[論文レビュー] Does an accelerated electron radiate Unruh radiation

Satoshi Iso, Yasuhiro Yamamoto+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 18, 2010

Quantum Electrodynamics and Casimir Effect参考文献 14被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、分散的ブレグ・リフレクタ（DBR）-誘電体ヘテロ構造における表面捕獲光学モードに基づく、新しい平面内発光半導体レーザーを提案する。単一のDBR層の厚さを調整することにより、約1 µmで波長安定化発光が可能となり、温度感度は約0.08 nm/K、誘電体中に最大50%の光パワーが閉じ込められる。これにより、集積光子回路や高出力レーザー応用に向けたフォトニック波ガイドやファイバーとのニアフィールド結合が可能となる。

ABSTRACT

Surface-trapped electromagnetic waves can be localized at a boundary between a semiconductor distributed Bragg reflector (DBR) and a homogeneous dielectric medium or air. These waves enable a novel class of in-plane-emitting optical devices including edge-emitting lasers, disk microlasers or near-field fiber-coupled lasers. We show that the surface-trapped modes can be controlled by tuning the thickness of a single DBR layer. Diagrams in variables "wavelength - thickness of the control layer" are constructed for both TM and TE optical modes revealing the parameter domains, in which surface-trapped modes exist. The domains contain cusps, in the vicinity of which a surface-trapped optical mode is allowed only in a narrow spectral region, enabling wavelength-stabilized operation of a laser. For a structure designed for lasing at ∼1 µm, the lasing wavelength shifts upon temperature increase at a rate ∼0.08 nm/K. The fraction of the optical power of the surface-trapped mode accumulated in the homogeneous dielectric can reach ∼50%. Thus, such structure is a near-field wavelength-stabilized semiconductor laser. Further, such structure can be applied as a wavelength-stabilized semiconductor optical amplifier adjacent to a dielectric waveguide or an optical fiber, both for integrated photonics and for ultrahigh-brightness laser diodes and diode arrays and stacks.

研究の動機と目的

• DBR-誘電体界面における表面捕獲電磁波に基づく、新たなクラスの平面内発光光学デバイスの開発。
• 単一のDBR層の波長-厚さパラメータ空間におけるくびれ（cusp）様の特徴を活用することで、波長安定化発光を実現すること。
• 集積光子回路や高出力レーザーシステムに向け、表面捕獲モードを誘電体波ガイドまたは光ファイバーと効率的にニアフィールド結合すること。
• 表面捕獲モードの光パワー分布を、特に誘電体中で局在化する割合を特定すること。

提案手法

• TMおよびTE偏光光学モードについて、DBR-誘電体ヘテロ構造における波長-厚さ図を構築する。
• さまざまなDBR層の厚さと波長の範囲で、表面捕獲モードの存在を分析する。
• 分散図におけるくびれが、表面捕獲モードが狭いスペクトル窓に閉じ込められる領域を示し、波長安定化を可能にする。
• モードの光パワー分布を計算し、均一な誘電体媒質中に局在化する割合を特定する。
• くびれ領域での観測されたスペクトルシフトに基づき、発光波長の温度依存性をモデル化する。
• 誘電体波ガイドまたは光ファイバーとのニアフィールド結合応用における、構造の統合可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 半導体-誘電体ヘテロ構造において、単一のDBR層の厚さを調整することで、表面捕獲光学モードを制御可能か？
• RQ2 表面捕獲モードが存在するパラメータ領域は波長-厚さ平面のどこに位置し、波長安定化を可能にするくびれ様の特徴を示すか？
• RQ3 表面捕獲モードの光パワーは、誘電体媒質にどの程度閉じ込められるか。これにより、波ガイドやファイバーとの効率的ニアフィールド結合が可能か？
• RQ4 くびれ領域における発光波長の温度変化はどの程度で、その結果として得られる温度感度は？
• RQ5 この構造は、集積光子回路における波長安定化半導体光増幅器またはレーザーとして実用的応用可能か？

主な発見

• TMおよびTE両偏光に対して、波長-厚さ平面における表面捕獲モードは明確なパラメータ領域に存在し、その領域はくびれ様の特徴を示し、モード存在の狭いスペクトル窓を示す。
• くびれ領域により波長安定化発光が実現可能であり、表面捕獲モードは狭いスペクトル窓内でのみ励起可能である。
• 約1 µmで発光を設計した構造では、温度上昇に伴い発光波長が約0.08 nm/Kの割合でシフトする。
• 表面捕獲モードの光パワーの最大約50%が均一な誘電体媒質中に蓄積され、誘電体波ガイドや光ファイバーとの強いニアフィールド結合が可能となる。
• この構造は、誘電体波ガイドまたは光ファイバーに隣接して配置した波長安定化半導体光増幅器としての応用に適している。
• 安定的かつチューナブルで効率的な結合性を有するため、集積光子回路、超高出力レーザーダイオード、ダイオードアレイやスタックへの応用が可能である。