Verteilter Bragg-Reflektor

Ein verteilter Bragg-Reflektor ( DBR ) ist ein Reflektor , der in Wellenleitern wie optischen Fasern eingesetzt wird . Er besteht aus mehreren Schichten abwechselnder Materialien mit unterschiedlichem Brechungsindex oder wird durch periodische Variation einer Eigenschaft (z. B. der Höhe) eines dielektrischen Wellenleiters erzeugt, was zu einer periodischen Variation des effektiven Brechungsindex im Wellenleiter führt. Jede Schichtgrenze bewirkt eine teilweise Reflexion und Brechung einer optischen Welle. Bei Wellen, deren Vakuumwellenlänge etwa dem Vierfachen der optischen Dicke der Schichten entspricht, erzeugt die Wechselwirkung dieser Strahlen konstruktive Interferenz , und die Schichten wirken als hochwertiger Reflektor. Der Bereich der reflektierten Wellenlängen wird als photonische Sperrzone bezeichnet . Innerhalb dieses Wellenlängenbereichs kann sich Licht in der Struktur nicht ausbreiten.

Die Reflektivität des DBR , , für die Intensität ist näherungsweise gegeben durch ^{[ 1 ]}${\displaystyle R}$

${\displaystyle R=\left[{\frac {n_{o}(n_{2})^{2N}-n_{s}(n_{1})^{2N}}{n_{o}(n_{2})^{2N}+n_{s}(n_{1})^{2N}}}\right]^{2},}$

Dabei sind n₀ und n₁ die jeweiligen Brechungsindizes des Ausgangsmediums, der beiden alternierenden Materialien und des Abschlussmediums (d. h. Trägermaterial oder Substrat); n₁ ist die Anzahl der wiederholten Paare aus Material mit niedrigem und hohem Brechungsindex. Diese Formel setzt voraus, dass alle wiederholten Paare eine Viertelwellenlängendicke aufweisen (d. h. n₁ = n₂ - n₃, wobei n₁ der Brechungsindex der Schicht, n₂ die Dicke der Schicht und λ die Wellenlänge des Lichts ist). ${\displaystyle n_{o},\ n_{1},\ n_{2}}$${\displaystyle n_{s}\,}$${\displaystyle N}$${\displaystyle nd=\lambda /4}$${\displaystyle n}$${\displaystyle d}$${\displaystyle \lambda }$

Die Frequenzbandbreite des photonischen Sperrbereichs kann berechnet werden durch ${\displaystyle \Delta f_{0}}$

${\displaystyle {\frac {\Delta f_{0}}{f_{0}}}={\frac {4}{\pi }}\arcsin \left({\frac {n_{2}-n_{1}}{n_{2}+n_{1}}}\right),}$

Hierbei handelt es sich um die Mittenfrequenz des Frequenzbandes. Diese Konfiguration ergibt das größtmögliche Verhältnis , das mit diesen beiden Brechungsindexwerten erreicht werden kann. ^{[ 2 ] [ 3 ]}${\displaystyle f_{o}}$${\displaystyle {\frac {\Delta f_{0}}{f_{0}}}}$

Die Erhöhung der Anzahl der Bragg-Paare in einem DBR steigert die Spiegelreflexion, und ein erhöhter Brechungsindexkontrast zwischen den Materialien der Bragg-Paare erhöht sowohl die Reflexion als auch die Bandbreite. Häufig werden für den Schichtaufbau Titandioxid ( n ≈ 2,5) und Siliziumdioxid ( n ≈ 1,5) verwendet. ^{[ 4 ]} Einsetzen in die obige Formel ergibt eine Bandbreite von etwa 200 nm für Licht mit einer Wellenlänge von 630 nm.

Verteilte Bragg-Reflektoren sind entscheidende Komponenten in oberflächenemittierenden Lasern mit vertikalem Resonator und anderen Arten von Laserdioden mit schmaler Linienbreite wie DFB-Lasern (Distributed Feedback Lasers) und DBR-Lasern (Distributed Bragg Reflector Lasers) . Sie werden auch zur Bildung des Resonators (oder optischen Resonators ) in Faserlasern und Freie-Elektronen-Lasern verwendet .

Dieser Abschnitt behandelt die Wechselwirkung von transversal elektrisch (TE) und transversal magnetisch (TM) polarisiertem Licht mit der DBR-Struktur über verschiedene Wellenlängen und Einfallswinkel. Das Reflexionsvermögen der DBR-Struktur (siehe unten) wurde mithilfe der Transfermatrixmethode (TMM) berechnet. Dabei zeigt sich, dass der TE-Modus von diesem Schichtsystem stark reflektiert wird, während die TM-Moden durchgelassen werden. Dies verdeutlicht, dass die DBR-Struktur als Polarisator wirkt .

Für TE- und TM-Einfall liegen die Reflexionsspektren eines DBR-Stapels vor, der einem 6-lagigen Stapel mit einem dielektrischen Kontrast von 11,5 zwischen Luft- und dielektrischen Schichten entspricht. Die Dicken der Luft- und dielektrischen Schichten betragen 0,8 bzw. 0,2 der Periodendauer. Die Wellenlänge in den folgenden Abbildungen entspricht Vielfachen der Zellperiode.

Dieser DBR ist auch ein einfaches Beispiel für einen eindimensionalen photonischen Kristall . Er besitzt eine vollständige TE-Bandlücke, aber nur eine Pseudo-TM-Bandlücke.

Bioinspirierte Bragg-Reflektoren sind eindimensionale photonische Kristalle, die von der Natur inspiriert sind. Die Reflexion von Licht an solchen nanostrukturierten Materialien führt zu einer Strukturfärbung . Hergestellt aus mesoporösen Metalloxiden ^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]} oder Polymeren ^{[ 8 ],} können diese Bauelemente als kostengünstige Sensoren für Dämpfe und Lösungsmittel eingesetzt werden ^{[ 9 ]} . Beispielsweise ändert sich die Farbe dieser porösen Mehrschichtstrukturen, wenn das die Poren füllende Material durch ein anderes ersetzt wird, z. B. durch Wasser anstelle von Luft.

• Braggsches Gesetz  – Physikalisches Gesetz über die Streuwinkel von Strahlung in einem Medium
• Bragg-Beugung  – Physikalisches Gesetz bezüglich der Streuwinkel von Strahlung an einem MediumPages displaying short descriptions of redirect targets
• Beugung  – Interferenzphänomen von Wellen
  • Beugungsgitter  – Optisches Bauteil, das Licht in mehrere Strahlen aufteilt
• Dielektrischer Spiegel  – Spiegel aus dielektrischen Materialien
• Fabry-Pérot-Interferometer  – Optisches Gerät mit parallelen Spiegeln
• Faser-Bragg-Gitter  – Eine Art verteilter Bragg-Reflektor, der in einem kurzen Segment einer optischen Faser realisiert ist.
• Photonische Kristallfaser  – Eine Klasse von optischen Fasern, die auf den Eigenschaften photonischer Kristalle basieren
• Oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Resonator  – Typ einer Halbleiterlaserdiode
• Photonischer Kristallsensor