مقالۀ پژوهشی: طراحی موجبرهای نور کُند متشکل از بلورهای فوتونیِ دو بعدی و بررسی کوک‌پذیری آن

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشیار، پژوهشکده فوتونیک و فناوری‌های کوانتومی، پژوهشگاه علوم و فنون هسته‌ای، سازمان انرژی اتمی ایران، تهران، ایران

2 دانشجوی دکترا، گروه فیزیک، واحد سنندج، دانشگاه آزاد اسلامی، سنندج، ایران

3 دانشیار، گروه فیزیک، واحد سنندج، دانشگاه آزاد اسلامی، سنندج، ایران

چکیده

هدف از این پژوهش، بررسی سرعت گروه بلورهای فوتونی دو بُعدی و تنظیم­پذیر (یا کوک­پذیر) است. در اولین مرحله، یک شبکه مربعی شامل مواد دی­الکتریک در زمینه بلورمایع در نظر گرفته شد. در مرحله بعدی، این ساختار به اندازه 45 درجه دوران داده شده و ساختار نوار فوتونی آن مورد بررسی قرار گرفت. در ادامه با حذف یک ردیف از میله­های ماده دی­الکتریک (سیلیکون)، یک موجبر در این بلور فوتونی ایجاد و مُد موجبری آن مورد مطالعه قرار گرفت. سپس سرعت­گروه و ضریب­گروه این مُد موجبری مورد بررسی قرار گرفت. همچنین تاثیر اعمال ولتاژ خارجی و تغییر ضریب شکست ماده زمینه بر سرعت و ضریب گروه مُد موجبری بررسی شد. در آخرین مرحله با اعمال تغییرات هندسی بر روی اندازه یک ردیف از میله­های کناری موجبر اثر این تغییر هندسه بر روی ویژگی‌های مُد موجبری و ضریب گروه بررسی شد. نتایج محاسبات عددی بر پایه روش بسط موج تخت نشان می­دهد، با تغییر اندازه میله‌های کناری موجبر سرعت گروه کاهش یافته و متناسب با آن، ضریب گروه افزایش می­یابد. در حقیقت، بررسی­های انجام شده نشان می­دهد که به لحاظ کمی با اعمال ولتاژ خارجی در موجبر عادی محدوده تغییرات ضریب گروه بین 7 تا 10 است. اگرچه، با اعمال تغییرات در اندازه میله­های کناری تغییرات این کمیت در محدوده 14 الی 27 قرار دارد که دامنه تغییرات بیشتری را نشان می­دهد. به بیانی دیگر، با اعمال یک میدان الکتریکی خارجی می­توان این کمیت فیزیکی را تنظیم‌پذیر نمود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Research Paper: Designing Slow Light Waveguides Consisting of Two-dimensional Photonic Crystals and Investigating its Tunability

نویسندگان [English]

  • Taymaz Fathollahi-Khalkhali 1
  • Maziyar Amraei 2
  • Ali Aghamohammadi 3
1 Associate Professor, Photonics and Quantum Technologies Research School, Nuclear Science and Technology Research Institute (NSTRI), Tehran, Iran
2 PhD Student, Department of Physics, Sanandaj Branch, Islamic Azad University, Sanandaj, Iran.
3 Associate Professor, Department of Physics, Sanandaj Branch, Islamic Azad University, Sanandaj, Iran.
چکیده [English]

The purpose of this research is to investigate the group velocity of tunable two-dimensional photonic crystals. The first step considers a square lattice consisting of dielectric rods in the liquid crystal background. In the next step, this structure was rotated by 45 degrees and its photonic band structure was investigated. Then, by removing a row of dielectric material (silicon) rods a waveguide is made in the photonic crystal. The waveguide mode and the related group velocity of the waveguide mode were investigated. In the following, the effect of applying an external voltage and changing the refractive index of the background material on the group velocity was studied. Afterward, by applying geometrical changes to the size of waveguide side rods, the effect of mentioned geometrical change on the properties of the waveguide mode and the group velocity was investigated. The calculation results show that the group velocity is reduced and as a result, the group index is increased.  The investigations carried out show that quantitatively, by applying an external voltage in the ordinary waveguides, the range of changes in the group index is between 7 and 10, but by applying changes in modified waveguides, this quantity changes in the range of 14 to 27, which can be adjusted by applying an external electric field. 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Two-dimensional Photonic Crystal
  • Group Index and Velocity
  • Liquid Crystal
  • Plane Wave Expansion Method

مراجع

  1. Yablonovitch E., “Inhibited spontaneous emission in solid state physics and electronics”, Rev. Lett, 58, 2059-2062, 1987. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.58.2059.
  2. John S., “Strong localization of photons in certain disordered dielectric superlattices”, Phys. Rev. Lett, 58, 2486-2489, 1987. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.58.2486.
  3. Anderson CM., Giapis KP., “Larger Two-Dimensional Photonic Band Gaps”, Rev. Lett, 77, 2949-2952, 1996. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.77.2949.
  4. Rezaei B., Khalkhali TF., Vala AS., Kalafi M., “Absolute band gap properties in two-dimensional photonic crystals composed of air rings in anisotropic tellurium background”, Optics Commun. 282, 2861-2869, 2009. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2009.04.048.
  5. Fathollahi-khalkhali T., Rezaei B., “Investigation of Tunable Complete Photonic Band Gap in Two-dimensional Photonic Crystals Composed of Plasma Column in Kerr Nonlinear Dielectric Background”, Iranian Journal of Applied Physics, 12, 17-30, 2022. (In Persian) https://doi.org/22051/ijap.2022.36037.1208.
  6. Zhao Y., Zhang YN., Lv RQ, Li J., “Electric Field Sensor Based on Photonic Crystal Cavity with Liquid Crystal Infiltration”, Lightwave Technol., 35, 3440-3446, 2017. https://doi.org/10.1109/JLT.2016.2576500.
  7. Brunetti G., Dell'Olio F., Conteduca D., Armenise MN., Ciminelli C., “Ultra-Compact Tuneable Notch Filter Using Silicon Photonic Crystal Ring Resonator”, Lightwave Technol., 37, 2970-2980, 2019. https://doi.org/10.1109/JLT.2019.2908364.
  8. Hu YC., Chen HM., Xiang T., “Mach–Zehnder modulator based on a tapered waveguide and carrier plasma dispersion in photonic crystal”, Opt. Technol.,88, 242-251, 2021. https://doi.org/10.1364/JOT.88.000242.
  9. Tamura T., Kondo K., Terada Y., Hinakura Y., Ishikura N., Baba T., “Silica-Clad Silicon Photonic Crystal Waveguides for Wideband Dispersion-Free Slow Light”, Lightwave Technol.,33, 3034-3040, 2015. https://doi.org/10.1109/JLT.2015.2420685.
  10. Bhagat D., Gaikwad M., “A review on production of slow light with material characterization”, Materials Today: Proceedings., 43, 1780-1783, 2021. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.10.453.
  11. Ebnali-Heidari A., Prokop C., Ebnali-Heidari M., Karnutsch C., “A Proposal for Loss Engineering in Slow-Light Photonic Crystal Waveguides”, Lightwave Technol.,33, 1905-1912, 2015. https://doi.org/10.1109/JLT.2015.2391196.
  12. Mao Y., Li Z., Hu W., Dai X., Xiang Y., “Topological Slow Light Rainbow Trapping and Releasing Based on Gradient Valley Photonic Crystal”, Lightwave Technol.,40, 5152-5156, 2022. https://doi.org/10.1109/JLT.2022.3171289.
  13. Ma CJ., Ren LY., Xu YP., Wang YL, Zhou H., Fu HW., Wen J., “Theoretical and experimental study of structural slow light in a microfiber coil resonator”, Opt.,54, 5619-5623, 2015. https://doi.org/10.1364/AO.54.005619.
  14. Üstün K., Kurt H., “Ultra slow light achievement in photonic crystals by merging coupled cavities with waveguides”, Express, 18, 21155-21161,2010. https://doi.org/10.1364/OE.18.021155.
  15. Liang J., Ren LY., Yun MJ., Wang XJ., “Wideband slow light with ultralow dispersion in a W1 photonic crystal waveguide”, Opt., 50, G98-G103, 2011. https://doi.org/10.1364/AO.50.000G98.
  16. Varmazyari V., Habibiyan H., Ghafoorifard H., “Slow light in ellipse-hole photonic crystal line-defect waveguide with high normalized delay bandwidth product”, Opt. Soc. Amer. B 31, 771–779, 2014. https://doi.org/10.1364/JOSAB.31.000771.
  17. Tian H., Long F., Liu W., Ji Y., “Tunable slow light and buffer capability in photonic crystal coupled-cavity waveguides based on electro-optic effect”, Optics Commun, 285, 2760-2764, 2012. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2012.01.086.
  18. Guillan-Lorenzo O., Diaz-Otero FJ., “Slow light in tunable low dispersion wide bandwidth photonic crystal waveguides infiltrated with magnetic fluids”, Optics Commun, 359, 49-52, 2016. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2015.09.057.
  19. Kumar D., Devi KM., Kumar R., Chowdhury DR., “Dynamically tunable slow light characteristics in graphene based terahertz meta surfaces”, Optics Commun, 491, 126949, 2021. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2021.126949.
  20. Khalkhali TF., Bananej A., “Manipulating femtosecond pulse shape using liquid crystals infiltrated one-dimensional graded index photonic crystal waveguides composed of coupled-cavities”, Physics Letters A, 381, 3342-3347, 2017. https://doi.org/10.1016/j.physleta.2017.08.022.
  21. Busch K,. John S., “Liquid-Crystal Photonic-Band-Gap Materials: The Tunable Electromagnetic Vacuum”, Rev. Lett., 83, 967, 1999. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.83.967.
  22. G V Tkachenko New Developments in Liquid Crystals (Ukrine: IntechOpen) (2009).
  23. Liang J., Ren LY., Yun MJ., Han X., Wang XJ., “Wideband ultraflat slow light with large group index in a W1 photonic crystal waveguide”, Appl. Phys., 110, 063103, 2011. https://doi.org/10.1063/1.3634074.
  24. Mao Y., Li Z., Hu W., Dai X., Xiang Y., “Topological Slow Light Rainbow Trapping and Releasing Based on Gradient Valley Photonic Crystal”, Lightwave Technol., 40, 5152-5156, 2022. https://doi.org/10.1109/JLT.2022.3171289.
  25. Plihal M., Maradudin AA., “Photonic band structure of two-dimensional systems: The triangular lattice”, Rev. B, 44, 8565, 1991. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.44.8565.
  26. Park J., Min B., “Spatiotemporal plane wave expansion method for arbitrary space–time periodic photonic media”, Opt. Lett., 46, 484-487, 2021. https://doi.org/10.1364/OL.411622.
  27. Johnson SG,, Joannopoulos JD., “Block-iterative frequency-domain methods for Maxwell’s equations in a planewave basis”, Express,8, 173-190, 2001. https://doi.org/10.1364/OE.8.000173.
  28. Fathollahi-Khalkhali T, Shiri R., “An ultra-sensitive refractive index-based photonic crystal biosensor with the coupled cavity-waveguide structure”, Indian J. Phys.,97, 4427–4437, 2023. https://doi.org/10.1007/s12648-023-02772-2.

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 21 بهمن 1402
  • تاریخ بازنگری: 07 اردیبهشت 1403
  • تاریخ پذیرش: 06 خرداد 1403

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار