棘轮形光学微腔的模式、耦合及三维特性研究

The microcavity without circular symmetry, which is called the asymmetric microcavity, couples with the external environment efficiently without the help of near field coupler. It has wide application and research value in the application and the basic theory, such as low threshold lasers, integrated optical circle, biochemical sensing, and cavity quantum electrodynamics, quantum chaos. In this project, conventional numerical analysis methods, such as Poincare Surface of Section, manifold, the boundary element method, and the finite element method, will be used. In addition, we will modify the boundary element method for investigating the problem of free space coupling of the ratchet- shaped microcavity. This project aims at the theoretical and the numerical study on the ratchet-shaped microcavity. The ratchet-shaped micro disk will be designed and optimized. Then, new properties of the chirality of the mode will be studied. The coupling efficiency of the free space coupling of the ratchet-shaped microcavity will be investigated. The mechanics of the coupling will be discussed. We will simulate the actual three-dimensional ratchet-shaped microcavity and design the side wall shape for controlling the far field angle of the emission light.The study is important in understanding of the nature of the ratchet-shaped microcavity, enhancing the coupling efficiency of the ratchet-shaped microcavity, and optimizing the three-dimensional emission angle. And at the same time it will promote the development of the theory of mode coupling and the high dimensional ray dynamics.

具有非圆对称边界形状的光学微腔，即非对称微腔，不必借助近场耦合器件就能与环境发生能量交换，在低阈值激光器、集成光路、生化传感等应用领域和腔量子电动力学、量子混沌等基础理论领域中有广泛的应用前景和研究价值。本项目拟针对一种新的非对称微腔，即无轴对称性的棘轮腔，开展如下理论和数值模拟研究：用常规的庞加莱相图、流形（manifold）分析、边界元方法、有限元方法等数值分析手段设计优化棘轮形微盘腔，研究腔内模式的手征性；利用改进边界元方法研究自由空间的光耦合进入棘轮腔的效率问题，探究光与微腔耦合的物理机制；并针对实际情况，模拟实验中的三维棘轮腔，设计优化腔侧壁曲线，实现对远场立体发射角的控制。该研究对全面认识棘轮腔的性质，提高棘轮腔的耦合效率，优化立体发射角有重要意义，同时将推动微腔模式耦合理论和高维光线动力学理论的发展。

非对称微腔不必借助近场耦合器件就能与外界发生有效的能量交换，因此在低阈值激光器、集成光路、生化传感等应用领域和腔量子电动力学、量子混沌等基础理论领域中有广泛的应用前景和研究价值。项目主要研究一种新的非对称微腔，即无轴对称性的棘轮（手征）腔，开展如下理论和数值模拟研究：用常规的庞加莱相图、流形分析、边界元方法、有限元方法等数值分析手段设计优化手征微盘腔，研究腔内模式的手征性；利用改进边界元方法研究自由空间的光耦合进入非对称腔的效率问题，探究光与微腔耦合的物理机制；并针对实际情况，设计新的三维腔，研究光的三维局域化。对于打破微腔旋转对称性得到解简并的正反转模式这个问题，我们开发出受激布里渊散射法和模式间非对称耦合法两种新方法。并且开发出腔形优化方案、腔模数值求解方法来提高腔的性能。对微腔如何进行耦合，怎样有效耦合，我们做的工作包括：对微腔的自由空间耦合进行理论和数值模拟研究；提出垂直波导耦合方案；研究了变形腔的长距离耦合。此外对微腔的时域耦合特性进行研究提出微腔瞬态传感的概念；对微腔进行调谐同样可以用于增强微腔间的耦合。另外，我们还积极开展新腔形设计和三维腔的研究。提出一种截面呈蝴蝶结形的介质材料三维纳米腔，将这种尖端增强结构推广到介质波导中。研究成果中的环路器可用于片上光信息处理，自由空间的耦合理论和数值模拟结果可为相关实验提供依据，腔形优化方案和边界元数值模拟修正可用在各种腔形设计中，垂直耦合器在复杂的集成光路中具应用前景，三微腔的研究为腔量子电动力学和低阈值等离子体激光器的研究提供基础。总之，项目发展新的方法从多方面深入研究非对称手征腔，推动了微腔领域的发展，为微腔的应用打下基础。