Анализ зонной структуры фотонного кристалла с кратными оптическими длинами слоев для терагерцового диапазона частот

Показано, что в зависимости от полярности включения фотодиодов в состав резонатора происходит частотный сдвиг отклика вверх или вниз по частоте при увеличении освещенности. Предложено использовать систему связанных кольцевых резонаторов для увеличения чувствительности исследуемых резонаторов к величине освещенности. Продемонстрировано, что для фиксированного расстояния между связанными резонаторами происходит частотное расщепление отклика системы на четную (яркую) и нечетную (темную) моды при помощи света. Мы уверены, что предложенный метод создания перестраиваемых кольцевых резонаторов позволит создать новый класс метаматериалов, управляемых светом.

Работа поддержана Министерством образования Российской Федерации (соглашения № 14.В37.21.1176 и № 14.В37.21.1283), Фондом «Династия», Фондом РФФИ (проект № 13-02-00411), стипендией Президента Российской Федерации молодым ученым и аспирантам 2012.

Литература

1. Linden S., Enkrich C., Wegener M., Zhou J., Koschny T., Soukoulis C.M. Magnetic Response of Metamaterials at 100 Terahertz // Science. - 2004. - V. 306. - P. 1351-1353.

2. Shelby R., Smith D.R. and Schultz S. Experimental Verification of a Negative Index of Refraction // Science. - 2001. - V. 292. - P. 77-79.

3. Gansel J.K., Thiel M., Rill M.S., Decker M., Bade K., Saile V., von Freymann G., Linden S., Wegener M. Gold Helix Photonic Metamaterial as Broadband Circular Polarizer // Science. - 2009. - V. 325. - P. 15131515.

4. Belov P.A., Hao Y. Subwavelength imaging at optical frequencies using a transmission device formed by a periodic layered metal-dielectric structure operating in the canalization regime // Physical Review B. - 2006. - V. 73. - P. 113110.

5. Leonhardti U. Optical conformal mapping // Science. - 2006. - V. 312. - P. 1777-1780.

6. Кившарь Ю.С., Орлов А.А. Перестраиваемые и нелинейные метаматериалы // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. - 2012. - № 3 (79). - C. 1-10.

7. Shadrivov I.V., Morrison S.K. and Kivshar Yu.S. Tunable split-ring resonators for nonlinear negative-index metamaterials // Opt. Express. - 2006. - V. 14. - P. 9344-9349.

8. Kapitanova P.V., Maslovski S.I., Shadrivov I.V., Voroshilov P.M., Filonov D.S., Belov P.A. and Kivshar Y.S. Controlling split-ring resonators with light // Applied Physics Letters. - V. 99. - P. 251914 (1-3).

9. Marques R., Martin F. and Sorolla M. Metamaterials with Negative Parameters: Theory, Design and Microwave Applications. - NJ: Wiley&Sons, Inc., Hoboken, 2008. - 315 p.

Капитонова Полина Вячеславовна - Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет

информационных технологий, механики и оптики, кандидат технических наук, научный сотрудник, Kapitanova.poli@phoi.ifmo.ru, Kapitanova_poli@mail.ru

Белов Павел Александрович - Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет

информационных технологий, механики и оптики, доктор физ.-мат. наук, главный научный сотрудник, belov@phoi.ifmo.ru

УДК 537.862

АНАЛИЗ ЗОННОЙ СТРУКТУРЫ ФОТОННОГО КРИСТАЛЛА С КРАТНЫМИ ОПТИЧЕСКИМИ ДЛИНАМИ СЛОЕВ ДЛЯ ТЕРАГЕРЦОВОГО ДИАПАЗОНА

ЧАСТОТ

А.Х. Денисултанов, М.К. Ходзицкий

Из дисперсионного уравнения для бесконечного фотонного кристалла выведены формулы для точного расчета границ запрещенных зон, ширины запрещенных зон и точного положения центров запрещенных зон фотонных кристаллов с кратными оптическими длинами слоев в двухслойной ячейке для терагерцового диапазона частот от 0,1 до 1 ТГц. Формулы проверены при численном моделировании фотонных кристаллов методом матриц передачи и методом конечных разностей временной области для первой, второй и третьей кратностей оптических длин в двухслойной ячейке фотонного кристалла. Формулы для второй кратности подтверждены экспериментально. Ключевые слова: фотонный кристалл, запрещенная зона, граничные частоты, кратные оптические длины, матрица передачи, метаматериал.

Введение

В последние годы исследование искусственных сред с необычными свойствами («метаматериа-лов») привлекает интерес достаточно большого круга ученых и инженеров, что обусловливается перспективным использованием этих сред в промышленной и военной индустрии при разработке новых типов фильтров, фазосдвигателей, суперлинз, маскирующих покрытий и т.д. [1-3]. Одним из видов мета-материалов является фотонный кристалл, который представляет собой слоистую структуру с периодиче-

ски изменяющимся показателем преломления [4]. Фотонные кристаллы (ФК) активно используются в лазерных технологиях, средствах коммуникации, фильтрации, благодаря таким уникальным свойствам, как наличие зонной структуры в спектре, сверхразрешение, эффект суперпризмы и т.д. [5-7]. Особый интерес проявляется к исследованию фотонных кристаллов в терагерцовом (ТГц) диапазоне для спектроскопических, томографических исследований новых типов материалов и биообъектов [8]. Исследователями уже разработаны двумерные и трехмерные ФК для ТГц диапазона частот и изучены их характеристики [9, 10], но, к сожалению, на данный момент нет точных формул для расчета характеристик зонной структуры фотонного кристалла, таких как ширина запрещенной зоны, центр запрещенной зоны, границы запрещенной зоны [11]. Целью настоящей работы является получение формул для расчета характеристик одномерного фотонного кристалла для первой, второй и третьей кратностей оптических длин в двухслойной ячейке ФК и проверка этих формул с помощью численного моделирования методом матриц передачи и методом конечных разностей во временной области, а также эксперимента в ТГц диапазоне частот.

Аналитическое и численное моделирование

Рассмотрим бесконечный фотонный кристалл с показателями преломления слоев в двухслойной ячейке п1 и п2 и толщинами слоев й1 и й2 соответственно. Данная структура возбуждается линейно-поляризованной поперечной электрической волной (ТЕ-волной). Волновой вектор к направлен перпендикулярно слоям ФК (рис. 1). Дисперсионное уравнение для такого ФК, полученное с использованием теоремы Флоке и условия непрерывности тангенциальных компонент поля на границе слоев, имеет следующий вид [12]:

и ь \

С08[кв

ку к у

у1 + у2

ку к у

с бт[кг ё1] х бт[кг й2

/

где кв - блоховское волновое число; к^ =

ли преломления; й1, й2 - толщины слоев.

й\ Й2

2 л х / х п1

ку2

2л х / х п2

; / - частота; пг, п2 - показате-

У

О

->

2

Е

Н

к

П2

Рис. 1. Рассматриваемая слоисто-периодическая структура

чз +

'я

и

(X

2

0,1

Л . и Л 1 ! I х. ] л!/ л Пил! л «

и ' и | Г ¡4 1 ! 1) 1 1 N V и | 1 У ' 11

чз +

'я

-1

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

Частота/ ТГц

0,7

0,8

0,9

Рис. 2. Частотная дисперсия комплексного блоховского волнового числа

Дисперсия комплексного блоховского волнового числа, полученная с использованием уравнения (1), показана на рис. 2. Как видно из рис. 2, на границах запрещенных зон аргумент косинуса кв (й1 + й2) будет принимать значения либо 0, либо п [12]. Следовательно, исходя из этого условия, можно рассчи-

х

4

0

1

0

1

тать значения граничных частот, ширины запрещенных зон и центры запрещенных зон фотонного кристалла. Однако для фотонного кристалла с некратными оптическими длинами слоев внутри двухслойной ячейки данные формулы могут быть получены только в неявном виде. Для получения формул в явном виде нужно использовать кратные оптические длины: пхёх = п2ё2; пхёх = 2хп2ё2; пхёх = 3хп2ё2... . В работе были рассмотрены формулы для 1-й, 2-й и 3-й кратности.

Для фотонного кристалла первой кратности (пхёх = п2ё2) формулы граничных частот, ширины

запрещенной зоны и центра запрещенной зоны имеют следующий вид:

( /п 1 Л ( /п «и 1 Л

/1 =

0,256-1,5 . „ агссо81---I + 2лт

0 ,25р + 0,5

а/ = /1 -/2; /33 = /+/2-; /рз =

/ 2а; /2 = я

0,256-1, 5 . „, 1Ч -агссо81 ——-—— | + 2л

0 ,256 + 0,5

/2а ;

2 а

где /1 и /2 - низкочастотная и высокочастотная границы запрещенной зоны соответственно; А/ - ширина запрещенной зоны; /зз - центр запрещенной зоны; с - скорость света; / - центр разрешенной

2лхп2 ё 2

о пх п2 зоны 6 = — +—;

т = 0,1,2,...

Для ФК с параметрами слоев пх = 2,9; п2 = 1,445; ёх = 540 мкм; ё2 = 1084 мкм для второй запрещенной зоны в диапазоне 0,1-1 ТГц имеют место следующие параметры зонной структуры: /1 = 0,1332 ТГц; /2 = 0,1541 ТГц; А/ = 0,0209 ТГц; /зз = 0,1437 ТГц .

Для ФК, оптические длины слоев которого связаны равенством пхёх = 2п2ё2, получены следующие формулы для параметров зонной структуры:

/х =

/2 =

/3 =

/4 =

/ =

У рз

( ( агссоБ

V V

4+в+У в2-4 6 + 3в-4в2 -4

Л

+ 2пт

( ( агссо8

V V

4 + в-V в2 - 4 6 + 3в + ^в2 - 4

Л

+ 2пт

пп2 ё 2

( ( агссо8

V V

-в + #^4

2 + в -V в2 - 4

Л > Л (

+ 2ят х с агссоБ

V ; /1 = V

пп2 ё 2

-в-#^4 2 + в + 4 в2 - 4

Л

+ 2пт

( ( -агссоБ

V V

пп2 ё2

-в-#^4 2 + в + л/в2 - 4

пп2 ё2

+ 2л

пп2 ё 2

; /х =

( ( -атссоБ

V V

-в +#"-4

2 + в-Vв2 - 4

+ 2л

пп2 ё 2

( ( -атссоБ

V V

4 + в-Vв2 -4 6 + 3в + 4в2 - 4

+ 2л

%п2 ё 2

-; /4х =

( ( -атссоБ

V V

4 + в + Ув2 - 4 6 + 3в-4в2 -4

+ 2л

пп2 ё 2

(т +1) х с

2п2 ё2

где ( /1 и /11 ), ( /2 и /21 ), ( /3 и /31 ), ( /4 и /41 ) - низкочастотная и высокочастотная границы запрещен-

п п

ных зон с номерами (4т+1), (4т+2), (4т+3), (4т+4) соответственно; с - скорость света; Р= — + —;

п2 пх

т = 0,1,2,.... Ширина запрещенной зоны рассчитывается как А/ = /-/х; центр запрещенной зоны

, / + /х . й /зз = ^ ; /рз - центр разрешенной зоны.

Для ФК с параметрами пх = 2,9; п2 = 1,445; ёх = 540 мкм; ё2 = 541,87 мкм для второй запрещенной зоны в диапазоне 0,1-1 ТГц имеем

/2 = 0,116 ТГц; /2х = 0,14 ТГц; А/ = 0,024 ТГц; /зз = 0,128 ТГц .

Для фотонного кристалла, оптические длины которого связаны равенством пхёх = 3п2ё2, получены следующие формулы для параметров зонной структуры:

с

f =

arccos

1 -0,5ß + ^/2,25ß2 -ß-7 3 + 2,5ß-^/ 2,25ß2-ß-7

Л

+ 2nm

4nn2 d 2

f =

arccos

1 -0,5ß-^2,25ß2 -ß-7 3 + 2,5ß + V 2,25ß2-ß-7

Л

+ 2nm

47in2 d 2

(

f2 =

arccos

v

3 + 0,5ß -2-ß

Л

+ 2nm

(

4лп2 d2

; fl =

-arccos

v

3 + 0,5ß -2-ß

+ 2л

4лп2 d2

f3 =

-arccos

1 -0,5ß-J2,25ß2 -ß-7 3 + 2,5ß + yl2,25ß2 - ß - 7

+ 2л

4яп2 d 2

f1 =

f =

^ рз

-arccos

1 - 0,5ß + 72,25ß2 - ß - 7 3 + 2,5ß-sj2,25ß2 -ß-7

+ 2л

4яп2 d 2

m x с 2n2 d2

где (/1 и /11), (/2 и /2), (/3 и /) - низкочастотная и высокочастотная границы запрещенных зон с

п п

номерами (3т+1), (3т+2), (3т+3) соответственно; с - скорость света; р = — + —; т = 0,1,2,.... Ширина

запрещенной зоны рассчитывается как Д/ = / - /1; центр запрещенной зоны /зз =

f + f1 .

2

fP3- центр

разрешенной зоны.

Для ФК с параметрами п1 = 2,9; п2 = 1,445; = 540 мкм; й2 = 361,24 мкм для второй запрещенной зоны в диапазоне 0,1-1 ТГц имеем

/2 = 0,1283 ТГц; = 0,1591 ТГц; Д/ = 0,0308 ТГц; /зз = 0,1437 ТГц .

Для моделирования ФК конечной длины нужно использовать метод матриц передачи [13], который позволяет рассчитать значение электромагнитного поля волны, проходящей через фотонный кристалл, в произвольной точке 2 слоя. Матрица передачи для одного слоя имеет следующий вид:

M( z) =

cos(k0 x n x p x sin(k0

: z x cos 0) x n x z x cos 0)

cos(k0

cos 0)

где k0 = —; p = — cos 0 ; n = ; z - координата на оси Oz; 0 - угол падения волны на первый слой.

с

Используя метод матриц передачи, в математическом пакете MATLAB была построена зонная структура фотонного кристалла для оптических длин слоев в двухслойной ячейке 1-й, 2-й и 3-й кратно-стей), в ТГц диапазоне частот (для 0=0) с 10 элементарными ячейками с параметрами слоев, указанными выше (рис. 3).

Как видно из рис. 3, в спектре пропускания ФК 1-й, 2-й и 3-й кратности выпадают запрещенные зоны, кратные двум, трем, четырем соответственно, по сравнению с зонной структурой ФК с некратными оптическими длинами слоев внутри элементарной ячейки. Для всех трех случаев кратности относительная погрешность вычислений параметров зонной структуры конечного ФК не превышает 1% по сравнению с формулами для бесконечного ФК (ширина запрещенной зоны рассчитывалась на уровне 0,5 коэффициента пропускания для конечного ФК).

Также структура одномерного ФК была рассчитана методом конечных разностей во временной области с помощью программного пакета трехмерного моделирования CST Microwave Studio (рис. 4). Видно такое же поведение зонной структуры конечного ФК, что и для спектров пропускания, полученного методом матриц передачи. Относительная погрешность вычислений параметров зонной структуры конечного ФК в данном пакете моделирования не превышает 3% по сравнению с формулами для бесконечного ФК.

0,5

ч

<и

Я н о

я

13

о £

о &

<и

я

Я Я -е -е

т

£

Цж.М'.'ш ЩШШ Ш Щ'ДЦ Щ

пШшиЩШ) щщм

ИР™ ИрЩ

0,2

0,4

пхёх=п2ё2

0,6

0,8

0,5

0,5

0

0,2

0,8

1

0,4 0,6

пхёх=3п2ё2 Частота / ТГц

Рис. 3. Зонная структура фотонного кристалла для трех кратностей, оптических длин слоев в двухслойной ячейке в ТГц диапазоне частот (цифры указывают номер запрещенной зоны, стрелки - выпадающие

запрещенные зоны)

Е

Л-

к Н

ч

<и

Я т о

Я

3

с

£

о &

Ё

<и Я

ц

Я -е -е т о

1

0,5

0 1

0,5

0 1

0,5 0

М/Д5 6

пхёх=п2ё2

пхёх=2п2ё2 -ДА/ ут1

0,2 0,25 0,3

0,5 0,55 0,6

0,35 0,4 0,45

пхёх=3п2ё2 Частота, ТГц

а б

Рис. 4. Трехмерная модель ФК в ОЭТ

Экспериментальная часть

Случай 2-й кратности был проверен экспериментально методом непрерывной ТГц спектроскопии в диапазоне 0,1-1 ТГц [14]. Был использован метод смешения частот инфракрасного излучения на фото-проводящей (ФП) антенне для генерации ТГц излучения. Вторая ФП антенна была использована в качестве приемника. Между излучающей и принимающей ФП антенной устанавливался собранный ФК (рис. 5).

Исследованный фотонный кристалл имеет следующие параметры: количество бислойных ячеек -3; показатели преломления слоев - пх = 2,9 и п2 = 1,445 ; толщины слоев - ёх = 540 мкм и ё2 = 520 мкм (ё2 на 21 мкм меньше, чем для случая идеальной 2-й кратности). На рис. 5 показано сравнение экспериментального и теоретического спектра для 4 и 5 запрещенных зон. Как видно из экспериментального графика, так же как и для моделирования, наблюдается выпадение запрещенной зоны, кратной трем, по сравнению с зонной структурой ФК с некратными оптическими длинами слоев внутри элементарной ячейки. Небольшое несоответствие положения центров запрещенных зон в экспериментальном и теоре-

1

0

1

1

0

1

тическом спектре связано с отличием толщины слоев тефлона в эксперименте от идеальной 2-й кратности.

ч

(D

Я н о

и

S3

о £

о

н и

(D

S

я

S -е -е

о «

1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3

0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 Частота, ТГц

—Эксперимент

- Моделирование

а б

Рис. 5. Фотография установки, фотография макета фотонного кристалла (а) и сравнительный график экспериментального и теоретического коэффициента пропускания ФК с тремя элементарными

ячейками

Заключение

Таким образом, были получены точные формулы для расчета параметров зонной структуры (ширина запрещенной зоны, границы запрещенной зоны и центр запрещенной зоны) одномерных фотонных кристаллов с кратными оптическими длинами слоев внутри двухслойной элементарной ячейки для случая TE-волны с волновым вектором, перпендикулярным плоскостям слоев фотонного кристалла. Было продемонстрировано для фотонного кристалла 1-й, 2-й и 3-й кратности исчезновение запрещенных зон, кратным двум, трем, четырем соответственно, по сравнению с зонной структурой фотонных кристаллов с некратными оптическими длинами слоев внутри элементарной ячейки. Формулы для 1-й, 2-й и 3-й кратностей были проверены с помощью метода матриц передачи и трехмерного численного моделирования методом конечных разностей во временной области. Случай 2-й кратности был проверен в эксперименте в ТГц диапазоне частот от 0,1 до 1 ТГц. Полученные формулы могут быть использованы для разработки широкополосных фильтров на основе фотонных кристаллов для промышленного, военного и медицинского применения без необходимости моделирования зонной структуры фотонного кристалла в различных математических пакетах.

Работа была частично поддержана грантом № 14.132.21.1421 в рамках реализации Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг.

Литература

1. Вендик И.Б., Вендик О.Г. Метаматериалы и их применение в технике сверхвысоких частот (Обзор) // Журнал технической физики. - СПбГЭТУ «ЛЭТИ». - 2013. - Т. 83. - Вып. 1. - С. 3-26.

2. Возианова А.В., Ходзицкий М.К. Маскирующее покрытие на основе спиральных резонаторов // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. - 2012. - № 4 (80). -С. 28-34.

3. Терехов Ю.Е., Ходзицкий М.К., Белокопытов Г.В. Характеристики метапленок для терагерцового диапазона частот при масштабировании геометрических параметров // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. - 2013. - № 1 (83). - С. 55-60.

4. Yablonovitch E. Inhibited Spontaneous Emission in Solid-State Physics and Electronics // Physical Review Letters. - 1987. - V. 58. - № 20. - P. 2059-2062.

5. Figotin A., Kuchment P. Band-Gap Structure of Spectra of Periodic Dielectric and Acoustic Media. II. Two-Dimensional Photonic Crystals // SIAM Journal on Applied Mathematics. - 1996. - V. 56. - № 6. - P. 1561-1620.

6. Smolyaninov Igor I., Davis Christopher C. Super-resolution optical microscopy based on photonic crystal materials // Physical review B. - 2005. - V. 72. - P. 085442.

7. Kosaka Hideo, Kawashima Takayuki, Tomita Akihisa. Superprism phenomena in photonic crystals // Physical review B. - 1998. - V. 58. - № 16. - P. 10096-10099.

8. Kurt Hamza, Erim Muhammed Necip, Erim Nur. Various photonic crystal bio-sensor configurations based on optical surface modes // Department of Electrical and Electronics Engineering. - 2012. - V. 165. - № 1. - P. 68-75.

9. Ozbay E., Michel E., Tuttle G., Biswas R., Sigalas M., and Ho K.M. Micromachined millimeter-wave photonic band-gap crystals // Appl. Phys. Lett. - 1994. - V. 64. - № 16. - P. 2059-2061.

10. Jin C., Cheng B., Li Z., Zhang D., Li L.M., Zhang Z.Q. Two dimensional metallic photonic crystal in the THz range // Opt. Commun. - 1999. - V. 166. - № 9. - P. 9-13.

11. Nusinsky Inna and Hardy Amos A. Band-gap analysis of one-dimensional photonic crystals and conditions for gap closing // Physical review B. - 2006. - V. 73. - P. 125104.

12. Басс Ф.Г., Булгаков А.А., Тетервов А.П. Высокочастотные свойства полупроводников со сверхрешетками. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1989. - 288 с.

13. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1973. - 733 c.

14. Gregory I.S., Tribe W.R., Baker C. Continuous-wave terahertz system with a 60 dB dynamic range // Applied Phisics Letters. - 2005. - V. 86. - P. 204104.

Денисултанов Алауди Хожбаудиевич

Ходзицкий Михаил Константинович

Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, студент, alaudi2991@mail.ru

Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кандидат физ.-мат. наук, ассистент, khodzitskiy@yandex.ru