Name: using microwave and macroscopic samples of dielectric solids to study the photonic properties of disordered photonic bandgap materials
Uploaded: 2014-09-26T13:00:00
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这项工作是部分被研究公司的科技进步（批准10626），美国国家科学基金会（DMR-1308084），以及旧金山州立大学的内部奖励WM支持，我们感谢我们的合作者保罗·蔡金来自纽约大学的有益的讨论实验设计和提供网络分析仪系统，让我们在SFSU在现场使用。我们感谢我们的理论合作者，高清光子带隙材料，玛丽安弗洛雷斯库，保罗·斯坦哈特和萨尔Torquato各种讨论的发明者，为我们提供了高清点模式和持续讨论的设计。

1，设计一个二维Hyperuniform无序介质结构11 <ol><li>选择2D hyperuniform障碍点图案用德劳内细分子类（蓝色圆圈图2），并对其进行分区（ 图2蓝色线）。二维德劳内镶嵌的三角测量，最大限度地形成了每个三角形的最小角度，保证有每个三角形11的外接圆内没有其他问题。 </li><li>定位每个三角形的质心（实心黑色圆圈中的图2）;这些形心是半径r <s...

<ol>
	<li>Strut, J. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> The propagation of waves through a Medium Endowed with a Periodic structure. Philosophical magazine. XXIV, 145-159 (1887).</li><li>Yablonovitch, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Inhibited+spontaneous+emission+in+solid-state+physics+and+electronics.">Inhibited spontaneous emission in solid-state physics and electronics.</a> Phys. Rev. Lett. 58, 2059-2062 (1987).</li><li>Yablonovitch, E., Gmitter, T. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Photonic+band+structure:+The+face-centered-cubic+case.">Photonic band structure: The face-centered-cubic case.</a> Phys. Rev. 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Lett. 82, 2278-2281 (1999).</li><li>Chutinan, A., John, S., Toader, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Diffractionless+flow+of+light+in+all-optical+microchips.">Diffractionless flow of light in all-optical microchips.</a> Phys. Rev. Lett. 90, 123901 (2003).</li><li>Vynck, K., Burresi, M., Riboli, F., Wiersma, D. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Photon+management+in+two-dimensional+disordered+media.">Photon management in two-dimensional disordered media.</a> Nature Mater. 11, 1017-1022 (2012).</li><li>Ishizaki, K., Koumura, M., Suzuki, K., Gondaira, K., Noda, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Realization+of+three-dimensional+guiding+of+photons+in+photonic+crystals.">Realization of three-dimensional guiding of photons in photonic crystals.</a> Nature Photon. 7, 133-137 (2013).</li><li>Florescu, M., Torquato, S., Steinhardt, P. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Designer+disordered+materials+with+large,+complete+PBGs.">Designer disordered materials with large, complete PBGs.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. 106, 20658-20663 (2009).</li><li>Man, W., Megens, M., Steinhardt, P. J., Chaikin, P. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experimental+measurement+of+the+photonic+properties+of+icosahedral+quasicrystals.">Experimental measurement of the photonic properties of icosahedral quasicrystals.</a> Nature. 436, 993-996 (2005).</li><li>Torquato, S., Stillinger, F. 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Express. 21, 19972-19981 (2013).</li><li>Man, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experimental+observation+of+photonic+bandgaps+in+Hyperuniform+disordered+materials.">Experimental observation of photonic bandgaps in Hyperuniform disordered materials.</a> , (2010).</li><li>Schelew, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characterization+of+integrated+planar+photonic+circuits+fabricated+by+a+CMOS+foundry.">Characterization of integrated planar photonic circuits fabricated by a CMOS foundry.</a> Journal of Lightwave Technology. 31 (2), 239 (2013).</li><li>Guo, Y. B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Sensitive+molecular+binding+assay+using+a+photonic+crystal+structure+in+total+internal+reflection.">Sensitive molecular binding assay using a photonic crystal structure in total internal reflection.</a> Opt. Express. 16, 11741-11749 (2008).</li></ol>

从hyperuniform无序点图案开始，2D HD的结构包括杆和/或壁的网络可以被设计，以获得一个完整的带隙为所有极化11。根据设计，构建与孔和槽装配2D氧化铝杆和墙壁结构在厘米级这可能与微波测试的模板。我们选择了微波炉的工作，因为厘米尺度的构建块，诸如氧化铝棒和墙壁，价格便宜，并且易于处理。我们已通过实验证明了在第一次，它可以具有在二维hyperuniform无序结构的各向同性完全?...

带隙的光子的存在，一直是许多科学著作的焦点，从早期的研究由瑞利勋爵在一维的阻带，一个范围，从传播通过定期介质1禁止频率进行首发。研究在周期性结构的电磁波（EM）的传播，确实盛行于E. Yablonovitch 2,3和S.约翰福音4的开创性的出版物后，在过去二十年。所谓“光子晶体”被创造出来了Yablonovitch描述周期性介电结构是具有光子带隙（PBG）。 光子晶体是周期性介电结构，拥有独立的平移对称性，在周期性的方向使它们不变下的翻译。当这个周期相匹配传入的电磁（EM）波的波长，波段Ø˚F频率变高衰减，可能会停止传播。如果够宽，禁频率的范围，也被称为阻带内，可能会重叠，全方位地打造泛北部湾，禁止某些频率的光子的存在。 在概念上，在光子晶体中的EM波传播是类似于电子波传播中的半导体材料，其具有电子能量，也被称为带隙的禁止区域。类似的工程师们采用半导体控制和修改电子通过半导体的流动方式，可以用于需要光控制各种应用的带隙的材料。例如，光子带隙材料可以限制光的波长大小的腔特定的频率，引导或过滤光线沿着他们5线缺陷。是建议PBG材料中使用，用于控制在电信6的光的应用流，7激光器，光学电路和光计算8，与太阳能收集9。 一种二维（2D）方形晶格光子晶体具有4倍的旋转对称性。在不同的入射角进入晶体的电磁波（例如，0°和45°相对于晶面）将面对不同的周期性。布拉格散射在不同的方向引出阻止不同的波长，可能不会在所有方向上重叠而形成光子带隙的频带，没有材料的非常高的折射率对比。此外，在2D结构中，两个不同的电磁波的极化，横向电场（TE）与横向磁场（TM），往往形成带隙在不同的频率，使得它更难以形成一个完整的带隙在全部极化5四面八方。在周期性结构中，旋转对称的有限选择导致本征异向性（安古拉ř依赖性），这不仅使得它很难形成一个完整的带隙，而且还大大地限制了功能性缺陷的设计自由度。例如，波导的设计已被证明在光子晶体10被限制沿主要对称方向非常有限的选择。 启发超越，由于周期性这些限制，大量的研究，在过去20年非常规的光子带隙材料已经完成。最近提出了一类新的无序材料具备各向同性完全光子带隙在没有周期性或准周期：在hyperuniform症（HD）的PBG结构11。光子带没有乱结构的精确解析解。的无序结构的光子性质的理论研究仅限于费时数值模拟。来计算频带，在模拟需要采用一种超小区的近似方法和阿瓦伊拉布勒计算能力可能限制了超小区的有限尺寸。通过这些结构计算传输，计算机模拟常常假定理想的条件和像源和检测器，实际的入射电磁波轮廓之间的耦合从而忽视的实际问题，并且对准的缺陷12。此外，模拟结构的任何修改（设计缺陷），则需要新一轮的模拟。由于对超小区内的最小意义的大尺寸，这是很乏味和不切实际的，系统地研究各种缺陷的设计架构，这些无序材料。 我们可以通过研究无序光子结构实验避开这些计算问题。通过我们的实验中，我们能够验证在HD的结构的完全光子带隙的存在。使用微波实验，我们还可以得到相位信息和显示字段配线架在他们现有的光子态的分销和分散性能。使用易于修改和模块化样品在厘米级，我们所用的无序系统测试各种波导和空腔（缺陷）的设计和分析PBGs的鲁棒性。这种复杂的无序光子结构的分析或者是不实际或不可能获得通过数值和理论研究。 在设计过程中首先选择了“隐身”hyperuniform点模式13。 Hyperuniform点图案是系统中的各点的内半径为R的“球形”采样窗口的数目方差，生长速度比窗口体积大的R，即，速度比R D所中的d尺寸。例如，在二维泊松随机分布的点图案，在域ŕ点的数量的方差正比于R &lt;SUP&gt; 2。然而，在hyperuniform障碍点模式，在半径为R的一个窗口点的差异，正比于R， 图1显示了一个hyperuniform无序点图案和泊松点图案11之间的比较。我们使用的hyperuniform无序点模式的子类被称为“隐身”11。 使用弗洛雷斯库等 11所描述的设计方案，我们构建了介电墙和棒的网络，造就了2D hyperuniform介质结构类似于晶体，但没有固有的周期性和各向同性的限制。墙上的网络有利于TE偏振带隙，而棒最好形成带隙和TM偏振。一种模块化设计，开发，使得样品可以容易地修改为具有不同极化和introd使用ucing自由波导和空洞缺陷。由于麦克斯韦方程组的标度不变性，在微波领域中观察到的电磁特性可以直接适用于红外和光学制度，其中，样品将被缩放以微米和亚微米尺寸。

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="599">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">stereolithography machine</td>
			<td style="width:97px;">3D Systems</td>
			<td style="width:119px;">SLA-7000</td>
			<td style="width:167px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">resin for base</td>
			<td style="width:97px;">3D Systems</td>
			<td style="width:119px;">Accura 60</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Alumina rods</td>
			<td style="width:97px;"></td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>r=2.5mm, cut to 10.0cm height</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Alumina sheets</td>
			<td style="width:97px;"></td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>thickness 0.38mm, various width: from 1.0mm to 5.3mm with 0.2mm incerments</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Microwave Generator</td>
			<td style="width:97px;">Agilent/HP</td>
			<td style="width:119px;">83651B</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">S-Parameter Test set</td>
			<td style="width:97px;">Agilent/HP</td>
			<td style="width:119px;">8517B</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Microwave Vector Network Analyzer</td>
			<td style="width:97px;">Agilent/HP</td>
			<td style="width:119px;">8510C</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

using microwave and macroscopic samples of dielectric solids to study the photonic properties of disordered photonic bandgap materials

最近，无序光子材料已被建议作为一种替代周期性晶体的完全光子带隙（PBG）的形成。在这篇文章中，我们将介绍这些方法构建和表征使用微波炉宏观无序光子结构。微波政权提供了构建和测试PBG媒体最方便的实验样本量。容易被操纵晶格介质成分在建设各种2D结构上预印塑料模板顶部延伸的灵活性。一旦建成，该结构可以迅速修改了点和线的缺陷，使自由波导和过滤器。测试是采用广泛使用矢量网络分析仪和对微波喇叭天线。由于电磁场的尺度不变性，我们在微波区域中获得的结果可以直接应用到红外线和光学区域。我们的方法很简单，但提供EXCI挺新的洞察光线和无序物质相互作用的性质。 我们的代表性成果包括二维（2D）hyperuniform无序介质结构的第一个实验演示一个完整的和各向同性光子带隙的存在。此外，我们通过实验证明这种新型光子结构通过任意形状的自由波导引导电磁波（EM）的能力。

我们已经取得了有史以来的各向同性完全光子带隙存在于hyperuniform症介质结构的第一个确认。在这里，我们提出我们的HD结构的结果，并把它们比作一个周期性正方晶格光子晶体。 图5显示了TE偏振传输（DB）与频率（GHz）的hyperuniform疾病结构在同一入射角的半对数图。这个曲线图表明，在阻带区域8.5和9.5千兆赫，其中透射强度下降幅度超过两个数量级之间大致位?...

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Using Microwave and Macroscopic Samples of Dielectric Solids to Study the Photonic Properties of Disordered Photonic Bandgap Materials

利用微波和电介质固体的宏观样本，研究无序光子带隙材料的光子特性

无序的结构提供了功能性缺陷的设计形成光子带隙和前所未有的自由的新机制。规避无序系统中的计算，我们构建新的类PBG材料的模块化宏观样品，并使用微波来表征它们的尺度不变光子性质，以简单且廉价的方式。

Recently, disordered photonic materials have been suggested as an alternative to periodic crystals for the formation of a complete photonic bandgap (PBG). ...

Research

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