[論文レビュー] Micro-optical resonators for microlasers and integrated optoelectronics: recent advances and future challenges

T.M. Benson, Svetlana V. Boriskina+4 more|ArXiv.org|Jul 26, 2006

Photonic and Optical Devices参考文献 152被引用数 10

ひとこと要約

本稿は、マイクロレーザーや統合光エレクトロニクスにおけるマイクロ光学共振器についてレビューし、その設計、プロセシング、およびコンactな光デバイスへの応用に焦点を当てる。共振器が全内部反射または分散ブリルアン反射を用いて、1 µm未塔の体積に光を閉じ込めることで、低しきい値レーザー発振、周波数選択、および物質との光-物質相互作用の強化が可能になる。半径1〜100 µmの材料で実現される。

ABSTRACT

Optical microcavities trap light in compact volumes by the mechanisms of almost total internal reflection or distributed Bragg reflection, enable light amplification, and select out specific (resonant) frequencies of light that can be emitted or coupled into optical guides, and lower the thresholds of lasing. Such resonators have radii from 1 to 100 mkm and can be fabricated in a wide range of materials. Devices based on optical resonators are essential for cavity quantum-electro-dynamic experiments, frequency stabilization, optical filtering and switching, light generation, biosensing, and nonlinear optics.

研究の動機と目的

• マイクロレーザーおよび統合光エレクトロニクス分野におけるマイクロ光学共振器の最近の進展をレビューすること。
• 全内部反射や分散ブリルアン反射といった物理的メカニズムが、波長未満の体積に光を閉じ込める仕組みをどのように実現するかを分析すること。
• 共振器が低しきい値レーザー発振および周波数選択的光放出を可能にする役割を検討すること。
• 実用的デバイス展開のためのプロセシング、材料統合、性能最適化における主な課題を特定すること。
• バイオスセンシング、非線形光学、キャビティ量子電磁力学といった新規応用分野におけるマイクロ共振器の可能性を検討すること。

提案手法

• 高屈折率対比構造に基づく光学マイクロキャビティの分析により、全内部反射による強い光閉じ込めを実現する。
• 周期的誘電層を有する分散ブリルアン反射体（DBR）構造の調査により、周波数選択的フィードバックを実現する。
• 半径1〜100 µmの範囲で変動するマイクロディスク、マイクロリング、光子ナノキャビティなどの共振器形状のレビュー。
• III-V半導体、シリコン、チャルコゲンガラスなどの材料プラットフォームを用いた共振器プロセシングの検討。
• 電磁気理論およびモード解析を用いて、共振周波数および品質因子（Q因子）をモデル化する。
• 統合光回路における共振器と光波導との結合メカニズムの評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マイクロ光学共振器はどのように波長未満の光閉じ込めと低しきい値レーザー発振を実現するか？
• RQ2 共振器性能を支配する主な物理的メカニズムとして、全内部反射と分散ブリルアン反射のどちらが優勢か？
• RQ3 統合光エレクトロニクス向けに高Qマイクロ共振器を実現するにあたり、材料およびプロセシングにおける主な課題は何か？
• RQ4 共振器の形状およびサイズは、共振周波数、Q因子、結合効率にどのように影響を与えるか？
• RQ5 バイオスセンシング、非線形光学、および量子電磁力学分野におけるマイクロ共振器の最も有望な応用は何か？

主な発見

• 半径1〜100 µmのマイクロ光学共振器は、全内部反射またはブリルアン反射による効率的な光閉じ込めのおかげで、高い品質因子（Q因子）を達成できる。
• 共振器は周波数選択的光放出および増幅を可能にし、従来のレーザーと比較して著しく低いレーザーしきい値を実現する。
• 共振器と波導の統合により、平面光波導回路への光の効率的結合が可能になる。
• III-V半導体およびシリコンといった材料プラットフォームは、オンチップ光統合に適した高性能な共振器を実現可能にする。
• マイクロ共振器は、キャビティ量子電磁力学実験、光フィルタリング、高感度バイオスセンシング応用において不可欠である。
• 進展は見られるが、スケーラブルな統合光エレクトロニクスシステムの実現に向け、プロセシング精度、材料適合性、熱安定性の面で課題が残っている。