[論文レビュー] Optical loss due to intrinsic structural variations of photonic crystals

A. Femius Koenderink, Willem L. Vos|arXiv (Cornell University)|Jun 11, 2004

Photonic Crystals and Applications被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、2次元および3次元フォトニクス結晶における光学的損失が、格子パラメータの内在的構造的変動と関連付けられる理論的モデルを提案している。このモデルは、サイズおよび位置の不規則性の大きさに比例して損失が増加することを示しており、実験的および文献上のデータを正確に予測している。現在のフォトニクス結晶構造では、光子の制御が約50格子定数（～15 µm）に制限されており、不規則性が著しく低減されない限り、光集積回路への統合は困難であることが明らかになった。

ABSTRACT

A bottleneck limiting the widespread application of photonic crystals is scattering of light by unavoidable variations in size and position of the crystals' building blocks. We present a new model for both 2 and 3-dimensional photonic crystals that relates the resulting loss length to the magnitude of the variations. The predicted lengths agree well with our experiments on high-quality opals and inverse opals over a wide frequency range, and with literature data analyzed by us. In state-of-the-art structures, control over photons is limited to distances of 50 lattice parameters (~ 15 micron). Consequently, applications of photonic crystals in optical integrated circuits remain a fata morgana, unless an unprecedented reduction of the random variations is achieved.

研究の動機と目的

• フォトニクス結晶における避けがたい構造的変動が光学的散乱損失を引き起こすメカニズムを理解すること。
• 不規則性の大きさに基づいて、2次元および3次元フォトニクス結晶における損失長の予測モデルを構築すること。
• 広帯域周波数範囲にわたり、高品質な合成オパールおよび逆オパールからの実験データを用いて、モデルのキャリブレーションと妥当性検証を行うこと。
• 現在の製造技術の制限下で、フォトニクス結晶が光集積回路に応用可能かどうかを評価すること。
• 最新のフォトニクス結晶構造において、光子が制御可能な最大距離を定量化すること。

提案手法

• フォトニクス結晶の構築ブロックの二乗平均平方（RMS）変位およびサイズ変動と光学的損失長の関係を定式化する理論的枠組みを構築する。
• 位置およびサイズの不規則性に起因する散乱を考慮して、2次元および3次元フォトニクス結晶幾何構造にモデルを適用する。
• 広帯域周波数範囲にわたり、高品質な合成オパールおよび逆オパールからの実験データを用いて、モデルのキャリブレーションと検証を行う。
• 既存の文献データを分析して、多様な材料系にわたるモデルの予測能力を検証する。
• 不規則性の大きさと結晶内での光の減衰長との間の定量的関係を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フォトニクス結晶における内在的構造的変動が光学的伝搬損失にどのように影響するか？
• RQ2 サイズおよび位置の不規則性の大きさと、それによるフォトニクス結晶における損失長との間の定量的関係は何か？
• RQ3 提案されたモデルが、2次元および3次元フォトニクス結晶における実験的および文献報告の損失データをどの程度正確に予測できるか？
• RQ4 現在の最先端フォトニクス結晶構造において、光子が制御可能な最大有効長は何か？
• RQ5 モデルは、高品質因子を示すにもかかわらず、なぜフォトニクス結晶が光集積回路に実用的でないのかを説明できるか？

主な発見

• 本モデルは、広帯域周波数範囲にわたり、高品質なオパールおよび逆オパールにおける光学的損失長を正確に予測しており、実験データと強い一致を示している。
• 現在のフォトニクス結晶構造では、光子が制御可能な最大距離が約50格子定数、すなわち～15 µmに制限されている。
• 構造的不規則性に起因する散乱損失が、光集積回路忺用における主な障壁である。
• モデルの予測は文献データと整合しており、さまざまなフォトニクス結晶システムへの一般適用性が確認された。
• 現在のフォトニクス結晶設計に基づく機能的な光集積回路を実現するには、前例のないレベルのランダム構造的変動の低減が不可欠である。