שימוש במיקרוגל ודוגמאות מקרוסקופית של דיאלקטרי מוצקים לחקר מאפיינים פוטוניים של הפרעות חומרי bandgap פוטוניים
Summary
מבנים מסודרים להציע מנגנונים חדשים לגיבוש bandgaps פוטוניים וחופש חסר תקדים בעיצובים פונקציונליים-פגם. כדי לעקוף את האתגרים חישובית של מערכות לא מסודרות, אנו בונים דגימות מקרוסקופית המודולרי של הסוג החדש של חומרי PBG ולהשתמש מיקרוגלים לאפיין תכונות פוטוניים קנה המידה בלתי משתנה שלהם, באופן קל ולא יקר.
Abstract
לאחרונה, חומרים פוטוניים סדר הוצעו כחלופה לגבישים מחזוריים ליצירת bandgap מלא פוטוניים (PBG). במאמר זה נתאר את השיטות לבנייה ואפיון מבנים פוטוניים סדר מקרוסקופית שימוש בתנורי מיקרוגל. משטר המיקרוגל מציע גודל המדגם הניסיוני הנוח ביותר לבנייה ובדיקת תקשורת PBG. רכיבי סריג דיאלקטרי מניפולציות בקלות להאריך גמישות בבניית מבני 2D שונים על גבי תבניות פלסטיק מודפס מראש. ברגע שנבנה, המבנים יכולים להיות שונה במהירות עם מומי נקודה ובתור כדי לעשות גלבו ומסנני צורה חופשיים. הבדיקה נעשה באמצעות וקטור רשת Analyzer וזוגות של אנטנות קרן מיקרוגל זמינים באופן נרחב. בשל רכוש invariance הסולם של שדות אלקטרומגנטיים, התוצאות שהשגנו באזור המיקרוגל יכולות להיות מיושמות ישירות לאזורי אינפרא אדום והאופטיים. הגישה שלנו היא פשוטה אך מספקת exciתובנה חדשה טינג לטבע של אינטראקציה עניין אור וסדר.
תוצאות הנציג שלנו כוללות את ההפגנה הניסיונית הראשונה לקיומו של PBG מלא ואיזוטרופי במבנה דיאלקטרי סדר hyperuniform דו ממדים (2D). בנוסף אנחנו מדגימים באופן ניסיוני את היכולת של המבנה פוטוניים הרומן הזה כדי להדריך את הגלים אלקטרומגנטיים (EM) דרך גלבו החופשי של צורה שרירותית.
Introduction
קיומו של bandgap לפוטונים היה המוקד של יצירות רבות מדעיות, החל מהמחקרים הקודמים שנעשו על ידי הלורד ריילי בתחנת הלהקה חד ממדית, טווח תדרים שאסורים מהתפשטות דרך מדיום תקופתי 1. מחקר לתוך גל אלקטרומגנטי התפשטות (EM) במבנים מחזוריים באמת פרח בשני העשורים האחרונים אחרי פרסומי זרעו של ע 'Yablonovitch 2,3 וס' ג 'ון 4. "גבישים פוטוניים" נטבע על ידי Yablonovitch כדי לתאר את המבנים דיאלקטרי התקופתיים שרשותו bandgap פוטוניים (PBG).
גבישים פוטוניים הם מבנים דיאלקטרי תקופתיים בעלי סימטריות translational דיסקרטיות, טיוח בלתי המשתנה תחת תרגומים בכיוונים של מחזוריות. כאשר מחזוריות זו מותאמת עם אורכי הגל של גלים נכנסים אלקטרומגנטים (EM), o להקהתדרי f הופכים מוחלשים מאוד ועלולים להפסיק הפצת. אם רחב מספיק, הטווחים של התדרים האסורים, שנקראו גם להקות תחנה, עשויים לחפוף לכל הכיוונים כדי ליצור PBG, האוסר על קיומם של פוטונים של תדרים מסוימים.
מבחינה מושגית, התפשטות גלי EM בגבישים פוטוניים דומה לאלקטרון התפשטות גלים בחומרים מוליכים למחצה, שבו יש אזור אסור של אנרגיות אלקטרונים, הידוע גם בbandgap. בדומה לאופן שהמהנדסים מועסקים מוליכים למחצה לשלוט ולשנות את הזרימה של אלקטרונים דרך מוליכים למחצה, חומרי PBG יכולים לשמש ליישומים שונים הדורשים שליטה אופטית. לדוגמא, חומרי PBG יכולים להגביל את האור של תדרים מסוימים בחללי גודל אורך גל, ולהדריך או מסנן אור לאורך פגמי קו בהם 5. חומרי PBG הם הציעו לשמש לשליטה על הזרימה של אור עבור יישומים בתקשורת 6, לייזרים 7, מעגלים אופטיים ומחשוב אופטי 8, וקציר אנרגיה סולארית 9.
יש גביש סריג רבוע דו ממדי (2D) פוטוניים סימטריה סיבובית של פי 4. גלי EM כניסה לגביש בזוויות שונות של שכיחות (לדוגמא, 0 ° ו45 ° ביחס למטוסי הסריג) יעמדו בפני periodicities שונה. פיזור בראג בכיוונים שונים גורם ללהפסיק להקות של אורכי גל שונים שייתכן שאינו חופף לכל הכיוונים כדי ליצור PBG, ללא ניגוד שבירת מדד גבוה מאוד של החומרים. בנוסף, במבני 2D, שני קיטובים שונים גל EM, רוחבי חשמלי (TE) ומגנטי רוחבי (TM), לעתים קרובות בצורת bandgaps בתדרים שונים, מה שהופך את זה אפילו יותר קשה כדי ליצור PBG מלא לכל הכיוונים לכל הקיטובים 5. במבנים מחזוריים, האפשרויות מוגבלות של סימטריה סיבובית להוביל לאנאיזוטרופיה פנימי (angulaתלות r), אשר לא רק עושה את זה קשה כדי ליצור PBG מלא, אבל גם מאוד מגבילה את חופש העיצוב של ליקויים תפקודיים. לדוגמא, עיצובי מוליך גל מוכיחים את עצמם מוגבלים שלאורך בחירות מצומצמות מאוד של כיווני סימטריה גדולים בגבישים פוטוניים 10.
בהשראה להתעלות על המגבלות האלה בשל מחזוריות, הרבה מחקר שנעשה ב20 השנים האחרונות על חומרי PBG לא שיגרתי. לאחרונה סוג חדש של חומרים לא מסודרים הוצע להחזיק איזוטרופיים PBG מלא בהיעדר מחזוריות או quasiperiodicity: הפרעת hyperuniform (HD) מבנה PBG 11. אין לי הלהקות פוטוניים פתרון אנליטי מדויק במבני הפרעה. מחקר תיאורטי של התכונות פוטוניים של המבנים מסודרים מוגבל לסימולציות מספריות גוזל זמן. כדי לחשב את הלהקות, הסימולציה צריכה להעסיק שיטת קירוב סופר התא וavaiכוח חישוב lable עלול להגביל את הגודל הסופי של סופר התא. כדי לחשב שידור דרך מבנים אלה, לעתים קרובות הדמיות מחשב על עצמם תנאים אידיאליים ובעיות בעולם אמיתי ובכך הזנחה כמו הצימוד בין המקור והגלאי, פרופיל גל האירוע בפועל EM, ויישור פגמי 12. יתר על כן, כל שינוי (עיצוב פגם) של המבנה המדומה ידרוש עגול של סימולציה אחרת. בשל גודלו הגדול של המשמעות המינימלית לסופר תא, זה מאוד מייגע ולא מעשי לחקור באופן שיטתי ארכיטקטורות עיצוב פגם שונות לחומרים לא מסודרים אלה.
אנחנו יכולים למנוע בעיות חישוביות אלה על ידי לימוד המבנים פוטוניים מסודרים באופן ניסיוני. באמצעות הניסויים שלנו אנו מסוגלים לאמת את קיומו של PBG המלא במבני HD. באמצעות ניסויי מיקרוגל, אנחנו יכולים גם לקבל מידע שלב ולחשוף את distri השדהמאפייני bution ופיזור של מדינות פוטוניים קיימות בהם. שימוש במדגם בקלות לשינוי ומודולרי בסנטימטר בקנה מידה, אנחנו יכולים לבדוק את מוליך גל שונים וחלל (פגם) עיצובים במערכות מסודרות ולנתח את חוסנו של PBGs. סוג זה של ניתוח של מבנים פוטוניים הפרעות מורכבים הוא גם לא מעשי או בלתי אפשרי להשיג באמצעות לימודים מספריים או תיאורטי.
תהליך העיצוב מתחיל בבחירת דפוס נקודת hyperuniform "החשאי" 13. דפוסי נקודת Hyperuniform הם מערכות שבי שונות מספר הנקודות בתוך חלון דגימה "כדורי" של הרדיוס R, גדלה לאט יותר מחלון הנפח לגדול R, כלומר, לאט יותר מד R בd-ממדים. לדוגמא, בהפצה אקראית 2D פואסון של דפוס נקודה, את השונות של מספר הנקודות בR תחום היא פרופורציונליות לR <sup> 2. עם זאת, בדפוס נקודת הפרעת hyperuniform, את השונות של הנקודות בחלון של R רדיוס, הוא פרופורציונאלי לR. איור 1 מציג השוואה בין דפוס hyperuniform הפרעות נקודה ודפוס נקודת פואסון 11. אנו משתמשים בסדרה של דפוסי נקודת סדר hyperuniform נקראת "חשאיים" 11.
באמצעות פרוטוקול העיצוב המתואר בפלורסקו et 11 אל, אנו בונים רשת של קירות ומוטות דיאלקטרי, יצירת מבנה דיאלקטרי hyperuniform 2D דומה לגביש, אך ללא מגבלות המובנות במחזוריות וisotropy. קיר הרשתות הן נוחים לbandgap TE-קיטוב, ואילו המוטות עדיפות ליצירת פערי להקה עם TM-קיטוב. עיצוב המודולרי פותח, כך שהדגימות ניתן לשנות בקלות לשימוש עם קיטובים שונים ועבור עמוד XIIIucing גלבו החופשי ופגמי חלל. בשל invariance הסולם של משוואות מקסוול, תכונות האלקטרומגנטיות שנצפו במשטר מיקרוגל ישירות החלים על משטרי אינפרא אדום ואופטיים, שבו הדגימות יהיו מותאמות לגדלי מיקרון וsubmicron.
Protocol
Representative Results
Discussion
החל מ דפוס נקודת סדר hyperuniform, מבני HD 2D מורכב מוטות ו / או רשת בקיר יכול להיות מתוכנן כדי להשיג PBG מלא לכל הקיטוב 11. בהתבסס על העיצוב, בנינו תבנית עם חורים וחריצים להרכבת מוטות 2D אלומינה ומבני קירות בסנטימטר בקנה מידה שאפשר לבדוק עם מיקרוגל. אנחנו בחרנו לעבוד עם מיקר?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה בחלקה על ידי חברת המחקר למדע לקידום (גרנט 10626), הקרן הלאומית למדע (DMR-1,308,084), ואת הפרס הפנימי סן פרנסיסקו סטייט לWM אנו מודים משתף הפעולה שלנו פול מ חייקין מאוניברסיטת ניו יורק לדיונים מועילים ב עיצוב ניסיוני ועל מתן מערכת VNA לנו להשתמש באתר בSFSU. אנו מודים למשתפי הפעולה התיאורטי שלנו, הממציא של חומרי HD PBG, מריאן פלורסקו, פול מ 'שטיינהרדט, וסאל Torquato לדיונים שונים וספקתי לנו את העיצוב של תבנית נקודת HD ודיונים מתמשכים.
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 |
References
- Strut, J. W. . The propagation of waves through a Medium Endowed with a Periodic structure. Philosophical magazine. XXIV, 145-159 (1887).
- Yablonovitch, E. Inhibited spontaneous emission in solid-state physics and electronics. Phys. Rev. Lett. 58, 2059-2062 (1987).
- Yablonovitch, E., Gmitter, T. J. Photonic band structure: The face-centered-cubic case. Phys. Rev. Lett. 63, 1950-1953 (1989).
- Sajeev, J. Strong localization of photons in Certain Disordered Dielectric super lattices. Phys. Rev. Lett. 58, 2486-2489 (1987).
- Joannopoulos, J., Johnson, S. G., Winn, J. N., Mead, R. D. . Photonic Crystals: Molding the Flow of Light. , 243-248 (2008).
- Noda, S., Chutinan, A., Trappin Imada, M. emission of photons by a single defect in a photonic bandgap structure. Nature. 407, 608-610 (2000).
- Cao, H., Zhao, Y. G., Ho, S. T., Seeling, E. W., Wang, Q. H., Chang, R. P. Random laser action in semiconductor powder. Phys. Rev. Lett. 82, 2278-2281 (1999).
- Chutinan, A., John, S., Toader, O. Diffractionless flow of light in all-optical microchips. Phys. Rev. Lett. 90, 123901 (2003).
- Vynck, K., Burresi, M., Riboli, F., Wiersma, D. S. Photon management in two-dimensional disordered media. Nature Mater. 11, 1017-1022 (2012).
- Ishizaki, K., Koumura, M., Suzuki, K., Gondaira, K., Noda, S. Realization of three-dimensional guiding of photons in photonic crystals. Nature Photon. 7, 133-137 (2013).
- Florescu, M., Torquato, S., Steinhardt, P. J. Designer disordered materials with large, complete PBGs. Proc. Natl. Acad. Sci. 106, 20658-20663 (2009).
- Man, W., Megens, M., Steinhardt, P. J., Chaikin, P. M. Experimental measurement of the photonic properties of icosahedral quasicrystals. Nature. 436, 993-996 (2005).
- Torquato, S., Stillinger, F. H. Local density fluctuations, hyperuniformity, and order metrics. Phys. Rev. E. 68, 041113 (2003).
- Man, W., et al. Isotropic band gaps and freeform waveguides observed in hyperuniform disordered photonic solids. Proc. Natl. Acad. Sci. 110, 15886-15891 (2013).
- Freeform wave-guiding and tunable frequency splitting in isotropic disordered photonic band gap materials. Frontiers in Optics 2012/Laser Science XXVIII, OSA Technical Digest (online) Available from: https://www.osapublishing.org/abstract.cfm?uri=FiO-2012-FTh2G.5 (2012)
- Cavity Modes Study in Hyperuniform Disordered Photonic Bandgap Materials. Frontiers in Optics 2012/Laser Science XXVIII, OSA Technical Digest (online) Available from: https://www.osapublishing.org/abstract.cfm?uri=FiO-2012-FTh3F.4 (2012)
- Man, W., et al. Photonic band gap in isotropic hyperuniform disordered solids with low dielectric contrast. Opt. Express. 21, 19972-19981 (2013).
- Man, W., et al. Experimental observation of photonic bandgaps in Hyperuniform disordered materials. , (2010).
- Schelew, E., et al. Characterization of integrated planar photonic circuits fabricated by a CMOS foundry. Journal of Lightwave Technology. 31 (2), 239 (2013).
- Guo, Y. B., et al. Sensitive molecular binding assay using a photonic crystal structure in total internal reflection. Opt. Express. 16, 11741-11749 (2008).
