Распространение и локализация света в фотонных микроструктурах

• Автор: Калитеевский, Михаил Алексеевич
• Шифр специальности: 01.04.10
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 300 с. : ил.

Глава 1. Микрорезонаторы и связанные микрорезонаторы с квантовыми ямами
1.1 Введение
1.2 Фарадеевское вращение плоскости поляризации света в микрорезонаторах.
1.3 Объёмные поляритоны в микрорезонаторах.
1.4 Связанные микрорезонаторы.
1.5 Взаимодействие экситонных и фотонных состояний в связанных микрорезонаторах с квантовыми ямами.
1.6 Взаимодействие экситонов квантовых ямах с экспоненциально затухающей электромагнитной волной.
1.7 Метод матриц переноса для сред с квадратичной нелинейностью
1.8 Применения брэгговской интерференции для зонной инженерии - надбарьерная локализация экситонов
Глава 2. Цилиндрические и сферические микрорезонаторы
2.1 Введение
2.2 Метод матриц переноса для цилиндрических волн. Цилиндрический брэгговский отражатель и микрорезонатор.
2.3 Расчет модовой структуры многослойных оптических волокон на основе матриц переноса матриц переноса для цилиндрических волн
2.4 Взаимодействие одномерных экситонных и фотонных состояний в цилиндрических микрорезонаторах с квантовыми проводами.
2.5 Метод матриц переноса для сферических волн. Сферический брэгговский отражатель и микрорезонатор.
2.6 Взаимодействие нульмерных экситонных и фотонных состояний в сферических микрорезонаторах с квантовыми точками.
Глава 3. Влияние разупорядочения на свойства фотонных кристаллов
3.1 Введение
3.2 Статистика собственных состояний и оптические свойства одномерных разупорядоченных фотонных кристаллов
3.3 Распространение света в двумерных фотонных кристаллах с полной и неполной фотонной запрещенной зоной.
3.4 Митлзоны в спектрах фотонных кристаллов.
3.5 Люминесценция в разупорядоченных фотонных криталлах.

Глава 4. Фотонные квазикристаллы
4.1 Введение
4.2 Оптические свойспгва и спектр оптических мод решёток Фибоначчи. Метод наклонных зон.
4.3 Двумерные фотонные квазикристаллы. Дифракция света. Появление фотонных запрещенных зон.
Заключение
Список публикаций, включенных в диссертацию Список цитированной литературы

Актуальность темы
Всякое оптоэлектронное устройство основано на взаимодействии двух подсистем -электронной и фотонной - и поэтому для принципиального улучшения свойств оптоэлектронных приборов необходимо обеспечить такую модовую и пространственную структуру электромагнитного поля, которая бы обеспечивала взаимодействие света с веществом наиболее эффективным для того или иного прибора образом.
Эта задача может быть решена путем применения фотонных микроструктур (в частности, фотонных кристаллов), построенных из элементов, характерные размеры которых порядка длины волны света. Фотонные микроструктуры могут быть использованы для управления скоростью спонтанной эмиссии фотонов и управления потоком света [1,2].
Фотонные кристаллы (ФК) представляют собой структуры, в которых показатель преломления периодически модулирован в одном, двух или трех направлениях. Брэгговская дифракция блоховских фотонных состояний на краю зоны Бриллюэна приводит к появлению фотонных запрещенных зон (ФЗЗ) - интервалов частот, в пределах которых свет, распространяющийся в определенных направлениях, экспоненциально затухает. При этом свет, падающий на фотонный кристалл извне, полностью отражается. Энергетическая ширина и размер телесного угла, соответствующий ФЗЗ, определяется глубиной модуляции показателя преломления. В случае, когда ФЗЗ имеет место только для определенных направлений (неполная ФЗЗ, стоп-зона), плотность фотонных мод уменьшается, но остается конечной. В случае полной ФЗЗ, когда распространение света запрещено во всех направлениях, плотность фотонных мод обращается в ноль. Следует отметить, что эмиссия фотона, частота и направление которого соответствует ФЗЗ, невозможна. Таким образом, ФК могут быть использованы для подавления спонтанной эмиссии.
Простейшим, одномерным образцом ФК является брэгговский отражатель -периодическая последовательность пар слоев четвертьволновой толщины. Изменение плотности фотонных мод вследствие периодической модуляции показателя преломления -появление «брэгговской щели» в плотности фотонных состояний - было впервые использовано для создания лазера с распределенной обратной связью [3, 4]. В таких лазерах генерация осуществляется на частотах, близких к краям запрещенной зоны. В лазере с распределенной обратной связью амплитуда модуляции показателя преломления крайне мала и составляет 1СГ2 - 103, соответственно ширина ФЗЗ порядка нескольких мэВ. В брэгговских отражателях, получаемых эпитаксиальными методами либо напылением тонких пленок, контраст показателей преломления может быть достаточно высок, и относительная ширина ФЗЗ может достигать 50%.
Alo.35Gao.65As и Al0.10Ga0.90As с показателями преломления 2.98 и 3.515, соответственно. Показатель преломления подложки п/ =3.64. Свет падает из вакуума (га0 =1). Для того
чтобы продемонстрировать дискретный экситонный спектр, позволяющий различить особенность, соответствующую продольному поляритону, будем использовать приведенную массу экситона М = 0.07/ис, что на порядок меньше, чем реальное значение приведенной массы экситона в ваАв.
Для анализа влияния каждого экситонного резонанса на спектр отражения необходимо проанализировать интегралы перекрытия профиля экситонной составляющей диэлектрической поляризации и профиля электрического поля оптической моды микрорезонатора. Как следует из граничных условий Пекара (1.3.7), экситонная составляющая диэлектрической поляризации всегда имеет узлы на границах полости микрорезонатора. Электрическое поле оптической моды мшсрорезонатора имеет на границах полости как узлы, так и пучности (как и в случае рассматриваемого модельного микрорезонатора). С полем оптической моды МР взаимодействуют только размерноквантованные поляритонные состояния одинаковой с ней четности. В рассматриваемом случае, когда электрическое поле оптической моды МР имеет пучности на границах полуволновой полости, то взаимодействовать с ней могут только поляритоны, с четными индексами размерного квантования: N=2, 4, 6,
На рисунке 1.3.2 показаны спектры отражения света ТЕ и ТМ поляризации от микрорезонатора для угла падения света 55°, когда оптическая мода микрорезонатора находится в резонансе с размерно-квантованным экситонным состоянием с индексом N = 2. В обоих случаях, в полосе отражения появляются серия минимумов, являющихся следствием взаимодействия оптической моды резонатора и объемного экситона, размерноквантованного в полости микрорезонатора.
Сравнивая спектры ТЕ и ТМ поляризованного света, можно заметить, что в ТМ поляризации появляется дополнительный провал на частоте 1.517 эВ, являющийся проявлением продольного поляритона (Ь -поляритона), образующегося в результате взаимодействия экситона с индексом N = 2 и ТМ поляризованного света. Возбуждение этого поляритона может осуществляться световой волной, у которой компонента электрического поля перпендикулярная границе раздела сред отлична от нуля.
На рисунке 1.3.3 показаны энергии поляритонных резонансов в спектрах отражения от микрорезонатора, как функция угла падения света для ТЕ - поляризованного (треугольники) и ТМ- поляризованного света (сплошные линии). Такие зависимости могут рассматриваться как дисперсионные кривые поляритонов в микрорезонаторах и могут быть