[论文解读] 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 9

一句话总结

本文提出了一种快速、精确的方法，利用Müller边界积分方程和三角-三角Galerkin离散化技术，设计并调谐耦合微盘和光子晶体腔。结果表明，对称性控制模式简并和光场限制，通过优化耦合间距可实现高Q因子的光子分子，适用于低阈值激光器和生物传感器。

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.

研究动机与目标

• 开发一种用于耦合回音壁模式微盘谐振器和光子晶体缺陷腔的快速且精确的光谱设计方法。
• 研究结构对称性如何影响耦合谐振器簇中的模式简并和光场限制。
• 实现对腔间耦合距离的精细调节，以获得高品质因子的光子分子。
• 探索光谱工程化耦合谐振器系统在微盘激光器和光学生物传感器中的应用。
• 通过对称性工程的谐振器簇展示随机粉末激光器的可行性。

提出的方法

• 采用Müller边界积分方程对谐振结构中的电磁场进行高精度建模。
• 应用三角-三角Galerkin离散化技术高效求解积分方程。
• 利用对称性分析对模式进行分类，并预测耦合谐振器几何结构中的简并。
• 优化谐振器之间的耦合距离，以最小化辐射损耗并最大化Q因子。
• 通过模拟模式分布和品质因数，评估光场限制和光谱响应。
• 通过数值模拟验证，对称光子分子结构配置下Q因子显著提升。

实验结果

研究问题

• RQ1 结构对称性如何影响耦合微盘谐振器中模式的简并和光场限制？
• RQ2 腔间耦合距离对光子分子品质因数的影响是什么？
• RQ3 能否基于对称性设计原则在耦合光子晶体腔中实现高Q模式？
• RQ4 近简并模式如何影响谐振器簇中的光场限制和能量局域化？
• RQ5 光谱工程化耦合谐振器在低阈值激光器和生物传感器中的实际意义是什么？

主要发现

• 光子分子几何结构中的对称性导致简并或近简并模式，从而实现增强的光场限制。
• 在对称构型中，最优耦合距离显著提高了耦合谐振器的品质因数。
• 所提出的方法可实现微盘和光子晶体腔的高分辨率快速、精确光谱设计。
• 通过几何对称性和腔间距调节，成功设计出Q因子显著增强的光子分子。
• 该方法通过精确的模式工程，支持低阈值微盘激光器和高灵敏度光学生物传感器的开发。
• 通过基于对称性的模式重叠和光场限制控制，在无序谐振器阵列中展示了随机粉末激光器的潜力。