Использование Микроволновая печь и макроскопических образцов диэлектрических твердых тел для изучения фотонных свойства неупорядоченных фотонных запрещенной зоны материалов
Summary
Неупорядоченных структурах предложить новые механизмы формирования фотонных запрещенных зон и беспрецедентную свободу в функционально-дефектных конструкций. Чтобы обойти вычислительные проблемы неупорядоченных систем, мы построим модульные макроскопические образцы нового класса PBG материалов и использовать микроволновые печи для характеристики их масштабно-инвариантной фотонные свойства, в простой и недорогой образом.
Abstract
Недавно, неупорядоченные фотонные материалы были предложены в качестве альтернативы периодических кристаллов для формирования полного фотонного запрещенной зоны (PBG). В этой статье мы опишем методы построения и характеризующие макроскопические неупорядоченные фотонных структур с помощью микроволн. Микроволновая режим предлагает наиболее удобный экспериментальный размер выборки для построения и тестирования PBG СМИ. Легко манипулировать компоненты диэлектрические решетки расширить гибкость в построении различных 2D структуры поверх предварительно напечатанных пластиковых шаблонов. После ввода в эксплуатацию, структуры может быть быстро изменен с точечными и линейных дефектов сделать свободной формы волноводов и фильтры. Тестирование проводится с использованием широко доступных Vector Network Analyzer и пар микроволновая рупорных антенн. В связи с масштабной инвариантности собственности электромагнитных полей, полученные нами результаты в микроволновой области могут быть непосредственно применены к инфракрасной и оптической областях. Наш подход прост, но доставляет exciтин новый взгляд на природу света и неупорядоченной взаимодействия материи.
Наши представительства результаты включают первую экспериментальную демонстрацию существования полного и изотропной PBG в двумерной (2D) hyperuniform неупорядоченной диэлектрической структуры. Кроме того, мы экспериментально доказать способность этого нового структуры фотонного для руководства электромагнитные волны (ЭМ) через произвольной формы волноводов произвольной формы.
Introduction
Существование запрещенной зоны для фотонов был в центре внимания многих научных работ, начиная с более ранних исследований, проведенных лорда Рэлея на одномерной стоп-полосы, в диапазоне частот, которым запрещено распространения через периодической среде 1. Исследование электромагнитной волны (ЭМ) распространения в периодических структур действительно процветал в течение последних двух десятилетий после семенных публикаций Е. Yablonovitch 2,3 и С. Иоанна 4. Термин "фотонный кристалл" был придуман Yablonovitch описать периодические диэлектрические структуры, которые обладали фотонный запрещенной зоны (PBG).
Фотонные кристаллы являются периодические диэлектрические структуры, обладающие дискретные трансляционные симметрии, что делает их инвариантной относительно сдвигов в направлениях периодичности. При этом периодичность сочетается с длинами волн входящих электромагнитных (ЭМ) волн, группа оЧастота F становится очень ослабленный и может остановить распространения. Если достаточно широкий, диапазоны запрещенных частотах, также называемые стоп-зон, могут перекрываться во всех направлениях, чтобы создать PBG, запрещающий существование фотонов определенных частот.
Концептуально, распространение ЭМ волн в фотонных кристаллах похож на электрон распространения волн в полупроводниковых материалов, имеющих запрещенную область энергий электронов, также известный как запрещенной зоны. Подобно тому, как инженеры, используемого для управления полупроводники и изменить поток электронов через полупроводники, PBG материалы могут быть использованы для различных применений, требующих оптический контроль. Например, PBG материалы можно ограничиться свет определенных частот в размер по длине волны полостей, и направлять или светофильтр вдоль дефектов линий в них 5. PBG материалы предлагается использовать для регулирования потока света для приложений в области телекоммуникаций 6, Лазеры 7, оптические схемы и оптических вычислений 8, и солнечных батарей 9.
Двумерный (2D) квадратная решетка фотонный кристалл имеет 4-кратный осевую симметрию. ЭМ волны, входящие в кристалл при различных углах падения (например, 0 ° и 45 ° по отношению к плоскостям решетки) будет сталкиваться с различными периодичности. Брэгга рассеяние в разных направлениях приводит к остановки полосы разных длинах волн, которые, возможно, не перекрываются во всех направлениях, чтобы сформировать фотонной запрещенной зоны, не очень высокой преломления отличие от материалов. Кроме того, в 2D структур, два разных EM поляризации волны, поперечные электрические (TE) и поперечном магнитном (TM), часто образуют запрещенных зон на различных частотах, что делает его еще труднее сформировать полный PBG во всех направлениях для всех поляризаций 5. В периодических структур, ограниченный выбор из осевой симметрии приводят к собственной анизотропии (Ангулаг зависимость), которые не только делает его трудно, чтобы сформировать полный PBG, но и значительно ограничивает свободу дизайна функциональных дефектов. Например, волноводные конструкции доказано быть ограничено по очень ограниченный выбор основных направлений симметрии в фотонных кристаллах 10.
Вдохновленный превзойти эти ограничения, связанные с периодичностью, много исследований было сделано за последние 20 лет на нетрадиционных материалов PBG. Недавно был открыт новый класс неупорядоченных материалов было предложено обладают изотропным полное PBG в отсутствие периодичности или квазипериодичностью: Беспорядок hyperuniform (HD) структуры PBG 11. Фотонные группы не имеют точное аналитическое решение в беспорядке структур. Теоретическое исследование фотонных свойств неупорядоченных структур ограничивается трудоемких численных расчетов. Для вычисления группы, моделирование необходимо использовать способ аппроксимации супер-клеток и Avaíэтикетка вычислительная мощность может ограничить конечный размер супер-ячейки. Для расчета передачу через эти структуры, компьютерное моделирование часто предполагают идеальные условия и, таким образом, безнадзорности реальных проблем, как связи между источником и детектором, самого инцидента EM профиля волны, и выравнивание несовершенства 12. Кроме того, любая модификация (дефект конструкции) моделируемой структуры потребует еще один раунд моделирования. В связи с большим размером минимальной значение для супер-ячейки, это очень утомительно и непрактично систематически исследовать различные дефект дизайна архитектуры для этих неупорядоченных материалов.
Мы можем предотвратить эти вычислительные задачи, изучая неупорядоченные фотонных структур экспериментально. Через наших экспериментах мы можем проверить существование полного PBG в HD структур. Использование микроволновых экспериментов, мы также можем получить информацию о фазе и выявить полевые DISTRIпределения и дисперсионные свойства существующих фотонных состояний в них. Использование легко модифицируемые и модульную образца при см-масштабе, мы можем проверить различные проекты волновод и полости (дефект) в неупорядоченных систем и анализ надежности из PBGs. Этот вид анализа сложных неупорядоченных фотонных структур либо нецелесообразно или невозможно получить через численных или теоретических исследований.
Процесс проектирования начинается с выбора точку шаблон "незаметным" hyperuniform 13. Узоры Hyperuniform точечные системы, в которых число дисперсия точек внутри «сферической» выборки окне радиуса R, растет медленнее, чем объем окна для большого R, то есть медленнее, чем R D ре-размеров. Например, в 2D Пуассона случайным распределением точки шаблона, дисперсия числа точек в области R пропорциональна R <вир> 2. Тем не менее, в точке картины hyperuniform расстройства, дисперсия точек в окне радиуса R, пропорциональна R. Рисунок 1 показывает сравнение между hyperuniform неупорядоченной шаблон точки и точки рисунка Пуассона 11. Мы используем подкласс hyperuniform моделей неупорядоченных точечных под названием "скрытый" 11.
Использование протокола дизайн, описанный в Florescu др 11, мы строим сеть диэлектрическими стенками и стержней, создавая 2D hyperuniform диэлектрическую структуру, похожую на кристалле, но без ограничений, присущих периодичности и изотропности. Настенные сети благоприятны для TE-поляризации запрещенной зоны, в то время как стержни предпочтительны для формирования запрещенных зон с TM-поляризации. Модульная конструкция была разработана, так что образцы могут быть легко изменены для использования с различной поляризацией и для Introducing произвольной формы волноводов и полости дефектов. В связи с масштабной инвариантности уравнений Максвелла, электромагнитные свойства, наблюдаемые в микроволновой режима применяются непосредственно к инфракрасных и оптических режимов, где эти образцы масштабировать до микронных и субмикронных размеров.
Protocol
Representative Results
Discussion
Начиная с hyperuniform неупорядоченной шаблон точки, 2D структуры HD состоящий стержней и / или сети стены могут быть разработаны, чтобы получить полный PBG для всех поляризации 11. На основе дизайна, мы построили шаблон с отверстия и пазы для сборки 2D глинозема стержней и стены структуры в с…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была частично поддержана Research Corporation для популяризации науки (грант 10 626), Национального научного фонда (DMR-1308084), и внутренней премии San Francisco State University в WM Мы благодарим нашего сотрудника Пол М. Чайкина из Нью-Йоркского университета за полезные обсуждения в опытно-конструкторских и на обеспечение системы ВНА для нас, чтобы использовать на сайте в SFSU. Мы благодарим наших теоретических коллаборационистов, изобретатель из материалов HD PBG, Мариан Флореску, Пол М. Стейнхардт, и Сал Torquato для различных дискуссий и за предоставленную нам дизайн точке HD рисунком и непрерывных дискуссий.
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).
