틱 템플릿 위에 다양한 2D 구조를 구축하는 유연성을 연장한다. 내장되면, 구조는 신속하게 자유 도파관과 필터를 만들기 위해 점과 선 결함이 수정 될 수 있습니다. 테스트는 널리 사용되는 벡터 네트워크 분석기와 전자 혼 안테나의 쌍을 사용하여 수행됩니다. 전자기장의 스케일 불변 특성 때문에, 우리는 마이크로파 영역에서 얻어진 결과는 직접적으로 적외선 및 광학 영역에 적용될 수있다. 우리의 접근 방식은 간단하지만 EXCI 제공빛과 무질서한 물질 상호 작용의 성질에 팅 새로운 통찰력.
우리의 결과는 대표적인 2 차원 (2D) hyperuniform 무질서 유전 구조체에서 완전한 등방성 PBG의 존재를 처음 실험적 증명을 포함한다. 또한 우리는 실험적으로 임의의 형상의 프리폼 도파로를 통해 전자파 (EM)을 안내하는 광이 신규 한 구조의 능력을 증명한다.
Introduction
광자에 대한 밴드 갭의 존재는 일차원 스톱 밴드, 주기적 매체 (1)를 통해 전달되는 것이 금지 주파수 범위에 주 레일리 수행 이전 연구로부터 시작하여, 많은 과학 작품의 초점이되어왔다. 주기적 구조의 전자파 (EM) 전파에 대한 연구는 정말 E. Yablonovitch 2,3 및 S. 존 4의 정액 출판물 후 지난 20 년 동안 번성했다. 용어 "광 결정"은 포토 닉 밴드 갭 (PBG)를 갖고주기 유전체 구조를 설명하는 Yablonovitch 의해 만들어졌다.
광자 결정은주기의 방향으로 번역에서 불변을 렌더링, 이산 병진 대칭성을 가진주기적인 유전체 구조입니다. 이주기가 들어오는 전자기 (EM) 파의 파장과 일치, 밴드 오F 주파수는 높은 감쇠되고 전파하지 않을 수 있습니다. 충분히 넓은 경우에도 스톱 밴드라고 금지 주파수 범위는, 특정 주파수의 광자의 존재를 금지, PBG를 생성하기 위해 모든 방향으로 중첩 될 수있다.
개념적으로, 광결정에서 EM 파의 전파는 밴드 갭이라고도 전자 에너지의 금지 된 영역을 가지고, 반도체 재료에서 전파를 일렉트론 유사하다. 제어 엔지니어가 반도체 통한 전자의 흐름을 변경하는 반도체를 채용 한 방법과 유사하게, PBG 재료는 광학 제어를 필요로하는 다양한 용도에 사용될 수있다. 예를 들어, PBG 재료는 파장의 크기 캐비티에서 특정 주파수의 광을 제한 할 수 있고, 그들 5 라인 결함을 따라 가이드 또는 광 필터. PBG 물질은 전기 통신 (6)에 애플리케이션에 빛의 흐름을 제어하는데 사용되는 것을 권장합니다, 레이저 7, 광 회로와 광학 컴퓨팅 팔, 태양 에너지 수확 구.
2 차원 (2D) 정사각형 격자 포토 닉 결정은 4 배의 회전 대칭성을 갖는다. 입사 다른 각도에서 결정을 입력 EM 파도 (예를 들어, 0 °, 격자 평면에 대하여 45 °)는 다른 주기성에 직면하게 될 것이다. 상이한 방향으로 브래그 산란 재료의 매우 높은 굴절률 콘트라스트없이 PBG를 형성하기 위해 모든 방향으로 중첩되지 않을 수의 서로 다른 파장 대역을 중지하도록 이끈다. 또한, 2 차원 구조에서, 두 개의 다른 EM 파 편광 횡 전기 (TE) 및 횡 자기 (TM)는 종종 심지어 어렵게 모든 편파 05 모든 방향으로 완전한 PBG를 형성 할 수있게, 서로 다른 주파수에서의 밴드 갭을 형성한다. 주기적인 구조에서, 회전 대칭의 제한된 선택이 고유 이방성로 이어질 (angula뿐만 아니라이 어려워 질 R 의존성), 완전한 PBG를 형성 할뿐만 아니라 매우 기능적 결함의 설계 자유도를 제한한다. 예를 들어, 도파관 설계는 광 결정 (10)에서 주요 대칭 방향의 매우 한정된 선택이 따라 제한 될 것으로 입증된다.
주기성으로 인해 이러한 한계를 능가하는 영감, 많은 연구는 틀에 얽매이지 않는 PBG 재료에 지난 20 년에 완료되었습니다. hyperuniform 장애 (HD) PBG 구조 11 : 최근 무질서 재료의 새로운 클래스 또는 주기성 quasiperiodicity의 부재하에 완전한 PBG 등방성을 소유하는 것이 제안되었다. 포토 닉 밴드 장애 구조의 정확한 분석 솔루션을 필요가 없습니다. 무질서한 구조의 광 특성의 이론적 연구는 시간 소모적 수치 시뮬레이션에 한정된다. 밴드를 계산하기 위해, 시뮬레이션은 슈퍼 셀 근사 방법 및 호 텔을 채용 할 필요lable가 컴퓨팅 파워가 슈퍼 셀의 유한 한 크기를 제한 할 수있다. 이러한 구조를 통해 송신을 계산하기 위해, 컴퓨터 시뮬레이션은 종종 이상적인 조건으로 소스 및 검출기, 실제 입사 EM 파 프로파일 사이의 커플 링 등에 따라서 방치 실제 문제를 가정하고, 배향 결함 (12). 또한, 시뮬레이션 된 구조의 변경 (설계 결함) 시뮬레이션의 또 다른 라운드를 필요로한다. 인해 슈퍼 셀의 최소 의미의 큰 크기로, 체계적 이들 무질서 재료 각종 결함 설계 구조를 탐구하는 매우 지루하고 비실용적이다.
우리는 실험적으로 무질서 광자 구조를 연구함으로써 이러한 계산 문제를 피할 수 있습니다. 실험을 통해 우리는 HD 구조에 완전한 PBG의 존재를 확인 할 수 있습니다. 마이크로파 실험을 사용하여, 우리는 위상 정보를 획득하고, 필드를 밝힐 수 DISTRI그 (것)들에있는 기존 광자 상태 bution 및 분산 특성. cm 규모에서 쉽게 수정 및 모듈 샘플을 사용하여, 우리는 무질서 시스템에서 다양한 도파관 캐비티 (결함) 디자인을 테스트하고 PBGs의 견고성을 분석 할 수 있습니다. 복잡한 무질서 광자 구조의 이러한 종류의 분석은 수치 또는 이론적 연구를 통해 얻을 중 하나 비현실적 불가능하다.
설계 프로세스는 "은폐"hyperuniform 점 패턴 (13)을 선택함으로써 시작한다. Hyperuniform 포인트 패턴은 반경 R의 "구형"샘플링 창 내의 지점의 수의 차이는, D-차원 R (d)보다 더 느리게, 즉 큰 R 용 윈도우 음량보다 느리게 성장하는 시스템이다. 예를 들어, 점 패턴의 임의의 2 차원 포아송 분포에서, 영역 R에서의 지점의 수의 차이는 R <비례SUP> 2. 그러나 hyperuniform 장애 점 패턴, 반경 R의 창의 지점의 분산, R에 비례한다. 1 hyperuniform 무질서 점 패턴 및 포아송 점 패턴 (11) 사이의 비교를 보여준다. 우리는 (11)가 "몰래"라고 hyperuniform 무질서 점 패턴의 서브 클래스를 사용합니다.
알 Florescu 11 등으로 설명한 프로토콜 설계를 사용하여, 우리는 수정 유사한 2D hyperuniform 유전 구조체를 만드는, 유전체 벽과 봉 네트워크를 구성하지만, 주기성 및 등방성 고유 제한없이. 봉 TM 편광으로 밴드 갭을 형성하는 것이 바람직하다 동안 벽 네트워크는, TE 편광의 밴드 갭에 유리하다. 샘플은 쉽게 다른 편파와 introd위한 용도 변경 될 수 있도록 모듈 형 설계가 개발되었다프리폼 도파관 캐비티 결함 ucing. 맥스웰 방정식의 스케일 불변성으로 인해, 전자 레인지 정권에서 관찰 된 전자기 특성은 샘플 마이크론 및 서브 마이크론 크기를 확장 할 것입니다 적외선 및 광학 정권에 직접적으로 적용 할 수 있습니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
hyperuniform 무질서 점 패턴으로부터 시작하여, 2 차원 구조는 HD 봉 및 / 또는 벽 네트워크가 모든 편광 11 완전한 PBG를 구하도록 설계 할 수 이루어진. 디자인을 바탕으로, 우리는 전자 레인지에서 테스트 할 수 cm 크기의에서 2D 알루미나 봉 및 벽 구조를 조립 구멍 및 슬롯 템플릿을 건설했다. 알루미나 봉 및 벽, 같은 cm 규모의 빌딩 블록이 저렴하고 취급이 용이하기 때문에 우리는 전자 레인…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 작품은 부분적으로 우리는 도움이 토론 NYU에서 우리의 협력자 폴 M. Chaikin 감사 WM에 과학 발전을위한 연구 공사 (보조금 10,626), 국립 과학 재단 (DMR-1308084), 샌프란시스코 주립 대학 내부 수상에 의해 지원되었다 실험 설계와 우리가 SFSU에서 사이트에 사용에 대한 VNA 시스템을 제공합니다. 우리는 우리의 이론 공동 작업자, 다양한 토론의 HD PBG 재료, 마리아 Florescu, 폴 M. 스테인 하트와 샐 Torquato의 발명가를 감사하고 우리에게 HD 점 패턴 및 지속적인 토론의 디자인을 제공합니다.
Materials
| stereolithography machine | 3D Systems | SLA-7000 | |
| resin for base | 3D Systems | Accura 60 | |
| Alumina rods | r=2.5mm, cut to 10.0cm height | ||
| Alumina sheets | thickness 0.38mm, various width: from 1.0mm to 5.3mm with 0.2mm incerments | ||
| Microwave Generator | Agilent/HP | 83651B | |
| S-Parameter Test set | Agilent/HP | 8517B | |
| Microwave Vector Network Analyzer | Agilent/HP | 8510C |
Referenzen
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