In this study, we propose phoxonic crystals with structural hierarchy to enhance the acousto-optic interaction. In previous studies, researchers investigated the interaction between light and sound which have same wavelength scales, so infrared interacts with high-frequency acoustic wave in GHz range. However, the light cannot interact strongly with the sound due to high acoustic attenuation coefficient which is proportional to the square of frequency. By using acoustic wave with low frequency, the acousto-optic interaction can be enhanced, but the wavelength of sound is far different from that of the infrared. Therefore, it is necessary to investigate the phoxonic crystals which can control waves with different wavelength. In this study, we propose the phoxonic crystals with structural hierarchy and a cavity. The proposed phoxonic crystals confine more optic waves at the cavity than conventional phoxonic crystals, so the acousto-optic interaction is enhanced by about 2.8 times. In order to confine more acoustic waves, we propose three-phase phoxonic crystals with structural hierarchy by using mathematical homogenization theory. The structures further enhance the confinement of sound and the acousto-optic interaction.
본 연구에서는 음향-광학 상호작용을 증대시키기 위해 계층구조를 가지는 포소닉 크리스탈을 제안한다. 이전 연구에서 파장이 비슷한 빛과 소리의 상호작용을 조사하였기 때문에 적외선과 상호작용하는 소리는 GHz 대역의 음파였다. 음향 손실 계수가 주파수의 제곱에 비례하므로 GHz 대역의 고주파수 음파는 빛과 강하게 상호작용할 수 없었으며 상호작용을 증대시키기 위해 음파의 주파수를 낮출 경우 빛과 소리의 파장이 크게 달라지므로 기존의 포소닉 크리스탈과 공동으로 이루어진 구조는 두 파동을 제어하는데 한계가 있다. 따라서, 본 연구에서는 파장 스케일이 다른 파동을 제어하기 적절한 구조로 계층구조가 삽입된 포소닉 크리스탈과 공동으로 구성된 구조를 제안하며 빛과 소리가 가장 강하게 상호작용하는 최적화된 구조를 설계한다. 제안된 구조는 광파를 공동에 강하게 집속시켜 두 파동이 최대 2.8배 강하게 상호작용한다. 음파의 집속도를 추가적으로 향상시키기 위해 수학적 균질화 방법을 이용하여 3상 계층적 포소닉 크리스탈을 제안한다. 새로운 매질이 사용된 구조를 통해 음향 집속과 음향-광학 상호작용이 추가적으로 증대되었다.
