[論文レビュー] Theoretical investigation on point imaging by photonic crystal slab using negative refraction

Sanshui Xiao, Min Qiu+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 10, 2003

Optical Coatings and Gratings被引用数 2

ひとこと要約

本稿は、空孔の三角格子を有するフォトニッククリスタルスラブを用いた点像形成を理論的に調査し、有限差分時域法（FDTD）シミュレーションを用いて負の屈折を実証し、像質を分析している。主な発見は、有効屈折率が n_eff = -1 であっても、空気-フォトニッククリスタル界面における結合係数が強く角度依存性を示すことであり、負屈折率系における等方的挙動を仮定する考え方に疑問を呈するものである。

ABSTRACT

Point imaging by photonic crystal slab with a triangular lattice of air holes is studied theoretically in this letter. We have used finite-difference time-domain (FDTD) to demonstrate the negative refraction phenomenon and study the point imaging by photonic crystal slab. Utilizing the transfer function, we have also analyzed the imaging quality versus different surface termination of photonic crystal slab. Our results also show that the coupling coefficient at the air-photonic crystal (PC) interface are strongly angular dependent even when the effective refractive index of PC satisfies n_eff=-1.

研究の動機と目的

• 空孔の三角格子を有するフォトニッククリスタルスラブの点像形成能力を調査すること。
• 表面終端条件の影響を伝達関数解析を用いて像質に及ぼす影響を分析すること。
• 有効負屈折率（n_eff = -1）の下で、空気-フォトニッククリスタル界面における結合係数の角度依存性を検討すること。
• フォトニッククリスタルにおける高品質な点像形成に向けた負の屈折の実現可能性と限界を評価すること。

提案手法

• 電磁波のフォトニッククリスタルスラブ内をの伝播をシミュレートするために、有限差分時域法（FDTD）が用いられている。
• フォトニッククリスタルスラブは、設計されたバンド構造を介して負の屈折を実現するための、空孔の三角格子を有する。
• 像質を表面終端条件の関数として定量化するために、伝達関数解析が適用されている。
• 像質評価を理想的な負屈折率条件下で行うために、有効屈折率（n_eff）は -1 に設定されている。
• さまざまな入射角に対して、空気-フォトニッククリスタル界面における結合係数の角度依存性を体系的に分析している。
• 像質評価は、像面における場強度分布および焦点特性の観察によってなされている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フォトニッククリスタルスラブの表面終端が、点像形成の品質にどのように影響を与えるか？
• RQ2 有効屈折率が n_eff = -1 であっても、空気-PC界面における結合係数が入射角に依存する程度はどの程度か？
• RQ3 有効屈折率が n_eff = -1 であるフォトニッククリスタルスラブが、現実的な励起条件下で高精度な点像形成を達成できるか？
• RQ4 伝達関数は、このような系における像分解能および場分布の予測にどのような役割を果たすか？

主な発見

• FDTDシミュレーションにより、空孔の三角格子を有するフォトニッククリスタルスラブにおける負の屈折現象が成功裏に実証された。
• 伝達関数解析により、フォトニッククリスタルスラブの表面終端が像質に顕著に影響を及ぼすことが明らかになった。
• 有効屈折率が n_eff = -1 であっても、空気-フォトニッククリスタル界面における結合係数は強い角度依存性を示した。
• 結合係数の角度依存性は、理想的な負屈折率挙動が、すべての角度で一様な励起効率を保証しないことを示唆している。
• 本研究の結果から、このような系における高品質な点像形成を達成するには、フォトニッククリスタル構造およびその界面条件の慎重な設計が必要であることが示された。
• 本研究は、n_eff = -1 条件下でも、負屈折率フォトニッククリスタルスラブにおける等方的結合挙動を仮定することに根本的な限界があることを明らかにした。