Моделирование однонаправленного излучения микродисковых резонаторов с отверстиями методом Галеркина с точно вычисляемыми матричными элементами

Моделирование однонаправленного излучения микродисковых резонаторов с отверстиями методом Галеркина с точно вычисляемыми матричными элементами

Автор: Кетов Илья Владимирович, Спиридонов Александр Олегович, Репина Анна Игоревна, Карчевский Евгений Михайлович

Журнал: Программные системы: теория и приложения @programmnye-sistemy

Рубрика: Искусственный интеллект, интеллектуальные системы, нейронные сети

Статья в выпуске: 3 (54) т.13, 2022 года.

Бесплатный доступ

Мы исследуем влияние круглого отверстия в двумерном микроволновом лазере, имеющем форму микродиска, на частоту, направленность и порог генерации излучения мод шепчущей галереи, с помощью программного комплекса, основанного на системе интегральных уравнений и численного метода её решения, который гарантированно сходится. Мы демонстрируем, что небольшое круглое отверстие может значительно усилить направленность излучения, сохранив низкими пороги генерации, если показатель преломления достаточно велик и расположение отверстия выбрано правильно. Местоположение отверстия должно быть близко к области, где тот же однородный микродисковый лазер, возбужденный плоской волной, демонстрирует широкополосную фокусировку в виде горячей точки, называемой фотонной струей.

Еще

Программный комплекс, метод галеркина, микродисковый лазер

Короткий адрес: https://sciup.org/143179397

IDR: 143179397   |   DOI: 10.25209/2079-3316-2022-13-3-113-137

Список литературы Моделирование однонаправленного излучения микродисковых резонаторов с отверстиями методом Галеркина с точно вычисляемыми матричными элементами

  • Heifetz A., Kong S. -C., Sahakian A. V., Taflove A., Backman V. Photonic nanojets // Journal of Computational and Theoretical Nanoscience.– 2009.– Vol. 6.– No. 9.– pp. 1979–1992. https://doi.org/10.1166/jctn.2009.1254
  • Luk’yanchuk B. S., Paniagua-Dominguez R., Minin I., Minin O., Wang Z. Refractive index less than two: photonic nanojets yesterday, today and tomorrow // Optical Materials Express.– 2017.– Vol. 7.– No. 6.– pp. 1820–1847. https://doi.org/10.1364/OME.7.001820
  • Bekefi G., Farnell G. W. A homogeneous dielectric sphere as a microwave lens // Canadian Journal of Physics.– 1956.– Vol. 34.– No. 8.– pp. 790–803. https://doi.org/10.1139/p56-089
  • Boriskin A. V., Nosich A. I. Whispering-gallery and Luneburg-lens effects in a beam-fed circularly layered dielectric cylinder // IEEE Transactions on Antennas and Propagation.– 2002.– Vol. 50.– No. 9.– pp. 1245–1249. https://doi.org/10.1109/TAP.2002.801270
  • Dukhopelnykov S. V., Lucido M., Sauleau R., Nosich A. I. Circular dielectric rod with conformal strip of graphene as tunable terahertz antenna: interplay of inverse electromagnetic jet, whispering gallery and plasmon effects // IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics.– 2021.– Vol. 27.– No. 1.– 4600908. https://doi.org/10.1109/JSTQE.2020.3022420
  • He L., Ozdemir S. K., Yang L. Whispering gallery microcavity lasers // Laser and Photonics Reviews.– 2013.– Vol. 7.– No. 1.– pp. 60–82. https://doi.org/10.1002/lpor.201100032
  • Wiersig J., Hentschel M. Combining directional light output and ultralow loss in deformed microdisks // Physical Review Letters.– 2008.– Vol. 100.– No. 3.– 033901. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.100.033901
  • Smotrova E. I., Tsvirkun V., Gozhyk I., Lafargue C., Ulysse C., Lebental M., Nosich A. I. Spectra, thresholds, and modal fields of a kite-shaped microcavity laser // Journal of the Optical Society of America B.– 2013.– Vol. 30.– No. 7.– pp. 1732–1742. https://doi.org/10.1364/JOSAB.30.001732
  • Hentschel M., Kwon T. -Y. Designing and understanding directional emission from spiral microlasers // Optics Letters.– 2009.– Vol. 34.– No. 2.– pp. 163-165. https://doi.org/10.1364/OL.34.000163
  • Zhang S., Li Y., Hu P., Li A., Zhang Y., Du W., Du M., Li Q., Yun F. Unidirectional emission of GaN-based eccentric microring laser with low threshold // Optics Express.– 2020.– Vol. 28.– No. 5.– pp. 6443–6451. https://doi.org/10.1364/OE.386453
  • Smotrova E. I., Byelobrov V. O., Benson T. M., J. ˇCtyrok´y, Sauleau R., Nosich A. I. Optical theorem helps understand thresholds of lasing in microcavities with active regions // IEEE Journal of Quantum Electronics.– 2011.– Vol. 47.– No. 1.– pp. 20–30. https://doi.org/10.1109/JQE.2010.2055836
  • Shapoval O. V., Kobayashi K., Nosich A. I. Electromagnetic engineering of a single-mode nanolaser on a metal plasmonic strip placed into a circular quantum wire // IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics.– 2017.– Vol. 23.– No. 6.– 1501609. https://doi.org/10.1109/JSTQE.2017.2718658
  • Oktyabrskaya A. O., Repina A. I., Spiridonov A. O., Karchevskii E. M., Nosich A. I. Numerical modeling of in-threshold modes of eccentric-ring microcavity lasers using the Muller integral equations and the trigonometric Galerkin method // Optics Communications.– 2020.– Vol. 476.– 126311. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2020.126311
  • Spiridonov A. O., Karchevskii E. M., Nosich A. I. Symmetry accounting in the integral-equation analysis of lasing eigenvalue problems for two-dimensional optical microcavities // Journal of the Optical Society of America B.– 2017.– Vol. 34.– No. 7.– pp. 1435–1443. https://doi.org/10.1364/JOSAB.34.001435
  • Репина А. И. Сходимость метода Галеркина решения нелинейной задачи о собственных модах микродисковых лазеров, Учен. зап. Казан. ун-та. Сер. Физ.-матем. науки.– т. 163.– №1, Казань: Изд-во Казанского ун-та.– 2021.– с. 5–20. https://doi.org/10.26907/2541-7746.2021.1.5-20
  • Spiridonov A. O., Oktyabrskaya A., Karchevskii E. M., Nosich A. I. Mathematical and numerical analysis of the generalized complex-frequency eigenvalue problem for 2-D optical microcavities // SIAM Journal on Applied Mathematics.– 2020.– Vol. 80.– No. 4.– pp. 1977–1988. https://doi.org/10.1137/19M1261882
  • Spiridonov A. O., Repina A. I., Ketov I. V., Solov’ev S. I., Karchevskii E. M. Exponentially convergent Galerkin method for numerical modeling of lasing in microcavities with piercing holes // Axioms.– Vol. 10.– pp. 184. https://doi.org/10.3390/axioms10030184
  • Repina A. I., Ketov I. V., Oktyabrskaya A. O., Spiridonov A. O., Karchevskii E.M. Enhanced directionality of emission of the on-threshold modes of a high refractive index microdisk laser due to a small piercing hole // Proceedings of the 2021 IEEE 3rd Ukrainian Conference on Electrical and Computer Engineering, UKRCON 2021 (5–8 July, 2021, Lviv, Ukraine).– pp. 96–99. https://doi.org/10.1109/UKRCON53503.2021.9575674
  • Kress R., Colton D. Integral Equation Methods in Scattering Theory, Classics in Applied Mathematics.– New York: SIAM.– 2013.– ISBN 978-1-611973-15-0.– 290 pp. https://doi.org/10.1137Uh/t1Rt.p9L7s:8/1/6e1p1u9b7s3.1si6a7m.org/doi/pdf/10.1137/1.9781611973167.fm
  • Repina A. I., Oktyabrskaya A. O., Spiridonov A. O., Ketov I. V., Karchevskii E. M. Trade-off between threshold gain and directionality of emission for modes of two-dimensional eccentric microring lasers analysed using lasing eigenvalue problem // IET Microwaves, Antennas and Propagation .– 2021.– Vol. 15.– No. 10.– pp. 1133–1146. https://doi.org/10.1049/mia2.12103
  • Wiersig J. Formation of long-lived, scarlike modes near avoided resonance crossings in optical microcavities // Physical Review Letters.– 2007.– Vol. 97.– No. 25.– 253901.– 4 pp. https://doi.org/10.1103/PHYSREVLETT.97.253901
  • Wiersig J., Hentschel M. Unidirectional light emission from high-Q modes in optical microcavities // Physical Review A.– 2005.– Vol. 73.– No. 3.– 031802(R). https://doi.org/10.1103/PhysRevA.73.031802
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp