Использование Микроволновая печь и макроскопических образцов диэлектрических твердых тел для изучения фотонных свойства неупорядоченных фотонных запрещенной зоны материалов

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.