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Proposal and numerical study of ultra-compact active hybrid plasmonic resonator for sub-wavelength lasing applications

机译：用于亚波长激光应用的超紧凑有源混合等离子体谐振器的建议和数值研究

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摘要

We design an ultra-compact active hybrid plasmonic ring resonator for lasing applications at deep sub-wavelength scale. The combined contributions of hybrid plasmonic mode, circular-shaped cross section of nanowire, and ring resonator structure with round-trip whispering-gallery cavity, benefit reduced metallic absorption loss, tight mode confinement, enhanced cavity feedback, achieving high quality factor (Q), small mode volume (V), high Purcell factor (Fp), low threshold gain (Gth), and ultra-small footprint with sub-micron size. The performance dependence on the geometrical parameters, including gap height (Hg), cross section radius (Rc), and ring radius (Rr), are comprehensively analyzed, showing high Q factor of 1650 (Hg = 30 nm, Rc = 100 nm, Rr = 800 nm), ultra-small mode volume of 0.0022 μm3 (Hg = 5 nm, Rc = 100 nm, Rr = 800 nm), cut off of all photonic modes for pure plasmonic mode lasing with Rc<70 nm (Hg = 10 nm, Rr = 800 nm), maximum Purcell factor of 813 and minimum threshold gain of 1407 cm−1 (Hg = 5 nm, Rc = 50 nm, Rr = 400 nm). The general design rules of the presented hybrid plasmonic ring resonator provide the potential to further extend ultra-compact sub-micron lasing applications (i.e. different lasing wavelength band) with proper choice of gain materials and geometric structures.
机译：我们设计了一种超紧凑的有源混合等离子体激元环形谐振器，用于深亚波长范围的激光应用。混合等离子体激元模式，纳米线的圆形横截面以及具有往返耳语回音壁空腔的环形谐振器结构的综合贡献，有利于减少金属吸收损耗，严格的模式限制，增强的空腔反馈，实现高品质因数（Q） ，小模式体积（V），高赛尔因数（Fp），低阈值增益（Gth）和亚微米尺寸的超小尺寸。对包括间隙高度（Hg），截面半径（Rc）和环半径（Rr）在内的几何参数的性能依赖性进行了综合分析，显示出1650的高Q值（Hg = 30 nm，Rc = 100 nm， Rr = 800 nm），0.0022μm 3 的超小模式体积（Hg = 5 nm，Rc = 100 nm，Rr = 800 nm），切断了所有光子模式的纯等离子体激射Rc <70 nm（Hg = 10 nm ，Rr = 800 nm），最大珀塞尔系数为813，最小阈值增益为1407 cm -1 （ Hg = 5 nm， Rc = 50 nm， R r = 400 nm）。提出的混合等离子体激元谐振器的一般设计规则提供了通过适当选择增益材料和几何结构来进一步扩展超紧凑亚微米激光应用（即不同的激光波长带）的潜力。

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