[論文レビュー] A fully nanoscopic dielectric laser

Günter Kewes, Rogelio Rodríguez–Oliveros+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 2014

Plasmonic and Surface Plasmon Research参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、1 nmの有機増幅層でコーティングされた高屈折率シリコンナノ粒子キャビティを用いた完全ナノスケールの誘電体ナノレーザーを提案する。この構造により、調整可能な磁気モード（TE）および電気モード（TM）のミエモードを介して、コherentな近接場発光が実現される。この設計は、同等のナノレーザーやスパーザーと比較して、最小のレーザー閾値と最速のスイッチオン時間を達成しており、シリコンの低い光学損失と高い品質因数のおかげで、プラズモン的対比物を凌駕している。

ABSTRACT

In this article, we introduce the concept of a dielectric nanolaser that is nanoscopic in all spatial dimensions. Our proposal is based on dielectric nanoparticles of high refractive index, e.g., silicon, acting as a (passive) cavity (without intrinsic gain) that is decorated with a thin film of organic gain media. Its resonance frequencies can be tuned over the entire visible range and bright and dark modes can be addressed. So called "magnetic" modes can be utilized, which makes this dielectric nanolaser a complementary source of coherent nearfields similar to the surface plasmon laser (which exploits electric modes). The small intrinsic losses in silicon yield relatively high quality factors and low non-radiative decay rates of emitters close to the cavity, both of which will lead to low thresholds. As we show in this work, the dielectric nanolaser exhibits certain advantages relative to nanowire lasers and spasers, such as reduced laser threshold, short switch-on times, size and design flexibility. The dielectric nanolaser is compatible with standard lithographic fabrication approaches and its relative simple design may allow for easy testing and realization of the concept. Thus, the silicon nanolaser might soon find many applications in nanooptics and metamaterials.

研究の動機と目的

• 従来のナノワイヤーレーザーやスパーザーに見られるサイズ制限および閾値制限を克服する完全ナノスケールの誘電体レーザーの開発を目的とする。
• プラズモン的スパーザーの高閾値および製造複雑性を解決するため、シリコンナノ粒子を基盤とする誘電体代替案を提案することを目的とする。
• 誘電体ナノレーザーが明るいモードと暗いモード（特に磁気モード（TE））を両方サポートできることを示し、プラズモン的レーザーとの補完的機能を実現することを目的とする。
• 非放射性崩壊を最小限に抑えたシリコンナノ粒子における高品質因数ミエ共鳴を活用し、低閾値レーザーを実現することを目的とする。
• 被動キャビティと増幅層のハイブリッド設計により、標準リソグラフィーと互換性を持ち、可視光帯域全域でチューナブルかつ低損失でコンパクトなコherent光源を実現することを目的とする。

提案手法

• 光子数Nおよび励起状態反転量DEのレート方程式モデルを用い、平均的な崩壊率γ̄_t（全損失）およびγ̄_M（レーザーモードへの放射的結合）を組み込む。
• 球状のシリコン、金、銀ナノ粒子（直径100–200 nm）について、ミエ理論を用いてQファクターとモード簡約度Xを計算する。
• ナノ粒子の周囲に均一に分布した1 nmの有機発光体（全2000個のドロープ）からなる薄い増幅層を、ポンプレートγ_pを伴う有効な2準位系としてモデル化する。
• 連続波ポンピング下で初期条件N(t₀) = 0およびD_E(t₀) = -N_Eを設定し、スイッチオン時間の動的解析を可能にする。
• 定常状態（dN/dt = dD_E/dt = 0）の解析解を用いて入力出力曲線および閾値ポンプパワーを計算する。
• ダイポール（X=3）および四極子（X=5）モードの両方について、金、銀、シリコンキャビティを比較してシミュレーションを実施し、性能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 シリコンナノ粒子を基盤とする完全ナノスケールの誘電体ナノレーザーは、プラズモン的スパーザーやナノワイヤーレーザーと比較して、より低いレーザー閾値を達成できるか？
• RQ2 誘電体ナノレーザーの性能特性（特に閾値ポンプパワーおよびスイッチオン時間）は、スパーザーやナノワイヤーレーザーと比べてどのように異なるか？
• RQ3 シリコンナノ粒子内の磁気モード（TE）がコherentレーザーをどれほどサポートできるか、またそのモードがナノフォトニクス応用において電気モード（TM）とどのように補完的か？
• RQ4 被動シリコンキャビティと薄い有機増幅層を組み合わせたハイブリッド設計により、可視光帯域全域でチューナブルかつ低損失でコンパクトなコherent光源を実現できるか？
• RQ5 Qファクターおよび非放射性崩壊が、ナノスケールの誘電体キャビティのレーザー閾値および効率に果たす役割は何か？

主な発見

• シリコンナノレーザーは、シリコンの高いQファクターと内在的損失の低さのおかげで、比較対象の全システム（シリコン、金、銀）の中で最小のレーザー閾値を示した。
• シリコンナノレーザーのスイッチオン時間はスパーザーを上回っており、超高速光スイッチング用途における優れた動的応答性を示している。
• システムは明るいモードと暗いモード（特に磁気モード（TE））を両方サポートでき、方向性発光と強化された場の閉じ込めを可能にしている。
• キャビティが増幅媒体と強い重なりを持つ高Qモードを支持する場合、特にダイポールおよび四極子共鳴において、レーザー閾値が最小化される。
• シリコンナノ粒子に1 nmの有機増幅層を設けることで、効率的な結合と可視光帯域全域でのチューナブル発光が実現された。
• 理論的モデリングにより、誘電体ナノレーザーがスパーザーを上回る性能を示すことが確認され、ナノフォトニクス統合の実用的代替案としての可能性が示された。