Summary
무질서 구조는 기능 결함 설계에서 광 밴드 갭 전례없는 자유를 형성하기위한 새로운 메커니즘을 제공합니다. 무질서 시스템의 계산 문제를 회피하기 위해, 우리는 PBG 재료의 새로운 클래스의 모듈 형 거시적 샘플을 구성하고 쉽고 저렴한 방법으로 자신의 규모 불변 광 특성을 특성화하기 위해 전자 레인지를 사용합니다.
Abstract
최근, 포토 닉 재료는 무질서한 완전한 포토 닉 밴드 갭 (PBG)의 형성을위한주기적인 결정의 대안으로서 제안되었다. 이 문서에서 우리는 건설, 전자 레인지를 사용하여 거시적 인 무질서 광자 구조를 특징 짓는 방법을 설명합니다. 전자 레인지 정권은 PBG 미디어를 구축하고 테스트 할 수있는 가장 편리한 실험 샘플 크기를 제공합니다. 쉽게 넘어 유전체 격자 구성 요소는 미리 인쇄 된 플라스틱 템플릿 위에 다양한 2D 구조를 구축하는 유연성을 연장한다. 내장되면, 구조는 신속하게 자유 도파관과 필터를 만들기 위해 점과 선 결함이 수정 될 수 있습니다. 테스트는 널리 사용되는 벡터 네트워크 분석기와 전자 혼 안테나의 쌍을 사용하여 수행됩니다. 전자기장의 스케일 불변 특성 때문에, 우리는 마이크로파 영역에서 얻어진 결과는 직접적으로 적외선 및 광학 영역에 적용될 수있다. 우리의 접근 방식은 간단하지만 EXCI 제공빛과 무질서한 물질 상호 작용의 성질에 팅 새로운 통찰력.
우리의 결과는 대표적인 2 차원 (2D) hyperuniform 무질서 유전 구조체에서 완전한 등방성 PBG의 존재를 처음 실험적 증명을 포함한다. 또한 우리는 실험적으로 임의의 형상의 프리폼 도파로를 통해 전자파 (EM)을 안내하는 광이 신규 한 구조의 능력을 증명한다.
Introduction
광자에 대한 밴드 갭의 존재는 일차원 스톱 밴드, 주기적 매체 (1)를 통해 전달되는 것이 금지 주파수 범위에 주 레일리 수행 이전 연구로부터 시작하여, 많은 과학 작품의 초점이되어왔다. 주기적 구조의 전자파 (EM) 전파에 대한 연구는 정말 E. Yablonovitch 2,3 및 S. 존 4의 정액 출판물 후 지난 20 년 동안 번성했다. 용어 "광 결정"은 포토 닉 밴드 갭 (PBG)를 갖고주기 유전체 구조를 설명하는 Yablonovitch 의해 만들어졌다.
광자 결정은주기의 방향으로 번역에서 불변을 렌더링, 이산 병진 대칭성을 가진주기적인 유전체 구조입니다. 이주기가 들어오는 전자기 (EM) 파의 파장과 일치, 밴드 오F 주파수는 높은 감쇠되고 전파하지 않을 수 있습니다. 충분히 넓은 경우에도 스톱 밴드라고 금지 주파수 범위는, 특정 주파수의 광자의 존재를 금지, PBG를 생성하기 위해 모든 방향으로 중첩 될 수있다.
개념적으로, 광결정에서 EM 파의 전파는 밴드 갭이라고도 전자 에너지의 금지 된 영역을 가지고, 반도체 재료에서 전파를 일렉트론 유사하다. 제어 엔지니어가 반도체 통한 전자의 흐름을 변경하는 반도체를 채용 한 방법과 유사하게, PBG 재료는 광학 제어를 필요로하는 다양한 용도에 사용될 수있다. 예를 들어, PBG 재료는 파장의 크기 캐비티에서 특정 주파수의 광을 제한 할 수 있고, 그들 5 라인 결함을 따라 가이드 또는 광 필터. PBG 물질은 전기 통신 (6)에 애플리케이션에 빛의 흐름을 제어하는데 사용되는 것을 권장합니다, 레이저 7, 광 회로와 광학 컴퓨팅 팔, 태양 에너지 수확 구.
2 차원 (2D) 정사각형 격자 포토 닉 결정은 4 배의 회전 대칭성을 갖는다. 입사 다른 각도에서 결정을 입력 EM 파도 (예를 들어, 0 °, 격자 평면에 대하여 45 °)는 다른 주기성에 직면하게 될 것이다. 상이한 방향으로 브래그 산란 재료의 매우 높은 굴절률 콘트라스트없이 PBG를 형성하기 위해 모든 방향으로 중첩되지 않을 수의 서로 다른 파장 대역을 중지하도록 이끈다. 또한, 2 차원 구조에서, 두 개의 다른 EM 파 편광 횡 전기 (TE) 및 횡 자기 (TM)는 종종 심지어 어렵게 모든 편파 05 모든 방향으로 완전한 PBG를 형성 할 수있게, 서로 다른 주파수에서의 밴드 갭을 형성한다. 주기적인 구조에서, 회전 대칭의 제한된 선택이 고유 이방성로 이어질 (angula뿐만 아니라이 어려워 질 R 의존성), 완전한 PBG를 형성 할뿐만 아니라 매우 기능적 결함의 설계 자유도를 제한한다. 예를 들어, 도파관 설계는 광 결정 (10)에서 주요 대칭 방향의 매우 한정된 선택이 따라 제한 될 것으로 입증된다.
주기성으로 인해 이러한 한계를 능가하는 영감, 많은 연구는 틀에 얽매이지 않는 PBG 재료에 지난 20 년에 완료되었습니다. hyperuniform 장애 (HD) PBG 구조 11 : 최근 무질서 재료의 새로운 클래스 또는 주기성 quasiperiodicity의 부재하에 완전한 PBG 등방성을 소유하는 것이 제안되었다. 포토 닉 밴드 장애 구조의 정확한 분석 솔루션을 필요가 없습니다. 무질서한 구조의 광 특성의 이론적 연구는 시간 소모적 수치 시뮬레이션에 한정된다. 밴드를 계산하기 위해, 시뮬레이션은 슈퍼 셀 근사 방법 및 호 텔을 채용 할 필요lable가 컴퓨팅 파워가 슈퍼 셀의 유한 한 크기를 제한 할 수있다. 이러한 구조를 통해 송신을 계산하기 위해, 컴퓨터 시뮬레이션은 종종 이상적인 조건으로 소스 및 검출기, 실제 입사 EM 파 프로파일 사이의 커플 링 등에 따라서 방치 실제 문제를 가정하고, 배향 결함 (12). 또한, 시뮬레이션 된 구조의 변경 (설계 결함) 시뮬레이션의 또 다른 라운드를 필요로한다. 인해 슈퍼 셀의 최소 의미의 큰 크기로, 체계적 이들 무질서 재료 각종 결함 설계 구조를 탐구하는 매우 지루하고 비실용적이다.
우리는 실험적으로 무질서 광자 구조를 연구함으로써 이러한 계산 문제를 피할 수 있습니다. 실험을 통해 우리는 HD 구조에 완전한 PBG의 존재를 확인 할 수 있습니다. 마이크로파 실험을 사용하여, 우리는 위상 정보를 획득하고, 필드를 밝힐 수 DISTRI그 (것)들에있는 기존 광자 상태 bution 및 분산 특성. cm 규모에서 쉽게 수정 및 모듈 샘플을 사용하여, 우리는 무질서 시스템에서 다양한 도파관 캐비티 (결함) 디자인을 테스트하고 PBGs의 견고성을 분석 할 수 있습니다. 복잡한 무질서 광자 구조의 이러한 종류의 분석은 수치 또는 이론적 연구를 통해 얻을 중 하나 비현실적 불가능하다.
설계 프로세스는 "은폐"hyperuniform 점 패턴 (13)을 선택함으로써 시작한다. Hyperuniform 포인트 패턴은 반경 R의 "구형"샘플링 창 내의 지점의 수의 차이는, D-차원 R (d)보다 더 느리게, 즉 큰 R 용 윈도우 음량보다 느리게 성장하는 시스템이다. 예를 들어, 점 패턴의 임의의 2 차원 포아송 분포에서, 영역 R에서의 지점의 수의 차이는 R <비례SUP> 2. 그러나 hyperuniform 장애 점 패턴, 반경 R의 창의 지점의 분산, R에 비례한다. 1 hyperuniform 무질서 점 패턴 및 포아송 점 패턴 (11) 사이의 비교를 보여준다. 우리는 (11)가 "몰래"라고 hyperuniform 무질서 점 패턴의 서브 클래스를 사용합니다.
알 Florescu 11 등으로 설명한 프로토콜 설계를 사용하여, 우리는 수정 유사한 2D hyperuniform 유전 구조체를 만드는, 유전체 벽과 봉 네트워크를 구성하지만, 주기성 및 등방성 고유 제한없이. 봉 TM 편광으로 밴드 갭을 형성하는 것이 바람직하다 동안 벽 네트워크는, TE 편광의 밴드 갭에 유리하다. 샘플은 쉽게 다른 편파와 introd위한 용도 변경 될 수 있도록 모듈 형 설계가 개발되었다프리폼 도파관 캐비티 결함 ucing. 맥스웰 방정식의 스케일 불변성으로 인해, 전자 레인지 정권에서 관찰 된 전자기 특성은 샘플 마이크론 및 서브 마이크론 크기를 확장 할 것입니다 적외선 및 광학 정권에 직접적으로 적용 할 수 있습니다.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1 차원 Hyperuniform 무질서 유전체 구조를 디자인 11
- 델 로니 테셀레이션을 사용하여 2D hyperuniform 장애 포인트 패턴의 서브 클래스 (그림 2에서 파란색 원)과 분할 (그림 2의 파란색 선)을 선택했다. 2D 델 로니 테셀레이션 각 삼각형의 최소 각도가 형성 극대화하고 각 삼각형 (11)의 외접원 내부의 다른 지점이없는 보장하는 삼각 측량이다.
- 각 삼각형의 무게 중심 (그림 2에서 검은 색 원)를 찾습니다; 이러한 무게 중심은 반경 (R) (11)의 유전체로드의 위치이다.
- 각 지점 (11)의 주위에 세포를 생성하기 위해 이웃 삼각형 (그림 2의 두께 레드 라인)의 무게 중심을 연결합니다.
- 로드 및 벽 (14)을 조립 될에 구멍 슬롯에 2cm 높이 HD의 기본 템플릿에 대한 CAD 설계 파일을 만듭니다. 사용HD의 = 1.33 cm의 평균 내부로드의 간격 패턴과 구멍 반경을 설정은 2.5 mm 및 슬롯 폭이 0.38 mm로한다. 구멍 및 슬롯이 삽입 막대와 벽을 안정 깊이 1cm로에 대한 깊이를 설정합니다.
- 비교 (14)에 대한 결정 기본 템플릿에 대한 유사한 CAD 설계 파일 (사각형 격자)를 만듭니다. HD 구조 (1.33 cm)과 같은 홀 반경 (2.5 mm) 및 슬롯 폭 (0.38 mm)와 같은 격자 상수를 사용합니다.
2 샘플 건설 및 준비
- 템플릿을 제작합니다. 자외선 레이저 광 중합에 의해 고체 플라스틱 모델을 생성 조형기를 이용하여 HD 사각 격자 플라스틱 염기 제조. 예를 들어 폴리 카보네이트와 같은 플라스틱에 대한 명확한 수지를 사용합니다. 해상도는 모두 가로 및 세로 방향으로 0.1 mm이다. (중앙 패널을 그림 3 참조).
- 빌딩 블록을 준비 : 주문 시중에서 판매하는 알루미나 연구ODS 및 정확한 치수 (그림 3, 왼쪽 패널 참조)로 잘라 얇은 벽. 예를 들어 10.0 cm를 들어, 몇 파장보다 작을 수 없습니다 높이를 설정합니다. 모든 막대의 지름은 5.0 mm이다. 벽 두께는 항상 0.38 mm이고 폭은 0.2 mm 단위로, 1.0 mm에서 5.3 mm로 다양합니다.
- 밴드 갭 측정에 결함이없는 테스트 구조를 구축합니다. 원하는 구조 아키텍처의 기본으로로드 및 벽을 삽입합니다. 폴리머베이스에 모두로드와 벽의 건설 네트워크의 측면보기는 그림 3, 오른쪽 패널에 표시됩니다.
- 도파관 또는 공동 결함 디자인 : 직접 제거하거나도 9a 및도 9c에 도시 된 바와 같이, 설계 경로를 따라로드 벽을 수정하여 샘플을 통해 다양한 도파관을 만듭니다. 샘플의 모듈 형 설계는 점과 선 또는 곡선 결함을 빠르고 쉽게 수정 할 수 있습니다.
3 주요 인스트루먼트
- 정확한 1 Hz에서 주파수 해상도와 50 GHz의 45 메가 헤르츠의 주파수 범위와 전자 레인지를 제공하기 위해 합성 스위퍼 (마이크로파 발생 장치)를 사용합니다. 두 개의 포트 (단자) 사이의 전송 파라미터를 측정하기 위해 S-파라미터 테스트 세트에 발전기를 연결한다. 스위퍼 및 테스트 세트 사이의 통신을위한 범용 인터페이스 버스 (GPIB) 링크와 케이블을 사용하십시오.
- S-매개 변수로부터 수신 된 신호를 처리하기 위해 마이크로 웨이브 벡터 네트워크 애널라이저 (VNA)를 사용하여 테스트 세트와 신호의 크기와 위상을 측정하기 위해. VNA는 주파수의 함수로서 포트 (2)로부터 소스 신호에 대하여 포트 1에서 검출 된 E-필드의 실수 및 허수 성분을 포함하는 데이터 파일에 출력되도록 S21 모드로 설정된 S-파라미터 테스트를 설정
(4) 장비 설정
- / 끝 주파수를 시작합니다. US VNA를 이용한 측정 주파수 범위의 적절한 시작 및 종료 값을 선택어 메뉴를 선택합니다. PBG과 관련된 중요한 주파수 범위는 시료의 격자 간격의 유전체 인덱스에 의존한다. 격자 간격 = 1.33 cm와 알루미나 샘플 15 GHz의 마이크로파에 7 기가 헤르쯔를 사용합니다.
- 계수를 평균화. 벡터 분석기는 랜덤 노이즈를 감소시키기 위해 여러 측정치의 평균에 기초하여 각각의 데이터 포인트를 계산한다. VNA 키패드에서 원하는 복수를 입력하여 4,096에 512에서 평균 계수를 선택합니다. 소음을 최소화하기 위해 더 높은 평균 계수를 선택하고 빠른 스캔 낮은 평균 계수를 선택했다.
- 포인트의 수. 7 GHz의에서 15 GHz 범위의 측정을 위해 10 MHz의 주파수 해상도를 달성, VNA 화면 메뉴에서 데이터 포인트 (801)의 최대 수를 선택했다.
- 보정. 직접 상대 전송 비율을 측정함으로써 시스템을 보정하고, 동일 배경과 혼 antenn 간의 샘플없이 미리 보정 된 설정의 전송에 대해 그것을 정상화로. 이렇게함으로써, 케이블, 어댑터, 도파관 및 안테나들로 인해 모든 배경 손실은 제거 될 수 있고 함께 및 시험 시료없이 상대 변속비 직접 기록된다.
- 밴드 갭 측정의 경우, 28의 거리에서 서로 대향 뿔 사이의 자유 공간을 통해 마이크로파 전송을 측정하고 VNA에 설정된 보정 같은 결과를 저장한다. 뿔 사이의 구조를 실제 실험 데이터를 맡기기 전에 VNA 모니터에 "ON 교정"을 선택하여 설정 한 보정을 켜십시오. VNA에 의해 산출 된 데이터는 교정 세트에 대해 자동으로 정상화와 함께 제자리에 샘플없이 송신 전력의 비율을 반환한다.
- 샘플 도파관을 통해 송신 쉽게 자유 공간에서 두 개의 뿔 사이 보정 송신을 초과 할 수 있기 때문에 측정의 도파로, 의미있는 교정은 잘 정의되지 않는다. 전원을 켭니다보정에 VNA 오프 모니터링 및 소스 신호를 통해 검출 신호 인 것의 송신을 기록한다. 최고의 커플 링 효율을 달성하기 위해 바로 옆에 도파관 채널 개구에 뿔을 놓습니다.
(5) 실험 설정
- 그림 4와 같이 실험 장치를 구성합니다. 입력 / 출력 도파로 S-파라미터 테스트 세트 포트를 연결하는 고품질의 세미 - 유연한 동축 케이블을 사용하십시오. 선형 편광으로 방사선을 보장하기 위해 직사각형 단일 모드 도파로와 어댑터를 통해 포트 피라미드 혼 안테나를 연결, 혼에서 방사선의 E-필드는 호른의 짧은 가장자리에 평행하다.
- 밴드 갭 측정의 경우 : 결함이없는 샘플의 PBG를 특성화하기 위해 결함이없는 샘플을 통한 전송을 측정하기 위해 다음 단계를 준수.
- 서로 얼굴을 수직 및 수평으로 뿔을 맞 춥니 다. 시간 정렬충분히 먼 거리에 orns, 평균 파장의 20 배와 같은, 그래서 샘플 도달 원방 방사가 평면파에 근사 할 수있다. 테스트 샘플없이 자유 공간에서 마주 뿔 간의 전송을 교정하고 교정 메모리에 저장한다.
- 마주 보는 2 개의 뿔 사이에 회전 무대에서 막대와 벽으로 만들어진 결함이없는 구조를 놓습니다. 단계 5.2.1 동안 VNA 메모리에 기록 된 보정 설정을 켭니다. 이제 시스템이 교정 메모리의 송신 전력에 대해 정규화 샘플 통해 상대 전송 비율을 측정 할 준비가되어있다.
- 도파관 캐비티 결함 측정의 경우 : 실험 설정에 대한 다음 단계를 준수 :
- 도 9a 및도 9c에 도시 된 바와 같이, 제거 또는 결함이없는 구조에 봉과 벽을 교체함으로써 다양한 도파관과 공동을 구축.
- 정렬가능한 채널 개구에 가까운 뿔 채널로 양호한 결합을 보장한다. 만곡 및 굴곡 채널 개구 가장자리와 평행 채널의 중간에 뿔 센터.
- 교정을 끕니다. 지금 VNA 측정 시스템 및 포트 1에서 소스 전력 통해 포트 2에서 검출 된 전력의 것의 변속비를 기록 할 준비가되어있다.
(6) 데이터 수집 및 분석
- 시료의 광 특성의 각도 의존성을 특성화 :
- 마주 보는 2 개의 뿔 사이에 회전 무대에서 거의 원형 경계와 봉과 벽을 만든 장소 구조.
- VNA 메모리에 저장 교정 단계 5.2.2에서 켜져 있는지 확인하십시오. 제로 구조를 통해 회전 무대와 측정 전송에 각도 스케일. 제로 입사각 초기 측정 후, 시료를 회전과 동일한 각도 increm의 송신을 측정 할이러한 180 ° 회전까지 매 2 °로 엔트는 도달된다.
- 샘플에 대한 광 특성의 편광 의존성의 특성 :
경적 개구 방향을 변경하여, 각각이 서로 다른 편광에서 상기 모든 측정을 수행한다. TM 편광의 경우, 봉 샘플베이스와 평행 한 수평면에 수직 한 쪽 '단변 (E-전계 방향)으로 설정한다. 단문 에지 (E-전계 방향)을 수평면이되도록 TE 편광의 경우, 어느 한 쪽을 90도 회전한다. - 다양한 도파관 채널을 특성화 : 교정 단계 5.3.3에서 해제되어 있는지 확인합니다. 최고의 커플 링에 대한 샘플 옆에있는 뿔을 놓습니다. 분리 및 / 또는 채널 경로를 따라 봉 및 벽을 대체하여 구성된 다양한 채널을 통해 전송을 측정한다. 실시간 VNA에 송신 신호를 모니터링하면서, 광고에 의한 채널 경로를 수정딩 여분 봉과 최적화 송신 전력 또는 원하는 필터링 대역폭 벽을 제거하는 단계를 포함한다.
- 비교를 위해 사각형 격자 광결정 위에서 설명한 내용에 유사한 유사한 측정을 수행합니다.
- 데이터 분석. 분석 및 MATLAB 같은 컴퓨터 프로그램을 이용하여 상기 데이터를 그래프. 플롯은 도파관 채널 비록 샘플 또는 전송 패스를 통해 임시 방편을 연구하는 등 그림 5, 그림 2, 그림 9b 및도 9D 같은 기능 주파수 (선 그림)와 같은 전송을 측정 하였다. 도 6 및도 7에 도시 된 바와 같이 주파수 및 각도 (컬러 등고선 플롯)의 함수로서 플롯 송신은, 구조 및 그들의 각도 의존성의 스톱 밴드의 특성을 분석한다.
- 이 프로토콜은 극성에서 협의하여 주파수 및 입사각의 함수로서 측정 된 샘플을 통해 송신을 제시 제안직접 회전 대칭성 및 광 특성의 각도 의존성을 시각화하기 위해서, 12에서든지. 직접 결정 구조의 브릴 리언 존 경계를 표시하고 수정 및 준결정의 PBG 형성 및 브래그 산란면 (브릴 리언 존 경계) 간의 관계를 나타 내기 위해 극 좌표 플롯을 생성한다.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
우리는 지금까지 hyperuniform 질환 유전체 구조의 등방성 완전한 PBG 존재의 첫번째 확인을 달성했다. 여기에, 우리는 우리의 HD 구조의 결과를 제시하고주기적인 사각형 격자 광자 결정의와 비교합니다.
도 5는 하나의 입사각 hyperuniform 장애 구조 주파수 (헤르쯔) 대 TE 편광 전달 (dB)의 세미 로그 그래프를 보여준다. 이 그래프는 스톱 밴드 영역은 송신 강도가 크기 2 이상 주문 상품 8.5 및 9.5 ㎓의 사이에 대략 위치한 것을 나타낸다.
상술 한 바와 같이, 우리는 HD 구조 비교를 위해 주기적 사각 결정 모델을 사용한다. TE 편광의 정사각형 격자에 대한 주파수 및 입사각의 함수로서도 6 선물 측정 변속기 (색상). 청색 (낮음 변속기)가 소정 각도로 주파수 영역의 저지 대역을 나타낸다. 측정정지 대역은 4 배 회전 대칭과 관련된 강한 각도 의존성을 보여줍니다. 0도에서 한 방향으로 저지 대역이 정사각형 격자 구조의 중첩과 TE 편광의 밴드 갭을 형성하도록 45 °로 그로부터 너무 많이 다르다.
그림 7은 사각형 격자 시료와 HD 샘플의 전송 특성의 고유 한 극성 플롯을 비교 한 것이다. 폴라 플롯 효과적인 브릴 리언 존 경계 (5)와 스톱 밴드의 각도 의존성을 시각화하기 위해 사용. 송신 강도는 주파수의 함수 (R = F)과 입사각 (Q = Q)로 색으로 표시된다. 때문에 브래그 산란 중지 밴드는 사각형 모양의 브릴 루앙 존 경계를 따라 나타납니다. 앞서 설명한 바와 같이, 각도 변화는이 정사각형 격자에 대한 PBG (모든 방향에서 블로킹)의 형성을 방지한다. HD 샘플의 경우, 모든 방향으로 갭 형태 등방성 PBG를 중지합니다.
도 8은, 폭이 직선 도파로의 채널을 통해 대 주파수 측정 TM 전송을 나타내고, hyperuniform 장애 구조의 경로를 따라 봉 및 벽을 제거하여 만들었다. 핑크 스트립 무 결함 HD 구조의 TM 편광 PBG를 나타낸다. 채널이 도입 될 때, 넓은 밴드 개방 채널을 통해 안내된다.
이 등방성 무질서 PBG 구조에 의해 제공되는 유연성이 가능한 임의의 굴곡 각도 전례 프리폼 채널을 형성하고, 봉 및 벽 튜닝 및 전송 대역을 최적화 그들의 양쪽 모서리와 중심을 장식 할 수있다.도 9A는 HD의 사진을 도시 굽힘 50 ° 각도의 도파관 채널 구조.도 9b는 우리가 날카로운 굴곡에도 불구하고 직선 도파로를 통해 무엇을 얻을에 필적이 채널을 통해 전송을 보여줍니다. 피규어 9C 및
도 1 무질서 점 패턴. 좌, 2 차원 포아송 분포 랜덤 점 패턴, 반경 R과 창의 지점의 수의 차이는 R (2)에 비례한다. 오른쪽; hyperuniform 장애 점 패턴이, 윈도우의 수 분산은 반경 R (11) 자체에 비례한다. 그녀를 클릭하세요 전자는이 그림의 더 큰 버전을 볼 수 있습니다.
그림 2 완전한 PBG (11)을 가진 2D hyperuniform 장애 구조의 설계 프로토콜의 스케치.이 그림은 2-D hyperuniform 장애 포인트 패턴의 서브 클래스 (파란색 원)과 델 로니 테셀레이션을 사용하여 파란색 선으로 분할을 보여줍니다. 2D 델 로니 테셀레이션 각 삼각형의 최소 각도가 형성 극대화하고 각 삼각형 (11)의 외접원 내부의 다른 지점이없는 보장하는 삼각 측량이다. 검은 동그라미로 나타낸 무게 중심은, 반경 (R) (11)의 유전체로드의 위치이다. 무게 중심은 각 격자 점 주위 세포를 생성하는 빨간색 선으로 연결되어 있습니다. ">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
. 실험 왼쪽에 사용 된 그림 3 차원 hyperuniform 장애 샘플 : 빌딩 블록으로 사용되는 알루미나 봉과 벽. 모든 막대의 지름은 5.0 mm이다. 벽 두께는 항상 0.38 mm이고 폭은 0.2 mm 단위로, 1.0 mm에서 5.3 mm로 다양합니다. 센터 : HD 구조를 조립 구멍 및 슬롯 플라스틱 기본 템플릿입니다. 베이스는 25.4 cm의 측면과 2cm 높이 광장입니다. 오른쪽 :. 조립 HD 알루미나 구조의 측면 모습 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
D / 51,614 / 51614fig4highres.jpg "너비 ="500 "/>
그림 4. 신호 발생기는 벡터 네트워크 분석기 (VNA)에 의해 설정 및 분석 S-파라미터 테스트에 연결되어있는 실험 설정의 스케치. 테스트 세트의 두 포트는 동축 케이블에 의해 혼 안테나 도파관에 접속되어있다. 샘플은 회전 무대에 뿔 사이에 배치된다. VNA는 GPIB 연결 (도시하지 않음)를 통해 컴퓨터에 데이터를 전송합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
하나 입사각 hyperuniform 장애 구조를도 5의 주파수 (헤르쯔) 대 TE 송신의 세미 로그 플롯 (dB). 밴드 갭, 송신 급락 특징, 8-10 GHz의의 영역에서 볼 수 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
두 주파수의 함수로서 색상에 나타낸도 6의 측정 정사각형 격자 TE 편광 전달 (dB)을 x 축에 대한 y 축과 입사 각도 (°)에 대한 (c /의 단위).이 플롯은 각도를 나타낸다 주기적인 사각형 격자 결정의 TE 밴드 갭의 의존성. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
. (A) 정사각형 격자 샘플 (B) hyperuniform : 방위각 좌표로서 기능 좌표 방사상으로 주파수 (c / a) 및 입사각의 양 (각도)으로 색에 나타낸도 7 측정 된 TE 편광 전달 (dB) 장애 샘플. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
HD 구조도 8 스트레이트 채널 도파관 : 주파수의 함수로서 채널을 통해 소스 전력 위에 검출 된 전력의 (A) 라인 결함 도파로 채널 HD 샘플의 사진, (B)를 측정 TM 변속비 C는 빛의 속도가 진공, C = 1.33 인 C / 단위m는 격자 점 사이의 평균 간격이다. TM 밴드 갭 범위는 핑크 스트립으로 표시됩니다. 0.41 C / A의 피크 신호가 채널의 가이드 모드입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
제 다양 도파로 채널 HD 구조와 소스 전력. 변속기 위에 검출 된 전력의 비율로서 측정 된 투과 스펙트럼을 통해 그림 C / 단위 주파수의 함수로서 플롯된다. 핑크 스트립 TM PBG 범위를 나타낸다. (A)는 50 ° 절곡 채널 (B)의 구조를 통해 투과 스펙트럼 0.42 C 주위 가이드 모드를 보여주는 HD 구조의 사진 / (C) 사진주위에 가이드 모드를 보여주는 S 형 채널을 통해 자유의 형상 채널 (D) 전송 스펙트럼을 가진 HD 구조의 0.42 C / A. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
hyperuniform 무질서 점 패턴으로부터 시작하여, 2 차원 구조는 HD 봉 및 / 또는 벽 네트워크가 모든 편광 11 완전한 PBG를 구하도록 설계 할 수 이루어진. 디자인을 바탕으로, 우리는 전자 레인지에서 테스트 할 수 cm 크기의에서 2D 알루미나 봉 및 벽 구조를 조립 구멍 및 슬롯 템플릿을 건설했다. 알루미나 봉 및 벽, 같은 cm 규모의 빌딩 블록이 저렴하고 취급이 용이하기 때문에 우리는 전자 레인지로 작업하기로 결정했습니다. 우리는 실험적으로는 2D hyperuniform 장애 구조의 완전한 등방성 PBG를 가질 수 처음으로 보여 주었다. 격자의 무질서이 클래스는 장거리 병진 순서를 가지지 않으며, 이것이주기 광결정이다 따라서 밴드 갭 형성은 브래그 산란에 기인하는 것은 아니다.
회전 symme의 거의 선택이 정기적 인 광자 결정과는 달리본질적으로 시도하고 결함 설계의 자유 (5), HD 구조는 광자 결정에서 허용되지 PBG 응용 프로그램에 대한 몇 가지 장점을 제공 제한합니다. TE 밴드 갭 측정 용 시트의 첨가는 1 시간까지 소요될 수있는 반면 TM 밴드 갭 측정 구조 조립체는 몇 분. 무 결함 HD 시료 알루미나 봉 및 벽 조립 후에는 도파관과 공동 신속 전략적 일부 봉과 벽을 제거함으로써 형성 될 수있는 수정 가능한 템플릿으로서 역할을 할 수있다. HD PBG 물질이 새로운 클래스에서, 우리는, 결정 대칭 방향 (14)에 의해 제한 필터링 및 15 분할 임의의 경로와 공동 공진 모드 (16)을 따라 자유 도파를 증명하고있다.
여기에 설명 된 실험 방법은 다음과 재현하기 쉽다. 실험적 프로토콜은 모든 실험자 일하는의 요구에 맞게 수정 될 수있다때문에 복잡성, 장애, 또는 결함 아키텍처, 시뮬레이션 또는 미크론 제조와 함께 공부하기 어려운 다른 인공 포토닉스 재료 g. 이러한 방법을 사용하여, 우리는 또한 입증 단일 편광 PBGs 17,18 보유 3D 인쇄 된 플라스틱으로 만들어진 다른 준결정 구조 및 HD 구조를 특징으로한다. 실험의 성공을 보장하기 위해 고려해야 할 몇 가지 단계가 있습니다. 샘플을 구성하는 데 사용되는 재료는 거의 흡수를 가질 필요가있다. 유전체 콘트라스트 및 격자 간격의 선택 결과 PBG 주파수를 결정한다. 예를 들어, 8.76의 유전 콘트라스트 및 1.33 cm의 격자 간격 알루미나 봉 및 벽 구조는 10 GHz의 중심으로 밴드 갭을 갖는다. 2.56의 유전 대비 0.6 cm의 격자 간격 플라스틱 재료로 만들어진 비슷한 HD 구조는 23 GHz의 중심으로 밴드 갭 (band gap)을 가지고있다. 설계 다른 주파수 범위, 뿔과 어댑터의 경우다른 전자 레인지에 밴드가 올바르게 선택해야합니다. 그것은 대부분에 7-15 GHz의 X-밴드 (8 ~ 12 GHz의) 전자 뿔과 어댑터의 측정 된 주파수 범위를 확장하여 괜찮습니다. 이 범위를 넘어, 다른 마이크로파 대역에 다른 구성 요소가 사용되어야한다. 채널을 도파에 뿔 개방에 직접 배치 할 수있는 반면 구조의 평면 편파을 보장하기 위해, 뿔은 멀리 떨어져 배치해야합니다.
이 기술의 한 가지 제한은 기술 실제 애플리케이션과의 관련성을 제한하다. cm 크기의 구성 요소와 기본 구조는 광 장치로 직접 적용 할 수 없습니다. 도파관, 스플리터이 기술로 연구 공진 공동은 본질적으로 "개념 증명"EM 파도 무질서 미디어 사이의 상호 작용에 대한 우리의 지식을 개선하는 의미 구조이다. EM 파의 스케일 불변 때문 그러나, 전술 한 바와 같이, 모든 결과가 얻어구조 미크론 및 서브 마이크론 규모 축소 할 때 사용하는 전자 레인지와 cm 크기의 샘플을 직접 적외선 및 광학 주파수에 적용 할 수 있습니다. E-빔 리소그래피 및 이광자 중합 포함한 서브 미크론 스케일 광결정의 일반적인 제조 방법은 다양한 애플리케이션에 대한 IR 및 광 지역 PBG 이러한 재료를 제조하는데 사용될 수있다.
IR를 사용하여 실험을 통해 복잡한 PBG 재료의 광 특성 연구를위한 우리의 전자 실험의 많은 장점이 있습니다. 먼저, 마이크론 규모 시험하기위한 장치의 제조 비용이 매우 높다. 장치는 정확하게 클린 룸 시설에서 제조되어야한다. 또한, 시험 (DUT)에서 광 장치의 2D 석판에 커플 링 IR 파의 두 가지 방법이 문제가된다. 하나의 방법은 종종 매우 좁은 시험 bandwid을 구비 집중 광파이버와 결합하도록 테이퍼 수직 커플러 (19)를 사용하는 것이다위 (즉, 1.5 1.6 mm, 1.5 mm의 중심 파장에서 6 %로부터 mm) 마이크로파 안테나의 매우 넓은 범위 테스트에 비해, 예컨대 7 어댑터 및 하나의 안테나 세트와 17 기가 헤르쯔이다. DUT에 IR 파동을 도입하는 다른 방법은 넓은 테스트 범위를 커버하지만 인해 패키징 비용이 크다 할 수있는, 엣지 섬유 커플러를 사용하는 것, 그러므로, 마이크로파 정권 저렴의 선택으로 설계 실험자 큰 자유를 제공한다 재료는 쉽게 넓은 주파수 범위, 모듈 형 격자 아키텍처와 실시간 분석의 편의와 테스트 장비를 사용합니다.
마이크로파 방식을 통해 발견 프로빙 및 밴드 갭 컨셉 PBG 형성의 근본적인 메커니즘을 더 잘 이해하고 구조의 형상 및 입사 방사선의 상호 작용을 포함한다. 이 기술의 미래 응용 프로그램에) 일이 포함됩니다탐색 및 HD PBG 재료의 응용 도로 포장용 기능성 광자 디바이스의 설계를 최적화하기 위해 마이크로파 테스트 방법을 적용 계속 2) IR과 같은 포토 닉 밴드 갭을 사용하는 실제 애플리케이션, 광학 정권까지 샘플의 크기를 조절하는 데 센서 (20), 통신 (6), 및 광 미세 회로 8.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
저자가 공개하는 게 없다.
Acknowledgments
이 작품은 부분적으로 우리는 도움이 토론 NYU에서 우리의 협력자 폴 M. Chaikin 감사 WM에 과학 발전을위한 연구 공사 (보조금 10,626), 국립 과학 재단 (DMR-1308084), 샌프란시스코 주립 대학 내부 수상에 의해 지원되었다 실험 설계와 우리가 SFSU에서 사이트에 사용에 대한 VNA 시스템을 제공합니다. 우리는 우리의 이론 공동 작업자, 다양한 토론의 HD PBG 재료, 마리아 Florescu, 폴 M. 스테인 하트와 샐 Torquato의 발명가를 감사하고 우리에게 HD 점 패턴 및 지속적인 토론의 디자인을 제공합니다.
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).
