Hjælp af mikrobølger og Makroskopiske Prøver af dielektriske Tørstof at studere den fotoniske egenskaber Disordered Fotoniske Bandgap Materialer

Summary

Uordnede strukturer giver nye mekanismer til at danne fotoniske båndgab og en hidtil uset frihed i funktionel-defekte design. For at omgå de beregningsmæssige udfordringer i uordnede systemer, vi konstruere modulopbyggede makroskopiske prøver af den nye klasse af PBG materialer og bruger mikrobølger til at karakterisere deres skala-invariant fotoniske egenskaber, på en nem og billig måde.

Abstract

For nylig har uordnede fotoniske materialer blevet foreslået som et alternativ til periodiske krystaller for dannelsen af ​​en komplet fotoniske båndgab (PBG). I denne artikel vil vi beskrive de metoder til konstruktion og karakterisering af makroskopiske uordnede fotoniske strukturer ved hjælp af mikrobølger. Mikrobølge Ordningen tilbyder den mest bekvemme eksperimenterende stikprøvestørrelse at bygge og teste PBG medier. Nemt manipulerede dielektriske gittermaster komponenter udvide fleksibilitet i opbygningen af ​​forskellige 2D strukturer på toppen af ​​fortrykte plastik skabeloner. Når bygget, kunne de strukturer hurtigt modificeret med punkter og linjer mangler at gøre freeform bølgeledere og filtre. Test sker ved hjælp af en alment tilgængelig Vector Network Analyzer og par mikrobølge horn antenner. På grund af den skalainvarians ejendom for elektromagnetiske felter, kan de resultater, vi opnåede i mikrobølgeovnen regionen påføres direkte på infrarøde og optiske regioner. Vores tilgang er enkel, men leverer exciTing ny indsigt i lysets natur og uorganiseret interaktion sagen.

Vores repræsentative resultater omfatter den første eksperimentelle demonstration af eksistensen af ​​en komplet og isotropisk PBG i en to-dimensionel (2D) hyperuniform uordnet dielektriske struktur. Derudover har vi demonstrere eksperimentelt evne denne roman fotoniske struktur til at vejlede elektromagnetiske bølger (EM) gennem freeform bølgeledere for vilkårlig form.

Introduction

Eksistensen af et båndgab for fotoner har været i fokus for mange videnskabelige værker, startende fra de tidligere undersøgelser udført af Lord Rayleigh på den endimensionale stop band, en række frekvenser, der er forbudt fra udbredes gennem en periodisk medium ^1. Forskning i elektromagnetiske bølger (EM) formering i periodiske strukturer virkelig har blomstret i de seneste to årtier efter skelsættende publikationer E. Yablonovitch ^2,3 og S. Johannes ^4. Udtrykket "fotoniske krystal" blev opfundet af Yablonovitch at beskrive de periodiske dielektriske strukturer, der besad en fotoniske båndgab (PBG).

Fotoniske krystaller er periodiske dielektriske strukturer besidder diskrete translationelle symmetrier, hvilket gør dem invariant under oversættelser i retninger af hyppighed. Når denne hyppighed er matchet med de bølgelængder af indkommende elektromagnetiske (EM) bølger, et band of frekvenser bliver stærkt svækket, og kan stoppe formerings. Hvis bred nok, kan de intervaller for de forbudte frekvenser, også kaldet spærrebåndene overlapper hinanden i alle retninger for at skabe en PBG, forbyder eksistensen af ​​fotoner med bestemte frekvenser.

Begrebsmæssigt EM bølgeudbredelse i fotoniske krystaller svarer til elektron bølgeudbredelse i halvledermaterialer, som har et forbudt område af elektronenergier, også kendt som en bandgap. Svarende til den måde, ingeniører har ansat halvledere til at kontrollere og ændre strømmen af ​​elektroner gennem halvledere kan PBG materialer anvendes til forskellige applikationer, der kræver optisk kontrol. For eksempel kan PBG materialer begrænse lyset af visse frekvenser i bølgelængde størrelse hulrum, og guide eller filter lys langs linien defekter i dem ^5. PBG materialer er foreslået for at blive anvendt til at styre strømningen af lys til applikationer i telekommunikation ⁶, Lasere ^7, optiske kredsløb og optisk databehandling ⁸ og solenergi høst ^9.

En todimensionel (2D) kvadratisk gitter fotoniske krystal har 4 gange rotationssymmetri. EM bølger ind i krystal ved forskellige indfaldsvinkler (fx 0 ° og 45 ° i forhold til de gitterplaner) vil stå over forskellige intervaller. Bragg spredning i forskellige retninger fører til spærrebåndene af forskellige bølgelængder, der ikke overlapper hinanden i alle retninger til dannelse af en PBG uden meget høj refraktionsindeks kontrast af materialerne. Hertil kommer, at i 2D strukturer, to forskellige EM bølge polariseringer, Tværgående Electric (TE) og tværgående magnetisk (TM), danner ofte bandgaps på forskellige frekvenser, hvilket gør det endnu sværere at danne en komplet PBG i alle retninger for alle polariseringer ^5. I periodiske strukturer, de begrænsede valg af rotationssymmetri fører til iboende anisotropi (AngulaR afhængighed), som ikke blot gør det svært at danne sig et fuldstændigt PBG, men også i høj grad begrænser designfrihed af funktionelle defekter. For eksempel er waveguide design vist sig at være begrænset langs meget begrænset valg af større symmetri retninger fotoniske krystaller ^10.

Inspireret til at overgå disse begrænsninger på grund af hyppighed, er blevet gjort meget forskning i de sidste 20 år på ukonventionelle PBG materialer. For nylig en ny klasse af uordnede materialer blev foreslået at besidde en isotropisk komplet PBG i fravær af periodicitet eller quasiperiodicity: den hyperuniform Disorder (HD) PBG struktur ^11. De fotoniske bands ikke har eksakt analytisk løsning i uorden strukturer. Teoretisk undersøgelse af de fotoniske egenskaber af de uordnede strukturer er begrænset til tidskrævende numeriske simuleringer. For at beregne de bands simuleringen nødt til at ansætte en super-celle tilnærmelse metoden og fællesarealeretiketten regnekraft kan begrænse den endelige størrelse af den super-celle. For at beregne transmission gennem disse strukturer, computersimuleringer ofte antager ideelle betingelser, og dermed forsømmer virkelige verdens problemer som koblingen mellem kilden og detektoren, selve hændelsen EM bølge profil og tilpasning ufuldkommenheder ^12. Desuden vil enhver ændring (defekt design) af den simulerede struktur kræver en anden runde af simulering. På grund af den store størrelse af den mindste betydning for super celle, er det meget besværligt og upraktisk til systematisk at undersøge forskellige defekt design arkitekturer for disse uordnede materialer.

Vi kan afværge disse beregningsmæssige problemer ved at studere de uordnede fotoniske strukturer eksperimentelt. Gennem vores forsøg er vi i stand til at verificere eksistensen af ​​det komplette PBG i HD-strukturer. Ved hjælp af mikroovn eksperimenter, kan vi også få fase oplysninger og afsløre feltet distribution og dispersionsegenskaber af eksisterende fotoniske stater i dem. Ved hjælp af en let modificerbare og modulær prøve ved cm-skala, kan vi teste forskellige bølgeleder og hulrum (defekt) designs i uordnede systemer og analysere robustheden af ​​PBGs. Denne form for analyse af komplekse uordnede fotoniske strukturer er enten upraktisk eller umuligt at få igennem numeriske eller teoretiske studier.

Designprocessen begynder med at vælge en "snigende" hyperuniform punkt mønster ^13. Hyperuniform punktmønstre er systemer, hvor antallet varians af de punkter i et "sfærisk" prøveudtagning vindue med radius R, vokser langsommere end vinduet volumen for stor R, altså langsommere end R ^d i d-dimensioner. For eksempel, i en 2D vilkårlig Poisson-fordeling af punktmønster, variansen af antallet af point i domæne R er proportional med R <sup> 2. Men i en hyperuniform uorden punkt mønster, variansen af punkterne i et vindue med radius R, er proportional med R,. Figur 1 viser en sammenligning mellem en hyperuniform uordnet punkt mønster og en Poisson punkt mønster ^11. Vi bruger en underklasse af hyperuniform uorganiseret punktmønstre kaldet "snigende" ^11.

Brug af design protokollen beskrevet i Florescu m.fl. ^11, konstruerer vi et netværk af dielektriske vægge og stænger, hvilket skaber en 2D hyperuniform dielektrisk struktur, der ligner en krystal, men uden de begrænsninger, der er forbundet til periodicitet og isotropi. Væg net er gunstige for TE-polarisationen båndgab, mens stængerne er at foretrække til dannelse af båndgab med TM-polarisation. Et modulært design blev udviklet, således at prøverne kan let ændres til brug med forskellige polariseringer og introducing Freeform bølgeledere og hulrum defekter. På grund af den skalainvarians af Maxwells ligninger, de elektromagnetiske egenskaber observeret i mikrobølgeovnen regime finder direkte anvendelse på de infrarøde og optiske regimer, hvor prøverne skulle skaleres til mikropartikler og submikrone størrelser.

Protocol

1. Design et 2D Hyperuniform Nedsat Dielektrisk Struktur 11 Valgte en underklasse af 2D hyperuniform uorden punkt mønster (blå cirkler i figur 2) og opdele det (blå linjer i figur 2) efter Delaunay tessellation. En 2D Delaunay tessellation er en triangulering, der maksimerer den mindste vinkel for hver trekant dannet og garanterer der ikke er andre punkter inde i omskrevne hver trekant 11. Find centroiderne af hver trekant (faste sorte cirkl…

Representative Results

Vi har opnået den første bekræftelse nogensinde af en isotrop komplet PBG til stede i hyperuniform disorder dielektriske strukturer. Her præsenterer vi vores HD struktur resultater, og sammenligne dem med det af en periodisk firkantet gitter fotoniske krystaller. Figur 5 viser en semilogaritmisk afbildning TE polarisation transmission (dB) vs frekvens (GHz) til en hyperuniform lidelse struktur på en indfaldsvinklen. Dette plot viser, at stoppe båndet regionen ligger ca…

Discussion

Med udgangspunkt i en hyperuniform uorganiseret punkt mønster, 2D HD strukturer bestående stænger og / eller væg netværk kan designes til at opnå en komplet PBG for alle polarisering ^11. Baseret på design, vi konstrueret en skabelon med huller og slidser til samling 2D Alumina stænger og vægge strukturer på cm-skala, som kan afprøves med mikrobølger. Vi valgte at arbejde med mikrobølger, fordi cm skala byggesten, såsom aluminiumoxid stænger og vægge, er billige, og let håndteres. Vi har ekspe…

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