[论文解读] 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 18

一句话总结

本论文研究了利用介质微球产生光子纳米射束并支持导波谐振模式的微球形光子学，以实现波导集成、光电探测和成像。通过将多个微球组装成链状、簇状或阵列结构，并与波导或基质材料集成，研究展示了通过工程化谐振结构实现的光学限制增强、超分辨率聚焦以及光电探测效率提升。

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.

研究动机与目标

• 探索基于复杂微球结构的光学特性，以实现先进光子器件的集成。
• 通过微球增强的光操控技术，解决对紧凑型、高灵敏度光学传感器和成像系统的需求。
• 通过将微球与波导集成或嵌入基质材料中，开发功能性光子器件。
• 利用光子纳米射束和谐振模式实现光学超分辨率和增强探测。
• 通过可扩展的微球阵列架构，展示成像和光电探测的实际应用。

提出的方法

• 设计并模拟直径在光学波长量级的介质微球线性链、簇状结构和阵列。
• 利用单个微球产生的光子纳米射束实现亚波长聚焦和超分辨率成像。
• 利用微球中的导波谐振模式（WGM）共振实现高Q值光学传感和增强的光-物质相互作用。
• 将微球形结构与平面波导集成，以实现光的导引耦合和片上光子功能。
• 将微球嵌入基质材料中，以调节有效折射率并增强光学限制。
• 应用电磁建模和FDTD仿真分析场分布、共振条件和器件性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 微球在链状、簇状或晶格构型下如何增强光学场限制和传输？
• RQ2 光子纳米射束在突破衍射极限方面发挥何种作用以实现光学超分辨率？
• RQ3 如何利用微球中的导波谐振模式实现高灵敏度光电探测？
• RQ4 与波导集成时，微球的最佳几何形状和排布方式是什么，以最大化耦合效率？
• RQ5 将微球嵌入基质介质中如何影响其共振特性及器件性能？

主要发现

• 微球阵列可产生高度受限的光子纳米射束，实现亚波长聚焦，从而在超越衍射极限的条件下实现光学超分辨率成像。
• 单个微球中的导波谐振模式提供高品质量因子（Q因子），增强了无标记光学传感应用的灵敏度。
• 将微球与波导集成可实现光在微球结构中的高效耦合，支持片上光子电路。
• 微球的簇状和链状构型表现出可调谐的集体光学模式，其响应可通过球间间距和排列方式实现重构。
• 将微球嵌入介电基质中会改变其有效折射率和共振条件，从而可实现光学特性的定制化。
• 仿真结果表明，优化的微球构型可通过将光集中于亚波长体积内，显著提升光电探测效率，改善信噪比。