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.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1 עיצוב מבנה 2D Hyperuniform סדר דיאלקטרי 11
- בחר תת מחלקה של דפוס נקודת הפרעת hyperuniform 2D (עיגולים כחולים באיור 2) ולחלק אותו (קווים כחולים באיור 2) שימוש בפסיפס ךלונה. פסיפס 2D ךלונה הוא טריאנגולציה שמגדילה את הזווית המינימלית לכל משולש שנוצרה ומבטיחה שאין נקודות אחרות בתוך circumcircle של כל משולש 11.
- אתר את centroids של כל משולש (עיגולים שחורים מוצקים באיור 2); centroids אלה הם המקומות של מוטות דיאלקטרי ברדיוס r 11.
- חבר את centroids של המשולשים השכנים (הקווים אדומים עבים באיור 2) כדי לייצר תאים מסביב לכל נקודה 11.
- צור קובץ CAD העיצוב לתבנית בסיס HD הגבוה 2 סנטימטר עם חורים וחריצים שבמוטות וקירות יהיו התאספו 14. השתמשדפוס HD עם המרווח פנימי מוט הממוצע של = 1.33 סנטימטר ולהגדיר את החור-הרדיוס כדי להיות 2.5 מ"מ וחריץ ברוחב להיות 0.38 מ"מ. הגדר את העומק לחורים וחריצים להיות 1 סנטימטר עמוק כדי לייצב את המוטות וקירות הוכנסו.
- צור קובץ דומה עיצוב CAD עבור תבנית בסיס גבישים (סריג מרובע) להשוואה 14. השתמש באותו קבוע סריג כמבנה HD (1.33 סנטימטר) ואותו חור-הרדיוס (2.5 מ"מ) וחריץ רוחב (0.38 מ"מ).
.2 בנייה לדוגמה והכנה
- לפברק את התבנית. ייצור HD ובסיסי פלסטיק סריג כיכר באמצעות מכונה stereolithography שמייצרת מודל פלסטיק מוצק על ידי צילום פילמור לייזר אולטרה סגול. השתמש שרף ברור, לפלסטיק כמו פוליקרבונט-ירושלים. הרזולוציה היא 0.1 מ"מ בשני כיוונים לרוחב ואנכיים. (ראה איור 3, פנל במרכז).
- הכן את אבני הבניין: r אלומינה זמין מסחרי להזמיןods וקירות דקים לחתוך לממדים מדויקים (ראה לוח איור 3, משמאל). הגדר את הגובה שלא יפחת מכמה אורכי גל, למשל 10.0 סנטימטר. הקוטר של כל המוטות הוא 5.0 מ"מ. עובי קיר הוא תמיד 0.38 מ"מ והרוחב משתנה מ1.0 מ"מ ל5.3 מ"מ, עם מרווחי 0.2 מ"מ.
- לבנות את מבנה מבחן ללא פגם למדידות bandgap. הכנס מוטות וקירות לתוך הבסיס לאדריכלות המבנה הרצוי. המבט מהצד של הרשת הבנויה משתי המוטות וקירות על בסיס הפולימר מוצג באיור 3, פנל ימני.
- עיצוב מוליך גל או פגם חלל: יצירת גלבו השונים באמצעות הדגימות ישירות על ידי הסרת או שינוי של מוטות וקירות לאורך השביל נועד, כפי שמוצג ב9A דמויות ו9C. העיצוב המודולרי של הדגימות מאפשר שינוי מהיר וקל של נקודה ופגמי קו או עקום.
3 מכשירים עיקריים
- השתמש במטאטא מסונתז (גנרטור מיקרוגל) כדי לספק מיקרוגל עם כיסוי תדרים של 45 MHz 50 GHz עם רזולוציה תדר 1 הרץ מדויק. חבר את המחולל למערך בדיקת S-פרמטר למדידת פרמטרים שידור בין שתי היציאות (מסופים). השתמש שימוש כללי ממשק אפיק קישורים (GPIB) וכבלים לתקשורת בין המטאטא והמבחן שנקבע.
- השתמש מנתח רשת וקטור מיקרוגל (VNA) לעבד את האותות שהתקבלו מS-הפרמטר ולמדוד גודל של האות והשלב להגדיר בדיקה. הגדר את מבחן S-הפרמטר מוגדר במצב S21, כך שVNA פלטי קובץ הנתונים המכיל את המרכיבים האמיתיים ודמיוניים של E-השדה זוהה בנמל 1 ביחס לאות המקור מהנמל 2 כפונקציה של תדר
.4 התקנת מכשיר
- התחל / תדר הסוף. בחר את ערכי התחלה וסיום המתאימים של טווח התדרים למדידה באמצעות VNAתפריט אה. טווח התדרים הרלוונטי הקשורים לPBG תלוי במדד דיאלקטרי של ריווח סריג של הדגימות. השתמש 7 GHz ל15 מיקרוגל GHz לדגימות אלומינה עם = 1.33 סנטימטר מרווח סריג.
- ממוצע פקטור. מנתח וקטור מחשב כל נקודת נתונים המבוססים על הממוצע של מדידות מרובות כדי להפחית את הרעש אקראי. בחר גורם מיצוע מ512 ל4,096 על ידי הזנת מספר הרצוי בלוח מקשי VNA. בחר גורם מיצוע גבוה יותר כדי למזער את הרעש ובחר גורם מיצוע נמוך יותר עבור סריקה מהירה יותר.
- מספר הנקודות. למדידות ב7 GHz ל15 GHz הטווח, בחר את המספר המרבי של נקודות נתונים (801), בתפריט שעל מסך VNA, להשגת רזולוציה תדר של 10 MHz.
- כיול. לכייל את המערכת על ידי המדידה ישירה של יחס התמסורת היחסי, ולנרמל אותו נגד השידור של הגדרה מכוילת מראש עם אותו הרקע וללא המדגם בין antenn הצופרכ. בדרך זו, כל אובדן הרקע בשל כבלים, מתאמים, גלבו, ואנטנות ניתן למנוע, ויחס התמסורת היחסי עם ובלי המדגם שנבדק נרשם ישירות.
- למדידות bandgap, למדוד את ההולכה המיקרוגל בחלל חופשי בין הקרניים זה מול זה במרחק של 28 ולשמור את התוצאות ככיול שנקבע בVNA. לפני שלקחת את הנתונים לניסוי בפועל עם מבנה בין הקרניים, להפעיל את הכיול שנקבע על ידי בחירה באפשרות "כיול על" על צג VNA. הנתונים מחושבים על ידי VNA יהיו באופן אוטומטי מנורמלים נגד סט הכיול ולהחזיר את היחס של עוצמת שידור עם ובלי המדגם במקום.
- למדידות מוליך גל, כיול משמעותי אינו מוגדר היטב, שכן השידור דרך גלבו המדגם יכול בקלות לעבור את השידור המכויל בין שתי הקרניים בשטח פנוי. תוראת הכיול על VNA לנטר ולהקליט את שידור הגלם, המהווה את האות זוהתה על אות המקור. הנח את הקרניים ממש ליד פתחי ערוץ מוליך גל להשגת יעילות הצימוד הטוב ביותר.
.5 הגדרת ניסוי
- הגדר את הגדרת הניסוי שמוצגת באיור 4. השתמש כבלים קואקסיאליים למחצה גמישים באיכות גבוהה כדי לחבר את היציאות שנקבעו מבחן-S-פרמטר עם גלבו קלט / פלט. חבר אנטנות קרן פירמידה עם היציאות דרך גלבו מצב יחיד המלבני ומתאמים כדי להבטיח את הקרינה להיות ליניארי מקוטב, E-השדה של הקרינה מהקרן הוא במקביל לקצה הקצר של הקרן.
- למדידות bandgap: ציית לשלבים הבאים כדי למדוד את ההולכה דרך הדגימות נטולות הפגם לאפיין PBG של דוגמיות חינם הפגם.
- יישר קרנות אנכית ואופקית לאחד מול שני. מסדרים את horns ברחוק מספיק מרחק, כגון 20 זמנים של אורך הגל הממוצע, כך שקרינת השדה הרחוק שהגיעה למדגם יכולה להיות מקורבות לגלי מטוס. כייל את התמסורת בין הקרניים מול בשטח פנוי בלי מדגם הבדיקה ולאחסן אותו בזיכרון כיול.
- הנח מבנים ללא פגם עשויים מוטות וקירות על הבמה מסתובבת בין שתי הקרניים מול. הפעל את מערכת הכיול שנרשמה לזיכרון VNA במהלך השלב 5.2.1. המערכת מוכנה כדי למדוד את יחס התמסורת היחסי באמצעות המדגם המנורמל נגד עוצמת השידור של הזיכרון המכויל עכשיו.
- לגלבו ומדידות פגמי חלל: ציית לצעדים להתקנת הניסויים הבאים:
- לבנות גלבו וחללים שונים על ידי הסרה או להחלפת מוטות וקירות במבנים ללא פגם, כפי שמוצג ב9A דמויות ו9C.
- מסדרים אתקרנות קרובות לפתחי הערוץ ככל האפשר כדי להבטיח צימוד טוב לערוץ. לערוצים מעוקלים וכפופים למרכז את הקרניים באמצע הערוץ עם מקביל הקצה לפתיחה.
- כבה את הכיול. עכשיו מערכת VNA מוכנה למדוד ולתעד את יחס תמסורת הגלם של הכח זוהה בנמל 2 על מקור הכח בנמל 1.
.6 רכישת נתונים וניתוח
- לאפיין את התלות הזוויתית של המאפיינים פוטוניים של הדגימות:
- מבני מקום עשויים ממוטות וקירות עם גבול כמעט מעגלי בשלב מסתובב בין שתי הקרניים מול.
- לוודא כי הכיול נשמר בזיכרון VNA מופעל בשלב 5.2.2. אפס קנה המידה הזווית על העברת הבמה והמידה מסתובבת דרך המבנה. לאחר המדידה הראשונית בזווית אירוע אפס, לסובב את המדגם ולמדוד את ההולכה בincrem זווית שווהמציג, כמו כל 2 מעלות עד 180 ° סיבוב הוא הגיע.
- לאפיין את תלות הקיטוב של הנכסים פוטוניים לדגימות:
לבצע את כל המדידות שתוארו לעיל בשני קיטובים שונים בהתאמה, על ידי שינוי אוריינטציות פתיחת קרן. לקיטוב TM, להגדיר קצה 'הקרניים הקצרה (כיוון E-השדה) בניצב למישור האופקי של בסיס המדגם ומקביל למוטות. לקיטוב TE, לסובב את הקרניים 90 מעלות, כך שקצותיהם קצרים (כיוון E-השדה) נמצאים במישור האופקי. - לאפיין ערוצי גלבו שונים: ודא שהכיול כבוי בשלב 5.3.3. הנח את הקרניים הבאות לדוגמא עבור הצימוד הטוב ביותר. מדוד את השידור בערוצים שונים שנבנו על ידי הסרת ו / או החלפת מוטות וקירות לאורך שביל הערוץ. תוך ניטור אותות השידור בVNA בזמן אמת, לשנות את נתיב הערוץ על ידי מודעהדינג והסרת מוטות וקירות לעוצמת שידור מותאם או רוחב פס סינון הרצוי נוספות.
- לבצע מדידות מקבילות דומות למה שתואר לעיל על גבישים פוטוניים סריג מרובע להשוואה.
- ניתוח נתונים. לנתח וגרף נתונים באמצעות תוכנת מחשב, כגון MATLAB. עלילה נמדדה שידור כתדר פונקציה (חלקת קו), כגון 5 איור, איור 2, ואיור 9 ב ו -9 ללמוד הפקק דרך לעבור דוגמאות או שידור למרות שערוצי מוליך גל. שידור עלילה כפונקציה של תדר וזווית (עלילה מתאר צבע) כדי לנתח את מאפייני להקות עצירה של המבנים והתלות הזוויתית שלהם, כפי שמוצג באיור 6 ו -7 איור.
- פרוטוקול זה מציע המציג את השידור נמדד באמצעות הדגימות כפונקציה של זווית תדירות ותקרית בקוטב coordiנטס 12, כדי להמחיש באופן ישיר סימטריות סיבוביות ותלות הזוויתית של נכסים פוטוניים. צור חלקות הקוטב לתאם להראות ישירות את גבולות אזור רילואן של מבנים גבישיים ולחשוף את מערכת היחסים בין היווצרות PBG ומטוסי פיזור בראג (גבולות אזור רילואן) בגבישים וquasicrystals.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
השגנו האישור הראשון אי פעם של הווה PBG מלא איזוטרופיים במבני דיאלקטרי הפרעת hyperuniform. כאן, אנו מציגים תוצאות המבנה שלנו HD ולהשוות אותם לזה של גבישים פוטוניים סריג מרובע תקופתיים.
איור 5 מראה עלילה למחצה יומן של שידור TE קיטוב (dB) לעומת התדר (GHz) למבנה הפרעת hyperuniform בזווית אירוע אחד. עלילה זה מראה כי אזור להקת התחנה ממוקם כ בין 8.5 ו9.5 GHz, שבו עוצמת שידור יורדת יותר משני הזמנות של גדלים.
כאמור לעיל, אנו משתמשים במודל גביש מרובע תקופתי להשוואה למבנה שלנו HD. שידור מתנות 6 איור נמדד (צבע) כפונקציה של תדר וזווית אירוע לסריג המרובע, בקיטוב TE. הצבע הכחול (השידור נמוך) מייצג את הלהקה להפסיק בתחום התדר בזווית מסוימת. נמדדלהקות להפסיק להראות את תלות הזוויתית חזקה הקשורים לסימטריה הסיבובית פי 4 שלה. להקת העצירה בכיוון אחד באפס מעלות שונה יותר מדי מזה ב45 ° כדי לאפשר חפיפה והיווצרות של bandgap קיטוב TE במבנה סריג כיכר הזאת.
איור 7 מציג את השוואת העלילה הקוטבית הייחודית של תכונות הולכה של מדגם הסריג המרובע ומדגם HD. חלקות קוטב מאפשרות לנו לדמיין את הגבולות היעילים אזור רילואן 5 ואת התלות הזוויתית של להקות התחנה. עוצמת השידור מוצגת בצבע כפונקציה של תדר (r = f) וזווית האירוע (q = q). להפסיק להקות בשל פיזור בראג מופיעות לאורך גבולות אזור רילואן בצורת הריבוע. כפי שהוסבר קודם לכן, הווריאציות עם זווית למנוע היווצרות של PBG (חסימה בכל הכיוונים) לסריג כיכר הזאת. למדגם HD, להפסיק טופס פער PBG איזוטרופיים לכל הכיוונים.
איור 8, מציג את שידור TM נמדד לעומת תדר דרך ערוץ מוליך גל ישר של רוחב 2, נוצר על ידי הסרת מוטות וקירות לאורך השביל במבנה הפרעת hyperuniform. הרצועה הוורודה מראה את PBG קיטוב TM של מבנה HD ללא פגם. כאשר הערוץ הוא הציג, פס רחב מונחה באמצעות הערוץ הפתוח.
הגמישות המוצעת על ידי מבנה PBG זה איזוטרופיים מסודר מאפשרת ליצור ערוצים חופשיים חסרי תקדים עם זוויות כיפוף שרירותיות ולקשט הצדדים, פינות והמרכזים שלהם עם מוטות וקירות עבור כוונון וייעול להקות השידור. איור 9 א תערוכות צילום של HD מבנה עם ערוץ מוליך גל של 50º זווית הכיפוף. איור 9 ב תערוכות שידור דרך ערוץ זה, אשר ניתן להשוות למה שאנחנו מקבלים דרך מוליך גל ישר למרות של העיקול החד. איורים 9 ג ו
איור 1 דפוסי נקודה מסודרים. שמאל, דפוס נקודת הפצה אקראית 2D פואסון, את השונות של מספר הנקודות בחלון עם הרדיוס R הוא פרופורציונאלי לR 2. ימין; דפוס נקודת הפרעת hyperuniform, שונות מספר בחלון הוא פרופורציונלית לR עצמו הרדיוס 11. אנא לחץ עליה דואר כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 2 סקיצה של פרוטוקול העיצוב של מבני הפרעת hyperuniform 2D בעל 11 PBG מלא. נתון זה מראה תת מחלקה של דפוס נקודת הפרעת hyperuniform 2-D (עיגולים כחולים) ומחולקים למחיצות בקווים כחולים באמצעות פסיפס ךלונה. פסיפס 2D ךלונה הוא טריאנגולציה שמגדילה את הזווית המינימלית לכל משולש שנוצרה ומבטיחה שאין נקודות אחרות בתוך circumcircle של כל משולש 11. Centroids, מוצג כעיגולים שחורים, הוא מיקומם של מוטות דיאלקטרי ברדיוס r 11. Centroids מחובר עם קווים אדומים כדי ליצור תאים מסביב לכל נקודת סריג. "> לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
מדגם איור 3 2D הפרעת hyperuniform המשמש בניסוי השמאל:. מוטות אלומיניום וקירות המשמשים כאבני בניין. הקוטר של כל המוטות הוא 5.0 מ"מ. עובי קיר הוא תמיד 0.38 מ"מ והרוחב משתנה מ1.0 מ"מ ל5.3 מ"מ, עם מרווחי 0.2 מ"מ. מרכז: תבנית בסיס פלסטיק עם חורים וחריצים להרכבת מבנה HD. הבסיס הוא ריבוע עם 25.4 צדדים סנטימטר ו -2 ס"מ גובה. מימין:. מבט מצד של מבנה אלומינה HD התאסף אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
ד / 51614 / "width =" 51614fig4highres.jpg 500 "/>
איור 4 סקיצה של הגדרת ניסוי גנרטור. האיתותים מחובר ל- פרמטר S המבחן שנקבע ונותח על ידי וקטור הרשת Analyzer (VNA). שני היציאות של מערך הבדיקה מחוברות למוליך גל אנטנות קרן על ידי כבלים קואקסיאליים. המדגם ממוקם בין הקרניים על במה מסתובבת. VNA לשלוח את הנתונים למחשב באמצעות חיבור GPIB (לא מוצג). אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 5 עלילה למחצה יומן של שידור TE (dB) לעומת התדר (GHz) באמצעות מבנה הפרעת hyperuniform בזווית אירוע אחד. Bandgap, מאופיין בירידה חדה בשידור, ניתן לראות באזור של 8-10 GHz. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
שידור איור 6 נמדד סריג מרובע קיטוב TE (dB) מוצג בצבע כפונקציה של שני התדרים (יחידות של ג / א) על זווית ציר y ואירוע (מעלות) על ציר x. עלילה זו מציגה את זוויתי תלות של bandgap TE בגביש סריג מרובע תקופתי. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 7 נמדד שידור קיטוב TE (dB) מוצג בצבע כפונקציה של שני תדרים (ג / א) כרדיאלי לתאם וזווית אירוע (מעלות) כazimuthal לתאם: מדגם סריג מרובע hyperuniform (א) (ב). מדגם הפרעה. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 8 מוליך גל ישר ערוץ במבנה HD: (א) תצלום של מדגם HD עם ערוץ מוליך גל קו פגם, (B) נמדד יחס של הכח זוהה על מקור כוח שידור TM דרך הערוץ כפונקציה של תדר ביחידות של ג / כאשר c היא מהירות האור בואקום ו= 1.33 גמ 'הוא המרווח הממוצע בין נקודות סריג. טווח TM bandgap מוצג על ידי הרצועה ורודה. השיא של האות ב0.41 ג / היא המצב המודרך בערוץ. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 9 ערוצי מוליך גל שונים דרך מבנה HD וספקטרום שידור נמדד כיחס בין הכח זוהה על מקור כוח. הילוכים הוא להתוות כפונקציה של תדר ביחידות של ג /. הרצועה הוורודה מציינת את טווח TM PBG תצלום של מבנה HD עם ערוץ כפוף 50 ° ו (ב) את ספקטרום השידור דרך המבנה המראה את המצב המודרך ברחבי 0.42 ג / תצלום. (א) (ג)של מבנה HD עם ערוץ חופשי של צורה וספקטרום השידור (ד ') בערוץ s-הצורה המראה את המצב המודרך ברחבי 0.42 ג /. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
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 מיקרוגל, משום שאובניים בניין סנטימטר בקנה מידה, כגון מוטות אלומיניום וקירות, הם לא יקרים, ולטפל בקלות. בניסוי אנחנו הוכחנו בפעם הראשונה שזה אפשרי שיהיו איזוטרופיים PBG מלא במבני הפרעת hyperuniform 2D. מחלקה זו של רשתות להפרעות לא מחזיקה סדר translational ארוך טווח ולכן היווצרות bandgap אינה מיוחסת לפיזור בראג כפי שהיא בגבישים פוטוניים תקופתיים.
שלא כמו גבישים פוטוניים תקופתיים, שבו יש מעט מאוד אפשרויות של symme סיבוביניסיונות ומהותו מגבילים את חופש עיצוב פגם 5, מבנה HD מספק כמה יתרונות עבור יישומי PBG אסורים בגבישים פוטוניים. ההרכבה של המבנה למדידת bandgap TM לוקחת רק כמה דקות, תוך התוספת של גיליונות למדידת bandgap TE יכול לקחת עד שעה 1. לאחר מדגם HD ללא פגם מורכב עם מוטות אלומיניום וקירות, הוא יכול לשמש כתבנית לשינוי, שבו גלבו וחללים יכולים להיווצר במהירות על ידי אסטרטגי הסרת כמה מוטות וקירות. במעמד החדש הזה של חומרי HD PBG, יש לנו הפגנו waveguiding החופשי לאורך שבילים שרירותיים בלתי מוגבלים על ידי כיווני סימטריה גבישים 14, סינון ופיצול 15, ומצבי תהודה חלל 16.
השיטות הניסיוניות שתוארו כאן הן קלה לעקוב ולשכפל. פרוטוקול הניסוי יכול להיות שונה כדי להתאים לצרכים של כל workin הנסייןg עם חומרי Photonics מלאכותיים אחרים שקשה ללמוד עם סימולציות או עם מיקרון ייצור, בגלל המורכבות, ההפרעה, או ארכיטקטורת הפגם שלהם. שימוש בשיטות אלה, אנחנו גם הפגנו ומאופיין מבנים אחרים מעין גבישי ומבני HD עשו עם פלסטיק מודפס-3D, אשר מחזיקים PBGs קיטוב יחיד 17,18. יש רק כמה צעדים לשקול כדי להבטיח את הצלחתו של הניסוי. החומרים המשמשים לבניית המדגם צריכים קליטה קטנה. הבחירה של המרווח בניגוד והסריג דיאלקטרי קובעת תדרי PBG הביאו. לדוגמא, יש מוטות אלומיניום ומבני קירות עם דיאלקטרי ניגודיות של 8.76 וסריג ריווח של 1.33 סנטימטר bandgap התרכז סביב 10 GHz. יש לי מבני HD דומים העשויים מחומרים פלסטיים עם דיאלקטרי ניגודיות של 2.56 ומרווח סריג של 0.6 סנטימטר פערי להקה מרוכז סביב 23 GHz. לטווחים שונים תדירות, קרנות ומתאמים נועדולמיקרוגל שונה להקות צריכה להיבחר בצורה נכונה. זה בסדר כדי למתוח את טווח תדרים שנמדד של X-band (8-12 GHz) קרנות מיקרוגל ומתאמים ל7-15 GHz לכל היותר. מעבר לטווח זה, רכיבים שונים ללהקות מיקרוגל אחרות צריכים להיות בשימוש. כדי להבטיח גלים מקוטבים מטוס במבנה, קרנות חייבות להיות ממוקמות רחוק אחד מהשני, ואילו עבור waveguiding ערוצי קרנות צריכה להיות ממוקמות ישירות לפתיחה.
מגבלה אחת של טכניקה זו היא מוגבל רלוונטית שלה ליישומים בעולם האמיתי לטכנולוגיה. מבנים שנבנו עם רכיבי סנטימטר בקנה מידה אינם ישומיים כמו התקנים פוטוניים. גלבו, מפצלים והחללים תהודה למדו עם טכניקה זו הם בעצם "הוכחה של מושג" מבנים שנועדו לשפר את הידע של אינטראקציה בין גלי EM ותקשורת המופרעת שלנו. עם זאת, כפי שתואר לעיל, בשל קנה המידה invariance של גלי EM, כל התוצאות שהתקבלודגימות מיקרוגל וסנטימטר בקנה מידה באמצעות יכולות להיות מיושמות ישירות לתדרי אינפרא אדום ואופטיים כאשר המבנים התכווצו למיקרון וקנה מידת submicron. שיטות נפוצות לייצור גבישים פוטוניים בקנה מידה submicron, כוללים ליתוגרפיה E-קורה ושני פוטונים-פילמור יכולים לשמש כדי להמציא חומרי PBG אלה באזורי IR והאופטיים ליישומים שונים.
ישנם יתרונות רבים של ניסויי המיקרוגל שלנו ללימוד תכונות של חומרים פוטוניים PBG המורכבים על ניסויים באמצעות IR. ראשית, העלות של בודה מכשירים לבדיקה בקנה מידת מיקרון היא גבוהה מאוד. התקנים להיות מיוצרים בדיוק במתקני חדר נקי. יתר על כן, שתי השיטות של גלי IR הצימוד ללוחות 2D של התקנים פוטוניים תחת בדיקה (DUT) הן בעייתיות. שיטה אחת היא להשתמש במצמד אנכי מחודד 19 לזוג עם סיבים אופטיים ממוקדים, אשר לעתים קרובות מציע bandwid בדיקה צרה מאודה (כלומר, מ1.5 מ"מ ל1.6 מ"מ, 6% מאורך הגל של 1.5 מ"מ המרכזי), בהשוואה לטווחי הבדיקות רחבים מאוד של אנטנות מיקרוגל, כגון 7 עד 17 GHz עם אחד סטים של מתאמים ואנטנות. השיטה אחרת של החדרת גלי IR להתקן הנבדק היא להשתמש מצמדי קצה סיבים, אשר יכולה לכסות טווח רחב יותר בדיקות, אבל הם יקרים בשל עלויות אריזה, לכן, משטר המיקרוגל מציע חופש הגדול הנסיין של עיצוב עם מבחר של זול חומרים, קלים לשימוש מכשירי בדיקה עם טווחים רחבים תדר, ארכיטקטורת סריג מודולרי ואת הנוחות של ניתוח בזמן אמת.
מושגי bandgap חקרו וגילו דרך גישת המיקרוגל כוללים הבנה טובה יותר של המנגנון הבסיסי להיווצרות PBG ואת יחסי הגומלין בין הגיאומטריה של המבנה וקרינת האירוע. יישומים עתידיים של טכנולוגיה זו יכללו 1) ללהמשיך וליישם שיטות בדיקת המיקרוגל לחקור ולייעל את העיצובים למכשירים פוטוניים פונקציונליים לסלילת הכביש של יישומים של חומרי HD PBG ו2) בקנה מידת הדגימות עד לIR והמשטר אופטי ליישום אמיתי שמשתמש bandgap פוטוניים, כגון חיישנים 20, תקשורת 6, ומיקרו מעגלים אופטיים 8.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
יש לי המחברים אין לחשוף.
Acknowledgments
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
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Stereolithography machine | 3D Systems | SLA-7000 | |
| Resin for base | 3D Systems | Accura 60 | |
| Alumina rods | r=2.5 mm, cut to 10.0 cm height | ||
| Alumina sheets | Thickness 0.38 mm, various width: from 1.0 mm to 5.3 mm with 0.2 mm increments | ||
| 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. , 2nd ed, Princeton University Press. Princeton, New Jersey. 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).
- Man, W., et al. 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). , Optical Society of America. Available from: https://www.osapublishing.org/abstract.cfm?uri=FiO-2012-FTh2G.5 (2012).
- Tsitrin, S., et al. Cavity Modes Study in Hyperuniform Disordered Photonic Bandgap Materials. Frontiers in Optics 2012/Laser Science XXVIII, OSA Technical Digest (online). , Optical Society of America. 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. Conference on Lasers and Electro-Optics, 2010 May 16-21, San Jose, United States, , (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).
