Abstract

We report a two-dimensional silicon photonic crystal structure that supports the self-collimation effect with large incident angles over a broad wavelength range. We theoretically and experimentally show the propagation light in the designed and fabricated structure without diffraction. Broadband large-angle self-collimation is observed in infrared wavelength.

© 2012 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. S. John, Phys. Rev. Lett. 58, 2486 (1987).
    [CrossRef]
  2. E. Yablonovitch, Phys. Rev. Lett. 58, 2059 (1987).
    [CrossRef]
  3. S. G. Johnson, S. H. Fan, P. R. Villeneuve, J. D. Joannopoulos, and L. A. Kolodziejski, Phys. Rev. B 60, 5751 (1999).
    [CrossRef]
  4. A. Berrier, M. Mulot, M. Swillo, M. Qiu, L. Thylen, A. Talneau, and S. Anand, Phys. Rev. Lett. 93, 073902 (2004).
    [CrossRef]
  5. P. T. Rakich, M. S. Dahlem, S. Tandon, M. Ibanescu, M. Soljacic, G. S. Petrich, J. D. Joannopoulos, L. A. Kolodziejski, and E. P. Ippen, Nat. Mater. 5, 93 (2006).
    [CrossRef]
  6. Z. Y. Li and L. L. Lin, Phys. Rev. B 68, 245110 (2003).
    [CrossRef]
  7. L. Gan, Y. Z. Liu, J. Y. Li, Z. B. Zhang, D. Z. Zhang, and Z. Y. Li, Opt. Express 17, 9962 (2009).
    [CrossRef]
  8. H. Kosaka, T. Kawashima, A. Tomita, M. Notomi, T. Tamamura, T. Sato, and S. Kawakami, Appl. Phys. Lett. 74, 1212 (1999).
    [CrossRef]
  9. D. N. Chigrin, S. Enoch, C. M. S. Torres, and G. Tayeb, Opt. Express 11, 1203 (2003).
    [CrossRef]
  10. H. Kosaka, T. Kawashima, A. Tomita, M. Notomi, T. Tamamura, T. Sato, and S. Kawakami, Phys. Rev. B 58, 10096 (1998).
    [CrossRef]
  11. D. S. Gao, Z. P. Zhou, and D. S. Citrin, J. Opt. Soc. Am. A 25, 791 (2008).
    [CrossRef]
  12. X. Yu and S. Fan, Appl. Phys. Lett. 83, 3251 (2003).
    [CrossRef]
  13. V. Zabelin, L. A. Dunbar, N. Le Thomas, R. Houdre, M. V. Kotlyar, L. O’Faolain, and T. F. Krauss, Opt. Lett. 32, 530 (2007).
    [CrossRef]
  14. T. P. White, C. M. de Sterke, R. C. McPhedran, and L. C. Botten, Appl. Phys. Lett. 87, 111107 (2005).
    [CrossRef]
  15. R. E. Hamam, M. Ibanescu, S. G. Johnson, J. D. Joannopoulos, and M. Soljacic, Opt. Express 17, 8109 (2009).
    [CrossRef]
  16. Y. C. Chuang and T. J. Suleski, J. Opt. 12, 035102 (2010).
    [CrossRef]
  17. L. C. Botten, T. P. White, C. M. de Sterke, and R. C. McPhedran, Phys. Rev. E 74, 026603 (2006).
    [CrossRef]
  18. S. Johnson and J. Joannopoulos, Opt. Express 8, 173 (2001).
    [CrossRef]
  19. A. F. Oskooi, D. Roundy, M. Ibanescu, P. Bermel, J. D. Joannopoulos, and S. G. Johnson, Comput. Phys. Commun. 181, 687 (2010).
    [CrossRef]
  20. L. L. Lin and Z. Y. Li, Phys. Rev. B 69, 193103 (2004).
    [CrossRef]

2010 (2)

Y. C. Chuang and T. J. Suleski, J. Opt. 12, 035102 (2010).
[CrossRef]

A. F. Oskooi, D. Roundy, M. Ibanescu, P. Bermel, J. D. Joannopoulos, and S. G. Johnson, Comput. Phys. Commun. 181, 687 (2010).
[CrossRef]

2009 (2)

2008 (1)

2007 (1)

2006 (2)

L. C. Botten, T. P. White, C. M. de Sterke, and R. C. McPhedran, Phys. Rev. E 74, 026603 (2006).
[CrossRef]

P. T. Rakich, M. S. Dahlem, S. Tandon, M. Ibanescu, M. Soljacic, G. S. Petrich, J. D. Joannopoulos, L. A. Kolodziejski, and E. P. Ippen, Nat. Mater. 5, 93 (2006).
[CrossRef]

2005 (1)

T. P. White, C. M. de Sterke, R. C. McPhedran, and L. C. Botten, Appl. Phys. Lett. 87, 111107 (2005).
[CrossRef]

2004 (2)

A. Berrier, M. Mulot, M. Swillo, M. Qiu, L. Thylen, A. Talneau, and S. Anand, Phys. Rev. Lett. 93, 073902 (2004).
[CrossRef]

L. L. Lin and Z. Y. Li, Phys. Rev. B 69, 193103 (2004).
[CrossRef]

2003 (3)

Z. Y. Li and L. L. Lin, Phys. Rev. B 68, 245110 (2003).
[CrossRef]

X. Yu and S. Fan, Appl. Phys. Lett. 83, 3251 (2003).
[CrossRef]

D. N. Chigrin, S. Enoch, C. M. S. Torres, and G. Tayeb, Opt. Express 11, 1203 (2003).
[CrossRef]

2001 (1)

1999 (2)

H. Kosaka, T. Kawashima, A. Tomita, M. Notomi, T. Tamamura, T. Sato, and S. Kawakami, Appl. Phys. Lett. 74, 1212 (1999).
[CrossRef]

S. G. Johnson, S. H. Fan, P. R. Villeneuve, J. D. Joannopoulos, and L. A. Kolodziejski, Phys. Rev. B 60, 5751 (1999).
[CrossRef]

1998 (1)

H. Kosaka, T. Kawashima, A. Tomita, M. Notomi, T. Tamamura, T. Sato, and S. Kawakami, Phys. Rev. B 58, 10096 (1998).
[CrossRef]

1987 (2)

S. John, Phys. Rev. Lett. 58, 2486 (1987).
[CrossRef]

E. Yablonovitch, Phys. Rev. Lett. 58, 2059 (1987).
[CrossRef]

Anand, S.

A. Berrier, M. Mulot, M. Swillo, M. Qiu, L. Thylen, A. Talneau, and S. Anand, Phys. Rev. Lett. 93, 073902 (2004).
[CrossRef]

Bermel, P.

A. F. Oskooi, D. Roundy, M. Ibanescu, P. Bermel, J. D. Joannopoulos, and S. G. Johnson, Comput. Phys. Commun. 181, 687 (2010).
[CrossRef]

Berrier, A.

A. Berrier, M. Mulot, M. Swillo, M. Qiu, L. Thylen, A. Talneau, and S. Anand, Phys. Rev. Lett. 93, 073902 (2004).
[CrossRef]

Botten, L. C.

L. C. Botten, T. P. White, C. M. de Sterke, and R. C. McPhedran, Phys. Rev. E 74, 026603 (2006).
[CrossRef]

T. P. White, C. M. de Sterke, R. C. McPhedran, and L. C. Botten, Appl. Phys. Lett. 87, 111107 (2005).
[CrossRef]

Chigrin, D. N.

Chuang, Y. C.

Y. C. Chuang and T. J. Suleski, J. Opt. 12, 035102 (2010).
[CrossRef]

Citrin, D. S.

Dahlem, M. S.

P. T. Rakich, M. S. Dahlem, S. Tandon, M. Ibanescu, M. Soljacic, G. S. Petrich, J. D. Joannopoulos, L. A. Kolodziejski, and E. P. Ippen, Nat. Mater. 5, 93 (2006).
[CrossRef]

de Sterke, C. M.

L. C. Botten, T. P. White, C. M. de Sterke, and R. C. McPhedran, Phys. Rev. E 74, 026603 (2006).
[CrossRef]

T. P. White, C. M. de Sterke, R. C. McPhedran, and L. C. Botten, Appl. Phys. Lett. 87, 111107 (2005).
[CrossRef]

Dunbar, L. A.

Enoch, S.

Fan, S.

X. Yu and S. Fan, Appl. Phys. Lett. 83, 3251 (2003).
[CrossRef]

Fan, S. H.

S. G. Johnson, S. H. Fan, P. R. Villeneuve, J. D. Joannopoulos, and L. A. Kolodziejski, Phys. Rev. B 60, 5751 (1999).
[CrossRef]

Gan, L.

Gao, D. S.

Hamam, R. E.

Houdre, R.

Ibanescu, M.

A. F. Oskooi, D. Roundy, M. Ibanescu, P. Bermel, J. D. Joannopoulos, and S. G. Johnson, Comput. Phys. Commun. 181, 687 (2010).
[CrossRef]

R. E. Hamam, M. Ibanescu, S. G. Johnson, J. D. Joannopoulos, and M. Soljacic, Opt. Express 17, 8109 (2009).
[CrossRef]

P. T. Rakich, M. S. Dahlem, S. Tandon, M. Ibanescu, M. Soljacic, G. S. Petrich, J. D. Joannopoulos, L. A. Kolodziejski, and E. P. Ippen, Nat. Mater. 5, 93 (2006).
[CrossRef]

Ippen, E. P.

P. T. Rakich, M. S. Dahlem, S. Tandon, M. Ibanescu, M. Soljacic, G. S. Petrich, J. D. Joannopoulos, L. A. Kolodziejski, and E. P. Ippen, Nat. Mater. 5, 93 (2006).
[CrossRef]

Joannopoulos, J.

Joannopoulos, J. D.

A. F. Oskooi, D. Roundy, M. Ibanescu, P. Bermel, J. D. Joannopoulos, and S. G. Johnson, Comput. Phys. Commun. 181, 687 (2010).
[CrossRef]

R. E. Hamam, M. Ibanescu, S. G. Johnson, J. D. Joannopoulos, and M. Soljacic, Opt. Express 17, 8109 (2009).
[CrossRef]

P. T. Rakich, M. S. Dahlem, S. Tandon, M. Ibanescu, M. Soljacic, G. S. Petrich, J. D. Joannopoulos, L. A. Kolodziejski, and E. P. Ippen, Nat. Mater. 5, 93 (2006).
[CrossRef]

S. G. Johnson, S. H. Fan, P. R. Villeneuve, J. D. Joannopoulos, and L. A. Kolodziejski, Phys. Rev. B 60, 5751 (1999).
[CrossRef]

John, S.

S. John, Phys. Rev. Lett. 58, 2486 (1987).
[CrossRef]

Johnson, S.

Johnson, S. G.

A. F. Oskooi, D. Roundy, M. Ibanescu, P. Bermel, J. D. Joannopoulos, and S. G. Johnson, Comput. Phys. Commun. 181, 687 (2010).
[CrossRef]

R. E. Hamam, M. Ibanescu, S. G. Johnson, J. D. Joannopoulos, and M. Soljacic, Opt. Express 17, 8109 (2009).
[CrossRef]

S. G. Johnson, S. H. Fan, P. R. Villeneuve, J. D. Joannopoulos, and L. A. Kolodziejski, Phys. Rev. B 60, 5751 (1999).
[CrossRef]

Kawakami, S.

H. Kosaka, T. Kawashima, A. Tomita, M. Notomi, T. Tamamura, T. Sato, and S. Kawakami, Appl. Phys. Lett. 74, 1212 (1999).
[CrossRef]

H. Kosaka, T. Kawashima, A. Tomita, M. Notomi, T. Tamamura, T. Sato, and S. Kawakami, Phys. Rev. B 58, 10096 (1998).
[CrossRef]

Kawashima, T.

H. Kosaka, T. Kawashima, A. Tomita, M. Notomi, T. Tamamura, T. Sato, and S. Kawakami, Appl. Phys. Lett. 74, 1212 (1999).
[CrossRef]

H. Kosaka, T. Kawashima, A. Tomita, M. Notomi, T. Tamamura, T. Sato, and S. Kawakami, Phys. Rev. B 58, 10096 (1998).
[CrossRef]

Kolodziejski, L. A.

P. T. Rakich, M. S. Dahlem, S. Tandon, M. Ibanescu, M. Soljacic, G. S. Petrich, J. D. Joannopoulos, L. A. Kolodziejski, and E. P. Ippen, Nat. Mater. 5, 93 (2006).
[CrossRef]

S. G. Johnson, S. H. Fan, P. R. Villeneuve, J. D. Joannopoulos, and L. A. Kolodziejski, Phys. Rev. B 60, 5751 (1999).
[CrossRef]

Kosaka, H.

H. Kosaka, T. Kawashima, A. Tomita, M. Notomi, T. Tamamura, T. Sato, and S. Kawakami, Appl. Phys. Lett. 74, 1212 (1999).
[CrossRef]

H. Kosaka, T. Kawashima, A. Tomita, M. Notomi, T. Tamamura, T. Sato, and S. Kawakami, Phys. Rev. B 58, 10096 (1998).
[CrossRef]

Kotlyar, M. V.

Krauss, T. F.

Le Thomas, N.

Li, J. Y.

Li, Z. Y.

L. Gan, Y. Z. Liu, J. Y. Li, Z. B. Zhang, D. Z. Zhang, and Z. Y. Li, Opt. Express 17, 9962 (2009).
[CrossRef]

L. L. Lin and Z. Y. Li, Phys. Rev. B 69, 193103 (2004).
[CrossRef]

Z. Y. Li and L. L. Lin, Phys. Rev. B 68, 245110 (2003).
[CrossRef]

Lin, L. L.

L. L. Lin and Z. Y. Li, Phys. Rev. B 69, 193103 (2004).
[CrossRef]

Z. Y. Li and L. L. Lin, Phys. Rev. B 68, 245110 (2003).
[CrossRef]

Liu, Y. Z.

McPhedran, R. C.

L. C. Botten, T. P. White, C. M. de Sterke, and R. C. McPhedran, Phys. Rev. E 74, 026603 (2006).
[CrossRef]

T. P. White, C. M. de Sterke, R. C. McPhedran, and L. C. Botten, Appl. Phys. Lett. 87, 111107 (2005).
[CrossRef]

Mulot, M.

A. Berrier, M. Mulot, M. Swillo, M. Qiu, L. Thylen, A. Talneau, and S. Anand, Phys. Rev. Lett. 93, 073902 (2004).
[CrossRef]

Notomi, M.

H. Kosaka, T. Kawashima, A. Tomita, M. Notomi, T. Tamamura, T. Sato, and S. Kawakami, Appl. Phys. Lett. 74, 1212 (1999).
[CrossRef]

H. Kosaka, T. Kawashima, A. Tomita, M. Notomi, T. Tamamura, T. Sato, and S. Kawakami, Phys. Rev. B 58, 10096 (1998).
[CrossRef]

O’Faolain, L.

Oskooi, A. F.

A. F. Oskooi, D. Roundy, M. Ibanescu, P. Bermel, J. D. Joannopoulos, and S. G. Johnson, Comput. Phys. Commun. 181, 687 (2010).
[CrossRef]

Petrich, G. S.

P. T. Rakich, M. S. Dahlem, S. Tandon, M. Ibanescu, M. Soljacic, G. S. Petrich, J. D. Joannopoulos, L. A. Kolodziejski, and E. P. Ippen, Nat. Mater. 5, 93 (2006).
[CrossRef]

Qiu, M.

A. Berrier, M. Mulot, M. Swillo, M. Qiu, L. Thylen, A. Talneau, and S. Anand, Phys. Rev. Lett. 93, 073902 (2004).
[CrossRef]

Rakich, P. T.

P. T. Rakich, M. S. Dahlem, S. Tandon, M. Ibanescu, M. Soljacic, G. S. Petrich, J. D. Joannopoulos, L. A. Kolodziejski, and E. P. Ippen, Nat. Mater. 5, 93 (2006).
[CrossRef]

Roundy, D.

A. F. Oskooi, D. Roundy, M. Ibanescu, P. Bermel, J. D. Joannopoulos, and S. G. Johnson, Comput. Phys. Commun. 181, 687 (2010).
[CrossRef]

Sato, T.

H. Kosaka, T. Kawashima, A. Tomita, M. Notomi, T. Tamamura, T. Sato, and S. Kawakami, Appl. Phys. Lett. 74, 1212 (1999).
[CrossRef]

H. Kosaka, T. Kawashima, A. Tomita, M. Notomi, T. Tamamura, T. Sato, and S. Kawakami, Phys. Rev. B 58, 10096 (1998).
[CrossRef]

Soljacic, M.

R. E. Hamam, M. Ibanescu, S. G. Johnson, J. D. Joannopoulos, and M. Soljacic, Opt. Express 17, 8109 (2009).
[CrossRef]

P. T. Rakich, M. S. Dahlem, S. Tandon, M. Ibanescu, M. Soljacic, G. S. Petrich, J. D. Joannopoulos, L. A. Kolodziejski, and E. P. Ippen, Nat. Mater. 5, 93 (2006).
[CrossRef]

Suleski, T. J.

Y. C. Chuang and T. J. Suleski, J. Opt. 12, 035102 (2010).
[CrossRef]

Swillo, M.

A. Berrier, M. Mulot, M. Swillo, M. Qiu, L. Thylen, A. Talneau, and S. Anand, Phys. Rev. Lett. 93, 073902 (2004).
[CrossRef]

Talneau, A.

A. Berrier, M. Mulot, M. Swillo, M. Qiu, L. Thylen, A. Talneau, and S. Anand, Phys. Rev. Lett. 93, 073902 (2004).
[CrossRef]

Tamamura, T.

H. Kosaka, T. Kawashima, A. Tomita, M. Notomi, T. Tamamura, T. Sato, and S. Kawakami, Appl. Phys. Lett. 74, 1212 (1999).
[CrossRef]

H. Kosaka, T. Kawashima, A. Tomita, M. Notomi, T. Tamamura, T. Sato, and S. Kawakami, Phys. Rev. B 58, 10096 (1998).
[CrossRef]

Tandon, S.

P. T. Rakich, M. S. Dahlem, S. Tandon, M. Ibanescu, M. Soljacic, G. S. Petrich, J. D. Joannopoulos, L. A. Kolodziejski, and E. P. Ippen, Nat. Mater. 5, 93 (2006).
[CrossRef]

Tayeb, G.

Thylen, L.

A. Berrier, M. Mulot, M. Swillo, M. Qiu, L. Thylen, A. Talneau, and S. Anand, Phys. Rev. Lett. 93, 073902 (2004).
[CrossRef]

Tomita, A.

H. Kosaka, T. Kawashima, A. Tomita, M. Notomi, T. Tamamura, T. Sato, and S. Kawakami, Appl. Phys. Lett. 74, 1212 (1999).
[CrossRef]

H. Kosaka, T. Kawashima, A. Tomita, M. Notomi, T. Tamamura, T. Sato, and S. Kawakami, Phys. Rev. B 58, 10096 (1998).
[CrossRef]

Torres, C. M. S.

Villeneuve, P. R.

S. G. Johnson, S. H. Fan, P. R. Villeneuve, J. D. Joannopoulos, and L. A. Kolodziejski, Phys. Rev. B 60, 5751 (1999).
[CrossRef]

White, T. P.

L. C. Botten, T. P. White, C. M. de Sterke, and R. C. McPhedran, Phys. Rev. E 74, 026603 (2006).
[CrossRef]

T. P. White, C. M. de Sterke, R. C. McPhedran, and L. C. Botten, Appl. Phys. Lett. 87, 111107 (2005).
[CrossRef]

Yablonovitch, E.

E. Yablonovitch, Phys. Rev. Lett. 58, 2059 (1987).
[CrossRef]

Yu, X.

X. Yu and S. Fan, Appl. Phys. Lett. 83, 3251 (2003).
[CrossRef]

Zabelin, V.

Zhang, D. Z.

Zhang, Z. B.

Zhou, Z. P.

Appl. Phys. Lett. (3)

H. Kosaka, T. Kawashima, A. Tomita, M. Notomi, T. Tamamura, T. Sato, and S. Kawakami, Appl. Phys. Lett. 74, 1212 (1999).
[CrossRef]

X. Yu and S. Fan, Appl. Phys. Lett. 83, 3251 (2003).
[CrossRef]

T. P. White, C. M. de Sterke, R. C. McPhedran, and L. C. Botten, Appl. Phys. Lett. 87, 111107 (2005).
[CrossRef]

Comput. Phys. Commun. (1)

A. F. Oskooi, D. Roundy, M. Ibanescu, P. Bermel, J. D. Joannopoulos, and S. G. Johnson, Comput. Phys. Commun. 181, 687 (2010).
[CrossRef]

J. Opt. (1)

Y. C. Chuang and T. J. Suleski, J. Opt. 12, 035102 (2010).
[CrossRef]

J. Opt. Soc. Am. A (1)

Nat. Mater. (1)

P. T. Rakich, M. S. Dahlem, S. Tandon, M. Ibanescu, M. Soljacic, G. S. Petrich, J. D. Joannopoulos, L. A. Kolodziejski, and E. P. Ippen, Nat. Mater. 5, 93 (2006).
[CrossRef]

Opt. Express (4)

Opt. Lett. (1)

Phys. Rev. B (4)

L. L. Lin and Z. Y. Li, Phys. Rev. B 69, 193103 (2004).
[CrossRef]

Z. Y. Li and L. L. Lin, Phys. Rev. B 68, 245110 (2003).
[CrossRef]

H. Kosaka, T. Kawashima, A. Tomita, M. Notomi, T. Tamamura, T. Sato, and S. Kawakami, Phys. Rev. B 58, 10096 (1998).
[CrossRef]

S. G. Johnson, S. H. Fan, P. R. Villeneuve, J. D. Joannopoulos, and L. A. Kolodziejski, Phys. Rev. B 60, 5751 (1999).
[CrossRef]

Phys. Rev. E (1)

L. C. Botten, T. P. White, C. M. de Sterke, and R. C. McPhedran, Phys. Rev. E 74, 026603 (2006).
[CrossRef]

Phys. Rev. Lett. (3)

A. Berrier, M. Mulot, M. Swillo, M. Qiu, L. Thylen, A. Talneau, and S. Anand, Phys. Rev. Lett. 93, 073902 (2004).
[CrossRef]

S. John, Phys. Rev. Lett. 58, 2486 (1987).
[CrossRef]

E. Yablonovitch, Phys. Rev. Lett. 58, 2059 (1987).
[CrossRef]

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (4)

Fig. 1.
Fig. 1.

(a) Schematic of the PhC structure formed by a square lattice of elliptical holes. The major and minor axes are a1=0.90a and a2=0.41a, where a is the lattice constant. (b) Band diagram of the fourth, fifth, and sixth TE bands. The self-collimation effect can occur at the normalized frequency in the grey area. (c) The EFCs of the fifth TE band in PhC structure. The circle at the left represents the corresponding EFC in the air.

Fig. 2.
Fig. 2.

(a) Schematic of the structure used in the 2D FDTD simulation process. (b) and (c) The magnetic field intensity distribution with 0 deg, 20 deg, and 60 deg incident angles at the minimum and maximum normalized frequency 0.36 and 0.46, respectively.

Fig. 3.
Fig. 3.

Transmission power of the collimation structure with different incident angles calculated by 2D FDTD simulations. The PhC structure is the same as that in Fig. 2.

Fig. 4.
Fig. 4.

Left panels: SEM pictures of designed PhC structures with 0 deg, 20 deg, and 60 deg incident waveguides. Middle and right panels: top view of the ray trace of light beam captured by an infrared camera. The patterns at the minimum and maximum wavelengths are shown for each incident angle.

Metrics