On-chip excitation af nanodiamanter indlejret i plasmoniske bølgeledere

Kvanteemittere kan integreres i monolitiske nanoskala plasmoniske kredsløb via plasmoniske konfigurationer med lavt tab for at begrænse lys et godt stykke under diffraktionsgrænsen. I integreret kvanteplasmonik, bølgeledere baseret på overflade plasmon polariton (SPP) tilstande, der udbreder elektromagnetiske bølger langs metal-dielektriske eller metal-luft-grænseflader, er overlegne i forhold til dielektrisk-baserede (og derfor diffraktionsbegrænsede) fotoniske bølgeledere. Observationen vedrører den tilgængelige Purcell-forbedring fra indlejrede kvantemittere og den igangværende tendens mod on-chip integration og miniaturisering for at realisere optisk signalbehandling og integrerede kredsløb. Forskellige metal-dielektriske konfigurationer er blevet udviklet til stærke lys-stof-interaktioner på skalaen af ​​den enkelte foton for at understøtte udbredelsen af ​​plasmoniske tilstande begrænset ud over diffraktionsgrænsen. Ejendommen kan gøre det muligt for unikke kundeemner at designe højt integrerede fotoniske signalbehandlingssystemer, sensorer og optiske billeddannelsesteknikker med opløsning i nanoskala.

En række SPP-baserede strukturer skabt i fortiden omfatter metal nanotråde (NW), parallelle NV'er, V-riller (VG'er) og kilebølgeledere, der har demonstreret enkelt plasmon-vejledning til potentielle kvanteanvendelser. Den praktiske realisering af en sådan integreret kvantefotonik er forblevet uhåndgribelig på grund af adskillige udfordringer, inklusive høje udbredelsestab af SPP-tilstande og den begrænsede kontrol på enkelte kvanteemittere. For nylig, undersøgelser har nanofabrikeret lavt tab, dielektrisk-belastede SPP-bølgeledere (DLSPPW'er) struktureret på en sølvfilm til simple kvanteplasmoniske kredsløb sammensat af indlejrede nanodiamanter med nitrogen-tomgangscentre.

Skriver nu ind Lysvidenskab og applikationer , Hamidreza Siampour og kolleger har taget et skridt fremad inden for integreret kvanteplasmonik ved at demonstrere on-chip kobling mellem en enkelt fotonkilde og plasmonisk bølgeleder. I tilgangen fysikerne konstruerede en nanodiamant med et germanium ledigt (GeV) center, der udsender enkelte fotoner, indlejret i en plasmonisk bølgeleder sammensat af dielektrisk hydrogensilsesquioxan (HSQ) på toppen af ​​et lag sølv fremstillet ved hjælp af elektronstrålelitografi. Når et grønt laserlys (532 nm) blev koblet til den ene ende af bølgelederen via gitterkoblinger for at forplante sig til nanodiamanten, det begejstrede GeV-centret, som udsendte en enkelt foton, der koblede sig ind i bølgelederens plasmontilstand. I arbejdet, forskerne opnåede lange bølgeledertransmissionslængder (33 µm) og effektiv kobling (56 procent) for at åbne nye veje i udviklingen af ​​chip-baserede kvantekredsløb.

Undersøgelsen var den første, der detaljerede syntesen og karakteriseringen af ​​GeV nanodiamanterne. Nanodiamanterne blev fremstillet ved hjælp af højtryk, høj temperatur (HPHT) metode; Ge blev introduceret under vækstprocessen for at inkorporere enkelte GeV-centre. Forskerne foreslog og demonstrerede en hybrid tilgang til nanofabrikation ved hjælp af DLSPPW struktureret på enkelt sølv (Ag) krystaller, der betydeligt sænkede SPP-dæmpningshastigheder, sammenlignet med Ag-film fremstillet ved andre teknikker. Metoden lettede tilstrækkelig lang SPP-udbredelse ved excitations- og emissionsbølgelængderne af GeV-centre i nanodiamanter inkorporeret i en plasmonisk chip.

Strukturen af ​​den syntetiske GeV nano og mikrodiamanter blev observeret i råprøven ved hjælp af scanningselektronmikroskopi (SEM) og transmissionselektronmikroskopi (TEM). Syntetiske nanodiamanter blev spin-coatet på Ag-coatede siliciumwafers og scannet med konfokal fluorescensmikroskopi. Målte data indikerede ultralyse, spektralt smalle og stabile enkeltfotonkilder baseret på enkelte GeV-centre i nanodiamanterne, velegnet til højt integrerede kredsløb. Polarisationsegenskaberne for GeV nanodiamanter blev målt ved hjælp af en analysator i detektionsvejen for at bestemme projektionen af ​​enkeltfotoner udsendt på overfladeplanet. Dataene målt for en enkelt GeV nanodiamant passer til modelpolarisationsegenskaberne for diamantfarvecentre baseret på gruppe-IV-elementer i det periodiske system (f.eks. silicium-tomgang SiV, germanium-ledig stilling GeV, og tin-ledig stilling SnV).

Den observerede kapacitet til enkelt-foton emission i diamant nanokrystaller kan muliggøre hybride kvante-plasmoniske systemer, der kan lette ekstern excitation af GeV-centrene inkorporeret i en plasmonisk chip. Siampour et al. demonstrerede elegant den effektive langdistancelevering af GeV-DLSPPW-systemet sammenlignet med andre hybride kvanteplasmoniske systemer. Et exceptionelt merittal (FOM) på 180 blev afsløret i undersøgelsen på grund af en ~seks gange Purcell-forøgelse, 56 procent koblingseffektivitet og ~33 µm transmissionslængde ved en bølgelængde ( λ ) på 602 nm.

Elektronstrålelitografi blev brugt til at fremstille bølgelederne med HSQ-resist på Ag-coatede substrater for at indeholde nanodiamanterne med enkelte GeV-centre - tilføjet via kontrolleret placering i enheden. Teknologien gav ~30 nm præcision i placeringen, forbedret via observationer med SEM-billeddannelse, begrænset af størrelsen af ​​nanodiamanter, som kunne fremstilles ned til 1 nm ved hjælp af eksisterende diamant syntetisk teknologi. Den fremstillede bølgeleder blev visualiseret med atomkraftmikroskopi (AFM) og med et charge coupled device (CCD) kamera efter nanodiamant-excitation via en grøn pumpelaser.

Derudover forfatterne brugte en enkelt krystallinsk Ag-flage i stedet for Ag-film til signifikant at øge DLSPPW-udbredelseslængden. Grønt laserlys, der transmitteres gennem DLSPPW-tilstanden, blev optisk karakteriseret som polarisering langs bølgelederaksen. Transmission blev målt for flere bølgeledere af varierende længde for at vise ekstraordinære udbredelseslængder (~11,8 µm) for det grønne laserlys gennem DLSPPW med lavt tab.

Ved at bruge en lignende opsætning, forskerne fortsatte med at demonstrere og bekræfte ekstern excitation af GeV-centret koblet til DLSPPW-tilstanden. Efterfølgende GeV-henfaldshastigheden blev simuleret ved hjælp af finite element-modellering (FEM)-metoden, og en henfaldshastighed på op til fire gange blev forudsagt for et GeV-center i bølgelederen sammenlignet med dets emission i vakuum. Systemet viste overlegen ydeevne sammenlignet med tidligere demonstrerede systemer, den observerede Purcell-faktor kan forbedres yderligere i fremtidige undersøgelser ved at bruge et dielektrikum med større brydningsindeks, såsom titaniumdioxid (TiO) ₂ ).

Undersøgelsen åbner vejen for at integrere en excitationslaser, kvanteemitter og plasmonisk kredsløb på den samme chip. Tidligere strategier har vist påvisning af enkelte plasmoner og to-plasmon interferens på en chip. Ved at kombinere alle tre teknologier på en enkelt chip, Forfatterne forestiller sig, at det vil være muligt at integrere alle elementer i et kvanteplasmonisk kredsløb på en chip i den nærmeste fremtid.

© 2018 Phys.org