[論文レビュー] Whispering gallery mode hybridization in photonic molecules

Yangcheng Li, Farzaneh Abolmaali+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 4, 2017

Photonic and Optical Devices参考文献 5被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、誘電体マイクロスフィアを用いたフォトニック分子におけるウィスピアリングギャラリー・モード（WGM）ハイブリダイゼーションが、化学における分子軌道のハイブリダイゼーションを模倣することを示している。マイクロスフィアを直線的および平面的構造に組み合わせることで、著者らはスペクトル分裂パターンが構成するマイクロスフィアの対称性、トポロジー、および数に直接関係することを示し、結合定数の正確な制御が可能であることを明らかにした。実験とFDTDシミュレーションによる予測されたスペクトルシグネチャーとの良好な一致が得られた。

ABSTRACT

This work takes inspiration from chemistry where the spectral characteristics of the molecules are determined by hybridization of electronic states evolving from the individual atomic orbitals. Based on analogy between quantum mechanics and the classical electrodynamics, we sorted dielectric microspheres with almost identical positions of their whispering gallery mode (WGM) resonances. Using these microspheres as classical photonic atoms, we assembled them in a wide range of structures including linear chains and planar photonic molecules. We studied WGM hybridization effects in such structures using side coupling by tapered microfibers as well as finite difference time domain modeling. We demonstrated that the patterns of WGM spectral splitting are representative of the symmetry, number of constituting atoms and topology of the photonic molecules which in principle can be viewed as "spectral signatures" of various molecules. We also show new ways of controlling WGM coupling constants in such molecules. Excellent agreement was found between measured transmission spectra and spectral signatures of photonic molecules predicted by simulation.

研究の動機と目的

• 分子内の電子軌道ハイブリダイゼーションとマイクロスフィア系におけるフォトニックモードハイブリダイゼーションの類似性を確立すること。
• 誘電体マイクロスフィアの配置および対称性がWGMスペクトル分裂パターンに与える影響を調査すること。
• 構造的設計によるフォトニック分子における結合定数の制御を実証すること。
• 理論的予測されたフォトニック分子スペクトルを、実験的透過測定とFDTDシミュレーションを用いて検証すること。
• WGM分裂に現れる「スペクトルシグネチャー」を特定し、それらが異なるフォトニック分子トポロジーを特徴付ける独自の特徴であることを同定すること。

提案手法

• ほぼ同一のWGM共鳴を示す誘電体マイクロスフィアを選別し、直線状鎖および平面配置をとるフォトニック分子に組み立てた。
• 傾斜付き光ファイバーを用いたサイド結合により、WGMの励起と透過スペクトル測定を効率的に行った。
• 有限差分時間法（FDTD）シミュレーションを用いて、電磁界分布のモデル化とスペクトル応答の予測を行った。
• スペクトル分裂パターンを、対称性、マイクロスフィアの数、および相互結合距離の関数として分析した。
• マイクロスフィア間隔と相対的位置を調整することで、結合定数をチューニングした。
• 実験的透過スペクトルをシミュレートされたスペクトルシグネチャーと直接比較し、モデルの妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フォトニック分子におけるWGMのスペクトル分裂パターンは、マイクロスフィア配置の対称性およびトポロジーにどのように依存するか？
• RQ2 マイクロスフィア鎖におけるWGM間の結合定数は、幾何学的設計によってどの程度制御可能か？
• RQ3 FDTDシミュレーションは、複雑なフォトニック分子構造において、実験的に観測されたWGMスペクトルを正確に予測できるか？
• RQ4 異なるフォトニック分子構成は、そのWGM分裂パターンにおいて一意の「スペクトルシグネチャー」を示すか？
• RQ5 量子力学的軌道ハイブリダイゼーションと古典的フォトニックモードハイブリダイゼーションの類似性は、誘電体マイクロスフィア系においてどの程度成立するか？

主な発見

• フォトニック分子におけるスペクトル分裂パターンは、マイクロスフィア配置の対称性およびトポロジーを直接反映しており、分子構造の独自の「スペクトルシグネチャー」として機能する。
• 測定された透過スペクトルとFDTDシミュレートされたスペクトルとの間に良好な一致が観察され、モデルの予測能力が確認された。
• マイクロスフィア間隔とアライメントの制御された変化を用いて、WGM間の結合定数が実験的にチューニング可能であった。
• 直線状鎖および平面配置は、対称性および結合トポロジーに基づく理論的予想と整合する、特徴的な分裂パターンを示した。
• マイクロスフィアにおけるWGMハイブリダイゼーションは、分子内原子軌道のハイブリダイゼーションに極めて類似しており、フォトニック分子の類似性が裏付けられた。
• 本研究は、マイクロスフィアの位置決めおよび配置の精密な制御により、特定のスペクトル応答をもたらすフォトニック分子を設計可能であることを示した。