Bruke Mikrobølgeovn og makroskopiske Prøver av Transformator Solids å studere Photonic egenskaper Disordered Photonic bandgap Materials

Summary

Uordnede strukturer tilby nye mekanismer for å danne fotoniske bandgaps og enestående frihet i funksjonell-defekt design. For å omgå de beregnings utfordringene i uordnede systemer, vi konstruere modulære makroskopiske prøver av den nye klassen av PBG materialer og bruke mikrobølger til å karakterisere sin skala-invariant fotoniske egenskaper, på en enkel og billig måte.

Abstract

Nylig har uordnede fotoniske materialer vært foreslått som et alternativ til periodiske krystaller for dannelse av et komplett fotoniske bandgap (PBG). I denne artikkelen vil vi beskrive metoder for å konstruere og karakter makroskopiske uordnede fotoniske strukturer ved hjelp av mikrobølger. Mikrobølge regimet tilbyr den mest praktiske eksperimentelle utvalgsstørrelse for å bygge og teste PBG media. Lett manipulert dielektriske gitter komponenter utvide fleksibilitet i å bygge ulike 2D strukturer på toppen av fortrykte plastmaler. Når bygget, kunne de strukturene raskt endret med punkt og linjefeil å gjøre frihåndsbølgeledere og filtre. Testing er gjort ved hjelp av en allment tilgjengelig Vector Network Analyzer og par mikrobølgeovn horn antenner. På grunn av den skala invarians egenskapen av elektromagnetiske felt, resultatene kan vi oppnådd i mikrobølgeovn regionen bli direkte anvendt på infrarød og optiske regioner. Vår tilnærming er enkel, men leverer exciting ny innsikt i naturen av lys og uordnede saken interaksjon.

Våre representative resultater omfatter det første eksperimentelle demonstrasjonen av eksistensen av en komplett og isotrop PBG i en to-dimensjonal (2D) hyperuniform uordnede dielektrisk struktur. I tillegg viser vi eksperimentelt evne til denne romanen fotoniske struktur for å veilede elektromagnetiske bølger (EM) gjennom frihåndsbølgeledere av vilkårlig form.

Introduction

Eksistensen av en bandgap for fotoner har vært fokus for mange vitenskapelige arbeider, fra de tidligere studier gjort av Lord Rayleigh på endimensjonale stop-band, et spekter av frekvenser som er forbudt fra forplantning gjennom en periodisk medium ^en. Forskning på elektromagnetiske bølger (EM) forplantning i periodiske strukturer har virkelig blomstret i de siste to tiårene etter seminal publikasjoner av E. Yablonovitch ^2,3 og S. John ^fire. Begrepet "fotoniske krystaller" ble skapt av Yablonovitch å beskrive periodiske dielektriske strukturer som besatt en fotoniske bandgap (PBG).

Fotoniske krystaller er periodiske dielektriske strukturer som innehar diskrete translasjonsforskning symmetrier, gjør dem invariant henhold oversettelser i retninger av periodisitet. Når dette periodisitet er matchet med bølgelengder av innkommende elektromagnetiske (EM) bølger, et band of frekvenser blir svært svekket og kan slutte å spre. Hvis bred nok, kan de utvalgene av de forbudte frekvenser, også kalt stop band, overlapper i alle retninger for å lage en PBG, forbyr eksistensen av fotoner av visse frekvenser.

Konseptuelt er EM bølgeutbredelse i fotoniske krystaller som ligner på elektronbølgeutbredelse i halvledermaterialer, som har en forbudt regionen elektron energier, også kjent som en bandgap. På samme måte som ingeniører har ansatt halvledere å kontrollere og endre flyten av elektroner gjennom halvledere, kan PBG materialer brukes til ulike applikasjoner som krever optisk kontroll. For eksempel kan PBG materialer begrense lys av visse frekvenser i bølgelengde størrelse hulrom, og lede eller filter lys langs linjen defekter i dem ^5. PBG materialer er foreslått for å brukes for å styre strømmen av lett for anvendelser i telekommunikasjon ⁶, Lasere ^7, optiske kretser og optisk databehandling ^8, og solenergi høsting ^ni.

En to-dimensjonal (2D) firkantet gitter fotoniske krystaller har fire gangers rotasjonssymmetri. EM-bølger som kommer inn i krystall ved forskjellige innfallsvinkler (for eksempel 0 ° og 45 ° med hensyn til gitterplanene) vil møte forskjellige periodisiteter. Bragg scattering i forskjellige retninger stanse fører til band av forskjellige bølgelengder som ikke overlapper hverandre i alle retninger for å danne en PBG, uten meget høy refraktiv-indeks kontrast av materialene. I tillegg, i 2D strukturer, to forskjellige EM bølge polarizations, Tverr Electric (TE) og Tverr Magnetic (TM), ofte danner bandgaps på ulike frekvenser, noe som gjør det enda vanskeligere å danne en komplett PBG i alle retninger for alle polarisasjoner ^fem. I periodiske strukturer, de begrenset valg av rotasjonssymmetri føre til indre anisotropi (Angular avhengighet), som ikke bare gjør det vanskelig å danne en komplett PBG, men også i stor grad begrenser designfrihet av funksjonelle defekter. For eksempel er waveguide design vist seg å være begrenset sammen svært begrenset valg av store symmetri retninger i fotoniske krystaller ^10.

Inspirert til å overgå disse begrensninger pga periodisitet, har mye forskning vært gjort de siste 20 årene på ukonvensjonelle PBG materialer. Nylig en ny klasse av uordnede materialer ble foreslått å ha en isotrop komplett PBG i fravær av periodisitet eller quasiperiodicity: den hyperuniform Disorder (HD) PBG struktur ^11. De fotoniske band har ikke eksakt analytisk løsning i uorden strukturer. Teoretisk studie av fotoniske egenskapene til de uordnede strukturer er begrenset til tidkrevende numeriske simuleringer. For å beregne bandene, må simuleringen å ansette en super-celle tilnærming metoden og available regnekraft kan begrense det endelige størrelsen på super-celle. For å beregne overføring gjennom disse strukturene, datasimuleringer ofte anta ideelle forhold og dermed forsømmelse reelle problemstillinger som koblingen mellom kilden og detektoren, selve hendelsen EM bølge profil, og innretting ufullkommenhet ^12. Videre vil enhver endring (defekt design) av den simulerte struktur krever en ny runde av simulering. På grunn av den store størrelsen på minimum betydning for super-celle, er det veldig kjedelig og upraktisk å systematisk utforske ulike feil motiv arkitekturer for disse uordnede materialer.

Vi kan avverge disse datarelaterte problemer ved å studere de uordnede fotoniske strukturer eksperimentelt. Gjennom våre eksperimenter er vi i stand til å bekrefte eksistensen av hele PBG i HD-strukturer. Ved hjelp av mikrobølge eksperimenter, kan vi også få faseinformasjon og avsløre felt distrisjons og spredningsegenskaper av eksisterende fotoniske stater i dem. Bruke en lett modifiserbare og modulprøve på cm-skala, kan vi teste ulike bølgeleder og hulrom (defekt) design i uordnede systemer og analysere robusthet PBGs. Denne typen analyser av komplekse uordnede fotoniske strukturer er enten upraktisk eller umulig å få gjennom numeriske eller teoretiske studier.

Designprosessen begynner ved å velge en "stealthy" hyperuniform punkt mønster ^13. Hyperuniform punktmønstre er systemer hvor antall variansen av punktene innenfor et "sfærisk" samplingsvindu med radius R, vokser langsommere enn volumet av vinduet for store R, det vil si, mer langsomt enn R ^d i d-dimensjoner. For eksempel, i et 2D Poisson tilfeldig fordeling av punkt mønster, er variansen av det antall punkter i domenet R proporsjonal med R 'sup> 2. Imidlertid, i en hyperuniform forstyrrelse punkt mønster, variansen av punktene i et vindu med radius R, er proporsjonal med R. Figur 1 viser en sammenligning mellom en hyperuniform uordnede punkt mønster og et Poisson punkt mønster ^11. Vi bruker en underklasse av hyperuniform uordnede punkt mønstre kalt "stealthy" ^11.

Med utformingen protokollen beskrevet i Florescu et al ^11, vi konstruere et nettverk av dielektriske vegger og stenger, og skaper en 2D hyperuniform dielektrisk struktur som ligner på en krystall, men uten de begrensningene som ligger til periodisitet og isotropi. Veggen nettverk er gunstig for TE-polarisasjon bandgap, mens stengene er å foretrekke for å danne bandet hullene med TM-polarisering. En modulær design ble utviklet, slik at prøvene kan enkelt endres for bruk med ulike polarizations og for introducing frihåndsbølgeledere og hulrom defekter. På grunn av omfanget invarians av Maxwells ligninger, de elektromagnetiske egenskaper observert i mikrobølgeregimet er direkte relevant for de infrarøde og optiske regimer, der prøvene vil bli skalert til Micron og submikron størrelser.

Protocol

1. Lag en 2D Hyperuniform Disordered Dielektrisk Structure 11 Valgte en underklasse av 2D hyperuniform lidelse punkt mønster (blå sirkler i figur 2) og partisjonere den (blå linjer i figur 2) ved hjelp av Delaunay flislegging. En 2D Delaunay flislegging er en triangulering som maksimerer minimumsvinkel for hver trekant dannet og garanterer det ikke er noen andre punkter i den omskrevne hver trekant 11. Finne centroids av hver trekant (solid …

Representative Results

Vi har oppnådd den første bekreftelsen noensinne av en isotrop komplett PBG stede i hyperuniform lidelse dielektriske strukturer. Her presenterer vi våre HD struktur resultater og sammenligne dem til det av en periodisk firkantet gitter fotoniske krystaller. Figur 5 viser en semi-log plott av TE polarisasjonen transmisjon (dB) kontra frekvens (GHz) for en hyperuniform lidelse struktur på en hendelse vinkel. Denne tomten viser at stopp bandet regionen ligger omtrent mello…

Discussion

Fra en hyperuniform uordnede punkt mønster, 2D HD-strukturer bestående stenger og / eller vegg-nettverk kan være utformet for å oppnå en fullstendig PBG for alle polariseringen ^11.. Basert på design, bygget vi en mal med hull og spor for montering 2D Alumina stenger og vegger strukturer på cm-skala som kan testes med mikrobølger. Vi valgte å arbeide med mikrobølger, fordi cm-skala byggeklosser, som alumina stenger og vegger, er billig og lett håndteres. Vi har eksperimentelt påvist for første gan…

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