Аналитическое описание различных кольцевых поверхностно-плазмонных микрорезонаторов / Analytic Description of Various Ring Type Surface Plasmon Microresonators

Ароян О. С. / Haroyan, H. S.
Ереванский государственный университет / Yerevan State University
Неркарарян Х. В. / Nerkararyan, Kh.V.
Ереванский государственный университет / Yerevan State University
Выпуск в базе РИНЦ
DOI: 10.25210/jfop-1601-050063

Ароян О. С., Неркарарян Х. В. Аналитическое описание различных кольцевых поверхностно-плазмонных микрорезонаторов // Физические основы приборостроения. 2016. Т. 5. № 1(18). С. 50–63.
Haroyan, H. S., Nerkararyan, Kh.V. Analytic Description of Various Ring Type Surface Plasmon Microresonators // Physical Bases of Instrumentation. 2016. Vol. 5. No. 1(18). P. 50–63.


Аннотация: Рассматривается формирование поверхностных плазмон-поляритоных (ППП) мод в различных структурах кольцевого типа: цилиндрических, выпуклых цилиндрических, кольцевых V-образных (клиновидных), а также тороидальных микрорезонаторах. Развитая теоретическая модель позволяет аналитически определить выражения для распределения полей, резонансные частоты, а также излучательные и диссипативные части добротности структур в широком диапазоне длин волн. Полученные результаты могут служить практической рекомендацией для создания ППП микрорезонаторов с требуемыми параметрами и субволновой локализацией волновых полей в поперечном сечении.

Abstract: We consider the formation of the surface plasmon polariton (SPP) mode in different ring type structures, such as cylinder, convex cylinder, ringtype and V-groove microresonators. Developed theoretical model allows analytically calculate the closed-form expressions for the mode field distributions, resonant frequency, as well as the radiation and dissipative parts of quality factor Q of the structures in a broad wavelength range. The developed theoretical model can serve as a practical guide to design of various types of SPP microcavities with sub-wavelength nanoscale confinement.

Ключевые слова: цилиндрический микрорезонатор, коэффициент Парселла, нанофокусировка, Surface plasmon polariton, ring tipe cavity, Purcell factor, Q-factor, subwavelength localization, цилиндрический микрорезонатор


Литература / References
  1. Djordjev, K. Choi, S. J. And Dapkus, P. D. Microdisk Tunable Resonant Filters and Switches // IEEE Photon. Technol. Lett. 2002. Vol. 14. P. 828-830.
  2. Chu, S. T., Little, B. E., Pan, W., Kaneko, T., Sato, S. And Kokubun, Y. An Eight-Channel Add-Drop Filter Using Vertically Coupled Microring Resonators Over a Cross Grid // IEEE Photon. Technol. Lett. 1999, Vol. 11. P. 691-693.
  3. Almeida, V.R., Barrios, C.A., Panepucci, R. R., and Lipson, M. All-Optical Control of Light on a Silicon Chip // Nature 2004. Vol. 431. P. 1081-1084.
  4. Del’Haye, P., Schliesser, A., Arcizet, O., Wilken, T., Holzwarth, R., and Kippenberg, T. J. Optical Frequency Comb Generation From a Monolithic Microresonator // Nature 2007. Vol. 450. P. 1214-1217.
  5. Armani, A. M., Kulkarni, R. P., Fraser, S. E., Flagan, R. C., and Vahala, K. J. Label-Free, Single-Molecule Detection with Optical Microcavities // Science 2007. Vol. 317. P. 783-787.
  6. Sandoghdar, V., Treussart, F., Hare, J., Lefevre-Seguin, V., Raimond, J.-M., and Haroche, S. Very Low Threshold Whispering-Gallery-Mode Microsphere Laser. // Phys. Rev. A 1996. Vol. 54. P. R1777.
  7. Von Klitzing, W., Jahier, E., Long, R., Lissillour, F., Lefevre-Seguin, V., Hare, J., Raimond, J. — M., and Haroche, S. Very Low Threshold Green Lasing in Microspheres by up-Conversion of IR Photons // J. Opt. B 2000. Vol. 2. P. 204-206.
  8. Cai, M. Painter, O., and Vahala, K. J. Highly Efficient Hybrid Fiber Taper Coupled Microsphere Laser// Opt. Lett. 2000. Vol. 25. P. 1430-1432.
  9. Michler, P., Kiraz, A., Becher, C., Schoenfeld, W. V., Petroff, P. M., Zhang, L., Hu, E., and Imamoglu, A. A Quantum Dot Single Photon Turnstile Device. // Science 2000. Vol. 290. P. 2282-2285.
  10. McKeever, J., Boca, A., Boozer, A. D., Miller, R., Buck, J. R., Kuzmich, A., and Kimble, H. J. Deterministic Generation of Single Photons From One Atom Trapped in a Cavity // Science 2004. Vol. 303. P. 1992-1994.
  11. Hijlkema, M., Weber, B., Holger, Specht, P., Webster, C., Kuhn, A., and Rempe, G. A Single-Photon Server with Just One Atom // Nat. Phys. 2007. Vol. 3. P. 253-255.
  12. Boozer, A. D., Boca, A., Miller, R., Northup, T. E., and Kimble, H. J. Reversible State Transfer Between Light and a Single Trapped Atom // Phys. Rev. Lett. 2007. Vol. 98. P. 193601.
  13. Wilk, T., Webster, S. C., Kuhn, A., and Rempe, G. Single-Atom Single-Photon Quantum Interface // Science 2007. Vol. 317. P. 488-490.
  14. Kippenberg, T. J., Spillane, S. M., and Vahala, K. J. Demonstration of Ultra-High-Q Small Mode Volume Toroid Microcavities on a Chip // Appl. Phys. Lett. 2004. Vol. 85. P. 6113-6115.
  15. Bozhevolnyi, S. I. Plasmonic Nanoguides and Circuits. Singapore: Pan Stanford Publishing, 2008.
  16. Gramotnev, D. K., Bozhevolnyi, S. I. Plasmonics Beyond the Diffraction Limit // Nat. Photon. 2010. Vol. 4. P. 83-91.
  17. Economou, E. N. Surface Plasmons in Thin Films // Phys. Rev. 1969. Vol. 182 P. 539-554.
  18. Bozhevolnyi, S. I. Effective-Index Modeling of Channel Plasmon Polaritons // Opt. Express. 2006. Vol. 14. P. 9467-9476.
  19. Ambati, M., Nam, S.H., Ulin-Avila, E., Genov, D.A., Bartal, G., and Zhang, X. Observation of Stimulated Emission of Surface Plasmon Polaritons // Nano Lett. 2008. Vol. 8. P. 3998-4001.
  20. Hill, M.T. Oei, Y.S., Smalbrugge, B., Zhu, Y., De Vries, T., VanVeldhoven, P.J., Van Otten, F.W., Eijkemans, T.J. Turkiewicz, J.P., DeWaardt, H., Geluk, E.J., Kwon, S.H., Lee, Y.H., Notzel, R., and Smit, M.K. Lasing in Metallic-Coated Nanocavities // Nat. Photon. 2007. Vol. 1. P. 589-594.
  21. Bergman, D.J., Stockman, M.I. Surface Plasmon Amplification by Stimulated Emission of Radiation: Quantum Generation of Coherent Surface Plasmons in Nanosystems // Phys. Rev. Lett. 2003. Vol. 90. P. 027402.
  22. Li, K. Li, X., Stockman, M. I., and Bergman, D. J. Surface Plasmon Amplification by Stimulated Emission in Nanolenses // Phys Phys. Rev. B. 2005 Vol. 71. P. 115409-1-5.
  23. Zimmler, M.A., Bao, J., Capasso, F., Muller, S., and Ronning, C. Laser Action in Nanowires: Observation of the Transition From Amplified Spontaneous Emission to Laser Oscillation // Appl. Phys. Lett. 2008. Vol. 93. P. 051101.
  24. Oulton, R.F., Sorger, V.J., Zentgraf, T. Ma, Gladden, R.M., C. Dai, L., Bartal, G., and Zhang, X. Plasmon Lasers at Deep Subwavelength Scale // Nature 2009. Vol. 461. P. 629-632.
  25. Johnson J. C., Choi H.-J., Knutsen K. P., Schaller R. D., Yang P., and Saykally R. J. Single Gallium Nitride Nanowire Lasers. // Nat. Mater. 2002. Vol. 1. P. 106-110.
  26. Landau, L.D., Lifschitz, E.M. Quantum Mechanics: Nonrealistic Theory. Oxford: Butterworth Heinmann, 1997.
  27. Zhan, Q. Cylindrical Vector Beams: From Mathematical Concepts to Applications // Adv. Opt. Photon. 2009. Vol. 1. P. 1-57.
  28. Ma, R., Oulton, R.F., Sorger, V. J., and Zhang, X. Plasmon Lasers: Coherent Light Source at Molecular Scale // Laser Photonics Rev. 2013. Vol. 7. P. 1-23.
  29. Johnson, P. B., Christy, R. W. Optical Constants of the Noble Metals // Phys. Rev. B. 1972. Vol. 6. P. 4370-4379.
  30. Purcell, E. M Spontaneous Emission Probabilities at Radio Frequencies // Phys. Rev. 1946. Vol. 69. P. 681.