CC BY
6ВКВ0-2023 СТЕНДОВЫЕ
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СЕЛЕКЦИИ РАДИАЛЬНОЙ МОДЫ В МИКРОРЕЗОНАТОРЕ С ПОМОЩЬЮ ТОНКОЙ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПЛЕНКИ
Терентьев В.С., Симонов В.А.
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, г. Новосибирск * E-mail: simonovva@iae.sbras.ru DO110.24412/2308-6920-2023-6-384-385
Оптические микрорезонаторы мод шепчущей галереи, под которыми подразумеваются резонаторы аксиально-симметричной формы (сферической, дисковой, цилиндрической, бутылочной, кольцевой и других форм) являются интерференционными многолучевыми устройствами, которые имеют достаточно высокие характеристики по степени фильтрации (добротности Q > 106) и нелинейного преобразования излучения. Их практическое применение можно разделить на две большие области: сенсорные приложения [1] и нелинейное преобразование излучения [2].
Одним из существенных недостатков такого типа микрорезонаторов является наличие очень большого количества возбуждаемых мод (для кварцевой сферы радиусом 160 мкм общее число может достигать > 107). Зачастую это приводит к зашумлению спектральной характеристики и может затруднять практическое применение и анализ экспериментальных данных. Предлагаемый в данной работе метод селекции мод по добротности рассматривается на основе сферического резонатора [3], моды которого характеризуются тремя индексами lmq (! - полярный индекс, m - азимутальный индекс и q - радиальный индекс) и еще два поляризационных состояния.
На данный момент существует несколько методов уменьшить количество возбуждаемых мод. Возбуждение мод с различными l очень широкополосно, но может быть ограничено микроструктурированием поверхности резонатора (аналогично брэгговской структуре). Существуют «пространственные» методы, которые ограничивают количество и/или степень возбуждения мод с разным азимутальным индексом m путем создания небольшого размера возбуждающей моды (узкий пучок через призму или утоненное волокно) или «сплющиванием» микросферы (дисковый резонатор). Селекцию по радиальному индексу q можно осуществить с помощью тонкого слоя с большим показателем преломления, нанесенного на поверхность резонатора, в котором будет концентрироваться поле моды, а возбуждение высших радиальных мод будет подавлено.
В данной работе с помощью численного моделирования в системе COMSOL Multiphysics демонстрируется селекция мод с помощью тонкого металлического слоя. Суть метода состоит в расположении тонкой металлической пленки (много меньше длины волны) в качестве внутреннего слоя вблизи поверхности микрорезонатора таким образом, чтобы она попадала в минимум интенсивности нужной радиальной моды (в данном случае q = 2). При этом, согласно теории возмущений, сдвиг собственной частоты данной моды относительно моды невозмущенного резонатора будет пропорционален интегралу перекрытия между модой и изменением коэффициента преломления, вызванного наличием пленки, который ничтожно мал из-за малой толщины пленки и
малости величины поля. Таким образом, сначала определялись параметры требуемой моды невозмущенного резонатора без металлической пленки. На рис. 1 для примера показаны нормированные распределения | Ев | первых пяти радиальных мод невозмущенного резонатора радиусом а=80 мкм. Штриховой линией при г = Г2 показано расположение металлической пленки. Все моды с q ^ 2 имеют пересечение с пленкой в области ненулевых значений поля и таким образом будут испытывать большие потери.
На рис. 2 показана схема расчетной модели, где 1 - кварцевый микросферический резонатор радиусом 80 мкм, 2 - внешняя поверхность, 3 - тонкая никелевая пленка толщиной 5 нм, 4 - поле селектируемой моды (/ = 455, т = 455, q = 2). При расчете учитывались спектральные зависимости веществ, входящих в задачу. После расчета мод невозмущенного резонатора, найденная длина волн
Рис. 1
ВКВО-2023 СТЕНДОВЫЕ
моды 1т2 являлась нулевым приближением для поиска длины волны моды в резонаторе с металлической пленкой. Затем производился итерационный процесс поиска оптимальной длины волны с учетом дисперсионной зависимости коэффициентов преломления материалов. Далее пленка перемещалась по радиусу с шагом в 0.5 нм и была получена зависимость добротности селектируемой моды от положения гМе пленки (рис. 3). Добротность падает на порядок при перемещении пленки на 5 нм. Расчет также показал резкое падение добротности для мод с радиальным индексом отличным от 2 (Рис. 4). Практически это означает полное их подавление. Кроме этого, появляется значительная зависимость добротности мод от индекса I (Рис. 5).
Рис. 2
Рис. 3
106
10ь
4» • •
i ■ J я ь ■ k. f.
,0 .m г * * • *Ф
445
450
455 /
460
465
Рис. 4
Рис. 5
Проведенное моделирование подтверждает возможность применения метода для селекции мод в резонаторах с аксиальной симметрией, что может потенциально быть использовано для создания новых высокочувствительных сенсоров и лазерных устройств.
Работа выполнена в рамках темы госзадания Института автоматики и электрометрии СО РАН «Физические основы лазерных и сенсорных систем с использованием структурированных волоконных световодов и микрорезонаторов» (No гос. рег. 121030500067-5). Использован вычислительный комплекс с лицензированным ПО COMSOL ЦКП «Спектроскопия и оптика» (ИАиЭ СО РАН).
Литература
1. Foreman M.R.; Swaim J.D.; Vollmer F. Adv. Opt. Photon. 7, 168-240 (2015)
2. Matsko A.B.; Ilchenko, V.S. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 12, 3-14 (2006)
3. Gorodetsky M. L. Optical Microresonators with Giant Quality - Factor. (Fizmatlit, 2011)
