Optical characterization of 1-D photonic crystals fabricated by sol-gel process

Abstract

A photonic crystal is an optical structure possessing a periodic dielectric contrast. It exhibits photonic band gaps where a propagation of light is prohibited. In the case of I-D photonic crystal, it could serve as a perfect mirror over selectable range of wavelength. We have fabricated SiO_(2)/TiO_(2) multilayer stacks as a I-D photonic band gap structure with a photonic band gap in the visible range using the sol-gel method and spin-coating technique. The range of band gap could be chosen by varying the period of multilayer stacks. The position and the transmittance or reflectance of the photonic band gap could be theoretically estimated by the transfer matrix method. It was investigated that defect modes exist inside the photonic band gap when a defect layer is introduced into the multilayer structure. The wavelengths of the defect modes could be determined by the transfer matrix method. And we found that these wavelengths depend on the optical thickness of the defect layer. In order to tune the wavelength of the defect mode, nematic liquid crystal was introduced as a defect material. It was observed that the wavelength of defect modes are changed only for the light polarized in the same direction as the initial alignment of liquid crystal molecules and are not changed for the light polarized perpendicular to the initial alignment of liquid crystal molecules. Thus it was demonstrated that the wavelength of the defect mode is determined by the optical thickness of the defect layer.;광자 결정은 주기적인 유전율 대비를 가지는 광학적 구조이다. 이러한 구조는 특정 파장 영역의 빛이 투과하지 못하는 포토닉 밴드 갭을 가진다. 특히 1차원 광자 결정의 경우 이러한 파장 영역의 빛에 대해서 완벽한 거울의 역할을 한다. 본 연구에서는 sol-gel 방법과 spin-coating 방법으로 유전 물질인 SiO_(2)와 TiO_(2)를 사용해서 가시광선 영역에서 밴드 갭을 가지는 주기적인 일 차원 광자 결정 구조를 제작하였다. 밴드 갭의 위치와 반사율은 이러한 주기적인 다층 구조의 주기와 층 수를 바꾸어 조절할 수 있었다. 제작된 구조가 갖는 벤드 갭의 위치와 투과 또는 반사 특성은 transfer matrix 방법을 적용하여 예측할 수 있었다. 또, 이러한 다층 구조에 그 광학적 두께가 다른 층 들과 현저하게 다른 한 층이 결함으로서 존재할 때, 밴드 갭 안에 투과 가능한 모드가 나타나는 것을 실험적으로 확인하고, 이론적으로 이해하였다. 이 결함 모드를 가변하기 위한 결함 물질로 네마틱 액정을 사용하였다. 외부에서 가해진 전기장의 세기가 커짐에 따라 밴드 갭 안의 결함 모드들이 초기 배향 방향과 평행하게 편광된 빛에 대해서만 변화하고 초기 배향 방향과 수직하게 편광된 빛에 대해서는 변하지 않음을 관찰하였다. 이 실험은 결함 모드가 가지는 파장은 결함 층의 광학 두께에 의존함을 입증하였다.