Photonic crystals in technology

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DPMS Ad dMt il DPMS: AdvancedMaterials Lecture E11: Computational Optics II Elefterios Lidorikis Room Π1 26510 07146 Room Π1, 26510 07146 [email protected] http://cmsl.materials.uoi.gr/lidorikis Photonic crystals in technology Applications in extreme light manipulation 2 Plasmonics in technology + + + + Localized Plasmons localized surface plasmon resonance (LSPR) Propagating Plasmons surface plasmon polariton (SPP) + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + kondinski.webs.com Numerical solutions in photonics Time domain direct time integration of Maxwell’s equations i t l th fi it diff ti d i (FDTD) th d main tool the finitedifference timedomain (FDTD) method frequency information obtained by Fourier transform of the time evolution Frequency domain eigenvalue solutions planewave expansion method, finite element method, transfer matrix method time domain information by solution superposition

Transcript of Photonic crystals in technology

DPMS Ad d M t i lDPMS: Advanced Materials

Lecture E11: Computational Optics II

Elefterios LidorikisRoom Π1 26510 07146Room Π1, 26510 [email protected]://cmsl.materials.uoi.gr/lidorikis

Photonic crystals in technology

• Applications in extreme light manipulation

2

Plasmonics in technology

+ + ++

Localized Plasmonslocalized surface plasmon resonance (LSPR)

Propagating Plasmonssurface plasmon polariton (SPP)

+ + ++ +++ + ++ ++ ++ + ++ +++ +

+ ++ +++ + ++

‐ ‐ ‐‐ ‐‐‐ ‐ ‐‐ ‐‐ ‐

‐ ‐‐ ‐‐‐ ‐ ‐‐

+ + ++ ++ ++ + ++ +++ ++ ++

+ + ++ +++ +

+ + ++

‐ ‐ ‐‐ ‐‐ ‐‐ ‐ ‐‐ ‐‐‐ ‐‐ ‐‐

‐ ‐ ‐‐ ‐‐‐ ‐

‐‐ + +‐ ‐

kondinski.webs.com

Numerical solutions in photonics

• Time domain– direct time integration of Maxwell’s equations

i t l th fi it diff ti d i (FDTD) th d– main tool the finite‐difference time‐domain (FDTD) method– frequency information obtained by Fourier transform of the time evolution

• Frequency domain– eigenvalue solutions– plane‐wave expansion method, finite element method, transfer matrix methodp p , ,– time domain information by solution superposition

Time domain

l d ff bl f l d f ld• Yee lattice: different sublattices for electric and magnetic fields– central differences for all field components

E/M waves in 3D

• E/M waves in matter

Bconstitutive relationsMaxwell’s equations   dielectric function

t

DH

BE EPED r 00

HB 0

j jj

jr i

f

22

2

– is a constant polarizability, coming from electronic orbitals of much higher frequenciest

H 0

• How do we program frequency dependent εr into the time domain equations?– we use the polarizability differential equation

PP2

– indeed, if we combine this with , and , we find

EPPP 2

02

2 jjjj

jj f

tt

tij

e,PE EPE r 00 jPPindeed, if we combine this with  ,   and , we find 

EPPP 20

22jjjjjj fi

j, r00j

j

2

jf2

EPjj

jj i

f

22

20 EPED

jj

j

jj i

f

2200

E/M waves in 3D

• Expansion of the curl

zyx ˆˆˆ

y

x

x

y

z

x

x

z

z

y

y

z

zyx

zyxEE

zEEyEEx

EEE

zyxˆˆˆE

– so Maxwell’s equations are

BE DH EP

PP 222

jj f

t E

HEE xyz

0

t H EP 2

02

2 jjjj

jj f

tt

jxxyz PEHH 0 jjj

jxj

jx EfPPP 2

02

2

HEE yzx

0

tzy 0 j ttzy 0

jyyzx PEHH 0

xjjxjj EfPtt 02

yjjyjjy

jjy EfP

PP 20

22

2

txz 0

HEE zxy

0

j ttxz 0

jzzxy PEHH

0

yjjyjj EfPtt 02

jzjz EfPPP 22

2

tyx 0

j ttyx

0 zjjzjj EfPtt 02

3D FDTD equations

• FDTD and the Yee lattice 1 1 1 1, , 1/ 2 , , 1/ 2 , 1/ 2, , 1/ 2,3/ 2 1/ 2

, , , ,, ,

n n n ny i j k y i j k z i j k z i j kn n

x i j k x i j ki j k

E E E EtH Hz y

1 1 1 11/ 2, , 1/ 2, , , , 1/ 2 , , 1/ 23/ 2 1/ 2

, , , ,, ,

n n n nz i j k z i j k x i j k x i j kn n

y i j k y i j ki j k

E E E EtH Hx z

1 1 1 1, 1/ 2, , 1/ 2, 1/ 2, , 1/ 2, ,3/ 2 1/ 2

, , , ,, ,

n n n nx i j k x i j k y i j k y i j kn n

z i j k z i j ki j k

E E E EtH Hy x

1 1

1 0

2 2 2, , , , , , , , 0 , , , , 0 , , 0 , , , ,

, , , , 20

2 2 2

2

n n n

n

n nx y z i j k x y z i j k x y z i j k x y z i x y z i j k

x y z i j k

t P P t P t PP

t t

1/ 2 1/ 2 1/ 2 1/ 2, 1/ 2, , 1/ 2, , , 1/ 2 , , 1/ 21 1 1

, , , , , , , ,, ,

n n n nz i j k z i j k y i j k y i j kn n n n

x i j k x i j k x i j k x i j ki j k

H H H HtE E P Py z

1/ 2 1/ 2 1/ 2 1/ 2

, , 1/ 2 , , 1/ 2 1/ 2, , 1/ 2, ,1 1 1, , , , , , , ,

, ,

n n n nx i j k x i j k z i j k z i j kn n n n

y i j k y i j k y i j k y i j ki j k

H H H HtE E P Pz x

1/ 2 1/ 2 1/ 2 1/ 21/ 2, , 1/ 2, , , 1/ 2, , 1/ 2,1 1 1

, , , , , , , ,, ,

n n n ny i j k y i j k x i j k x i j kn n n n

z i j k z i j k z i j k z i j ki j k

H H H HtE E P Px y

Frequency domain

• Eigensolutions for each frequency separately – determine ω vs k relation: photonic band structure– transport properties, band gaps, eigenmodes

• Fourier analysis: plane wave expansion methodFourier analysis: plane wave expansion method

Fourier transforms

• Assume the step‐function– 0 < x < 2π

21

21

or 01

)(xxxx

xxxxf

0 < x < 2π 21

2,1forexample 21 xx 2 ,1for example 21 xx

• Can we write this as a sum of sines and  cosines?

N

nn nxbnxaxf )cos()sin()(

– how do we find the constants an and bn?

n

nnf0

)()()(

Fourier transforms

• We want the coefficients of this expansion

N

– we take advantage of the orthogonality of the trigonometric functions

n

nn nxbnxaxf0

)cos()sin()(

00,

0)sin()sin(

2

0

mnmn

dxmxnx nm

0)()i (2

d 0)cos()sin(0

dxmxnx

00,

2)cos()cos(

2

mnmn

dxmxnx nm

• Multiply our expression with sin(mx) or cos(mx) and integrate 

020 mn

N 222 0

N

nnn dxmxnxbdxmxnxadxxfmx

0

2

0

2

0

2

0

)sin()cos()sin()sin()()sin(

00

0

mmam

222 0 b

N

nnn dxmxnxbdxmxnxadxxfmx

0

2

0

2

0

2

0

)cos()cos()cos()sin()()cos(

00

2 0

mm

bbm

Fourier transforms• Our expansion coefficients

2

)()i (1 df 2

)()(1 dfb 2

)(1 dfb0

• Calculate the expansion coefficients for our step function

0

)()sin( dxxfmxam 0

)()cos( dxxfmxbm 0

0 )(2

dxxfb00 a

– the n=0 term

2

0 )(21 dxxfb

2

21 x

dx

159155.01221

1221 xx

– the n>0 terms

02

21 21 x

1

2 x

2

2

1 )2()(

0

)()sin(1 dxxfnxan 2

1

)sin(1

x

dxnx

)cos()cos(112 nxnx

n

21 21 x1

nnn

)2cos()cos(

)i ()2i (

– some first values

0

)()cos(1 dxxfnxbn 1

)cos(1

x

dxnx

)sin()sin(112 nxnx

n

nnn

)sin()2sin(

3044.01 a 0378.02 a 2069.03 a ....

0216.01 b 2651.02 b 0446.03 b ....

Fourier transform

N

nn nxbnxaxf )cos()sin()(N=0

n

nnf0

)()()(

0)( bxf

Fourier transform

N

nn nxbnxaxf )cos()sin()(N=1

n

nnf0

)()()(

)cos()sin()( 110 xbxabxf

Fourier transform

N

nn nxbnxaxf )cos()sin()(N=2

n

nnf0

)()()(

)2cos()2sin()cos()sin()( 22110 xbxaxbxabxf

Fourier transform

N

nn nxbnxaxf )cos()sin()(N=3

n

nnf0

)()()(

...)2cos()2sin()cos()sin()( 22110 xbxaxbxabxf

Fourier transform

N

nn nxbnxaxf )cos()sin()(N=5

n

nnf0

)()()(

...)2cos()2sin()cos()sin()( 22110 xbxaxbxabxf

Fourier transform

N

nn nxbnxaxf )cos()sin()(N=10

n

nnf0

)()()(

...)2cos()2sin()cos()sin()( 22110 xbxaxbxabxf

Fourier transform

N

nn nxbnxaxf )cos()sin()(N=20

n

nnf0

)()()(

...)2cos()2sin()cos()sin()( 22110 xbxaxbxabxf

Fourier transform

N

nn nxbnxaxf )cos()sin()(N=40

n

nnf0

)()()(

...)2cos()2sin()cos()sin()( 22110 xbxaxbxabxf

Fourier transform

N

nn nxbnxaxf )cos()sin()(N=80

n

nnf0

)()()(

...)2cos()2sin()cos()sin()( 22110 xbxaxbxabxf

Fourier transform

N

nn nxbnxaxf )cos()sin()(N=160

n

nnf0

)()()(

...)2cos()2sin()cos()sin()( 22110 xbxaxbxabxf

Plane wave expansion method• Can we apply the Fourier method to find the solutions of a photonic crystal?

– photonic crystal in 1D

axddx

x1

1

2

1 0)(

2

– wave equation in 1D1

)()()( 22

ExEd

– can we write the field and dielectric function as plane wave expansions?

1d 2d 21 dda )()()(22 xEc

xdx

• The periodicity is critical– the dielectric constant is periodic, with period a )()( xax – any plane wave used must also be periodic to a

)()(

iqxaxiq ee )( 1e iqa

anq 2

• We define the reciprocal lattice vectorsanG n2

Plane wave expansion method• The expansion for the dielectric function

xiGn

nx e)(

– to find the coefficients we note that

n

a a a )(2 mn 0a

xiGxiG dxmn

0

ee a

xamixani dx0

)/2()/2( ee a

xamni dx0

)/)(2(e

)(2

0

e)(2

mniydy

mna

mnmn

a0

a1– so

• The expansion for the electric field

a

0

)(e1 dxxa

ε xiGn

n

• The expansion for the electric field– Bloch’s theorem: the solution is the product of a periodic function times a plane wave

xGqiEE )()(

– the solution involves finding the Ek,n for each k and n

n

xGqinqq

nExE )(, e)(

• For each k we will find the allowed frequencies– frequency domain solution: standing waves, band structure

F h l iPlane wave expansion method

• For the solution– we substitute      into

n

xiGn

nx e)(

N

Nn

xGqinqq

nExE )(, e)( )()()(

2

2

2

2

xEc

xdxxEd

– then the left side

n

xGqinqq

n

dxdExE

dxd )(

2

2

,2

2

e)(

n

xGqinnq

nGqE )(2, e

– and the right side

n

xGqinq

n

xiGnq

nn Ec

xEc

x )(,2

2

2

2

ee)()(

xGGqinq

xiGn

nnn Ec

)(,2

2

ee

• We multiply and integrate both parts with

nn n nc

2

xGqi m )(e

2– the left side

the right side

2, mmq GqaE

xGGqixGqi dxE nnm )()(2

ee

n

xGqixGqinnq dxGqE nm )()(2

, ee

– the right side

– the only terms surviving are the ones with

n n

nqn dxEc

nnm,2 ee

nmnnnm

• The eigenvalue problem

nnqnmmmq E

cGqE ,2

22

,

Plane wave expansion method• Our equation is

nnqnmmmq E

cGqE ,2

22

, nc

2432102

22 0000 EEGq

1

0,

1,

2,

10123

21012

32101

43210

2

2

1

0,

1,

2,

21

20

21

2

0000000000000000

q

q

q

q

q

q

EEEE

cEEEE

GqGq

GqGq

2,

1,

01234

10123

2,

1,2

2

1

00000000

q

q

q

q

EE

EE

GqGq

– this is a matrix equation

EEGεEεEG 2

21

2

2

cc

– i.e. of the type

cc

XXM

• The eigenvalues and eigenvectors are found by standard diagonilization of M– for each q we find multiple eigenfrequencies ω/c

Photonic band structure

• The q is periodic to 2π/a/ d d l– q+2π/a and q are identical 

– dispersion curves are folded inside the Brillouin zone– if there is scattering, band gaps open at zone edges 

Photonic band gaps

• We can also calculate the shape of the eigenvectors (standing waves)p g ( g )

Plane wave expansion in 2D and 3D• For simplicity we look at 2D lattices

– we first define the unit cell and the lattice vectors a1 and a2i 1D i di it i i t t– as in 1D, periodicity is important

square lattice orthogonal lattice hexagonal lattice

– next we define the reciprocal lattice vectors (i.e. our 2D G vectors)

)()(2

321

321 aaa

aab

)( 321

)()(2

321

132 aaa

aab

)()(2

321

213 aaa

aab

2D photonic crystals• Eigenvalue problem

2

G

Ec

E GGGGGk 2

GGGG GkGk HH 2

21

or,

GG

GGG c 2

2211 bbG nn

2D and 3D photonic systemsp y

• Various 2D and 3D applications– Guided light

T d li ht– Trapped light