[論文レビュー] Symmetry, degeneracy and optical confinement of modes in coupled microdisk resonators and photonic crystal cavities

Svetlana V. Boriskina|ArXiv.org|Sep 23, 2005

Photonic and Optical Devices参考文献 27被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、ムーレー周囲積分方程式と三角関数-三角関数ガラーキン離散化を用いて、結合されたマイクロディスクおよびフォトニクスクリスタルキャビティの設計および調整を高速かつ高精度で行う手法を提示する。対称性がモード縮退および光の閉じ込めを支配することを示し、結合距離の最適化によりQ値が向上するフォトニクス分子の設計が可能になる。応用分野には低しきい値レーザーおよびバイオスセンサが含まれる。

ABSTRACT

Fast and highly accurate method based on the Muller contour integral equations and a trigonometric-trigonometric Galerkin discretization technique is presented for spectral design and fine-tuning of clusters of whispering-gallery (WG) mode microdisk resonators and photonic crystal (PC) defect cavities. It is shown that degeneracy and near-degeneracy of natural modes as well as modes optical confinement in coupled resonator clusters are significantly influenced by the symmetry of the structure. Photonic molecules with greatly enhanced quality factors are designed by exploiting the symmetry of the molecular geometry and tuning the inter-cavity coupling distances. Potential applications of the spectrally engineered coupled-resonator structures to low-threshold microdisk lasers, optical biosensors, and random powder lasers are discussed.

研究の動機と目的

• 結合されたウィスパリングギャラリー・モードマイクロディスクレーザーおよびフォトニクスクリスタル欠陥キャビティの高速かつ高精度なスペクトル設計手法を開発すること。
• 構造的対称性が結合レーザークラスタにおけるモード縮退および光の閉じこめに与える影響を調査すること。
• 高品質因子フォトニクス分子を達成するために、キャビティ間結合距離を微調整可能にする。
• スペクトル的に設計された結合レーザー系のマイクロディスクレーザーおよび光バイオスセンサへの応用を検討すること。
• 対称性を用いたレーザークラスタを用いたランダムパウダーレーザーの実現可能性を示すこと。

提案手法

• 高い精度で共振構造内の電磁界をモデル化するために、ムーレー周囲積分方程式を採用する。
• 積分方程式を効率的に解くために、三角関数-三角関数ガラーキン離散化技術を適用する。
• モードの分類と結合レーザー幾何構造における縮退の予測のために、対称性解析を用いる。
• 放射損失を最小限に抑え、Q値を最大化するために、レーザー間の結合距離を最適化する。
• モードプロファイルおよびQ値のシミュレーションにより、光の閉じこめおよびスペクトル応答を評価する。
• 数値シミュレーションによる妥当性検証を行い、対称的フォトニクス分子構成でQ値が向上することを示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 構造的対称性は、結合マイクロディスクレーザーにおけるモードの縮退および光の閉じこめにどのように影響するか？
• RQ2 キャビティ間結合距離がフォトニクス分子のQ値に与える影響は何か？
• RQ3 対称性に基づく設計原則を用いて、結合フォトニクスクリスタルキャビティで高Qモードを達成できるか？
• RQ4 近似的に縮退したモードは、レーザークラスタにおける光の閉じこめおよびエネルギー局在にどのように影響するか？
• RQ5 スペクトル的に設計された結合レーザー系の実用的意義は、低しきい値レーザーおよびバイオスセンサにおいてどのようなものか？

主な発見

• フォトニクス分子の幾何構造における対称性は、縮退またはほぼ縮退したモードを生じさせ、光の閉じこめを強化する。
• 対称的構成における最適な結合距離は、結合レーザーのQ値を顕著に向上させる。
• 提案手法により、マイクロディスクおよびフォトニクスクリスタルキャビティの両方において、高分解能で高速かつ高精度なスペクトル設計が可能になる。
• 対称性とキャビティ間隔の調整により、Q値が著しく向上したフォトニクス分子が成功裏に設計された。
• 正確なモード設計により、本手法は低しきい値マイクロディスクレーザーおよび高感度光バイオスセンサの開発を支援する。
• 不規則なレーザー配列におけるモード重ね合わせおよび閉じこめの対称性に基づく制御により、ランダムパウダーレーザーの可能性が示された。