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.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. 2D Hyperuniform Düzensiz Dielektrik Yapı Tasarımı 11
- Delaunay mozaiklemede kullanarak bir 2D hyperuniform bozukluk bir nokta örneği alt sınıfı (Şekil 2'de mavi daireler) ve bölme (Şekil 2'de mavi çizgi) seçti. Bir 2D Delaunay mozaikleme her üçgen için minimum açı oluşmuş üst düzeye çıkarır ve her üçgenin 11 circumcircle içinde hiçbir noktaları var garanti bir nirengi noktasıdır.
- Her üçgenin merkezlerini (Şekil 2 katı siyah daireler) bulun; Bu sentroidler yarıçapı r 11 dielektrik çubuklarının konumları vardır.
- Her noktadan yaklaşık 11 hücrelerini oluşturmak için komşu üçgenler (Şekil 2 kalın kırmızı çizgiler) ağırlık merkezlerini bağlayın.
- Çubuklar ve duvarlar 14 monte edileceği delikleri ve yuvaları ile 2 cm boyunda HD baz şablon için CAD tasarım dosyası oluşturun. Kullandığınız birHD = 1.33 cm, ortalama iç-çubuk aralığı ile desen ve delik yarıçapı ayarlayın 2.5 mm ve slot genişliği 0.38 mm olmak içindi. Delikleri ve yuvaları takılmış çubukları ve duvarları stabilize derin 1 cm olması için derinliği ayarlayın.
- Karşılaştırma 14 için kristalin temel şablon için benzer bir CAD tasarım dosyası (kare kafes) oluşturun. HD yapısında (1.33 cm) ve aynı delik-yarıçap (2,5 mm) ve slot-genişliği (0.38 mm) gibi aynı kafes sabitini kullanın.
2. Örnek İnşaat ve Hazırlama
- Şablonu Üretiyor. Ultraviyole lazer foto-polimerizasyonu ile sağlam bir plastik modelini üreten bir stereolitografi makinesi ile HD ve Kare kafes plastik üsleri imalatı. Örneğin polikarbonat gibi plastikler için, açık bir reçine içerir. Çözünürlük hem yanal hem de dikey yönde 0.1 mm dir. (Merkez paneli Şekil 3).
- Yapı taşlarını hazırlayın: Sipariş piyasada mevcut Alümina rods ve hassas boyutları (Şekil 3, sol paneline bakın) kesilmiş ince duvarlar. Örneğin 10.0 cm, bir kaç dalga boyu daha az olması için yükseklik ayarlayın. Tüm çubuklar çapı 5,0 mm'dir. Duvar kalınlığı daima 0.38 mm ve genişlikleri 0.2 mm artışlarla birlikte, 1.0 mm'den 5.3 mm'ye değişir.
- Bandaralıklı ölçümleri için hatasız bir test yapısını oluşturun. İstenilen yapı mimarisi için üssü haline çubuklarını ve duvarlar yerleştirin. Polimer baz üzerindeki her çubuklar ve duvarların inşa ağının yandan görünüşüdür, Şekil 3, sağ panelde gösterilmektedir.
- Bir dalga kılavuzu veya kavite kusur Tasarım: doğrudan çıkarma veya Şekil 9A ve 9C 'de gösterildiği gibi, tasarlanan yolu boyunca çubukları ve duvarlar değiştirerek örnekler vasıtasıyla, çeşitli dalga kılavuzlarının oluşturun. Numunelerin modüler tasarımı nokta, çizgi veya eğri kusurların hızlı ve kolay değiştirilmesine izin verir.
3. Büyük Aletleri
- Hassas 1 Hz frekans çözünürlüğü ile 50 GHz 45 MHz frekans kapsama ile mikrodalga sağlamak için sentezlenmiş bir stoper (mikrodalga jeneratörü) kullanın. Iki port (terminalleri) arasındaki iletim parametreleri ölçmek için bir S-parametre test seti jeneratör bağlayın. Sweeper ve test seti arasındaki iletişim için Genel Amaçlı Arayüz Otobüs (GPIB) bağlantıları ve kabloları kullanın.
- S-parametre alınan sinyali işlemek için Mikrodalga Vektör Network analizörü (VNA) kullanın test seti ve sinyalin büyüklüğünü ve faz ölçmek için. VNA, frekansın bir fonksiyonu olarak bağlantı 2 kaynak sinyale göre giriş 1 de tespit edilen e-alanın gerçek ve sanal bileşenleri içeren bir veri dosyası üretir, böylece S21 moduna ayarlanmış S-parametre ayarlama testi
4. Cihaz Kurulumu
- / Bitiş Frekansı başlatın. VNA bize kullanılarak ölçümü için frekans aralığının uygun başlangıç ve bitiş değerlerini seçiner menüsü. PBG ile bağlantılı ilgili frekans aralığı örneklerin kafes aralığı dielektrik endeksi bağlıdır. Kafes boşluklar = 1.33 cm Alümina numuneler için 15 GHz mikrodalgalar için 7 GHz kullanın.
- Faktörü Averaging. Vektör analizörü rastgele gürültüyü azaltmak için birden fazla ölçüm ortalamasına göre her veri noktasını hesaplar. VNA tuş takımındaki istenen birden girerek 4096 512 ile bir ortalama faktörü seçin. Gürültüyü en aza indirmek için daha yüksek bir ortalama faktörü seçin ve hızlı bir tarama için bir alt ortalama faktörü seçti.
- Nokta sayısı. 7 GHz GHz ila 15 aralığında ölçümler için, 10 MHz frekans çözünürlüğü elde etmek, VNA ekran menüsünde, veri noktaları (801) sayısını seçti.
- Kalibrasyon. Doğrudan nispi iletim oranını ölçmek sayesinde sistemi kalibre ve aynı arka plan ve boynuz ANTENN arasındaki numune olmadan önceden kalibre ayarının iletimi karşı normalizegibi. Bunu yaparak, kablolar, adaptörler, dalga kılavuzları ve antenler nedeniyle tüm plan kaybı ortadan kaldırılabilir ve ve test numune olmadan bağıl iletim oranı, doğrudan kaydedilir.
- Bandaralıklı ölçümlerde, 28 a mesafeden birbirine bakacak boynuzları arasındaki serbest uzayda mikrodalga iletimi ölçmek ve VNA ayarlanmış bir kalibrasyon olarak sonuçları kaydedin. Boynuzları arasında bir yapıyla gerçek deneme için veri almadan önce, VNA monitörde "ON CALIBRATION'ın" seçerek belirlenen kalibrasyon açın. VNA hesaplanan veriler kalibrasyon kümesi ile otomatik olarak normalleştirilmiş ile ve yerine numune olmadan iletim gücünün oranı döndürür.
- Örnek dalga kılavuzları aracılığıyla iletim kolayca boş alana iki boynuzu arasında kalibre iletimini aşabilir beri dalga ölçümleri için anlamlı bir kalibrasyon, iyi tanımlanmış değildir. DönüşVNA üzerinde kalibrasyon kapalı izlemek ve kaynak sinyali üzerindeki algılanan sinyal ham iletim, kaydedin. En iyi kavrama verim elde etmek hemen yanında dalga kanal açıklıklar boynuzları yerleştirin.
5. Deney Düzeneği
- Şekil 4'te gösterilen deney düzeneği yapılandırın. Giriş / çıkış dalga kılavuzları ile S-parametre test set noktalarını bağlamak için yüksek kaliteli yarı-esnek koaksiyel kablolar kullanın. Doğrusal polarize olması için radyasyon sağlamak için dikdörtgen tek modlu dalga kılavuzlarının ve adaptör aracılığıyla bağlantı noktaları ile piramidal huni antenler bağlayın, boynuz radyasyonun E-alan boynuz kısa kenarına paralel.
- Bandaralıklı ölçümleri için: kusur ücretsiz numune PBG karakterize etmek hatasız örnekler üzerinden iletimini ölçmek için aşağıdaki adımlara uyun.
- Birbirlerine yüz dikey ve yatay boynuzları hizalayın. H düzenleyinBir yeteri kadar mesafede orns ortalama dalga boyu gibi 20 kat, böylece örnek ulaşan uzak-alan radyasyon düzlem dalgası yaklaştırılabilir. Test numunesi olmadan uzayda bakan boynuzları arasında iletimini kalibre ve kalibrasyon bellekte saklayabilirsiniz.
- İki bakan boynuzu arasına dönen sahnede çubuklar ve duvarlar yapılmış hatasız yapılar yerleştirin. Adım 5.2.1 esnasında VNA belleğe kaydedilen kalibrasyon sette açın. Sistem şimdi kalibre bellek iletim gücü karşısında normalize numune boyunca nispi iletim oranını ölçmek için hazırdır.
- Dalga kılavuzları ve kavite kusurlar ölçümleri için: deneyler kurulum için aşağıdaki adımları uyun:
- Şekil 9A ve 9C 'de gösterildiği gibi, çıkarma veya kusur içermeyen yapılarda çubuklar ve duvarlar değiştirerek, çeşitli dalga kılavuzlarının ve boşluk oluşturmak.
- Düzenleyinmümkün olduğunca kanal açıklıklar kadar yakın boynuzları kanala iyi bağlanmasını sağlamak için. Kavisli veya bükülmüş kanal açıklığına paralel kenar ile kanal ortasında boynuzları merkezi için.
- Kalibrasyonu kapatın. Şimdi VNA sistemi ölçmek ve port 1 de kaynak gücü üzerinde port 2'den tespit gücün ham iletim oranını kaydetmek için hazırdır.
6. Veri Toplama ve Analizi
- Numunelerin fotonik özelliklerinin açısal bağımlılığını Karakterize:
- İki bakan boynuzları arasında dönen bir sahnede neredeyse dairesel bir sınır ile çubuklar ve duvarlar yapılmış Yeri yapıları.
- VNA hafızasına kaydedilen kalibrasyon adımda 5.2.2 açık olduğundan emin olun. Sıfır yapısı ile döner sahne ve tedbir iletim açısı ölçek. Sıfır olay açıyla ilk ölçümden sonra, örnek döndürmek ve eşit açı ARTIM şanzımanı ölçmekörneğin 180 ° dönme kadar her 2 ° olarak hastalar, ulaşılır.
- Numuneler için fotonik özelliklerinin polarizasyon bağlılığını karakterize:
Boynuz açılış yönelimleri değiştirerek, sırasıyla iki farklı polarizasyonlar Yukarıda açıklanan tüm ölçümleri yapın. TM polarizasyon için, çubuklar için örnek taban ve paralel yatay düzleme dik borularını "ve kısa kenarı (E alan yönü) olarak ayarlanır. Kısa kenarları (E-alan yönü) yatay düzlemde böylece TE polarizasyon için, boynuzları 90 derece döndürün. - Çeşitli dalga kılavuzları kanallar karakterize: kalibrasyon adımda 5.3.3 kapalı olduğundan emin olun. En iyi bağlantı için numune yanındaki boynuzları yerleştirin. Kaldırılması ve / veya kanal yolu boyunca çubukları ve duvarlar değiştirmek sureti ile farklı kanallardan iletim ölçün. Gerçek zamanlı olarak Vna ile iletim sinyalini kontrol ederek bir reklam tarafından kanal yolunu değiştirmekding ve ekstra çubuklar ve optimize iletim gücü veya istenilen filtreleme, bant genişliği için duvarları kaldırarak.
- Karşılaştırma için bir kare kafes fotonik kristal yukarıda tarif ne benzer benzer ölçümleri yapın.
- Veri analizi. Analiz ve MATLAB gibi bir bilgisayar programı kullanarak verilerin grafiğini. Konu dalga kılavuzu kanallar arasında ya da iletim örnekleri tur boyunca bir önlem incelemek için, Şekil 5, Şekil 2 ve Şekil 9B ve 9D gibi bir işlev frekansı (hattı arsa) gibi iletim ölçülmüştür. Şekil 6 ve Şekil 7'de gösterildiği gibi, frekans ve açı (renkli kontur arsa) bir fonksiyonu olarak, Konu iletim yapılar ve bunların açısal bağımlılığı durma bantları özelliklerini analiz etmek.
- Bu protokol, polar Coordi frekans ve eğim açısının bir fonksiyonu olarak numunelerin ile ölçülen iletim sunulması önerirdoğrudan dönme simetri ve fotonik özellikleri açısal bağımlılığını canlandırmak için, 12, süresini ortadan kaldırmaktadır. Doğrudan kristal yapıların Brillouin bölge sınırlarını göstermek ve kristaller ve yarı kristal olarak PBG oluşumu ve Bragg saçılma uçakları (Brilluoin bölge sınırları) arasındaki ilişkiyi ortaya çıkarmak için polar koordinat araziler oluşturmak.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Biz şimdiye hyperuniform bozukluğu dielektrik yapıların bir izotropik tam PBG mevcut ilk onay elde ettik. Burada, bizim HD yapısı sonuçlarını sunmak ve periyodik kare kafes fotonik kristal bu bunları karşılaştırmak.
Şekil 5 bir olay açıyla hyperuniform bozukluğu yapısı için frekans (GHz) vs TE polarizasyon iletimi (dB) bir yarı-log grafiği göstermektedir. Bu grafik, durdurma bandı bölgesi iletim yoğunluğu büyüklüklerin fazla iki sipariş damla 8.5 ve 9.5 GHz arasında, yaklaşık olarak konumlandırılmış olduğunu gösterir.
Yukarıda tartışıldığı gibi, biz HD yapısına karşılaştırma için periyodik bir kare kristal modelini kullanır. TE polarizasyonda kare kafes için frekans ve eğim açısının bir fonksiyonu olarak Şekil 6'da yer ölçüldüğünde (renkli). Mavi renk (düşük iletim), belirli bir açıda, frekans alanında durdurmak grubu temsil eder. Ölçülendur bantlar, 4-kat rotasyonal simetri ile ilişkili kuvvetli açısal bağımlılığını göstermektedir. Sıfır derecede bir doğrultuda durdurma bandı bu kare kafes yapısı içinde üst üste TE polarizasyon bandaralıklı oluşumuna izin vermek için 45 ° 'de bu çok fazla farklılık gösterir.
Şekil 7, kare kafes numune ve HD örneğin transmisyon özelliklerin benzersiz bir kutupsal karşılaştırılmasını göstermektedir. Polar araziler etkili Brillouin Bölgesi sınırları 5 ve durdurma bantların açısal bağımlılığını görselleştirmek için bize sağlar. İletim yoğunluğu, frekansın bir fonksiyonu (r = f) ve olay açısı (q = Q) gibi renkli olarak gösterilir. Nedeniyle Bragg saçılması durdurmak bantlar kare şeklinde Brilluoin bölge sınırları boyunca görünür. Daha önce de açıklandığı gibi, açı ile varyasyonlar bu kare kafes için bir PBG (bütün yönlerde engelleme) oluşumunu önler. HD örnek için, her yönde boşluk şekilde izotropik PBG durdurun.
Şekil 8, genişlik 2 düz bir dalga kılavuzu kanalı ile frekansın fonksiyonu olarak ölçülen Tm iletimini gösterir, hyperuniform bozukluk yapı yolu boyunca çubukları ve duvarları kaldırılarak hazırlandı. Pembe şerit hatasız HD yapısının TM polarizasyon PBG gösterir. Kanal verildiğinde, geniş bantlı bir açık kanalı boyunca yönlendirilir.
Bu izotropik düzensiz PBG yapısı tarafından sunulan esnekliği bu keyfi bükülme açıları ile görülmemiş serbest biçimli kanalları oluşturmak ve çubuklar ve duvarlar ayarlama ve iletim bantları optimize ile kenarları, köşeleri ve merkezleri süslemek için yapar. Şekil 9A HD bir fotoğraf gösterir Bükme 50º açısının bir dalga kılavuzu kanalı ile yapı. Şekil 9B, biz keskin bir viraj rağmen düz dalga boyu yoluyla almak için karşılaştırılabilir olduğunu, bu kanal üzerinden iletim gösterir. Şekil 9C ve
Şekil 1. Düzensiz nokta örnekleri. Sol, 2B Poisson dağılımı nokta desen, R yarıçaplı bir pencerede puan sayısı varyans R 2 ile orantılıdır. Sağ; Bir hyperuniform bozukluk nokta desen, penceredeki sayısının varyans yarıçap R 11 kendisi ile orantılıdır. onu tıklayın E bu rakamın büyük bir versiyonunu görmek için.
Şekil 2. Tam bir PBG 11 sahip 2D hyperuniform bozukluğu yapıların tasarım protokol taslağı. Bu rakam bir 2-D hyperuniform bozukluğu nokta örneği altsınıfını (mavi daireler) ve Delaunay mozaiklemede kullanarak mavi çizgilerle bölümlenmiş gösterir. Bir 2D Delaunay mozaikleme her üçgen için minimum açı oluşmuş üst düzeye çıkarır ve her üçgenin 11 circumcircle içinde hiçbir noktaları var garanti bir nirengi noktasıdır. Siyah daireler olarak gösterilen sentroidler, r yarıçaplı 11 dielektrik çubuklarının konumları vardır. Ağırlık merkezi, her kafes noktası çevresinde hücreleri üretmek için kırmızı çizgiler ile bağlantılıdır. "> Bu rakamın büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız.
. Deney Sol kullanılan Şekil 3. 2D hyperuniform Bozukluğu örnek: yapı taşları olarak kullanılan Alümina çubuklar ve duvarlar. Tüm çubuklar çapı 5,0 mm'dir. Duvar kalınlığı daima 0.38 mm ve genişlikleri 0.2 mm artışlarla birlikte, 1.0 mm'den 5.3 mm'ye değişir. Merkezi: HD yapısını montaj için delikler ve yarıklar ile plastik taban şablonu. Baz 25.4 cm ve yanlardan 2 cm yüksekliğinde bir kare. Sağ:. Monte edilmiş bir HD alümina yapının yan görünümü , bu rakamın büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız.
d / 51614 / 51614fig4highres.jpg "width =" 500 "/>
Şekil 4.. Sinyal jeneratör Vektör Network Analyzer (VNA) tarafından belirlenen ve analiz S-Parametre Testi bağlı olduğu deneme kurulumunun bir kroki. Test setinin iki port koaksiyel kablolar ile boynuz anten dalga kılavuzu bağlı bulunmaktadır. Numune, döner bir sahnede boynuzu arasında yerleştirilmiştir. VNA GPIB bağlantı (gösterilmemiştir) aracılığıyla bilgisayara veri göndermek. , bu rakamın büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Bir olay açıda hyperuniform bozukluğu yapısı ile Şekil 5. frekansı (GHz) vs TE iletim yarı-log arsa (dB). A bandaralıklı, iletim keskin bir düşüş ile karakterize8-10 GHz bölgesinde görülebilir. , bu rakamın büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Her iki frekansın bir fonksiyonu olarak renk gösterildiği Şekil 6. ölçüm kare kafes TE polarizasyon transmisyon (dB) x-ekseni üzerinde Y ekseni ile gelme açısı (derece) (C / A birimleri) elde edilmiştir. Bu arsa açısal göstermektedir periyodik bir kare kafes kristal TE bandaralıklı bağımlılığı. , bu rakamın büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız.
(A). Kare örgü örneği (B) hyperuniform: azimutal bir koordinat olarak bir fonksiyonu koordinat radyal olarak frekans (c / a) ve olay açısı hem (derece) olarak renkli gösterilir Şekil 7. Ölçülen TE polarizasyon iletim (dB) bozukluk örnek. , bu rakamın büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız.
HD yapı Şekil 8. Düz kanal dalga: frekansın bir fonksiyonu olarak kanalından kaynağı gücü üzerinde tespit edilen güç (A), bir satır kusur dalga kılavuzu kanalı ile HD numunenin bir fotoğrafı, (B), ölçülen Tm aktarma oranının c, ışığın hızı, bir vakum ve a = 1.33 c olan C / A birimleriylem örgü noktaları arasındaki ortalama mesafe olan. TM Bandgap aralığı pembe şerit tarafından gösterilir. 0.41 c / a en tepe sinyal kanalında güdümlü moddur. , bu rakamın büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız.
9. çeşitli dalga kılavuzu kanalı HD yapı ve kaynak gücü. Iletimi üzerinde tespit edilen bir güç oranı olarak ölçülen iletim spektrumu boyunca Şekil C / A birimlerinde, frekansın bir fonksiyonu olarak çizilmiştir. Pembe şerit TM PBG aralığını gösterir. (A), 50 ° bükülmüş bir kanal ve (B) yapısına boyunca transmisyon tayfları 0.42 c çevresinde yönlendirilen modunu gösteren bir HD yapının Fotoğraf / (C) fotoğrafçevresinde rehberli modunu gösteren s-şekil kanaldan arcade s-şekli kanalı ve (D) iletim spektrumları ile bir HD yapının 0.42 c / a. , bu rakamın büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
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 çalışmayı seçti. Bu deneysel 2B hyperuniform bozukluğu yapılardaki bir izotropik tam PBG olması mümkündür ilk kez ortaya koymuştur. Düzensiz kafeslerin Bu sınıf uzun erimli öteleme düzeni sahip değildir ve periyodik fotonik kristaller olduğu gibi bu nedenle bandaralıklı oluşumu Bragg saçılması atfedilen değildir.
Rotasyonel symme çok az seçenek var periyodik fotonik kristaller, aksineözünde çalışır ve arıza tasarım özgürlüğü 5, HD yapı fotonik kristaller izin verilmez PBG uygulamalar için bazı avantajlar sağlamaktadır sınırlamak. TE bandaralıklı ölçümü için yaprak ilavesi 1 saat kadar sürebilir iken TM bandaralıklı ölçümü için yapının montaj, sadece birkaç dakika sürer. Hatasız HD örnek Alümina çubuklar ve duvarlar ile monte edildikten sonra, bu dalga kılavuzları ve hızlı bir şekilde boşluklar stratejik bazı çubuklar ve duvarlar arındırılarak elde edilebildiği, değiştirilebilir bir şablon olarak hizmet edebilir. HD PBG malzemelerin bu yeni sınıf, biz, kristalin simetri yönleri 14 sınırsız filtreleme ve 15 bölme keyfi yolları ve kavite rezonans modlarının 16 boyunca serbest biçimli dalga kılavuzu göstermiştir.
Burada açıklanan deneysel yöntemler takip ve çoğaltmak kolay. Deneysel protokol, herhangi deneyci sallamaya ihtiyaçlarına uyacak şekilde modifiye edilebilirÇünkü onların karmaşıklığı, bozukluk, ya da kusur mimari, simülasyonlar veya mikron-fabrikasyon ile çalışmak zor olan diğer yapay fotonik malzemeler ile gr. Bu yöntemler kullanılarak, biz de gösterdi ve tek polarizasyon PBGs 17,18 sahip 3D-baskılı plastik ile yapılan diğer yarı-kristal yapıları ve HD yapıları karakterize. Deneyin başarısını sağlamak için göz önünde sadece birkaç adım vardır. Örnek oluşturmak için kullanılan malzemeler, az miktarda emilimi olması gerekir. Dielektrik kontrast ve kafes boşluğunun seçimi sonuçlandı PBG frekansları belirler. Örneğin, 8,76 bir dielektrik-kontrast ve 1.33 cm kafes-mesafe ile Alümina çubuklar ve duvarlar yapılar 10 GHz merkezli bir bant aralığı vardır. 2,56 dielektrik kontrast ve 0.6 sm bir kafes aralıklı plastik malzemelerden imal benzer yapılar HD 23 GHz bant etrafında boşluklara sahiptir. Tasarlanmış farklı frekans aralıkları, boynuzları ve adaptörler içinFarklı mikrodalga bantları doğru seçilmiş olması gerekir. Çoğu 7-15 GHz X-bandında (8-12 GHz) mikrodalga boynuzları ve adaptörleri ölçülen frekans aralığını uzatmak için gayet iyi. Bu aralığın dışında, diğer mikrodalga bantları için farklı bileşenler kullanılması gerekmektedir. Kanal dalga kılavuzu boynuzları açılış doğrudan yerleştirilecek varken yapısında düzlem polarize dalgalar sağlamak için, boynuzları, birbirinden uzak yerleştirilmelidir.
Bu tekniğin bir sınırlama teknolojisi gerçek dünya uygulamalarına dair kısıtlı alaka. Cm çaplı bileşenleri ile inşa yapılar fotonik cihazlar olarak doğrudan uygulanabilir değildir. Dalga kılavuzları, yarma ve bu teknikle çalışılan rezonans oyuklar "kavramının kanıtı" EM dalgalar ve düzensiz medya arasındaki etkileşim bilgimizi arttırmak amaçlı yapılar vardır. EM dalgaların ölçek değişmezliği nedeniyle yukarıda tarif edildiği gibi, ancak, tüm sonuçlar eldeyapılar mikron ve mikron altı ölçeğe çekilmiş zaman kullanılarak mikrodalga ve cm çaplı örnekleri doğrudan kızıl ötesi ve optik frekanslar uygulanabilir. E-ışın demeti litografi ve iki-fotonlu-polimerizasyon dahil olmak üzere, alt-mikron çaplı fotonik kristaller için genel üretim yöntemleri, çeşitli uygulamalar için kızılötesi ve optik bölgelerde bu PBG malzeme imal etmek için kullanılabilir.
KÖ kullanarak deney, kompleks PBG malzemelerin fotonik özelliklerini inceleyerek için mikrodalga deneyler birçok avantajı vardır. İlk olarak, mikron ölçeğinde test edilmesi için cihazların fabrikasyonu için maliyeti oldukça yüksektir. Cihazlar tam temiz oda tesislerinde imal edilmesi gerekir. Ayrıca, testi (DUT) altında fotonik aygıtların 2B kütükler halinde birleştirme IR dalgalarının iki yöntem sorunludur. Bir yöntem, genellikle, çok dar bir test sunar bandwid odaklanmış optik elyaf ile bağlanması için bir bağlantı elemanı 19 şevli dikey kullanmaktırTH (örneğin, 1.5 mm ile 1.6 mm, 1.5 mm orta dalga boyu% 6 mm arasında) mikrodalga anten çok geniş bir test aralıklarına ile karşılaştırıldığında, örneğin, 7 adaptörleri ve anten tek bir setleri ile 17 GHz. DUT içine IR dalgaları tanıtılması diğer bir yöntem daha geniş bir test aralığı kapsayan ama nedeniyle paketleme maliyetleri pahalı olduğu, hangi kenar lif kuplörler kullanmak için, Bu nedenle, mikrodalga rejim ucuz bir seçim ile tasarım deneyci büyük özgürlük sunuyor malzemeler, kolay geniş frekans aralıkları, modüler kafes mimari ve gerçek zamanlı analiz rahatlığı ile test aletleri kullanmak için.
Mikrodalga yaklaşımı ile taranan ve keşfedilen bandaralıklı kavramlar PBG oluşumu için temel mekanizma daha büyük bir anlayış ve yapı geometrisi ve gelen radyasyonun arasındaki etkileşimi içerir. Bu teknolojinin gelecekteki uygulamaları için) 1 içerecektirkeşfetmek ve HD PBG malzemelerin uygulama yolu kaldırım için işlevsel fotonik cihazlar için tasarımlar optimize mikrodalga test yöntemleri uygulayarak devam ve 2) IR ve gibi bir fotonik bandgap kullanan gerçek bir uygulamada, optik rejimine aşağı örnekleri büyütmek için sensörler 20, telekomünikasyon 6, ve optik mikro-devreleri 8.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarlar ifşa hiçbir şey yok.
Acknowledgments
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
| 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).
