[论文解读] 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 5

一句话总结

本文展示了基于介电微球的光子分子中，涡旋模（WGM）杂化现象与化学中的分子轨道杂化具有类比性。通过将微球组装成线性与平面结构，作者表明，光谱分裂模式直接反映了组成微球的对称性、拓扑结构及数量，从而实现了对耦合常数的精确调控，并通过实验与FDTD仿真验证了预测的光谱特征，二者高度一致。

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.

研究动机与目标

• 建立分子中电子轨道杂化与基于微球系统的光子模式杂化之间的类比关系。
• 研究介电微球的排列方式与对称性如何影响WGM光谱分裂模式。
• 通过结构工程实现对光子分子中耦合常数的控制。
• 通过实验透射测量与FDTD仿真验证光子分子光谱的理论预测。
• 在WGM分裂中识别出可唯一表征不同光子分子拓扑结构的“光谱特征”。

提出的方法

• 选取具有近乎相同WGM共振特性的介电微球，并将其组装成具有特定几何构型的光子分子，包括线性链与平面结构。
• 通过锥形光纤侧向耦合实现WGM的高效激发与透射光谱测量。
• 采用有限差分时域（FDTD）仿真模拟电磁场分布并预测光谱响应。
• 分析光谱分裂模式随对称性、微球数量及耦合距离的变化规律。
• 通过调节微球间距与相对位置，实现对耦合常数的调控。
• 将实验测得的透射光谱与仿真得到的光谱特征直接对比，以验证模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 光子分子中WGM的光谱分裂模式如何依赖于微球排列的对称性与拓扑结构？
• RQ2 通过几何设计，对微球链中WGM之间的耦合常数在多大程度上可实现可控调节？
• RQ3 在复杂光子分子结构中，FDTD仿真能否准确预测实验观测到的WGM光谱？
• RQ4 不同的光子分子构型是否在WGM分裂模式中表现出独特的“光谱特征”？
• RQ5 在介电微球系统中，量子力学轨道杂化与经典光子模式杂化之间的类比关系在多大程度上成立？

主要发现

• 光子分子中的光谱分裂模式直接反映了微球排列的对称性与拓扑结构，可作为分子结构的唯一‘光谱特征’。
• 实测透射光谱与FDTD仿真光谱之间表现出极佳的一致性，证实了该模型的预测能力。
• 通过控制微球间距与对齐方式，实验测得的WGM间耦合常数可实现可调。
• 线性链与平面结构表现出与对称性及耦合拓扑理论预期一致的分裂模式。
• 微球中WGM的杂化与分子中原子轨道的杂化高度相似，验证了光子分子类比的合理性。
• 本研究证明，通过精确控制微球的定位与排列，可工程化设计出具有特定光谱响应的光子分子。