[論文レビュー] CPA-lasing associated with the quasibound states in the continuum in asymmetric non-Hermitian structures

Denis V. Novitsky, Adrià Canós Valero+4 more|arXiv (Cornell University)|May 23, 2022

Quantum Mechanics and Non-Hermitian Physics参考文献 70被引用数 53

ひとこと要約

本論文は、非対称な非ヒルベルト的光子構造における準束縛状態（quasi-BIC）によって誘発されるCPAラーサー（同時にコherent perfect absorptionとラーサーが発生する現象）のメカニズムを提案する。三層構造にε近零（ENZ）媒質を用い、幾何的または非ヒルベルト的非対称性を導入することで、Qファクターが非対称性パラメータの逆数に線形に依存することを示し、CPAラーサー点において直感に反する損失誘発ラーサー的応答を観測した。

ABSTRACT

Non-Hermitian photonic systems with loss and gain attract much attention due to their exceptional abilities in molding the flow of light. Introducing asymmetry to the $\mathcal{PT}$-symmetric system with perfectly balanced loss and gain, we reveal the mechanism of transition from the quasibound state in the continuum (quasi-BIC) to the simultaneous coherent perfect absorption (CPA) and lasing in a layered structure comprising epsilon-near-zero (ENZ) media. Two types of asymmetry (geometric and non-Hermitian) are analyzed with the scattering matrix technique. The effect of the CPA-lasing associated with the quasi-BIC is characterized with the unusual linear dependence of the quality factor on the inverse of asymmetry parameter. Moreover, the counter-intuitive loss-induced-lasing-like behavior is found at the CPA-lasing point under the non-Hermitian asymmetry. The reported features of non-Hermitian structures are perspective for sensing and lasing applications.

研究の動機と目的

• 損失と増幅を有する非ヒルベルト的光子系におけるquasi-BICからCPAラーサーへの遷移を調査すること。
• 幾何的および非ヒルベルト的非対称性が、ε近零（ENZ）マルチレイヤ構造におけるCPAラーサーの実現に果たす役割を調査すること。
• このような系において、Qファクターが非対称性パラメータの逆数に線形に依存する異常な依存関係を特徴づけること。
• 非ヒルベルト的非対称性下で、CPAラーサー点における直感に反する損失誘発ラーサー的挙動を同定および分析すること。
• これらの構造がセンシングおよび可変ラーサーへの応用において有する可能性を示すこと。

提案手法

• 非ヒルベルト系における散乱行列の極と零点を解析するため、散乱行列法を用いる。
• ドレーブ＝ローレンツモデルを用い、誘電率 ε±(ω) = 1 ± iγ − ω²p/ω² で表される損失および増幅媒質を有する三層構造をモデル化。中間層はENZ誘電体スパーサーを有する。
• 損失層（d+）と増幅層（d− = αd+）の厚さを変化させることで幾何的非対称性を導入し、αを非対称性パラメータとする。
• 増幅層における非ヒルベルト的非対称性を、非ヒルベルト的非対称性パラメータγを変化させることで導入（γ− = βγ+）、損失層は固定する。
• 反射スペクトルを計算し、ファノプロファイルやCPAラーサー点などの共鳴特徴を同定するために、伝搬行列法を用いる。
• 入射角θ = 23.881°およびγ = 0.001を固定した状態で、非対称性パラメータαまたはβの変化に伴い、quasi-BICの深い谷からCPAラーサーのピークへの遷移を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 損失層と増幅層の厚さの違い（幾何的非対称性）が、非ヒルベルト的ENZ構造におけるquasi-BICからCPAラーサーへの遷移にどのように影響するか？
• RQ2 増幅層におけるγの変化（非ヒルベルト的非対称性）が、CPAラーサーの実現および損失誘発ラーサー的挙動の誘発に果たす役割は何か？
• RQ3 なぜこの系においてQファクターが非対称性パラメータの逆数に線形に依存するのか？
• RQ4 quasi-BICの反射谷からCPAラーサーのピークへの遷移が発生する臨界非対称性パラメータは何か？
• RQ5 CPAラーサー点は直接的にquasi-BIC共鳴と関連づけられるのか？その意味はセンシングおよびラーサー応用にどのような示唆をもたらすか？

主な発見

• CPAラーサー点は、わずかに増幅が損失を上回る状態である臨界幾何的非対称性パラメータαt ≈ 1.0056で出現し、反射谷からピークへの遷移が発生する。
• 共鳴のQファクターは、非対称性パラメータの逆数に線形に依存するが、これは対称系では観測されない性質である。
• CPAラーサー点（αt ≈ 1.0056）ではファノプロファイルが観測され、広帯域のファブリ・ペロー共鳴と狭帯域のプラズモニック共鳴との干渉を示している。
• 非ヒルベルト的非対称性下では、CPAラーサー点で直感に反する損失誘発ラーサー的応答が観測され、全体としての損失があるにもかかわらずラーサー的増幅が発生する。
• CPAラーサーは直接的にquasi-BICと関連しており、強い光増幅と高いQファクターを示すため、センシングおよび可変ラーサー応用において有望である。
• quasi-BICからCPAラーサーへの遷移は、損失と増幅の競合によって駆動され、臨界非対称性点付近で安定した高Q共鳴を維持する。