[論文レビュー] Waveguide, Photodetector, and Imaging Applications of Microspherical Photonics

Kenneth W. Allen|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2015

Near-Field Optical MicroscopyEngineering参考文献 127被引用数 18

ひとこと要約

本学位論文は、誘電体マイクロスフィアが光子ナノジェットを生成し、図 whispering-gallery モード（WGM）を支持することを活用して、波ガイド統合、光検出、イメージングのためのマイクロスフィア光子工学を調査する。複数のスフィアを鎖状、クラスター状、またはアレイ状にアセンブルし、波ガイドやマトリックス材料と統合することで、設計された共鳴構造を通じて、光学的閉じ込めの向上、超解像焦点化、光検出効率の向上を実証する。

ABSTRACT

Dielectric microspheres with diameters on the order of several wavelengths of light have attracted increasing attention from the photonics community due to their ability to produce extraordinarily tightly focused beams termed photonic nanojets, to be used as microlenses for achieving optical super-resolution or to develop sensors based on whispering-gallery mode resonances. In this dissertation, we study the optical properties of more complicated structures formed by multiple spheres which can be assembled as linear chains, clusters or arrays, integrated with waveguides or embedded inside other materials to achieve new optical properties or device functionalities.

研究の動機と目的

• 高度な光子デバイス統合のための複雑なマイクロスフィア構造の光学的性質を調査すること。
• マイクロスフィアを用いた光の操作を通じて、コンactで高感度な光学センサーやイメージングシステムのニーズに対応すること。
• 波ガイドと統合するか、マトリックス材料に埋め込むことで、機能的な光子デバイスを開発すること。
• 光子ナノジェットと共鳴モードを活用して、光学的超解像と検出感度の向上を達成すること。
• スケーラブルなマイクロスフィアアレイ構造を通じて、イメージングおよび光検出における実用的応用を実証すること。

提案手法

• 光学波長程度の直径を有する誘電体マイクロスフィアの直線的鎖、クラスター、アレイの設計およびシミュレーション。
• 単一のマイクロスフィアが生成する光子ナノジェットを用いた、波長未満の焦点化と超解像イメージング。
• マイクロスフィア内のウィスパリング・ギャラリー・モード（WGM）共鳴を用いた、高Qファクターの光学センシングと光・物質相互作用の強化。
• マイクロスフィア構造と平面波ガイドを統合することで、ガイド光の結合とオンチップ光子回路の実現。
• マイクロスフィアをマトリックス材料に埋め込むことで、有効屈折率を調整し、光学的閉じ込めを強化。
• 電磁界モデリングとFDTDシミュレーションを用いて、場の分布、共鳴条件、デバイス性能を分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 鎖、クラスター、格子構成におけるマイクロスフィアアレイは、光学的場の閉じ込めと透過をどのように向上させるか？
• RQ2 光子ナノジェットは、回折限界を超える光学的超解像を実現するために果たす役割は何か？
• RQ3 マイクロスフィア内のウィスパリング・ギャラリー・モード共鳴は、高感度光検出にどのように活用できるか？
• RQ4 波ガイドとマイクロスフィアを統合する最適な幾何形状と配置は何か？（結合効率を最大化するため）
• RQ5 マトリックス中へのマイクロスフィアの埋め込みは、その共鳴特性とデバイス性能にどのように影響を与えるか？

主な発見

• マイクロスフィアアレイは、波長未満の焦点化を可能にする高効率な光子ナノジェットを生成し、回折限界を超える光学的超解像イメージングを実現する。
• 個々のマイクロスフィア内のウィスパリング・ギャラリー・モード共鳴は、高い品質因子（Qファクター）を示し、ラベルフリー光学センシング応用における感度を向上させる。
• 波ガイドとマイクロスフィア構造を統合することで、マイクロスフィア構造への光の効率的結合と放出が可能となり、オンチップ光子回路を支援する。
• マイクロスフィアのクラスターおよび鎖状構成は、球間距離や配置に応じて調整可能な集団的光学モードを示し、再設定可能な光学応答を実現する。
• 誘電マトリックスにマイクロスフィアを埋め込むことで、有効屈折率と共鳴条件が変化し、光学的特性を意図的に調整可能となる。
• シミュレーションにより、最適化されたマイクロスフィア構成が、光を波長未満の体積に集中させることで、光検出効率を向上させ、信号対雑音比を改善できることを示した。