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.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1 Разработка структуры 2D Hyperuniform Разупорядоченная Диэлектрические 11
- Выбрал подкласс 2D точки hyperuniform расстройство рисунком (синие круги на рисунке 2) и его раздела (синие линии на рисунке 2), используя Делоне тесселяции. 2D Делоне тесселяции триангуляции, который максимизирует минимальный угол для каждого треугольника формируется и гарантирует нет других точек внутри окружности каждого треугольника 11.
- Найдите центроиды каждого треугольника (сплошные черные круги на рисунке 2); эти центры тяжести находятся места расположения диэлектрических стержней радиусом 11.
- Подключите центроиды соседних треугольников (красные линии на рисунке 2) для генерации клеток вокруг каждой точки 11.
- Создайте файл проектирования САПР для 2 см в высоту HD базового шаблона с отверстия и пазы, по которым палочки и стены будут собранных 14. ИспользуйтеHD модели со средним расстоянием между внутрипартийной стержня а = 1,33 см и установите отверстие-радиус быть 2,5 мм и слот-ширина быть 0,38 мм. Установите глубину для отверстия и пазы, чтобы быть 1 см глубиной, чтобы стабилизировать вставленные стержни и стены.
- Создать подобную CAD файла структуры для кристаллической матрицы базовой (квадратная решетка) для сравнения 14. Используйте ту же постоянную решетки в качестве структуры HD (1,33 см) и то же отверстие радиуса (2,5 мм) и слот шириной (0,38 мм).
2 Образец Строительство и подготовка
- Изготовление шаблона. Производство в HD и квадратной решетки пластиковые баз с помощью стереолитографии машина, которая производит прочную пластиковую модель ультрафиолетовым лазерным фото-полимеризации. Использование четкое смолы, например, из поликарбоната, как пластмасса. Разрешение 0,1 мм в обеих боковых и вертикальном направлениях. (Смотрите рисунок 3, центральную панель).
- Подготовка строительных блоков: Заказать продаже глинозема гОРВ и тонкие стены вырезанные точно по размеру (см рис 3, слева). Установите высоту, нет меньше, чем несколько длин волн, например 10,0 см. Диаметр всех стержней 5,0 мм. Толщина стенки всегда 0,38 мм и шириной варьироваться от 1,0 мм до 5,3 мм, с шагом 0,2 мм.
- Построить структуру тестового бездефектной для измерений запрещенной зоны. Вставьте стержни и стены в базу для требуемого архитектуры структуры. Вид сбоку построенной сети обоих стержней и стен на полимерной основе показано на рисунке 3, правой панели.
- Дизайн волновод или дефект полости: Создание различных волноводов через образцов непосредственно удаления или изменения стержней и стены вдоль проектируемого пути, как показано на рисунках 9А и 9В. Модульная конструкция образцов позволяет быстро и легко менять точку и линии или кривой дефектов.
3. Основные инструменты
- Используйте синтезированный уборочная машина (СВЧ-генератор) для обеспечения микроволновые печи с охватом частоты 45 МГц до 50 ГГц с точным 1 Гц разрешением по частоте. Подключите генератор к тестового набора S-параметров для измерения параметров передачи данных между двумя портами (терминалов). Используйте общего назначения Интерфейс шины (GPIB) ссылки и кабели для связи между уборочная машина и тест-набора.
- Используйте Микроволновая печь векторного анализатора (VNA) обрабатывать сигнал, принятый от S-параметра тест-набор и для измерения величины сигнала и его фазу. Набор тест S-параметр установлен в режиме S21 таким образом, чтобы ВНА выводит файл данных, содержащий действительные и мнимые компоненты обнаруженного E-поле в порт 1 по отношению к исходному сигналу от порта 2 в зависимости от частоты
4 Настройка прибора
- Start / End Frequency. Выберите соответствующие начальные и конечные значения диапазона частот для измерения с помощью ВНА намМеню э. Соответствующий диапазон частот, связанных с фотонной запрещенной зоны зависит от диэлектрической решетки показателя расстояния между образцами. Используйте 7 ГГц до 15 ГГц микроволн для образцов глинозема с шага решетки а = 1,33 см.
- Коэффициент усреднения. Вектор анализатор вычисляет каждую точку данных на основе среднем многократных измерений для уменьшения случайного шума. Выбрать коэффициент усреднения с 512 до 4096, введя нужный кратное на клавиатуре ВНА. Выберите более высокий коэффициент усреднения для минимизации шума и выбрал более низкий коэффициент усреднения для быстрого сканирования.
- Количество точек. Для измерений в 7 ГГц до 15 ГГц диапазоне, выбрал максимальное количество точек данных (801), на ВНА на экране меню, для достижения резолюцию частоте 10 МГц.
- Калибровка. Калибровку системы путем непосредственного измерения соотношение относительного передачи, и нормализовать его от передачи предварительно откалиброван обстановке с той же фоне и без образца между рог Antennкак. Делая это, все потери фон в связи с Кабели, переходники, волноводов и антенн могут быть устранены, и относительный коэффициент передачи с и без исследуемом образце запись будет сразу.
- Для измерений запрещенной зоны, измерить радиорелейной связи через свободное пространство между рогами лицом друг к другу на расстоянии 28 а и сохранить результаты как калибровочного набора в ВНА. Прежде чем принимать данные для реального эксперимента со структурой между рогами, включите калибровочного набора, выбрав "Калибровка на" на мониторе ВНА. Данные, рассчитанные по ВНА будет автоматически нормализуется против калибровочного набора и возврата коэффициента мощности передачи с и без образца в месте.
- Для волноводных измерений, смысл калибровки не очень хорошо определена, так как передача через образец волноводов может легко превысить калиброванный передачи между двумя рожками в свободном пространстве. Включитес калибровкой на ВНА отслеживать и записывать необработанный передачи, который является обнаруженный сигнал на источнике сигнала. Поместите рога в непосредственной близости от отверстия волновода каналов для достижения наилучшего эффективность связывания.
5 Экспериментальная установка
- Настройка экспериментальную установку, показанную на рисунке 4. Используйте высококачественные Полуэластичное коаксиальных кабелей для подключения тест-набор портов S-параметров с ввода / вывода волноводов. Подключите пирамидальные рупорные антенны с портами через прямоугольных волноводов одномодовых и адаптеров для обеспечения излучения линейно поляризованным, E-поле излучения от рога параллельно короткой стороне рога.
- Для измерений запрещенной зоны: Придерживайтесь следующих шагов, чтобы измерить передачу через бездефектных образцов охарактеризовать PBG дефектных бесплатных образцов.
- Совместите рога вертикали и горизонтали лицом друг к другу. Устройте часorns на достаточно далеком расстоянии, такие как 20 раз из средней длины волны, так что в дальней зоне излучения, достигающего образец может быть приближена к плоских волн. Калибровка передачу между которыми сталкиваются рогами в свободном пространстве без тестирования проб и сохранить его в памяти калибровочных.
- Поместите бездефектных конструкции из стержней и стен на поворотном столике между двумя стоящих рога. Включите калибровочного набора записанного в ВНА памяти на этапе 5.2.1. Теперь система готова для измерения относительной передаточное отношение через образец, нормированной против мощности передачи калиброванной памяти.
- Для волноводов и полости дефектов измерений: Придерживайтесь следующих шагов для настройки экспериментов:
- Построить различные волноводы и полостей путем удаления или замены стержней и стены в бездефектных структур, как показано на рисунках 9А и 9В.
- Устройтерога как можно ближе к отверстий каналов, как это возможно, чтобы обеспечить хорошее сцепление в канал. Для изогнутые и изогнутые каналы центр рога в середине канала с ребром, параллельным открытием.
- Выключите калибровку. Теперь система готова ВНА, чтобы измерить и записать необработанный передаточное отношение обнаруженного мощности на порт 2 по сравнению с исходной мощности на порт 1.
6 сбора и анализа данных
- Охарактеризовать угловую зависимость фотонных свойств образцов:
- Место конструкции из стержней и стен с почти круговой границы на вращающейся сцене между двумя стоящих рога.
- Убедитесь, что калибровка сохраняется в памяти ВНА включен в шаге 5.2.2. Нулевой угол шкалы на вращающемся стадии и меры передачи через структуру. После первоначальной оценки при нулевой угол падения, вращать образец и измерить передачу в равной угла ИНКРЕМ.ДАТЧИКЭнты, такие как каждые 2 ° до 180 ° вращения достигается.
- Охарактеризовать зависимость поляризации фотонных свойств образцов:
Выполните все измерения, описанные выше в двух различных поляризаций соответственно, путем изменения открытия рог ориентации. Для ТМ-поляризации, установить короткий край рога »(направление E-поля), перпендикулярной к горизонтальной плоскости основания образца и параллельно стержней. Для ТЕ поляризации, повернуть рога на 90 градусов, так что их короткие кромки (направление E-поля) находятся в горизонтальной плоскости. - Охарактеризовать различные волноводы каналов: Убедитесь, что калибровка выключена на шаге 5.3.3. Поместите рога рядом с образцом для лучшего сцепления. Измерьте передачу по различным каналам, построенных путем удаления и / или замены стержней и стены вдоль пути канала. Контролируя сигнал передачи на ВНА в режиме реального времени, изменить путь канала по объявлениюдинь и удаления дополнительных стержней и стены для оптимизации мощности передачи или желаемой пропускной способности фильтрации.
- Выполнение аналогичные измерения подобные тем, что описаны выше на квадратной решетки фотонного кристалла для сравнения.
- Анализ данных. Анализ и график данные, используя компьютерную программу, например, MATLAB. Земля измеряется передачу в качестве частоты функции (линия сюжета), таких как рис 5, рис 2, и фиг.9В и 9D изучения временная через образцы или передачи проходят через волноводных каналов. Передача участка в зависимости от частоты и угла (цвет контура участка) проанализировать стоп-зон характеристики структур и их угловой зависимости, как показано на рисунке 6 и рисунке 7.
- Этот протокол предполагает представить Передача измеренных с помощью образцов как функции угла падающего частоты и в полярном кооргов 12, для того, чтобы непосредственно визуализировать вращательные симметрии и угловую зависимость фотонных свойств. Генерация полярные координаты участков непосредственно показать границы зоны Бриллюэна кристаллических структур и выявить связь между формированием PBG и брэгговских плоскостей рассеяния (границы зоны Бриллюэна) в кристаллах и квазикристаллов.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Мы добились первое подтверждение либо изотропной полной PBG настоящее время в hyperuniform расстройства диэлектрических структур. Здесь мы представляем наши результаты структуры HD и сравнить их с, что из периодической квадратной решетке фотонного кристалла.
5 показан полулогарифмический график передачи TE поляризации (дБ) в зависимости от частоты (ГГц) для структуры расстройства hyperuniform под одним углом падения. Этот график показывает, что регион остановка группа находится примерно между 8,5 и 9,5 ГГц, где интенсивность передачи падает более чем на два порядка величины.
Как уже говорилось выше, мы используем периодическое квадратную модель кристалла для сравнения с нашей структурой HD. На рисунке 6 представлены Передача измеренных (цвет) в зависимости от частоты и угла падения для квадратной решетки, в ТЕ поляризации. Синий цвет (низкая передача) представляет собой стоп-зоны в частотной области на заданный угол. Измереннаяостановить полосы отражают сильную угловую зависимость, связанную с его поворотной симметрией 4-кратным. Остановка полосы в одном направлении при нуле градусов слишком много отличается от той, на 45 °, чтобы перекрытие и формирование ТЕ поляризации запрещенной зоны в этой квадратной структуры решетки.
На рисунке 7 показана уникальный полярный сравнение Земельный свойствами передачи квадратного образца решетки и образца HD. Полярные участки позволяют визуализировать эффективные границы зоны Бриллюэна 5 и угловую зависимость стоп-зон. Интенсивность передачи показан на цвет в зависимости от частоты (R = F) и угла падения (Q = Q). Стоп полосы за счет брэгговского рассеяния появляются вдоль границ квадратной формы зоны Бриллюэна. Как было объяснено выше, вариации с углом предотвратить образование фотонной запрещенной зоны (блокирование на всех направлениях) для этой квадратной решетки. Для образца HD, остановить вид разрыв изотропное PBG во всех направлениях.
Рисунок 8, показывает передачи измеренного TM от частоты через прямой волноводного канала шириной 2 в, созданный путем удаления стержней и стены по пути в структуре hyperuniform расстройства. Розовый полоса показывает TM поляризации PBG в бездефектной структуры HD. Когда вводится канал, широкая полоса проходит через открытый канал.
Гибкость гостей этого изотропной неупорядоченной структурой PBG дает возможность сформировать беспрецедентные произвольной формы каналов с произвольными углами изгиба и украсить их стороны, углы и центры палками и стен для настройки и оптимизации полосы пропускания. 9А показывает фотографию в HD структура с волновода канала 50º угла гибки. 9В показывает передачу через этот канал, что сопоставимо с тем, что мы получаем через прямой волновода несмотря на крутом повороте. Рисунки 9С и
Рисунок 1 Разупорядоченные точечным. Слева, 2D Пуассона случайное распределение точка картины, дисперсия числа точек в окне с радиусом R пропорциональна R 2. Справа; точка рисунок hyperuniform расстройства, количество дисперсия в окне пропорциональна самой радиуса R 11. Пожалуйста, нажмите ее е, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 2 Эскиз дизайна протокола 2D структур hyperuniform расстройства, обладающих полной PBG 11. Эта цифра показывает подкласс 2-D точки hyperuniform расстройство рисунком (синие кружки) и разбивается синих линий с использованием Делоне тесселяции. 2D Делоне тесселяции триангуляции, который максимизирует минимальный угол для каждого треугольника формируется и гарантирует нет других точек внутри окружности каждого треугольника 11. Центроиды, показано, как черные круги, являются расположение диэлектрических стержней радиусом 11. Центроиды связаны с красными линиями для генерации клеток вокруг каждой точки решетки. "> Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 3 2D образец hyperuniform расстройство используется в эксперимент левых:. Глинозем стержни и стены, используемые в качестве строительных блоков. Диаметр всех стержней 5,0 мм. Толщина стенки всегда 0,38 мм и шириной варьироваться от 1,0 мм до 5,3 мм, с шагом 0,2 мм. Центр: пластиковая основа шаблон с отверстиями и пазами для сборки структуры HD. База представляет собой квадрат со 25,4 см сторон и 2 см в высоту. Справа:. Вид сбоку собранном HD глинозема структуры Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
д / 51614 / 51614fig4highres.jpg "ширина =" 500 "/>
Рисунок 4 эскиз установки эксперимента генератор. Сигнала подключен к S-параметров тестового набора и проанализированной Vector Network Analyzer (ВНА). Оба порта из тестового набора соединены с рупоры антенны коаксиальным кабелем. Образец помещают между рогами на вращающемся стадии. ВНА отправить данные на компьютер через соединение GPIB (не показано). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 5 полулогарифмический участок передачи TE (дБ) от частоты (ГГц) через структуру hyperuniform расстройства под углом один падающего. Запрещенной, характеризуется резким падением передачи, Можно увидеть в районе 8-10 ГГц. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 6 Измеряется квадратная решетка передачи TE поляризации (дБ) показывает в цвете в зависимости от как по частоте (единицы с / а) на оси ординат и падающего угла (в градусах) на оси х. Этот график показывает, угловая зависимость ширины запрещенной зоны ТЕ в периодической квадратной решетке кристалла. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 7 Измеренная TE передачи поляризации (дБ) показывает в цвете в зависимости как от частоты (с / а), как радиальной координате и угла падения (градусы) в качестве азимутального координат:. (A) площадь образца решетки (B) hyperuniform Образец расстройство. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 8 Прямой канал волновода в структуре HD: (А) фотографию образца HD с волноводного канала линии дефектов, (В) измеряется передаточное отношение ТМ обнаруженного власти над мощности источника через канал в зависимости от частоты в единицах с / а, где С скорость света в вакууме и = 1,33 см представляет собой среднее расстояние между точек решетки. Диапазон ТМ ширина запрещенной зоны показано на розовый полосы. Пик сигнал на 0,41 C / A является руководствоваться режим в канале. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 9. различные каналы волновода через структуру HD и измеренного спектров пропускания как отношение обнаруженного власти над источником питания. Передачи на графике как функция частоты в единицах с / а. Розовые полосы указывает диапазон ТМ PBG. (А) Фотография структуры HD с изогнутой канала и (B) спектры пропускания через структуры, показывающей режим управляемой вокруг 0,42 C 50 ° / (С) фотографияиз структуры HD с каналом произвольной формы с-формы и (D) спектры пропускания через S-формы канала, показывая руководствуясь режим вокруг 0,42 с /. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
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 см-масштабе, которые могут быть проверены с помощью микроволн. Мы решили работать с микроволнами, потому см масштабные строительные блоки, такие как оксид алюминия стержней и стен, недороги, и легко обрабатываются. Мы экспериментально доказали впервые, что можно иметь изотропное полное PBG в 2D hyperuniform расстройства структур. Этот класс неупорядоченных решетках не обладает дальнего порядка поступательное и поэтому формирование запрещенной зоны, не отнесен к брэгговского рассеяния, как в периодических фотонных кристаллов.
В отличие от периодических фотонных кристаллов, которые имеют очень мало выбора вращательного symmeпытается и повышенной внутренней ограничить дефект свобода дизайн 5, строение HD предоставляет ряд преимуществ для приложений PBG не разрешенных в фотонных кристаллах. Сборка конструкции для измерения запрещенной ТМ занимает всего несколько минут, в то время как добавление листов для измерения запрещенной TE может занять до 1 часа. Как только бездефектной образец HD собран с глиноземом стержней и стен, он может служить в качестве изменяемой шаблона, в котором волноводы и резонаторы могут быть быстро образованной стратегически удаления некоторых стержней и стены. В этом новом классе HD PBG материалов, мы продемонстрировали свободной формы волноведущих вдоль произвольных путей неограниченных кристаллическими направлениях симметрии 14, фильтрации и разделения 15, и полости резонансных мод 16.
Экспериментальные методы, описанные здесь, легко следовать, и воспроизвести. Экспериментальный протокол может быть изменен, чтобы удовлетворить потребности любого экспериментатора Workinг с другими искусственными фотоники материалов, которые трудно изучать с моделированием или с микронного изготовления, в силу своей сложности, расстройства или дефекта архитектуры. Используя эти методы, мы также продемонстрировали и характеризуется другими квази-кристаллические структуры и HD конструкции из с 3D-печатной пластика, которые обладают одиночные PBGs поляризационные 17,18. Есть только несколько шагов, чтобы рассмотреть для обеспечения успеха эксперимента. Материалы, используемые для построения образца необходимо иметь малое поглощение. Выбор диэлектрической контрастности и шага решетки определяет привели частоты PBG. Например, глинозема стержни и стены структуры с диэлектрической-контраста 8,76 и решетки-параметра 1,33 см имеет запрещенную зону по центру около 10 ГГц. Подобные HD конструкции из пластиковых материалов с диэлектрической-контраста 2,56 и расстоянии 0,6 см решетки имеют ширины запрещенной зоны, расположенные вокруг 23 ГГц. Для различных частотных диапазонах, рогами и адаптерами, разработаннымидля различных микроволновой печью полосы должны быть выбраны правильно. Это прекрасно, чтобы растянуть измеренный диапазон частот Х-диапазоне (8-12 ГГц) СВЧ рогами и адаптеров для 7-15 ГГц в большинстве. За пределами этого диапазона, различные компоненты для других микроволновом диапазонах должны быть использованы. Для обеспечения плоскополяризованные волны в структуре, рога должны быть размещены далеко друг от друга, в то время как для волноведущих каналов рога должны быть размещены непосредственно на открытие.
Одним из ограничений этого метода является его ограниченная актуальность для реальных приложений до технологии. Структуры, созданные с помощью см масштабных компонентов непосредственно не применимы как фотонных устройств. В волноводы, разветвители и резонаторы изученные с этой техникой, по существу, "доказательство концепции" конструкции, предназначенные для улучшения наших знаний о взаимодействии электромагнитных волн и неупорядоченных средах. Однако, как описано выше в связи с масштабной инвариантности ЭМ волн, получены все результатыс использованием СВЧ и см масштабные образцы могут быть непосредственно применены к инфракрасных и оптических частот для конструкций, сократилась до микронных и субмикронных масштаб. Общие методы получения для субмикронных масштабах фотонных кристаллов, в том числе электронно-лучевой литографии и двухфотонно полимеризации может быть использован для изготовления этих PBG материалов в ИК и оптическом диапазонах для различных применений.
Есть много преимуществ наших микроволновых экспериментов для изучения фотонных свойств сложных PBG материалов над экспериментов с использованием ИК. Прежде всего, затраты на изготовление устройства для тестирования в масштабе микрон очень высока. Устройства должны быть точно изготовлены в чистых помещениях объектов. Кроме того, два способа связи ИК волн в 2D плит фотонных устройств под испытания (ИУ) являются проблематичными. Один из способов заключается в использовании коническую вертикальную переходник 19 для соединения с сфокусированных оптических волокон, которые часто предлагает очень узкий тестирования bandwidго (т.е. от 1,5 мм до 1,6 мм, 6% от центральной длиной волны 1,5 мм), по сравнению с очень широких пределах испытательных СВЧ-антенн, такие как 7 до 17 ГГц с одним наборов адаптеров и антенн. Другой способ введения ИК волны в ИУ является использование край волокна муфт, которые могут охватывать более широкий круг тестирования, но слишком дороги в связи с затраты на упаковку, Поэтому, микроволновая режим предлагает экспериментатор большую свободу дизайна с выбором недорого материалы, простой в использовании инструментов тестирования с широком диапазоне частот, модульной архитектуре решетки и удобства анализа в реальном времени.
Ширина запрещенной зоны понятия тестироваться, а обнаруженные в результате микроволнового подхода включают более глубокое понимание фундаментальной механизма формирования PBG и взаимодействие между геометрией структуры и падающего излучения. Будущие применения этой технологии будет включать в себя 1), чтобыпродолжать применять методы микроволновая тестирования, чтобы исследовать и оптимизировать проекты для функциональных фотонных устройств для прокладывания пути применения HD PBG материалов и 2) для масштабирования образец до ИК и оптического режима для реального приложения, которое использует фотонный запрещенной зоны, например, Датчики 20, телекоммуникационные 6 и оптические микро-схемы 8.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторы не имеют ничего раскрывать.
Acknowledgments
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
| 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).
