[论文解读] Does an accelerated electron radiate Unruh radiation

Satoshi Iso, Yasuhiro Yamamoto+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 18, 2010

Quantum Electrodynamics and Casimir Effect参考文献 14被引用 1

一句话总结

本文提出了一种基于分布式布拉格反射器（DBR）-介质异质结构中表面束缚光模式的新型面内发射半导体激光器。通过调节单层DBR的厚度，该系统可在约1 µm波长处实现波长稳定的激光输出，温度敏感度约为0.08 nm/K，且高达50%的光功率被限制在介质中，从而实现与波导或光纤的近场耦合，适用于集成光子学和高亮度激光应用。

ABSTRACT

Surface-trapped electromagnetic waves can be localized at a boundary between a semiconductor distributed Bragg reflector (DBR) and a homogeneous dielectric medium or air. These waves enable a novel class of in-plane-emitting optical devices including edge-emitting lasers, disk microlasers or near-field fiber-coupled lasers. We show that the surface-trapped modes can be controlled by tuning the thickness of a single DBR layer. Diagrams in variables "wavelength - thickness of the control layer" are constructed for both TM and TE optical modes revealing the parameter domains, in which surface-trapped modes exist. The domains contain cusps, in the vicinity of which a surface-trapped optical mode is allowed only in a narrow spectral region, enabling wavelength-stabilized operation of a laser. For a structure designed for lasing at ∼1 µm, the lasing wavelength shifts upon temperature increase at a rate ∼0.08 nm/K. The fraction of the optical power of the surface-trapped mode accumulated in the homogeneous dielectric can reach ∼50%. Thus, such structure is a near-field wavelength-stabilized semiconductor laser. Further, such structure can be applied as a wavelength-stabilized semiconductor optical amplifier adjacent to a dielectric waveguide or an optical fiber, both for integrated photonics and for ultrahigh-brightness laser diodes and diode arrays and stacks.

研究动机与目标

• 开发一种基于DBR-介质界面处表面束缚电磁波的新型面内发射光电器件。
• 通过利用单层DBR层的波长-厚度参数空间中的尖点特征，实现波长稳定的激光输出。
• 实现表面束缚光模场与介质波导或光纤之间的高效近场耦合，以适用于集成光子学和高亮度激光系统。
• 量化表面束缚模场在DBR与介质介质之间的功率分布，特别是其在介质中所占比例。

提出的方法

• 构建DBR-介质异质结构中TM和TE偏振光学模式的波长-厚度图谱。
• 分析在一系列DBR层厚度和波长下表面束缚模的存在性。
• 识别色散图谱中的尖点，作为表面束缚模被限制在窄谱窗内的区域，从而实现波长稳定。
• 计算模场的光功率分布，以确定其在均匀介质中局部化的比例。
• 基于尖点区域观测到的光谱漂移，建立激光波长随温度变化的模型。
• 评估该结构与介质波导或光纤近场耦合应用的可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过调节半导体-介质异质结构中单层DBR的厚度来控制表面束缚光学模式？
• RQ2 在波长-厚度平面中，表面束缚模存在的参数区域是什么？这些区域是否表现出尖点特征，从而实现波长稳定？
• RQ3 表面束缚模的光功率在介质介质中被限制的程度如何？该特性是否可实现与波导或光纤的高效近场耦合？
• RQ4 在尖点区域，激光波长随温度如何变化？其温度敏感度是多少？
• RQ5 该结构是否可实际应用于作为集成光子系统中的波长稳定半导体光放大器或激光器？

主要发现

• 对于TM和TE偏振态，表面束缚模在波长-厚度平面中存在明确的参数区域，其尖点特征表明模场仅存在于窄谱窗口内。
• 尖点区域可实现波长稳定的激光输出，因为表面束缚模仅在极窄的光谱范围内被支持。
• 对于设计为在约1 µm波长处工作的结构，激光波长随温度升高以约0.08 nm/K的速率漂移。
• 表面束缚模的光功率高达约50%被积累在均匀介质中，从而实现与介质波导或光纤的强近场耦合。
• 该结构适合作为紧邻介质波导或光纤的波长稳定半导体光放大器使用。
• 由于其波长稳定、可调谐且高效耦合的发射特性，该设计适用于集成光子学、超高亮度激光二极管以及二极管阵列与堆叠结构。