שימוש במיקרוגל ודוגמאות מקרוסקופית של דיאלקטרי מוצקים לחקר מאפיינים פוטוניים של הפרעות חומרי bandgap פוטוניים

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.

Protocol

1 עיצוב מבנה 2D Hyperuniform סדר דיאלקטרי ¹¹

1. 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.
2. אתר את centroids של כל משולש (עיגולים שחורים מוצקים באיור 2); centroids אלה הם המקומות של מוטות דיאלקטרי ברדיוס r ^11.
3. חבר את centroids של המשולשים השכנים (הקווים אדומים עבים באיור 2) כדי לייצר תאים מסביב לכל נקודה ^11.
4. 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.
5. 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

1. 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).
2. 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.
3. 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.
4. 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

1. 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.
2. 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

1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. 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.
   1. 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.
   2. 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

1. 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.
2. למדידות bandgap: ציית לשלבים הבאים כדי למדוד את ההולכה דרך הדגימות נטולות הפגם לאפיין PBG של דוגמיות חינם הפגם.
   1. 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.
   2. 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.
3. לגלבו ומדידות פגמי חלל: ציית לצעדים להתקנת הניסויים הבאים:
   1. לבנות גלבו וחללים שונים על ידי הסרה או להחלפת מוטות וקירות במבנים ללא פגם, כפי שמוצג ב9A דמויות ו9C.
   2. מסדרים אתקרנות קרובות לפתחי הערוץ ככל האפשר כדי להבטיח צימוד טוב לערוץ. לערוצים מעוקלים וכפופים למרכז את הקרניים באמצע הערוץ עם מקביל הקצה לפתיחה.
   3. 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

1. לאפיין את התלות הזוויתית של המאפיינים פוטוניים של הדגימות:
   1. מבני מקום עשויים ממוטות וקירות עם גבול כמעט מעגלי בשלב מסתובב בין שתי הקרניים מול.
   2. 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.
2. 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.
3. 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.
4. לבצע מדידות מקבילות דומות למה שתואר לעיל על גבישים פוטוניים סריג מרובע להשוואה.
5. 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.
6. 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.

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 ...

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 מיקר?...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
מכונת סטריאוליתוגרפיה	3D Systems	SLA-7000
שרף לבסיס	מערכות תלת מימד	אקורה 60
מוטות			r=2.5 מ"מ, חתוכים לגובה 10.0 ס"מ
יריעות			עובי 0.38 מ"מ, רוחב שונה: מ-1.0 מ"מ עד 5.3 מ"מ במרווחים של 0.2 מ"מ
מחולל מיקרוגל	Agilent/HP	83651B
ערכת בדיקת פרמטר S	Agilent/HP	8517B
מנתח רשת וקטור מיקרוגל	Agilent/HP	8510C