Verlag des Forschungszentrums Jülich

JUEL-3901
Schuster, Michael
Hochgüte - Mikrowellenresonatoren mit photonischer Kristallstruktur
99 S., 2001

Ein photonischer Kristall ist ein Material mit einer räumlich periodisch variierenden Dielektrizitätskonstante. Die Eigenfrequenzen der Lösungen der Wellengleichung für elektromagnetische Wellen in einem solchen Medium sind in Bändern angeordnet: es zeigt sich, dass innerhalb bestimmter Frequenzintervalle eine Ausbreitung von Wellen nicht möglich ist. Diese verbotenen Bänder nennt man photonische Bandlücken (photonic band gaps, PBG).
An Stellen im Kristall, wo die ideale Periodizität durch Hinzufügen oder Entfernen von dielektrischem Material unterbrochen wurde, ist die Existenz einer elektromagnetischen Mode mit einer Frequenz aus der Bandlücke des Kristalls erlaubt. Die elektromagnetische Energie der Mode ist am Ort des Defektes lokalisiert und klingt in das Kristallgitter hinein exponentiell ab.
Das Anwendungsfeld photonischer Kristalle erstreckt sich vom Mikrowellenbereich bis hin zu den optischen Frequenzen. Es wurden bereits verschiedene Mikrowellenanwendungen demonstriert, so z.B. Wellenleiter, Strahlteiler und gerichtet abstrahlendende Antennenarrays. Die Lokalisierung der Feldenergie einer Mode an einem Defekt ähnelt einem Effekt, der bisher verwendet wurde, um Hochgüte-MikroweIlenresonatoren zu konstruieren: In einem sogenannten Whispering-Gallery- (WHG- ) Mode Resonator wird die Mode durch Totalreflexion innerhalb einer dielektrischen Scheibe eingeschlossen. In der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, ob in einem über mehrere Gitterperioden ausgedehnten Defekt in einem photonischen Kristall eine resonante Mode existieren kann, die einer WHG-Mode ähnlich ist; und ob durch eine einhergehende Verringerung des dielektrischen Füllfaktors bei hohen Geometriefaktoren ein Mikrowellenresonator hoher Güte konstruiert werden kann- Mit Hilfe einer Transfer-Matrix-Methode wurden numerisch die Transmissionseigenschaften eines photonischen Kristalls mit hexagonaler Gittersymmetrie untersucht,. Die Eigenmoden einer Defektstruktur in einem photonischen Kristall wurden mit einer quasi-3d Feldsimulation durch eine Finite-Elemente-Integrationssoftware berechnet.
Die experimentellen Ergebnisse bestätigen die berechneten Transmissionseigenschaften und zeigen die Existenz von Moden innerhalb der Bandlücke, wenn ein Defekt in den photonischen Kristall eingebracht wird. Resonatormessungen zeigen, dass diese Moden prinzipiell als Hochgüte-Resonanzen genutzt werden können.
Es wurde gefunden, dass die hauptsächlichen Verlustbeiträge durch Mikrowellenabsorption im Dielektrikum und durch Verluste in den Deckel- und Bodenplatten des Resonators zustande kamen. Weiterhin wurde festgestellt, dass eine Identifikation der Defektmode schwierig war. Dies war begründet sowohl in den unzureichenden Simulationsmöglichkeiten, als auch in der im Resonator herrschenden hohen Dichte an Gehäusemoden.
Zukünftige Verbesserung der Resonatoreigenschaften kann gelingen durch Verwendung von anderen Materialien mit niedrigen Mikrowellenverlusten, wie z.B. Saphir; und Anwendung anderer Strukturierungsverfahren für die Elemente des photonischen Kristallgitters. Die Lokalisierung der Mode durch den photonischen Kristall kann verbessert werden, wenn ein 3- dimensionaler photonischer Kristall verwendet wird, z.B. die woodpile-Struktur aus Saphir- Stäben.


A photonic crystal is an artificia1ly machined material with a spatia1ly periodic dielectric constant. The eigenfrequencies of the solutions of a wave equation for electromagnetic waves propagating in this type of medium are arranged in bands and band gaps: It can be shown that a propagation inside the photonic crysta1 is not possible for waves with frequencies out of certain bands. Those forbidden bands are ca1led photonic band gaps (PBG).
When dielectric materia1 is added or removed, the perfect periodicity is broken, and a defect mode with a frequency in the band gap can exist loca1ly. Its electromagnetic field concentrates in the defect area and decays exponentia1ly into the surrounding photonic crystal.
The possible field for photonic crystal applications extends from the microwave range up to the optical frequency range. In the microwave field several possible applications have been demonstrated, for example waveguides, beam splitters and high directivity antenna arrays.
The localisation of electromagnetic energy at a defect in a photonic crystal is similar to a we1l known effect employed to construct high-Q microwave resonators: In a Whispering Ga1lery (WHG- ) mode resonator the high Q-factor is achieved by localisation of the electromagnetic field energy by total reflection inside a disk made of dielectric material.

The topic of this work is to demonstrate, that WHG-like modes can exist in an air defect in a photonic crystal that extends over several lattice periods; and that a high-Q microwave resonator can be made, utilizing these resonant modes.
In numerical simulations, the transmission properties of a photonic crystal structure with hexagonal lattice symmetry have been investigated with a transfer-matrix-method. The eigenmodes of a defect structure in a photonic crystal have been calculated with a quasi-3d finite element integration technique.
Experimenta1 results confirm the simulated transmission properties and show the existence of modes inside the band gap, when a defect is introduced in the crystal. Resonator measurements show that a microwave resonator can be operated with those defect modes. It was found out that the main losses of the resonator were caused by bad microwave properties of the used dielectric materia1 and by meta1losses on the top and bottom resonator wa1ls. Furthermore, it tumed out that the detection of the photonic crysta1 defect mode was difficult because of a lack of simulation possibilities and high housing mode density in the resonator.
A perspective for resonator improvement is the use of other low loss microwave dielectrics like sapphire and the employment of different machining tools. Additiona1ly, mode confinement by the photonic crystal can be improved by using a 3dimensiona1 photonic crystal, like the woodpile structure, made of sapphire rods.

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Letzte Änderung: 07.06.2022