[論文レビュー] Special polarization characteristic features of a three-dimensional terahertz photonic crystal with a silicon inverse diamond structure

Chikara Sakurai|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2017

Photonic Crystals and Applications被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、約0.4 THzで完全な光子バンドギャップを有する三次元シリコン逆ダイヤモンド光子結晶における偏光異方性を調査する。テラヘルツ時間領域分光法を用いて、実験的に、0.38 THzにおいて入射S偏光波（方位 I(1,0) または I(0,−1)）がほぼ完全にP偏光反射波に変換されることを示した一方、I(1,1) および I(1,−1) の方位では偏光が維持され、バンドギャップ内での強い偏光依存応答が確認された。

ABSTRACT

The band structure of an Si inverse diamond structure whose lattice point shape was vacant regular octahedrons, was calculated using plane wave expansion method. A complete photonic band gap was theoretically confirmed at around 0.4 THz. It is said that three-dimensional photonic crystals have no polarization anisotropy in photonic band gap (stop gap, stop band) of high symmetry points in normal incidence. However, it was experimentally confirmed that the polarization orientation of a reflected wave was different from that of an incident wave, [I$(X,Y)$], where $(X,Y)$ is the coordinate system fixed in the photonic crystal. It was studied on a plane (001) at around X point's photonic band gap (0.36 $-$ 0.44 THz) for incident wave direction [001] by rotating a sample in the plane (001), relatively. The polarization orientation of the reflected wave was parallel to that of the incident wave when that of the incident wave was I(1, 1) or I(1, $-$1). In contrast, the former was perpendicular to the latter when that of the incident wave was I(1, 0) or I(0, $-$1) at around 0.38 THz. As far as the photonic crystal in this work is concerned, method of resolution and synthesis of the incident polarization vector is not able to apply to the analyses of rotation of the measured reflected spectra in appearance.

研究の動機と目的

• 完全な光子バンドギャップを有する三次元テラヘルツ光子結晶における偏光異方性を調査すること。
• 光子バンドギャップ領域において、反射波の偏光方位が入射波と異なるかどうかを特定すること。
• 入射偏光状態（I(1,1)、I(1,0)、I(1,−1)、I(0,−1)）の違いに応じた反射波の挙動を(001)面で分析すること。
• 標準的な偏光ベクトル分解および合成手法が、観測されたスペクトル的回転を解釈する上でどのような限界を有するかを評価すること。

提案手法

• 格子定数300 µm、正八面体空孔150 µmを有するSi逆ダイヤモンド構造の光子バンド構造を、平面波展開法を用いて計算した。
• 48層の周期的(001)表面パターニングを施したシリコンサンプルをプロセスし、約0.4 THzで完全バンドギャップを有する三次元光子結晶を形成した。
• 入射角7°としてテラヘルツ時間領域分光法（THz-TDS）を用い、制御された入射偏光状態下での反射スペクトルを測定した。
• 1/2波長板を用いて、反射波のS偏光成分およびP偏光成分を効果的に分離・分析可能とし、偏光寄与を分離した。
• 金基準を用いて反射率スペクトルを正規化し、スペクトル分解を適用して反射信号内のS-pおよびP-p成分を分離した。
• 波長板を有無で比較したスペクトル解析により、偏光依存応答特性を抽出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 三次元Si逆ダイヤモンド光子結晶の完全光子バンドギャップ領域（約0.4 THz）において、反射波に偏光異方性が見られるか？
• RQ2 入射波の偏光方向が(001)面上でどのように変化するか、反射波の偏光方位はどのように依存するか？
• RQ3 高い対称性を有する結晶においても、特定の入射偏光状態（例：I(1,0)）では反射波の偏光が90°回転する理由は何か？
• RQ4 標準的な偏光ベクトル分解および合成手法は、観測された反射波のスペクトル的回転を説明できるか？
• RQ5 I(1,0)およびI(0,−1)入射波において約0.38 THzで観測された強力な偏光変換の物理的起源は何か？

主な発見

• 空孔を有する規則的正八面体格子点を有するSi逆ダイヤモンド構造において、約0.4 THzで完全光子バンドギャップ（CPB）が確認された。
• 入射偏光がI(1,1)およびI(1,−1)の場合、反射波は入射波と同一の偏光方位を維持し、回転は認められなかった。
• 入射偏光がI(1,0)およびI(0,−1)の場合、反射波は90°の偏光回転を示し、0.38 THzにおいてS-p入射波がほぼ完全にP-p反射波に変換された。
• BGX（0.36–0.44 THz）バンドギャップ内、0.38 THzにおいて、I(1,0)入射の反射波は主にP偏光であった。これは強い偏光変換を示している。
• 観測された偏光回転は、標準的な偏光ベクトル分解および合成手法では説明できないため、非自明なメカニズムが背後に存在すると示唆された。
• スペクトル分解により、I(1,0)入射の反射信号に顕著なP-p成分が存在することが確認された一方、I(1,1)ではS-p成分が支配的であった。これにより、偏光依存応答が裏付けられた。