Abstract

Whispering gallery modes in cylindrical integrated optics microcavities have, for what is to our knowledge the first time, been mapped with a photon scanning tunneling microscope. Optical images were obtained with a spatial resolution of 50 nm. By combination of information on the spatial optical distributions with wavelength-dependent measurements, an unexpectedly rich variety of intracavity phenomena, such as polarization conversion and interference of copropagating and counterpropagating modes, could be directly observed. A quantitative comparison of the experimental data with computer simulations results in a comprehensive understanding of the various whispering gallery modes inside the microcavity.

© 1999 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. G. E. Keiser, Opt. Fiber Technol. 5, 3 (1999).
    [CrossRef]
  2. D. Rafizadeh, J. P. Zhang, R. C. Tiberio, and S. T. Ho, J. Lightwave Technol. 16, 1308 (1998).
    [CrossRef]
  3. J. C. Knight, N. Dubreuil, V. Sandoghdar, J. Hare, V. Lefèvre-Seguin, J. M. Raimond, and S. Haroche, Opt. Lett. 21, 698 (1996).
    [CrossRef] [PubMed]
  4. B. E. Little, S. T. Chu, H. A. Haus, J. Foresi, and J. P. Laine, J. Lightwave Technol. 16, 998 (1997).
    [CrossRef]
  5. C. Gmachl, F. Capasso, E. E. Narimanov, J. U. Nöckel, A. D. Douglas Stone, J. Faist, D. L. Sivco, and A. Y. Cho, Science 280, 1557 (1998).
    [CrossRef]
  6. A. F. J. Levi, R. E. Slusher, S. L. McCall, J. L. Glass, S. J. Pearton, and R. A. Logan, Appl. Phys. Lett. 62, 561 (1993).
    [CrossRef]
  7. F. C. Blom, D. R. van Dijk, H. J. W. M. Hoekstra, A. Driessen, and Th. J. A. Popma, Appl. Phys. Lett. 71, 747 (1997).
    [CrossRef]
  8. P. L. Gourley, Sci. Am. 278, 56 (1998).
    [CrossRef] [PubMed]
  9. A. G. Choo, H. E. Jackson, U. Thiel, G. N. De Brabander, and J. T. Boyd, Appl. Phys. Lett. 65, 947 (1994).
    [CrossRef]
  10. S. Bourzeix, J. M. Moison, F. Mignard, F. Barthe, A. C. Boccara, C. Licoppe, B. Mersali, M. Allovon, and A. Bruno, Appl. Phys. Lett. 73, 1035 (1998).
    [CrossRef]
  11. N. F. van Hulst, M. H. P. Moers, O. F. J. Noordman, R. G. Tack, F. B. Segerink, and B. Bölger, Appl. Phys. Lett. 62, 461 (1993).
    [CrossRef]
  12. E. Betzig and J. K. Trautman, Science 257, 2484 (1992).
    [CrossRef]
  13. K. Karrai and R. D. Grober, Appl. Phys. Lett. 66, 1842 (1995).
    [CrossRef]
  14. E. Betzig and R. J. Chichester, Science 262, 1422 (1993).
    [CrossRef] [PubMed]
  15. R. M. de Ridder, K. Wörhoff, A. Driessen, P. V. Lambeck, and H. Albers, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 4, 930 (1998).
    [CrossRef]

1999 (1)

G. E. Keiser, Opt. Fiber Technol. 5, 3 (1999).
[CrossRef]

1998 (5)

D. Rafizadeh, J. P. Zhang, R. C. Tiberio, and S. T. Ho, J. Lightwave Technol. 16, 1308 (1998).
[CrossRef]

C. Gmachl, F. Capasso, E. E. Narimanov, J. U. Nöckel, A. D. Douglas Stone, J. Faist, D. L. Sivco, and A. Y. Cho, Science 280, 1557 (1998).
[CrossRef]

P. L. Gourley, Sci. Am. 278, 56 (1998).
[CrossRef] [PubMed]

S. Bourzeix, J. M. Moison, F. Mignard, F. Barthe, A. C. Boccara, C. Licoppe, B. Mersali, M. Allovon, and A. Bruno, Appl. Phys. Lett. 73, 1035 (1998).
[CrossRef]

R. M. de Ridder, K. Wörhoff, A. Driessen, P. V. Lambeck, and H. Albers, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 4, 930 (1998).
[CrossRef]

1997 (2)

B. E. Little, S. T. Chu, H. A. Haus, J. Foresi, and J. P. Laine, J. Lightwave Technol. 16, 998 (1997).
[CrossRef]

F. C. Blom, D. R. van Dijk, H. J. W. M. Hoekstra, A. Driessen, and Th. J. A. Popma, Appl. Phys. Lett. 71, 747 (1997).
[CrossRef]

1996 (1)

1995 (1)

K. Karrai and R. D. Grober, Appl. Phys. Lett. 66, 1842 (1995).
[CrossRef]

1994 (1)

A. G. Choo, H. E. Jackson, U. Thiel, G. N. De Brabander, and J. T. Boyd, Appl. Phys. Lett. 65, 947 (1994).
[CrossRef]

1993 (3)

A. F. J. Levi, R. E. Slusher, S. L. McCall, J. L. Glass, S. J. Pearton, and R. A. Logan, Appl. Phys. Lett. 62, 561 (1993).
[CrossRef]

E. Betzig and R. J. Chichester, Science 262, 1422 (1993).
[CrossRef] [PubMed]

N. F. van Hulst, M. H. P. Moers, O. F. J. Noordman, R. G. Tack, F. B. Segerink, and B. Bölger, Appl. Phys. Lett. 62, 461 (1993).
[CrossRef]

1992 (1)

E. Betzig and J. K. Trautman, Science 257, 2484 (1992).
[CrossRef]

Albers, H.

R. M. de Ridder, K. Wörhoff, A. Driessen, P. V. Lambeck, and H. Albers, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 4, 930 (1998).
[CrossRef]

Allovon, M.

S. Bourzeix, J. M. Moison, F. Mignard, F. Barthe, A. C. Boccara, C. Licoppe, B. Mersali, M. Allovon, and A. Bruno, Appl. Phys. Lett. 73, 1035 (1998).
[CrossRef]

Barthe, F.

S. Bourzeix, J. M. Moison, F. Mignard, F. Barthe, A. C. Boccara, C. Licoppe, B. Mersali, M. Allovon, and A. Bruno, Appl. Phys. Lett. 73, 1035 (1998).
[CrossRef]

Betzig, E.

E. Betzig and R. J. Chichester, Science 262, 1422 (1993).
[CrossRef] [PubMed]

E. Betzig and J. K. Trautman, Science 257, 2484 (1992).
[CrossRef]

Blom, F. C.

F. C. Blom, D. R. van Dijk, H. J. W. M. Hoekstra, A. Driessen, and Th. J. A. Popma, Appl. Phys. Lett. 71, 747 (1997).
[CrossRef]

Boccara, A. C.

S. Bourzeix, J. M. Moison, F. Mignard, F. Barthe, A. C. Boccara, C. Licoppe, B. Mersali, M. Allovon, and A. Bruno, Appl. Phys. Lett. 73, 1035 (1998).
[CrossRef]

Bölger, B.

N. F. van Hulst, M. H. P. Moers, O. F. J. Noordman, R. G. Tack, F. B. Segerink, and B. Bölger, Appl. Phys. Lett. 62, 461 (1993).
[CrossRef]

Bourzeix, S.

S. Bourzeix, J. M. Moison, F. Mignard, F. Barthe, A. C. Boccara, C. Licoppe, B. Mersali, M. Allovon, and A. Bruno, Appl. Phys. Lett. 73, 1035 (1998).
[CrossRef]

Boyd, J. T.

A. G. Choo, H. E. Jackson, U. Thiel, G. N. De Brabander, and J. T. Boyd, Appl. Phys. Lett. 65, 947 (1994).
[CrossRef]

Bruno, A.

S. Bourzeix, J. M. Moison, F. Mignard, F. Barthe, A. C. Boccara, C. Licoppe, B. Mersali, M. Allovon, and A. Bruno, Appl. Phys. Lett. 73, 1035 (1998).
[CrossRef]

Capasso, F.

C. Gmachl, F. Capasso, E. E. Narimanov, J. U. Nöckel, A. D. Douglas Stone, J. Faist, D. L. Sivco, and A. Y. Cho, Science 280, 1557 (1998).
[CrossRef]

Chichester, R. J.

E. Betzig and R. J. Chichester, Science 262, 1422 (1993).
[CrossRef] [PubMed]

Cho, A. Y.

C. Gmachl, F. Capasso, E. E. Narimanov, J. U. Nöckel, A. D. Douglas Stone, J. Faist, D. L. Sivco, and A. Y. Cho, Science 280, 1557 (1998).
[CrossRef]

Choo, A. G.

A. G. Choo, H. E. Jackson, U. Thiel, G. N. De Brabander, and J. T. Boyd, Appl. Phys. Lett. 65, 947 (1994).
[CrossRef]

Chu, S. T.

De Brabander, G. N.

A. G. Choo, H. E. Jackson, U. Thiel, G. N. De Brabander, and J. T. Boyd, Appl. Phys. Lett. 65, 947 (1994).
[CrossRef]

de Ridder, R. M.

R. M. de Ridder, K. Wörhoff, A. Driessen, P. V. Lambeck, and H. Albers, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 4, 930 (1998).
[CrossRef]

Driessen, A.

R. M. de Ridder, K. Wörhoff, A. Driessen, P. V. Lambeck, and H. Albers, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 4, 930 (1998).
[CrossRef]

F. C. Blom, D. R. van Dijk, H. J. W. M. Hoekstra, A. Driessen, and Th. J. A. Popma, Appl. Phys. Lett. 71, 747 (1997).
[CrossRef]

Dubreuil, N.

Faist, J.

C. Gmachl, F. Capasso, E. E. Narimanov, J. U. Nöckel, A. D. Douglas Stone, J. Faist, D. L. Sivco, and A. Y. Cho, Science 280, 1557 (1998).
[CrossRef]

Foresi, J.

Glass, J. L.

A. F. J. Levi, R. E. Slusher, S. L. McCall, J. L. Glass, S. J. Pearton, and R. A. Logan, Appl. Phys. Lett. 62, 561 (1993).
[CrossRef]

Gmachl, C.

C. Gmachl, F. Capasso, E. E. Narimanov, J. U. Nöckel, A. D. Douglas Stone, J. Faist, D. L. Sivco, and A. Y. Cho, Science 280, 1557 (1998).
[CrossRef]

Gourley, P. L.

P. L. Gourley, Sci. Am. 278, 56 (1998).
[CrossRef] [PubMed]

Grober, R. D.

K. Karrai and R. D. Grober, Appl. Phys. Lett. 66, 1842 (1995).
[CrossRef]

Hare, J.

Haroche, S.

Haus, H. A.

Ho, S. T.

Hoekstra, H. J. W. M.

F. C. Blom, D. R. van Dijk, H. J. W. M. Hoekstra, A. Driessen, and Th. J. A. Popma, Appl. Phys. Lett. 71, 747 (1997).
[CrossRef]

Jackson, H. E.

A. G. Choo, H. E. Jackson, U. Thiel, G. N. De Brabander, and J. T. Boyd, Appl. Phys. Lett. 65, 947 (1994).
[CrossRef]

Karrai, K.

K. Karrai and R. D. Grober, Appl. Phys. Lett. 66, 1842 (1995).
[CrossRef]

Keiser, G. E.

G. E. Keiser, Opt. Fiber Technol. 5, 3 (1999).
[CrossRef]

Knight, J. C.

Laine, J. P.

Lambeck, P. V.

R. M. de Ridder, K. Wörhoff, A. Driessen, P. V. Lambeck, and H. Albers, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 4, 930 (1998).
[CrossRef]

Lefèvre-Seguin, V.

Levi, A. F. J.

A. F. J. Levi, R. E. Slusher, S. L. McCall, J. L. Glass, S. J. Pearton, and R. A. Logan, Appl. Phys. Lett. 62, 561 (1993).
[CrossRef]

Licoppe, C.

S. Bourzeix, J. M. Moison, F. Mignard, F. Barthe, A. C. Boccara, C. Licoppe, B. Mersali, M. Allovon, and A. Bruno, Appl. Phys. Lett. 73, 1035 (1998).
[CrossRef]

Little, B. E.

Logan, R. A.

A. F. J. Levi, R. E. Slusher, S. L. McCall, J. L. Glass, S. J. Pearton, and R. A. Logan, Appl. Phys. Lett. 62, 561 (1993).
[CrossRef]

McCall, S. L.

A. F. J. Levi, R. E. Slusher, S. L. McCall, J. L. Glass, S. J. Pearton, and R. A. Logan, Appl. Phys. Lett. 62, 561 (1993).
[CrossRef]

Mersali, B.

S. Bourzeix, J. M. Moison, F. Mignard, F. Barthe, A. C. Boccara, C. Licoppe, B. Mersali, M. Allovon, and A. Bruno, Appl. Phys. Lett. 73, 1035 (1998).
[CrossRef]

Mignard, F.

S. Bourzeix, J. M. Moison, F. Mignard, F. Barthe, A. C. Boccara, C. Licoppe, B. Mersali, M. Allovon, and A. Bruno, Appl. Phys. Lett. 73, 1035 (1998).
[CrossRef]

Moers, M. H. P.

N. F. van Hulst, M. H. P. Moers, O. F. J. Noordman, R. G. Tack, F. B. Segerink, and B. Bölger, Appl. Phys. Lett. 62, 461 (1993).
[CrossRef]

Moison, J. M.

S. Bourzeix, J. M. Moison, F. Mignard, F. Barthe, A. C. Boccara, C. Licoppe, B. Mersali, M. Allovon, and A. Bruno, Appl. Phys. Lett. 73, 1035 (1998).
[CrossRef]

Narimanov, E. E.

C. Gmachl, F. Capasso, E. E. Narimanov, J. U. Nöckel, A. D. Douglas Stone, J. Faist, D. L. Sivco, and A. Y. Cho, Science 280, 1557 (1998).
[CrossRef]

Nöckel, J. U.

C. Gmachl, F. Capasso, E. E. Narimanov, J. U. Nöckel, A. D. Douglas Stone, J. Faist, D. L. Sivco, and A. Y. Cho, Science 280, 1557 (1998).
[CrossRef]

Noordman, O. F. J.

N. F. van Hulst, M. H. P. Moers, O. F. J. Noordman, R. G. Tack, F. B. Segerink, and B. Bölger, Appl. Phys. Lett. 62, 461 (1993).
[CrossRef]

Pearton, S. J.

A. F. J. Levi, R. E. Slusher, S. L. McCall, J. L. Glass, S. J. Pearton, and R. A. Logan, Appl. Phys. Lett. 62, 561 (1993).
[CrossRef]

Popma, Th. J. A.

F. C. Blom, D. R. van Dijk, H. J. W. M. Hoekstra, A. Driessen, and Th. J. A. Popma, Appl. Phys. Lett. 71, 747 (1997).
[CrossRef]

Rafizadeh, D.

Raimond, J. M.

Sandoghdar, V.

Segerink, F. B.

N. F. van Hulst, M. H. P. Moers, O. F. J. Noordman, R. G. Tack, F. B. Segerink, and B. Bölger, Appl. Phys. Lett. 62, 461 (1993).
[CrossRef]

Sivco, D. L.

C. Gmachl, F. Capasso, E. E. Narimanov, J. U. Nöckel, A. D. Douglas Stone, J. Faist, D. L. Sivco, and A. Y. Cho, Science 280, 1557 (1998).
[CrossRef]

Slusher, R. E.

A. F. J. Levi, R. E. Slusher, S. L. McCall, J. L. Glass, S. J. Pearton, and R. A. Logan, Appl. Phys. Lett. 62, 561 (1993).
[CrossRef]

Stone, A. D. Douglas

C. Gmachl, F. Capasso, E. E. Narimanov, J. U. Nöckel, A. D. Douglas Stone, J. Faist, D. L. Sivco, and A. Y. Cho, Science 280, 1557 (1998).
[CrossRef]

Tack, R. G.

N. F. van Hulst, M. H. P. Moers, O. F. J. Noordman, R. G. Tack, F. B. Segerink, and B. Bölger, Appl. Phys. Lett. 62, 461 (1993).
[CrossRef]

Thiel, U.

A. G. Choo, H. E. Jackson, U. Thiel, G. N. De Brabander, and J. T. Boyd, Appl. Phys. Lett. 65, 947 (1994).
[CrossRef]

Tiberio, R. C.

Trautman, J. K.

E. Betzig and J. K. Trautman, Science 257, 2484 (1992).
[CrossRef]

van Dijk, D. R.

F. C. Blom, D. R. van Dijk, H. J. W. M. Hoekstra, A. Driessen, and Th. J. A. Popma, Appl. Phys. Lett. 71, 747 (1997).
[CrossRef]

van Hulst, N. F.

N. F. van Hulst, M. H. P. Moers, O. F. J. Noordman, R. G. Tack, F. B. Segerink, and B. Bölger, Appl. Phys. Lett. 62, 461 (1993).
[CrossRef]

Wörhoff, K.

R. M. de Ridder, K. Wörhoff, A. Driessen, P. V. Lambeck, and H. Albers, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 4, 930 (1998).
[CrossRef]

Zhang, J. P.

Appl. Phys. Lett. (6)

A. G. Choo, H. E. Jackson, U. Thiel, G. N. De Brabander, and J. T. Boyd, Appl. Phys. Lett. 65, 947 (1994).
[CrossRef]

S. Bourzeix, J. M. Moison, F. Mignard, F. Barthe, A. C. Boccara, C. Licoppe, B. Mersali, M. Allovon, and A. Bruno, Appl. Phys. Lett. 73, 1035 (1998).
[CrossRef]

N. F. van Hulst, M. H. P. Moers, O. F. J. Noordman, R. G. Tack, F. B. Segerink, and B. Bölger, Appl. Phys. Lett. 62, 461 (1993).
[CrossRef]

A. F. J. Levi, R. E. Slusher, S. L. McCall, J. L. Glass, S. J. Pearton, and R. A. Logan, Appl. Phys. Lett. 62, 561 (1993).
[CrossRef]

F. C. Blom, D. R. van Dijk, H. J. W. M. Hoekstra, A. Driessen, and Th. J. A. Popma, Appl. Phys. Lett. 71, 747 (1997).
[CrossRef]

K. Karrai and R. D. Grober, Appl. Phys. Lett. 66, 1842 (1995).
[CrossRef]

IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. (1)

R. M. de Ridder, K. Wörhoff, A. Driessen, P. V. Lambeck, and H. Albers, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 4, 930 (1998).
[CrossRef]

J. Lightwave Technol. (2)

Opt. Fiber Technol. (1)

G. E. Keiser, Opt. Fiber Technol. 5, 3 (1999).
[CrossRef]

Opt. Lett. (1)

Sci. Am. (1)

P. L. Gourley, Sci. Am. 278, 56 (1998).
[CrossRef] [PubMed]

Science (3)

E. Betzig and R. J. Chichester, Science 262, 1422 (1993).
[CrossRef] [PubMed]

C. Gmachl, F. Capasso, E. E. Narimanov, J. U. Nöckel, A. D. Douglas Stone, J. Faist, D. L. Sivco, and A. Y. Cho, Science 280, 1557 (1998).
[CrossRef]

E. Betzig and J. K. Trautman, Science 257, 2484 (1992).
[CrossRef]

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

Schematic overview of WGM’s in a cylindrical microcavity, which are probed with a PSTM. The cylindrical Si3N4 microcavity (radius, 64 µm; height, 115 nm) and a straight Si3N4 channel waveguide (step height 9 nm) are fabricated in a Si3N4SiO2 layer system on a Si substrate.13

Fig. 2
Fig. 2

PSTM images of the microcavity and the generated WGM’s. The dashed and the solid lines indicate the corresponding line profile and cavity edge, respetively. A, Topography of the Si3N4 cavity detected in shear force feedback. The line profile shows the 128µm diameter and the average height of 115 nm. The straight coupling channel is positioned at the left-hand side of the cavity. B, Photon tunneling image of a microcavity in resonance at a wavelength of 674 nm, recorded simultaneously with A. The intensity profile shows the confinement of the WGM field close to the cavity edge. C, A close look at the cavity edge (solid curve) reveals modal fields at different radial distances. Moreover, a beat pattern is observed, with a period of approximately 8 µm (arrows and line profiles). D, High-resolution photon tunneling image of a spatial beat pattern close to the cavity edge. An interference pattern with a 190-nm period is observed. The large modulation depth of the interference fringes (line profile) indicates the unique spatial sensitivity of the near-field optical probe.

Fig. 3
Fig. 3

A, Wavelength scan at the boundary of the microcavity. The white arrows in Fig. 2A indicate the position of the scan. The wavelength was varied from 648 to 678 nm in steps of 0.03 nm. B, Two line plots (spectra) at the radial positions indicated by the dotted lines in A. Each WGM has a specific FSR.

Metrics