[논문 리뷰] Special polarization characteristic features of a three-dimensional terahertz photonic crystal with a silicon inverse diamond structure

Chikara Sakurai|arXiv (Cornell University)|2017. 03. 24.

Photonic Crystals and Applications인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 약 0.4 THz에서 완전한 광역간격을 가진 3차원 실리콘 역다이아몬드 광결정에서의 극화 이방성에 대해 조사한다. 타이타늄 주파수 영역 분광법을 사용하여, 입사된 S-편광파 중 I(1,0) 또는 I(0,−1) 방향은 0.38 THz에서 거의 완전히 P-편광 반사파로 변환되는 것으로 실험적으로 입증하였다. 반면 I(1,1) 및 I(1,−1) 방향은 극화 상태를 유지하여, 광역간격 내에서 강한 극화 의존성 반응이 있음을 나타낸다.

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.

연구 동기 및 목표

• 완전한 광역간격을 가진 3차원 타이타늄 주파수 광결정에서의 극화 이방성 조사
• 광역간격 영역 내에서 반사파의 극화 방향이 입사파와 다를 수 있는지 확인하기
• (001) 평면에서 다양한 입사 극화 상태(I(1,1), I(1,0), I(1,−1), I(0,−1))에 대한 반사파 거동 분석
• 관측된 스펙트럼적 회전을 해석하는 데 있어 표준 극화 벡터 해상도 및 융합 기법의 한계 평가

제안 방법

• 격자 상수 300 µm 및 정오각형 구멍 150 µm를 가진 Si 역다이아몬드 구조의 광역구조를 평면파 확장 방법을 사용해 계산
• 완전한 광역간격이 약 0.4 THz에 존재하는 3D 광결정을 형성하기 위해 (001) 표면 패턴이 반복된 48층 실리콘 샘플 제작
• 7° 입사 각도를 가진 타이타늄 주파수 영역 분광법(THz-TDS)을 사용하여 제어된 입사 극화 상태 하에서 반사 스펙트럼 측정
• 반사파의 S- 및 P-편광 성분을 선택적으로 통과시키고 분석하기 위해 1/2 파장판 사용, 극화 기여도 분리 가능
• Au 기준을 사용하여 반사율 스펙트럼을 정규화하고 스펙트럼 분해를 적용하여 반사 신호 내 S-p 및 P-p 성분 분리
• 파장판이 있는 경우와 없는 경우의 반사율을 비교하여 스펙트럼 분석을 수행해 극화 의존성 반응 특성 추출

실험 결과

연구 질문

• RQ1 0.4 THz 근처의 완전한 광역간격 내에서 3D Si 역다이아몬드 광결정의 반사파가 극화 이방성을 나타내는가?
• RQ2 입사파의 극화 방향이 (001) 평면 상에서 어떻게 변할 때 반사파의 극화 방향이 달라지는가?
• RQ3 고도의 대칭성을 가진 결정에서 I(1,0)와 같은 특정 입사 극화 상태에 대해 반사파의 극화가 90° 회전하는 이유는 무엇인가?
• RQ4 표준 극화 벡터 해상도 및 융합 기법은 관측된 스펙트럼적 회전을 설명할 수 있는가?
• RQ5 I(1,0) 및 I(0,−1) 입사파에 대해 약 0.38 THz에서 관측된 강한 극화 변환의 물리적 기원은 무엇인가?

주요 결과

• 빈 칸이 있는 규칙적인 정오각형 격자점을 가진 Si 역다이아몬드 구조에서 약 0.4 THz에서 완전한 광역간격(CPB)이 확인되었다.
• 입사 극화 I(1,1) 및 I(1,−1)의 경우 반사파의 극화 방향이 입사파와 동일하게 유지되어 회전이 없음을 나타내었다.
• 입사 극화 I(1,0) 및 I(0,−1)의 경우 반사파에서 90° 극화 회전가 발생하였으며, 0.38 THz에서 S-p 입사파는 거의 완전히 P-p 반사파로 변환되었다.
• BGX(0.36–0.44 THz) 광역간격 내 0.38 THz에서 I(1,0)의 반사파는 주로 P-편광으로 나타나 강한 극화 변환이 있음을 시사했다.
• 관측된 극화 회전은 표준 극화 벡터 해상도 및 융합 기법으로는 설명할 수 없으며, 복잡한 메커니즘이 존재함을 시사한다.
• 스펙트럼 분해를 통해 I(1,0)의 반사 신호는 상당한 P-p 성분을 포함하는 것으로 확인되었고, I(1,1)의 경우 S-p 성분이 지배적이었으며, 이는 극화 의존성 반응을 검증하였다.