Spherical Bragg Resonators for Advanced Electromagnetic Emission Engineering and Lasing Applications

Les résonateurs optiques et les microcavités dotés d'un facteur de qualité (Q) élevé et d'un petit volume modal V ont récemment suscité une attention considérable. Ces cavités permettent une interaction améliorée entre l'émetteur de lumière et le mode de cavité à Q élevé, entraînant des modifications notables dans le processus d'émission spontanée. Cela a notamment favorisé le développement de sources de photons uniques et de lasers sans seuil. L'obtention d'un Q élevé dans les microcavités est généralement réalisée par réflexion interne totale. Par exemple, la confinement par réflexion interne totale dans des microsphères de silice peut générer des modes de galerie de diffusion avec des facteurs de qualité pouvant atteindre 10!. Cependant, la réflexion interne totale impose des contraintes sur la taille de telles cavités, les limitant généralement à quelques dizaines de microns ou plus. Par conséquent, la grande taille de la cavité réduit la force de couplage entre l'émetteur de lumière et le mode optique à Q élevé. En revanche, l'utilisation de cavités de défaut dans des cristaux photoniques, basées sur des réflexions de Bragg, offre une solution à ce problème en créant des cavités à Q élevé de tailles plus petites. Les micropiliers semi-conducteurs représentent un exemple de cavités optiques confinées par Bragg, où la réflexion de Bragg confine la lumière dans une dimension, tandis que la réflexion interne totale accomplit la même chose dans les deux autres dimensions. Un autre exemple concerne les structures de défaut dans les cristaux photoniques bidimensionnels (2D), où l'effet de bande interdite photonique 2D est utilisé pour obtenir un confinement de Bragg dans le plan bidimensionnel, avec une réflexion interne totale qui confine les photons dans la troisième dimension. En tenant compte de ces facteurs, un concept intéressant consiste à créer des résonateurs de Bragg sphériquement symétriques avec une géométrie de type oignon. Cette conception vise à obtenir un confinement de Bragg omnidirectionnel approprié de la lumière, combinant ainsi un facteur de qualité élevé avec une dimension spatiale de la cavité de quelques microns. Par conséquent, cela permet de modifier de manière significative le processus d'émission spontanée à l'intérieur de telles cavités. Une proposition préliminaire concerne une structure périodique dans des coordonnées sphériques, en utilisant une sphère multicouche.

Abstract

Optical resonators and microcavities with a high quality (Q) factor and a small modal volume V have recently garnered significant attention. These cavities enable enhanced interaction between the light emitter and the high Q cavity mode, leading to notable modifications in the spontaneous emission process. This, in turn, has facilitated the development of single photon sources and threshold-less lasers. The attainment of high Q in microcavities is commonly achieved through total internal reflection. For instance, confinement via total internal reflection in silica microspheres can generate whispering-gallery modes with quality factors as high as 10!. However, total internal reflection imposes constraints on the size of such cavities, typically limiting them to tens of microns or larger. Consequently, the large size of the cavity diminishes the coupling between the light emitter and the high-Q optical mode. On the other hand, using defect cavities in photonic crystals, based on Bragg reflections, offers a solution to this problem by creating high Q cavities with smaller sizes. Semiconductor micropillars represent an example of Bragg-confined optical cavities, where Bragg reflection confines light in one dimension, while total internal reflection accomplishes the same in the other two dimensions. Another example involves defect structures in two-dimensional (2D) photonic crystals, where the 2D photonic band gap effect is employed to obtain Bragg confinement in the 2D plane, with total internal reflection confining photons in the third dimension. Considering these factors, an intriguing concept involves the creation of spherically symmetric Bragg resonators with an onion-like geometry. This design aims to achieve proper omnidirectional Bragg confinement of light, thereby combining a high factor with a cavity spatial dimension of a few microns. Consequently, it allows for significantly altering the spontaneous emission process within such cavities. A preliminary proposal involves a periodic structure in spherical coordinates, employing a multilayered sphere. By ensuring that the optical thickness of the layers, alternating between high and low refractive indices, is a quarter wavelength, photons can be confined three-dimensionally inside the core sphere. However, there are only a limited number of published works on experimental studies exploring the performance of these devices, and the envisioned potential applications still need to be demonstrated.