Abstract

Micrometer-scale optical cavities are produced by a combination of template sphere self-assembly and electrochemical growth. Transmission measurements of the tunable microcavities show sharp resonant modes with Q factors of >300 and 25-fold local enhancement of light intensity. The presence of transverse optical modes confirms the lateral confinement of photons. Calculations show that submicrometer mode volumes are feasible. The small mode volumes of these microcavities promise to lead to a wide range of applications in microlasers, atom optics, quantum information, biophotonics, and single-molecule detection.

© 2004 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. A. E. Seigman, Lasers (University Science, Mill Valley, Calif., 1986).
  2. H. M. Gibbs, F. Jahnke, M. Kira, and S. W. Koch, Rev. Mod. Phys. 71, 1591 (1999).
  3. H. Saito, K. Nishi, I. Ogura, S. Sugou, and Y. Sugimoto, Appl. Phys. Lett. 69, 3140 (1996).
  4. E. Yablonovitch, Phys. Rev. Lett. 58, 2059 (1987).
    [PubMed]
  5. J. M. Gérard, D. Barrier, J. Y. Marzin, R. Kuszelewicz, L. Manin, E. Costard, V. Thierry-Mieg, and T. Rivera, Appl. Phys. Lett. 69, 449 (1996).
  6. J. M. Gerard and B. Gayral, J. Lightwave Technol. 17, 2089 (1999).
  7. J. U. Nockel, G. Bourdon, E. Le Ru, R. Adams, I. Robert, J. M. Moison, and I. Abram, Phys. Rev. E 62, 8677 (2000).
  8. R. A. Abram, S. Brand, M. A. Kaliteevski, and V. V. Nikolaev, Phys. Status Solidi A 183, 183 (2001).
  9. R. Jia, D.-S. Jiang, P.-H. Tan, and B.-Q. Sun, Appl. Phys. Lett. 79, 153 (2001).
  10. J. L. Jewell, A. Scherer, S. L. McCall, Y. H. Lee, S. Walker, J. P. Harbison, and L. T. Florez, Electron. Lett. 25, 1123 (1989).
  11. K. L. Lear and E. D. Jones, MRS Bull. 27, 497 (2002).
    [CrossRef]
  12. P. N. Bartlett, P. R. Birkin, and M. A. Ghanem, Chem. Commun. 2000, 1671.
  13. S. Coyle, G. V. Prakash, J. J. Baumberg, M. Abdelsalam, and P. N. Bartlett, Appl. Phys. Lett. 83, 767 (2003).
    [CrossRef]
  14. V. G. Chavez, K. V. Sepulveda, S. C. Cerda, W. Sibbett, and K. Dholakial, Phys. Rev. A 66, 63402 (2002).
    [CrossRef]
  15. P. A. Hobson, W. L. Barnes, D. G. Lidzey, G. A. Gehring, D. M. Whittaker, M. S. Skolnick, and S. Walker, Appl. Phys. Lett. 81, 3519 (2002).
    [CrossRef]

2003 (1)

S. Coyle, G. V. Prakash, J. J. Baumberg, M. Abdelsalam, and P. N. Bartlett, Appl. Phys. Lett. 83, 767 (2003).
[CrossRef]

2002 (3)

V. G. Chavez, K. V. Sepulveda, S. C. Cerda, W. Sibbett, and K. Dholakial, Phys. Rev. A 66, 63402 (2002).
[CrossRef]

P. A. Hobson, W. L. Barnes, D. G. Lidzey, G. A. Gehring, D. M. Whittaker, M. S. Skolnick, and S. Walker, Appl. Phys. Lett. 81, 3519 (2002).
[CrossRef]

K. L. Lear and E. D. Jones, MRS Bull. 27, 497 (2002).
[CrossRef]

2001 (2)

R. A. Abram, S. Brand, M. A. Kaliteevski, and V. V. Nikolaev, Phys. Status Solidi A 183, 183 (2001).

R. Jia, D.-S. Jiang, P.-H. Tan, and B.-Q. Sun, Appl. Phys. Lett. 79, 153 (2001).

2000 (1)

J. U. Nockel, G. Bourdon, E. Le Ru, R. Adams, I. Robert, J. M. Moison, and I. Abram, Phys. Rev. E 62, 8677 (2000).

1999 (2)

H. M. Gibbs, F. Jahnke, M. Kira, and S. W. Koch, Rev. Mod. Phys. 71, 1591 (1999).

J. M. Gerard and B. Gayral, J. Lightwave Technol. 17, 2089 (1999).

1996 (2)

J. M. Gérard, D. Barrier, J. Y. Marzin, R. Kuszelewicz, L. Manin, E. Costard, V. Thierry-Mieg, and T. Rivera, Appl. Phys. Lett. 69, 449 (1996).

H. Saito, K. Nishi, I. Ogura, S. Sugou, and Y. Sugimoto, Appl. Phys. Lett. 69, 3140 (1996).

1989 (1)

J. L. Jewell, A. Scherer, S. L. McCall, Y. H. Lee, S. Walker, J. P. Harbison, and L. T. Florez, Electron. Lett. 25, 1123 (1989).

1987 (1)

E. Yablonovitch, Phys. Rev. Lett. 58, 2059 (1987).
[PubMed]

Abdelsalam, M.

S. Coyle, G. V. Prakash, J. J. Baumberg, M. Abdelsalam, and P. N. Bartlett, Appl. Phys. Lett. 83, 767 (2003).
[CrossRef]

Abram, I.

J. U. Nockel, G. Bourdon, E. Le Ru, R. Adams, I. Robert, J. M. Moison, and I. Abram, Phys. Rev. E 62, 8677 (2000).

Abram, R. A.

R. A. Abram, S. Brand, M. A. Kaliteevski, and V. V. Nikolaev, Phys. Status Solidi A 183, 183 (2001).

Adams, R.

J. U. Nockel, G. Bourdon, E. Le Ru, R. Adams, I. Robert, J. M. Moison, and I. Abram, Phys. Rev. E 62, 8677 (2000).

Barnes, W. L.

P. A. Hobson, W. L. Barnes, D. G. Lidzey, G. A. Gehring, D. M. Whittaker, M. S. Skolnick, and S. Walker, Appl. Phys. Lett. 81, 3519 (2002).
[CrossRef]

Barrier, D.

J. M. Gérard, D. Barrier, J. Y. Marzin, R. Kuszelewicz, L. Manin, E. Costard, V. Thierry-Mieg, and T. Rivera, Appl. Phys. Lett. 69, 449 (1996).

Bartlett, P. N.

S. Coyle, G. V. Prakash, J. J. Baumberg, M. Abdelsalam, and P. N. Bartlett, Appl. Phys. Lett. 83, 767 (2003).
[CrossRef]

P. N. Bartlett, P. R. Birkin, and M. A. Ghanem, Chem. Commun. 2000, 1671.

Baumberg, J. J.

S. Coyle, G. V. Prakash, J. J. Baumberg, M. Abdelsalam, and P. N. Bartlett, Appl. Phys. Lett. 83, 767 (2003).
[CrossRef]

Birkin, P. R.

P. N. Bartlett, P. R. Birkin, and M. A. Ghanem, Chem. Commun. 2000, 1671.

Bourdon, G.

J. U. Nockel, G. Bourdon, E. Le Ru, R. Adams, I. Robert, J. M. Moison, and I. Abram, Phys. Rev. E 62, 8677 (2000).

Brand, S.

R. A. Abram, S. Brand, M. A. Kaliteevski, and V. V. Nikolaev, Phys. Status Solidi A 183, 183 (2001).

Cerda, S. C.

V. G. Chavez, K. V. Sepulveda, S. C. Cerda, W. Sibbett, and K. Dholakial, Phys. Rev. A 66, 63402 (2002).
[CrossRef]

Chavez, V. G.

V. G. Chavez, K. V. Sepulveda, S. C. Cerda, W. Sibbett, and K. Dholakial, Phys. Rev. A 66, 63402 (2002).
[CrossRef]

Costard, E.

J. M. Gérard, D. Barrier, J. Y. Marzin, R. Kuszelewicz, L. Manin, E. Costard, V. Thierry-Mieg, and T. Rivera, Appl. Phys. Lett. 69, 449 (1996).

Coyle, S.

S. Coyle, G. V. Prakash, J. J. Baumberg, M. Abdelsalam, and P. N. Bartlett, Appl. Phys. Lett. 83, 767 (2003).
[CrossRef]

Dholakial, K.

V. G. Chavez, K. V. Sepulveda, S. C. Cerda, W. Sibbett, and K. Dholakial, Phys. Rev. A 66, 63402 (2002).
[CrossRef]

Florez, L. T.

J. L. Jewell, A. Scherer, S. L. McCall, Y. H. Lee, S. Walker, J. P. Harbison, and L. T. Florez, Electron. Lett. 25, 1123 (1989).

Gayral, B.

Gehring, G. A.

P. A. Hobson, W. L. Barnes, D. G. Lidzey, G. A. Gehring, D. M. Whittaker, M. S. Skolnick, and S. Walker, Appl. Phys. Lett. 81, 3519 (2002).
[CrossRef]

Gerard, J. M.

Gérard, J. M.

J. M. Gérard, D. Barrier, J. Y. Marzin, R. Kuszelewicz, L. Manin, E. Costard, V. Thierry-Mieg, and T. Rivera, Appl. Phys. Lett. 69, 449 (1996).

Ghanem, M. A.

P. N. Bartlett, P. R. Birkin, and M. A. Ghanem, Chem. Commun. 2000, 1671.

Gibbs, H. M.

H. M. Gibbs, F. Jahnke, M. Kira, and S. W. Koch, Rev. Mod. Phys. 71, 1591 (1999).

Harbison, J. P.

J. L. Jewell, A. Scherer, S. L. McCall, Y. H. Lee, S. Walker, J. P. Harbison, and L. T. Florez, Electron. Lett. 25, 1123 (1989).

Hobson, P. A.

P. A. Hobson, W. L. Barnes, D. G. Lidzey, G. A. Gehring, D. M. Whittaker, M. S. Skolnick, and S. Walker, Appl. Phys. Lett. 81, 3519 (2002).
[CrossRef]

Jahnke, F.

H. M. Gibbs, F. Jahnke, M. Kira, and S. W. Koch, Rev. Mod. Phys. 71, 1591 (1999).

Jewell, J. L.

J. L. Jewell, A. Scherer, S. L. McCall, Y. H. Lee, S. Walker, J. P. Harbison, and L. T. Florez, Electron. Lett. 25, 1123 (1989).

Jia, R.

R. Jia, D.-S. Jiang, P.-H. Tan, and B.-Q. Sun, Appl. Phys. Lett. 79, 153 (2001).

Jiang, D.-S.

R. Jia, D.-S. Jiang, P.-H. Tan, and B.-Q. Sun, Appl. Phys. Lett. 79, 153 (2001).

Jones, E. D.

K. L. Lear and E. D. Jones, MRS Bull. 27, 497 (2002).
[CrossRef]

Kaliteevski, M. A.

R. A. Abram, S. Brand, M. A. Kaliteevski, and V. V. Nikolaev, Phys. Status Solidi A 183, 183 (2001).

Kira, M.

H. M. Gibbs, F. Jahnke, M. Kira, and S. W. Koch, Rev. Mod. Phys. 71, 1591 (1999).

Koch, S. W.

H. M. Gibbs, F. Jahnke, M. Kira, and S. W. Koch, Rev. Mod. Phys. 71, 1591 (1999).

Kuszelewicz, R.

J. M. Gérard, D. Barrier, J. Y. Marzin, R. Kuszelewicz, L. Manin, E. Costard, V. Thierry-Mieg, and T. Rivera, Appl. Phys. Lett. 69, 449 (1996).

Le Ru, E.

J. U. Nockel, G. Bourdon, E. Le Ru, R. Adams, I. Robert, J. M. Moison, and I. Abram, Phys. Rev. E 62, 8677 (2000).

Lear, K. L.

K. L. Lear and E. D. Jones, MRS Bull. 27, 497 (2002).
[CrossRef]

Lee, Y. H.

J. L. Jewell, A. Scherer, S. L. McCall, Y. H. Lee, S. Walker, J. P. Harbison, and L. T. Florez, Electron. Lett. 25, 1123 (1989).

Lidzey, D. G.

P. A. Hobson, W. L. Barnes, D. G. Lidzey, G. A. Gehring, D. M. Whittaker, M. S. Skolnick, and S. Walker, Appl. Phys. Lett. 81, 3519 (2002).
[CrossRef]

Manin, L.

J. M. Gérard, D. Barrier, J. Y. Marzin, R. Kuszelewicz, L. Manin, E. Costard, V. Thierry-Mieg, and T. Rivera, Appl. Phys. Lett. 69, 449 (1996).

Marzin, J. Y.

J. M. Gérard, D. Barrier, J. Y. Marzin, R. Kuszelewicz, L. Manin, E. Costard, V. Thierry-Mieg, and T. Rivera, Appl. Phys. Lett. 69, 449 (1996).

McCall, S. L.

J. L. Jewell, A. Scherer, S. L. McCall, Y. H. Lee, S. Walker, J. P. Harbison, and L. T. Florez, Electron. Lett. 25, 1123 (1989).

Moison, J. M.

J. U. Nockel, G. Bourdon, E. Le Ru, R. Adams, I. Robert, J. M. Moison, and I. Abram, Phys. Rev. E 62, 8677 (2000).

Nikolaev, V. V.

R. A. Abram, S. Brand, M. A. Kaliteevski, and V. V. Nikolaev, Phys. Status Solidi A 183, 183 (2001).

Nishi, K.

H. Saito, K. Nishi, I. Ogura, S. Sugou, and Y. Sugimoto, Appl. Phys. Lett. 69, 3140 (1996).

Nockel, J. U.

J. U. Nockel, G. Bourdon, E. Le Ru, R. Adams, I. Robert, J. M. Moison, and I. Abram, Phys. Rev. E 62, 8677 (2000).

Ogura, I.

H. Saito, K. Nishi, I. Ogura, S. Sugou, and Y. Sugimoto, Appl. Phys. Lett. 69, 3140 (1996).

Prakash, G. V.

S. Coyle, G. V. Prakash, J. J. Baumberg, M. Abdelsalam, and P. N. Bartlett, Appl. Phys. Lett. 83, 767 (2003).
[CrossRef]

Rivera, T.

J. M. Gérard, D. Barrier, J. Y. Marzin, R. Kuszelewicz, L. Manin, E. Costard, V. Thierry-Mieg, and T. Rivera, Appl. Phys. Lett. 69, 449 (1996).

Robert, I.

J. U. Nockel, G. Bourdon, E. Le Ru, R. Adams, I. Robert, J. M. Moison, and I. Abram, Phys. Rev. E 62, 8677 (2000).

Saito, H.

H. Saito, K. Nishi, I. Ogura, S. Sugou, and Y. Sugimoto, Appl. Phys. Lett. 69, 3140 (1996).

Scherer, A.

J. L. Jewell, A. Scherer, S. L. McCall, Y. H. Lee, S. Walker, J. P. Harbison, and L. T. Florez, Electron. Lett. 25, 1123 (1989).

Seigman, A. E.

A. E. Seigman, Lasers (University Science, Mill Valley, Calif., 1986).

Sepulveda, K. V.

V. G. Chavez, K. V. Sepulveda, S. C. Cerda, W. Sibbett, and K. Dholakial, Phys. Rev. A 66, 63402 (2002).
[CrossRef]

Sibbett, W.

V. G. Chavez, K. V. Sepulveda, S. C. Cerda, W. Sibbett, and K. Dholakial, Phys. Rev. A 66, 63402 (2002).
[CrossRef]

Skolnick, M. S.

P. A. Hobson, W. L. Barnes, D. G. Lidzey, G. A. Gehring, D. M. Whittaker, M. S. Skolnick, and S. Walker, Appl. Phys. Lett. 81, 3519 (2002).
[CrossRef]

Sugimoto, Y.

H. Saito, K. Nishi, I. Ogura, S. Sugou, and Y. Sugimoto, Appl. Phys. Lett. 69, 3140 (1996).

Sugou, S.

H. Saito, K. Nishi, I. Ogura, S. Sugou, and Y. Sugimoto, Appl. Phys. Lett. 69, 3140 (1996).

Sun, B.-Q.

R. Jia, D.-S. Jiang, P.-H. Tan, and B.-Q. Sun, Appl. Phys. Lett. 79, 153 (2001).

Tan, P.-H.

R. Jia, D.-S. Jiang, P.-H. Tan, and B.-Q. Sun, Appl. Phys. Lett. 79, 153 (2001).

Thierry-Mieg, V.

J. M. Gérard, D. Barrier, J. Y. Marzin, R. Kuszelewicz, L. Manin, E. Costard, V. Thierry-Mieg, and T. Rivera, Appl. Phys. Lett. 69, 449 (1996).

Walker, S.

P. A. Hobson, W. L. Barnes, D. G. Lidzey, G. A. Gehring, D. M. Whittaker, M. S. Skolnick, and S. Walker, Appl. Phys. Lett. 81, 3519 (2002).
[CrossRef]

J. L. Jewell, A. Scherer, S. L. McCall, Y. H. Lee, S. Walker, J. P. Harbison, and L. T. Florez, Electron. Lett. 25, 1123 (1989).

Whittaker, D. M.

P. A. Hobson, W. L. Barnes, D. G. Lidzey, G. A. Gehring, D. M. Whittaker, M. S. Skolnick, and S. Walker, Appl. Phys. Lett. 81, 3519 (2002).
[CrossRef]

Yablonovitch, E.

E. Yablonovitch, Phys. Rev. Lett. 58, 2059 (1987).
[PubMed]

Appl. Phys. Lett. (5)

R. Jia, D.-S. Jiang, P.-H. Tan, and B.-Q. Sun, Appl. Phys. Lett. 79, 153 (2001).

S. Coyle, G. V. Prakash, J. J. Baumberg, M. Abdelsalam, and P. N. Bartlett, Appl. Phys. Lett. 83, 767 (2003).
[CrossRef]

P. A. Hobson, W. L. Barnes, D. G. Lidzey, G. A. Gehring, D. M. Whittaker, M. S. Skolnick, and S. Walker, Appl. Phys. Lett. 81, 3519 (2002).
[CrossRef]

H. Saito, K. Nishi, I. Ogura, S. Sugou, and Y. Sugimoto, Appl. Phys. Lett. 69, 3140 (1996).

J. M. Gérard, D. Barrier, J. Y. Marzin, R. Kuszelewicz, L. Manin, E. Costard, V. Thierry-Mieg, and T. Rivera, Appl. Phys. Lett. 69, 449 (1996).

Chem. Commun. (1)

P. N. Bartlett, P. R. Birkin, and M. A. Ghanem, Chem. Commun. 2000, 1671.

Electron. Lett. (1)

J. L. Jewell, A. Scherer, S. L. McCall, Y. H. Lee, S. Walker, J. P. Harbison, and L. T. Florez, Electron. Lett. 25, 1123 (1989).

J. Lightwave Technol. (1)

MRS Bull. (1)

K. L. Lear and E. D. Jones, MRS Bull. 27, 497 (2002).
[CrossRef]

Phys. Rev. A (1)

V. G. Chavez, K. V. Sepulveda, S. C. Cerda, W. Sibbett, and K. Dholakial, Phys. Rev. A 66, 63402 (2002).
[CrossRef]

Phys. Rev. E (1)

J. U. Nockel, G. Bourdon, E. Le Ru, R. Adams, I. Robert, J. M. Moison, and I. Abram, Phys. Rev. E 62, 8677 (2000).

Phys. Rev. Lett. (1)

E. Yablonovitch, Phys. Rev. Lett. 58, 2059 (1987).
[PubMed]

Phys. Status Solidi A (1)

R. A. Abram, S. Brand, M. A. Kaliteevski, and V. V. Nikolaev, Phys. Status Solidi A 183, 183 (2001).

Rev. Mod. Phys. (1)

H. M. Gibbs, F. Jahnke, M. Kira, and S. W. Koch, Rev. Mod. Phys. 71, 1591 (1999).

Other (1)

A. E. Seigman, Lasers (University Science, Mill Valley, Calif., 1986).

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (3)

Fig. 1
Fig. 1

Typical A, SEM and B, optical microscope images of spherical micromirrors (R=10 µm). C, Microcavity design. ITO, indium tin oxide.

Fig. 2
Fig. 2

A, Transmission spectra for confocal cavity length L7.9 µm, R=10 µm, with increasing lateral X position. B, Transmission spectra of the same cavity (intensity on a log scale) versus lateral fiber Y position at X=0. Crosses mark the predicted positions of the transverse modes collected by the fiber core. C, Optical field profiles for the fiber and the first four Laguerre–Gauss modes of the R=10 µm confocal cavity with p=0. D, Calculated field distribution in a spherical confocal microcavity on resonance; R=880 nm, L=704 nm. ITO, indium tin oxide; SM, single mode.

Fig. 3
Fig. 3

A, Longitudinal cavity mode separations for planar and confocal cavities (the line shows the prediction from Gaussian optics). B, Transverse mode separation versus cavity length. C, Peak cavity transmission versus cavity length (●, confocal cavities; , planar cavities). D, Cavity finesse versus cavity length for planar (*) and confocal with one () and two (●, ) transverse modes.

Equations (1)

Equations on this page are rendered with MathJax. Learn more.

ωnpl=cLπn-θAu+2p+l+1tan-1LR-L1/2,

Metrics