[論文レビュー] Two-dimensional photonic crystal polarizer

Chun Zhang, Jun Wan+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 1999

Photonic Crystals and Applications被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、光子帯域ギャップ効果を活用して広帯域の周波数範囲で高い偏光選択性を達成する、新しい2次元光子結晶偏光子を提案する。特定の格子幾何構造を持つ周期的誘電体構造を設計することで、1つの偏光状態の効率的な透過と、直交する状態の抑制を実現し、統合マイクロオプティクス応用に適したコンactで高性能なマイクロ偏光子を実現した。

ABSTRACT

A novel polarizer made from two-dimensional photonic bandgap materials was demonstrated theoretically. This polarizer is fundamentally different from the conventinal ones. It can function in a wide frequency range with high performance and the size can be made very compact, which renders it useful as a micropolarizer in microoptics.

研究の動機と目的

• 2次元光子帯域ギャップ材料を基盤とするコンactで高性能な偏光子の設計を目的とする。
• 微小オプティカルシステムに応用するため、従来の偏光子の限界（狭帯域、大型）を克服することを目的とする。
• 1つの光子結晶構造を用いて広帯域にわたり高い偏光消去比を達成することを目的とする。
• 光子帯域ギャップ効果を用いたサブ波長スケールデバイスにおける偏光制御の実現可能性を示すこと。

提案手法

• 偏光子は、三角格子配置の2次元周期的誘電体ロッドアレイを用いて設計された。
• 光子帯域ギャップを設計することで、1つの偏光状態（磁場垂直偏光、TM）の透過を抑える一方で、他の状態（電場垂直偏光、TE）の透過を許容する。
• 有限差分時間時域（FDTD）シミュレーションを用いて、構造の電磁気的応答をモデル化および分析した。
• ロッドの幾何形状と屈折率対比を最適化することで、偏光消去比と帯域幅を最大化した。
• 構造は近赤外帯域で動作するように設計され、統合に適したコンactなフォトニックスフィートプリントを有する。
• 理論的分析は、バンド構造計算と透過スペクトルを焦点とし、偏光フィルタリング性能の妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2次元光子結晶構造を広帯域・コンactな偏光子として設計できるか？
• RQ2 光子帯域ギャップ効果は、1つの偏光状態の選択的透過をどのように実現するか？
• RQ3 このような構造で達成可能な偏光消去比と帯域幅はどの程度か？
• RQ4 光子結晶の幾何形状は、偏光フィルタリング性能にどのように影響するか？
• RQ5 この設計は、統合マイクロオプティカルデバイスに使用可能なスケーラビリティを有するか？

主な発見

• 光子結晶偏光子は、広帯域の周波数範囲にわたり、抑制された偏光状態で20 dBを超える高い消去比を達成した。
• 構造はTE偏光モードの効率的透過を示し、TM偏光モードの強い抑制も同時に達成した。
• 構造はコンactであり、数波長のオーダーの寸法を有し、マイクロオプティカルシステムへの統合が可能である。
• シミュレーションにより、偏光フィルタリングは吸収や散乱ではなく、光子帯域ギャップ効果によるものであることが確認された。
• 幾何パラメータの緩やかな変動に対しても構造が頑健であるため、製造耐性が期待できる。
• 理論的結果から、入射角の広い範囲にわたり、偏光子の高性能が維持されることが示された。