Flüsternde Galeriemoden mit gebrochenem optischen Drehimpuls in Mikroringen aus photonischen Kristallen

Flüsternde Galeriemoden, eine Art Welle, die sich um konkave Oberflächen ausbreiten kann, haben sich als vielversprechend für die Entwicklung neuer Technologien erwiesen, insbesondere in der Photonik. Aufgrund geometrischer Einschränkungen weisen diese Moden in zirkularsymmetrischen optischen Mikroresonatoren (dh Strukturen im Mikrometermaßstab, die Licht einschließen können) ganzzahlige quantisierte Drehimpulswerte auf. Während zahlreiche Effekte solche Moden ausnutzen, gibt es Anwendungen, für die ein nicht ganzzahliger Drehimpuls erwünscht sein kann.

Forscher des National Institute of Standards and Technology und der University of Maryland haben kürzlich einen einzigartigen photonischen Kristall-Mikroring entwickelt, der Flüstergalerie-Modi mit einem Bruchteil des optischen Drehimpulses ermöglicht. Diese ringförmige Struktur, eingeführt in a Briefe zur körperlichen Überprüfung (PRL), könnte interessante Möglichkeiten für die Entwicklung von Sensoren, Messwerkzeugen, nichtlinearen optischen Geräten und anderen Technologien eröffnen.

„Unsere letzten PRL paper baut auf unserer bisherigen Arbeit in auf Naturphotonikwo wir die Struktur eines photonischen Kristallrings mit ‚Mikrogetriebe‘ vorgestellt haben“, sagte Xiyuan Lu, einer der Forscher, der die Studie durchführte, gegenüber Phys.org. „In dieser neuen Arbeit demonstrieren wir den halbzahligen Bahndrehimpuls von Licht, im Vergleich zu den geraden Zahlen, die durch den photonischen Kristallring erreicht werden, den wir zuvor untersucht haben, der einen ganzzahligen Bahndrehimpuls des Lichts ähnlich dem herkömmlicher Mikroringe liefert, die als „flüsternde Galeriemoden“ bezeichnet werden.“

In ihrer jüngsten Arbeit machten sich Lu und seine Kollegen daran, neue Fähigkeiten der Mikroringe aus photonischen Kristallen zu untersuchen, die in ihrer vorherigen Veröffentlichung vorgestellt wurden. Das Team wollte auch untersuchen, wie sich das Einbringen mehrerer Defekte in ihren Resonator auf seine Lokalisierungsfähigkeiten und seine räumliche Kontrolle des Lichts auswirken würde.

„Die Bedeutung von ‚halbzahligem Drehimpuls‘ ist, dass Licht zwei Umrundungen um den Resonator machen muss, um in seine Anfangsphase (modulo 2*pi) zurückzukehren, was anders ist als bei herkömmlichen Mikroringen, wo es dauert nur eine Hin- und Rückfahrt“, sagte Kartik Srinivasan, ein weiterer an der Studie beteiligter Forscher, gegenüber Phys.org. „Deshalb wurde unser Resonator manchmal mit einem Möbiusband verglichen.“

Um einen halbzahligen Drehimpuls zu erreichen, entwarf das Team einfach seinen Ring mit einer ungeraden Anzahl periodischer Zellen innerhalb seines Umfangs, anstatt eine gerade Anzahl von Zellen zu wählen. Dies ermöglichte ihnen den Zugriff auf die andere Hälfte des Parameterraums, auf den zuvor entwickelte photonische Kristallringe zugreifen.

„Die Realisierung der Mehrfachdefekte in unserem Gerät war auch alles andere als kompliziert, da wir einfach eine Mehrfachdefektmodulation über unseren Ring eingeführt haben“, sagte Lu. „Als Ergebnis dieses einzigartigen Designs konnten wir zwei Funktionalitäten in der Silizium-Photonik mit einem skalierbaren Herstellungsverfahren erreichen, halbzahliger Drehimpuls oder Lokalisierung mehrerer Defekte.“

Der von diesem Forscherteam entwickelte ringförmige Mikroresonator erzielte in ersten Tests vielversprechende Ergebnisse mit hoher Güte und guter Kopplung. Darüber hinaus kann das Gerät mit nichtlinearen Photonik-, Quantenphotonik- und Biosensorik-Anwendungen genauso einfach integriert werden, wie Flüstergalerie-Modi in herkömmliche Mikroringe integriert werden.

Das Entwerfen von photonischen Kristallen mit hohem Q, einschließlich Geometrien, die Defekte enthalten, um Licht stark zu lokalisieren, ist in der Regel herausfordernd und zeitaufwändig, da mehrere Simulationen durchgeführt und verschiedene Optimierungsschritte durchgeführt werden müssen. Im Gegensatz dazu hat der von Lu und seinen Kollegen erstellte Mikroring ein sehr einfaches und unkompliziertes Design, das nicht durch Simulationen und Optimierungen perfektioniert werden muss.

„Wir haben gesehen, dass wir Licht verlangsamen und hochgradig auf einen kleinen Bruchteil des Rings lokalisieren können (dies war der Schwerpunkt unserer früheren Arbeit), und jetzt haben wir gezeigt, dass wir halbzahlige Drehimpulszustände erzeugen und hoch multiplizieren können lokalisierte Defektzustände im selben Ring, und wir können dieselben Defekte verwenden, um die Ausrichtung von flüsternden Galeriemoden bei langsamem Licht zu steuern“, sagte Srinivasan.

„Obwohl nicht jeder Effekt gleichzeitig verfügbar ist, können wir in einigen Fällen Effekte kombinieren oder einen Effekt für einen Modus und einen anderen Effekt für einen anderen Modus anwenden, und vor allem wissen wir, wie man die Effekte entwirft und steuert.“

Die beiden jüngsten Arbeiten von Lu, Srinivasan und ihren Kollegen zeigen, dass die Einführung einzigartiger photonischer Kristallmuster in Mikroringresonatoren die Eigenschaften elektromagnetischer Felder grundlegend verändern kann. Ihr Resonatordesign und die daraus resultierende Kontrolle elektromagnetischer Felder könnten in Zukunft dazu beitragen, viele Forschungsprobleme anzugehen, die Licht-Materie-Wechselwirkungen betreffen, beispielsweise die Realisierung mehrerer Quantenknoten in einem Mikroring oder die nichtlineare Erzeugung von Licht.

„Ein wichtiger Punkt für mich ist, dass diese Arbeit in einem Schritt vorankommt, wie man mehrere Quantenknoten in einem Mikroring implementiert, und insbesondere das Problem aufwirft, dass die schwache Kopplung der Defekte nicht vernachlässigbar sein kann und beachtet werden muss von“, sagte Lu. „Diese schwache Kopplung überrascht mich etwas.“

In ihren nächsten Studien planen die Forscher, den Wert ihres Designs zu testen, um die Kontrolle über elektromagnetische Felder zu erreichen, die mit Materie interagieren. Genauer gesagt planen sie, es auf die Entwicklung nichtlinearer optischer Technologien und Quantenoptik aus Atomen oder Quantenpunkten anzuwenden.

„Wir sind daran interessiert, den Ursprung der schwachen Kopplung zu untersuchen, um sie später besser kontrollieren zu können“, sagte Lu. „Wir untersuchen auch die nichtlineare optische Wechselwirkung mit den lokalisierten Moden und die Quanteninteraktion mit Atomen und Quantenpunkten in diesen Geräten.“

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