[论文解读] 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 3

一句话总结

本文提出了一种理论模型，将二维和三维光子晶体中的光学损耗与晶格参数的固有结构变异联系起来，表明损耗与尺寸和位置无序的幅度成正比。该模型准确预测了实验数据和文献数据，揭示了当前光子晶体结构将光子控制限制在约50个晶格常数（约15 µm）以内，除非无序程度显著降低，否则难以应用于光学生集成电路。

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.

研究动机与目标

• 理解光子晶体中不可避免的结构变异如何引起光学散射损耗。
• 基于无序幅度，建立二维和三维光子晶体中损耗长度的预测模型。
• 利用高质量蛋白石和反蛋白石的实验数据，校准并验证该模型在宽频率范围内的适用性。
• 在当前制造工艺限制下，评估光子晶体在光学生集成电路中应用的可行性。
• 量化当前最先进的光子晶体结构中光子可被控制的最大距离。

提出的方法

• 建立一个理论框架，将光学损耗长度与光子晶体构成单元的均方根（RMS）位移和尺寸变化联系起来。
• 将该模型应用于二维和三维光子晶体几何结构，考虑由位置无序和尺寸无序引起的散射。
• 利用高质量合成蛋白石和反蛋白石的实验数据，校准并验证该模型在宽频率范围内的表现。
• 分析现有文献中关于光子晶体损耗的数据，以检验该模型在不同材料系统中的预测能力。
• 推导出无序幅度与晶体中光的衰减长度之间定量关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 光子晶体中的固有结构变异如何影响光学传播损耗？
• RQ2 尺寸和位置无序的幅度与光子晶体中相应损耗长度之间的定量关系是什么？
• RQ3 所提出的模型在多大程度上能够预测二维和三维光子晶体中的实验和文献报告的损耗数据？
• RQ4 当前最先进的光子晶体结构中，光子可被控制的最大有效长度是多少？
• RQ5 该模型能否解释尽管品质因数很高，光子晶体在光学生集成电路中仍不实用的原因？

主要发现

• 该模型成功预测了高质量蛋白石和反蛋白石在宽频率范围内的光学损耗长度，与实验数据高度一致。
• 在当前光子晶体结构中，光子可被控制的最大距离被限制在约50个晶格常数，即约15 µm。
• 由结构无序引起的散射损耗是光学生集成电路实际应用中的主要瓶颈。
• 该模型的预测与文献数据一致，证实其在不同光子晶体系统中的普遍适用性。
• 基于当前光子晶体设计实现功能性的光学生集成电路，需要将随机结构变异降低到前所未有的水平。