Düzensiz Fotonik Bandgap Malzemelerin Fotonik Properties Çalışması Mikrodalga ve Dielektrik Katı makroskopik Örnekleri kullanma
Summary
Düzensiz yapılar fonksiyonel kusur tasarımlar fotonik band aralığına ve eşi görülmemiş bir özgürlük oluşturulması için yeni mekanizmalar sunuyoruz. Düzensiz sistemlerin hesaplamalı zorlukları aşmak için, biz PBG malzemelerin yeni sınıf modüler makroskopik örnekleri inşa ve kolay ve ucuz bir şekilde, onların ölçek değişmeyen fotonik özelliklerini karakterize etmek için mikrodalga kullanın.
Abstract
Son zamanlarda, düzensiz fotonik malzeme tam bir foton bandaralıklı (PBG) oluşumu için periyodik kristaller alternatif olarak önerilmiştir. Bu yazıda inşa ve mikrodalga fırın kullanarak makroskopik düzensiz fotonik yapıları tanımlamak için yöntemleri anlatacağız. Mikrodalga rejim PBG ortamı oluşturmak ve test etmek için en uygun deneysel örneklem boyutu sunar. Kolayca manipüle dielektrik kafes bileşenleri önceden basılmış plastik şablonlar üstüne çeşitli 2B yapılarını inşa esneklik. Inşa kez, yapıları hemen serbest formlu dalga kılavuzlarının ve filtreleri yapmak için nokta ve çizgi kusurları ile modifiye edilebilir. Test yaygın kullanılabilir Vector Ağ Analyzer ve mikrodalga boynuz anten çiftleri kullanılarak yapılır. Elektromanyetik alanların ölçek değişmezliği özelliği nedeniyle, Mikrodalga bölgede elde edilen sonuçların doğrudan kızıl ötesi ve optik bölgelere uygulanabilir. Bizim yaklaşımımız basit ama exci sunarhafif ve düzensiz madde etkileşim doğasının içine ting yeni bir fikir.
Bizim temsilcisi sonuçları iki boyutlu (2D) hyperuniform düzensiz dielektrik yapısı tam ve izotropik PBG varlığının ilk deneysel gösteri yer alıyor. Ayrıca deneysel olarak keyfi şekli serbest formlu mikromercek yoluyla elektromanyetik dalgaları (EM) kılavuz bu yeni fotonik yapının yeteneğini göstermelidir.
Introduction
Fotonların bandaralıklı varlığı tek boyutlu stop-bant, periyodik orta 1 ile yayılma yasaktır frekans aralığında Lord Rayleigh tarafından yapılan daha önceki çalışmalardan başlayarak, birçok bilimsel eser odak noktası olmuştur. Periyodik yapılarda elektromanyetik dalga (EM) yayılımı içine Araştırma gerçekten E. Yablonovitch 2,3 ve S. John 4 seminal yayınların ardından son iki yılda gelişti. Terimi "fotonik kristal" bir fotonik bandgap (PBG) sahip periyodik dielektrik yapılarını tanımlamak için Yablonovitch tarafından icat edildi.
Fotonik kristaller dönemsellik yönde çevirilerde altında değişmeyen onları render, ayrık öteleme simetri sahip periyodik dielektrik yapılardır. Bu dönemsellik gelen elektromanyetik (EM) dalgaların dalga boyları ile eşleşen, bir grup of frekansları oldukça zayıflatılmış olur ve çoğaltım vermeyebilir. Yeterince geniş değilse, ayrıca durdurma bantları denilen yasak frekansların aralıkları, belirli frekansların fotonların varlığını yasaklayan, bir PBG oluşturmak için her yöne çakışabilir.
Kavramsal olarak, fotonik kristaller EM dalga yayılımı da bandaralıklı olarak bilinen elektron enerjileri, bir yasak bölge var yarı iletken materyaller, dalga yayılımını elektron benzer. Mühendisleri kontrol ve yarı iletkenler aracılığıyla elektronların akışını değiştirmek için yarı iletkenler istihdam var benzer şekilde, PBG malzemeler optik kontrolünü gerektiren çeşitli uygulamalar için kullanılabilir. Örneğin, PBG malzemeler dalga boyu boşluk boyutları belirli frekanslarda ışık hasredebilir ve onlara 5 hat defektleri boyunca rehberlik veya filtre ışığı. PBG maddeler telekomünikasyon 6 uygulamalar için ışık akışını kontrol etmek için kullanılmak üzere önerilmektedir, Lazerler 7, optik devreler ve optik işlem 8 ve güneş enerjisi hasat 9.
Bir iki boyutlu (2D) kare kafes fotonik kristal 4 kat dönme simetrisi vardır. Geliş farklı açılarda kristali giren EM dalgaları (örneğin, 0 ° ve kafes düzlemlerine göre 45 °) farklı dönemlilik karşılaşacaktır. Farklı yönlere Bragg saçılma malzemelerin çok yüksek indeksli kontrast olmadan, PBG oluşturmak için tüm yönlerde üst üste olmayabilir farklı dalga boylarında bantları durdurmak yol açar. Ayrıca, 2D yapılarda, iki farklı EM dalga kutuplaşmalar, Enine Elektrik (TE) ve Enine Manyetik (TM), sık sık bile zor tüm polarizasyonlarda 5 için her yöne tam PBG oluşturmakta, farklı frekanslarda band aralığına oluştururlar. Periyodik yapılarda, dönme simetrisi sınırlı seçenekler içsel anisotropisinden kurşun (angulasadece zorlaştırır r bağımlılığı), tam bir PBG oluşturmak, aynı zamanda büyük ölçüde fonksiyonel kusurların tasarım özgürlüğü sınırlandırır. Örneğin, dalga tasarımlar fotonik kristaller 10 büyük simetri yönleri çok sınırlı seçenek boyunca sınırlı kanıtlanmıştır.
Dönemsellik nedeniyle bu sınırlamaları aşmak için ilham kaynağı, çok fazla araştırma alışılmamış PBG malzemelerin son 20 yıl içinde yapılmıştır. Hyperuniform Bozukluğu (HD) PBG yapı 11: en son dağınık malzeme, yeni bir sınıf bir periyodik ya da quasiperiodicity yokluğunda tam PBG bir izotropik sahip önerilmiştir. Fotonik bant bozukluğu yapılarda tam analitik çözümü yoktur. Düzensiz yapıların fotonik özellikleri Teorik çalışma zaman alıcı sayısal simülasyonları ile sınırlıdır. Bantları hesaplamak için simülasyon süper hücre yaklaşım metodu ve Avaide alması gerekmektediretikel bilgisayar gücü süper hücrenin sonlu boyutunu sınırlayabilir. Bu yapılar yoluyla iletimini hesaplamak için, bilgisayar simülasyonları genellikle ideal koşullar ve kaynağı ve detektör, gerçek olay EM dalga profili arasındaki bağlantı gibi bu şekilde ihmal gerçek dünya problemlerini varsayalım, ve hizalama 12, kusurları. Ayrıca, simüle yapının herhangi bir değişiklik (kusur tasarım) simülasyon başka yuvarlak gerektirecektir. Nedeniyle süper bir hücre için asgari anlam büyüklüğü nedeniyle, sistematik olarak bu düzensiz malzemeler için çeşitli kusur tasarım mimarileri keşfetmek için çok sıkıcı ve pratik değildir.
Biz deneysel düzensiz fotonik yapıları inceleyerek bu hesaplama sorunları önleyebilirsiniz. Deneylerde sayesinde biz HD yapılarda tam PBG varlığını doğrulamak mümkün. Mikrodalga deneyleri kullanarak, biz de faz bilgileri elde etmek ve saha distri ortaya çıkarabilironları mevcut fotonik devletlerin Katkı ve dağılma özellikleri. Cm-ölçeğinde kolayca değiştirilebilir ve modüler örneği kullanarak, düzensiz sistemlerinde çeşitli dalga kılavuzu ve boşluk (kusur) tasarımlarınızı test ve PBGs sağlamlığını analiz edebilirsiniz. Karmaşık düzensiz fotonik yapıların Bu tür analizler sayısal ya da kuramsal çalışmalar yoluyla elde etmek için ya imsansız olmasıdır.
Tasarım süreci bir "gizli" hyperuniform nokta desen 13 seçerek başlar. Hyperuniform nokta desenler R yarıçaplı bir "küresel" örnekleme pencere içerisinde noktalarının sayısı varyans, d-boyutta R d daha yavaş, yani büyük Ar pencere hacminin daha yavaş büyüdüğü sistemlerdir. Örneğin, bir nokta örneği bir 2D Poisson dağılımı, etki R noktalarının sayısının varyans R <orantılıdırsup> 2. Ancak, hyperuniform bozukluk nokta desen, R yarıçaplı bir pencerede puan varyans, R orantılıdır. 1 hyperuniform düzensiz nokta desen ve Poisson nokta örneği 11 arasında bir karşılaştırma göstermektedir. Biz 11 "sinsi" olarak adlandırılan hyperuniform düzensiz nokta desenler bir alt sınıfı kullanın.
Arkadaşları 11 Florescu et açıklanan tasarım protokolü kullanarak, bir kristal benzer bir 2D hyperuniform dielektrik yapısı oluşturarak, dielektrik duvarlar ve çubuklar ağı kurma, ancak dönemsellik ve izotropi doğasında sınırlamalar olmadan. Çubuklar TM-polarizasyonda bant boşluk oluşturulması için tercih edilen ise duvar ağlar, TE-polarizasyon bandaralıklı için uygundur. Yapılan deneylerde farklı polarizasyonlar ve introd kullanım için modifiye edilebilir, böylece modüler tasarım geliştirilmiştirSerbest biçimli dalga kılavuzlarının ve kavite kusurları ucing. Maxwell denklemlerinin ölçek değişmezliği nedeniyle, mikrodalga rejimi gözlenen elektromanyetik özellikleri örnekleri mikron ve mikron altı ölçeklerde olacağını kızılötesi ve optik rejimler, doğrudan uygulanabilir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bir hyperuniform düzensiz bir nokta örneği başlayarak, 2 HD yapıları çubuklar ve / veya duvar ağı polarizasyon 11 için tam bir PBG elde etmek üzere dizayn edilebilir oluşmaktadır. Tasarım dayanarak, biz mikrodalga fırın ile test edilebilir cm-ölçeğinde 2D Alümina çubukları ve duvarları yapıların montaj için delik ve yuvaları ile bir şablon oluşturduk. Böyle Alümina çubuklar ve duvarlar gibi cm ölçekli yapı taşları, ucuz ve kolayca ele çünkü biz, mikrodalgalar ile çalı…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma kısmen Biz yararlı tartışmalar için NYU bizim işbirlikçi Paul M. Chaikin teşekkür WM Bilim İlerlemesi İçin Araştırma Kurumu (Hibe 10626), Ulusal Bilim Vakfı (DMR-1308084), ve San Francisco Eyalet Üniversitesi İç ödül tarafından desteklenen deneysel tasarım ve bize SFSU sitesinde kullanmak için VNA sistemi sağlamak için. Biz teorik işbirlikçilere, çeşitli tartışmalar için HD PBG malzemeleri, Marian Florescu, Paul M. Steinhardt ve Sal Torquato mucidi teşekkür ve bize HD nokta desen ve sürekli tartışmalar tasarımını sağlamak için.
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).
