Kwantumstralers kunnen worden geïntegreerd in monolithische plasmonische circuits op nanoschaal via plasmonconfiguraties met weinig verlies om licht ruim onder de diffractielimiet te beperken. In geïntegreerde kwantumplasmonica, golfgeleiders op basis van oppervlakteplasmonpolariton (SPP) -modi die elektromagnetische golven voortplanten langs metaal-diëlektrische of metaal-lucht-interfaces zijn superieur aan op diëlektrische gebaseerde (en daarom diffractiebeperkte) fotonische golfgeleiders. De observatie heeft betrekking op de beschikbare Purcell-verbetering van ingebedde kwantumstralers en de aanhoudende trend naar integratie en miniaturisatie op de chip om optische signaalverwerking en geïntegreerde schakelingen te realiseren. Er zijn verschillende metaal-diëlektrische configuraties ontwikkeld voor sterke interacties tussen licht en materie op de schaal van het enkele foton om de voortplanting van plasmonische modi te ondersteunen die zich buiten de diffractielimiet bevinden. Het pand kan unieke prospects in staat stellen om sterk geïntegreerde fotonische signaalverwerkingssystemen te ontwerpen, sensoren en optische beeldvormingstechnieken met resolutie op nanoschaal.

Een verscheidenheid aan op SPP gebaseerde structuren die in het verleden zijn gemaakt, zijn onder meer metalen nanodraden (NW), parallelle NW's, V-groeven (VG's) en wiggolfgeleiders die een enkele plasmongeleiding hebben aangetoond voor potentiële kwantumtoepassingen. De praktische realisatie van dergelijke geïntegreerde kwantumfotonica is ongrijpbaar gebleven vanwege verschillende uitdagingen, inclusief hoge voortplantingsverliezen van SPP-modi en de beperkte controle op enkele kwantumstralers. Recenter, studies hebben nano-gefabriceerde low-loss, diëlektrisch geladen SPP-golfgeleiders (DLSPPW's) gestructureerd op een zilveren film voor eenvoudige kwantumplasmonische circuits bestaande uit ingebedde nanodiamanten met stikstof-vacaturecentra.

Nu aan het schrijven Lichtwetenschap en toepassingen , Hamidreza Siampour en collega's hebben een stap voorwaarts gezet op het gebied van geïntegreerde kwantumplasmonica door on-chip koppeling tussen een enkele fotonenbron en plasmonische golfgeleider aan te tonen. Bij de aanpak de natuurkundigen ontwikkelden een nanodiamant met een germaniumvacature (GeV) -centrum dat enkele fotonen uitstraalt, ingebed in een plasmonische golfgeleider bestaande uit diëlektrische waterstofsilsesquioxaan (HSQ) bovenop een laag zilver vervaardigd met behulp van elektronenstraallithografie. Toen een groen laserlicht (532 nm) via roosterkoppelingen aan het ene uiteinde van de golfgeleider werd gekoppeld om zich naar de nanodiamant te verspreiden, het maakte het GeV-centrum opgewonden, die een enkel foton uitzond dat in de plasmonmodus van de golfgeleider werd gekoppeld. In productie, de onderzoekers bereikten lange transmissielengtes van golfgeleiders (33 µm) en efficiënte koppeling (56 procent) om nieuwe wegen te openen in de ontwikkeling van op chips gebaseerde kwantumschakelingen.

De studie was de eerste om de synthese en karakterisering van de GeV-nanodiamanten in detail te beschrijven. De nanodiamanten werden geproduceerd met behulp van de hogedruk, hoge temperatuur (HPHT) methode; Ge werd tijdens het groeiproces geïntroduceerd om afzonderlijke GeV-centra op te nemen. De wetenschappers hebben een hybride benadering voor nanofabricage voorgesteld en gedemonstreerd met behulp van DLSPPW gestructureerd op enkele zilveren (Ag) kristallen die de SPP-dempingssnelheden aanzienlijk verlaagden, vergeleken met Ag-films die met andere technieken zijn vervaardigd. De methode maakte een voldoende lange SPP-voortplanting mogelijk bij de excitatie- en emissiegolflengten van GeV-centra in nanodiamanten die zijn opgenomen in een plasmonische chip.

De structuur van de synthetische GeV-nano en microdiamanten werd waargenomen in het ruwe monster met behulp van scanning-elektronenmicroscopie (SEM) en transmissie-elektronenmicroscopie (TEM). Synthetische nanodiamanten werden spin-gecoat op Ag-gecoate siliciumwafels en gescand met confocale fluorescentiemicroscopie. Gemeten gegevens gaven ultrahelder, spectraal smalle en stabiele enkele fotonbronnen op basis van enkele GeV-centra in de nanodiamanten, geschikt voor sterk geïntegreerde schakelingen. De polarisatiekenmerken van de GeV-nanodiamanten werden gemeten met behulp van een analysator in het detectiepad om de projectie van enkele fotonen te bepalen die op het oppervlaktevlak werden uitgezonden. De gegevens die zijn gemeten voor een enkele GeV-nanodiamant passen in de polarisatiekenmerken van het model van diamantkleurcentra op basis van groep-IV-elementen in het periodiek systeem (bijv. Silicium-vacature SiV, germanium-vacature GeV, en tin-vacature SnV).

De waargenomen capaciteit voor emissie van één foton in diamantnanokristallen kan hybride kwantumplasmonische systemen mogelijk maken die op afstand excitatie van de GeV-centra die in een plasmonische chip zijn opgenomen, kunnen vergemakkelijken. Siampour et al. demonstreerde op elegante wijze de efficiënte levering op lange afstand van het GeV-DLSPPW-systeem in vergelijking met andere hybride kwantumplasmonische systemen. Een uitzonderlijke prestatie (FOM) van 180 werd onthuld in de studie als gevolg van een ~ zesvoudige Purcell-verbetering, 56 procent koppelingsefficiëntie en ~33 µm transmissielengte bij een golflengte ( λ ) van 602 nm.

Elektronenbundellithografie werd gebruikt om de golfgeleiders met HSQ-resist op Ag-gecoate substraten te fabriceren om de nanodiamanten met enkele GeV-centra te bevatten - toegevoegd via gecontroleerde plaatsing in het apparaat. De technologie zorgde voor een nauwkeurigheid van ~30 nm bij plaatsing, verbeterd via observaties met SEM-beeldvorming, beperkt door de grootte van nanodiamanten, die kunnen worden vervaardigd tot op 1 nm met behulp van bestaande diamantsynthetische technologie. De gefabriceerde golfgeleider werd gevisualiseerd met atomaire krachtmicroscopie (AFM) en met een ladingsgekoppelde apparaat (CCD) camera na nanodiamantexcitatie via een groene pomplaser.

Aanvullend, de auteurs gebruikten een enkele kristallijne Ag-vlok in plaats van Ag-film om de DLSPPW-propagatielengte aanzienlijk te verbeteren. Groen laserlicht dat door de DLSPPW-modus werd uitgezonden, werd optisch gekarakteriseerd als polarisatie langs de golfgeleideras. Transmissie werd gemeten voor verschillende golfgeleiders van verschillende lengtes om buitengewone voortplantingslengtes (~ 11,8 m) voor het groene laserlicht door de verliesarme DLSPPW te laten zien.

Met een vergelijkbare opstelling, de wetenschappers gingen verder met het demonstreren en bevestigen van externe excitatie van het GeV-centrum gekoppeld aan de DLSPPW-modus. Vervolgens, de GeV-vervalsnelheid werd gesimuleerd met behulp van de eindige-elementenmodelleringsmethode (FEM) en een vervalsnelheid van maximaal vier keer werd voorspeld voor een GeV-centrum in de golfgeleider in vergelijking met de emissie in vacuüm. Het systeem vertoonde superieure prestaties in vergelijking met eerder gedemonstreerde systemen, de waargenomen Purcell-factor kan in toekomstige studies verder worden verbeterd door een groter brekingsindexdiëlektricum te gebruiken, zoals titaniumdioxide (TiO ₂ ).

De studie opent de weg om een ​​excitatielaser te integreren, kwantumzender en plasmoncircuit op dezelfde chip. Eerdere strategieën hebben de detectie van enkelvoudige plasmonen en twee-plasmoninterferentie op een chip aangetoond. Door alle drie de technologieën op één chip te combineren, de auteurs voorzien dat het in de nabije toekomst mogelijk zal zijn om alle elementen van een kwantumplasmonische schakeling op een chip te integreren.

© 2018 Fys.org