Published July 26, 2018
| Version v1
Publication
Open
High-contrast switching and high-efficiency extracting for spontaneous emission based on tunable gap surface plasmon
Creators
- 1. Collaborative Innovation Center of Quantum Matter
- 2. Peking University
- 3. Shanxi University
- 4. Pennsylvania State University
Description
Controlling spontaneous emission at optical scale lies in the heart of ultracompact quantum photonic devices, such as on-chip single photon sources, nanolasers and nanophotonic detectors. However, achiving a large modulation of fluorescence intensity and guiding the emitted photons into low-loss nanophotonic structures remain rather challenging issue. Here, using the liquid crystal-tuned gap surface plasmon, we theoretically demonstrate both a high-contrast switching of the spontaneous emission and high-efficiency extraction of the photons with a specially-designed tunable surface plasmon nanostructures. Through varying the refractive index of liquid crystal, the local electromagnetic field of the gap surface plasmon can be greatly modulated, thereby leading to the swithching of the spontaneous emission of the emitter placed at the nanoscale gap. By optimizing the material and geometrical parameters, the total decay rate can be changed from 103γ0 to 8750γ0, [γ0 is the spontaneous emission rate in vacuum] with the contrast ratio of 85. Further more, in the design also enables propagation of the emitted photons along the low-loss phase-matched nanofibers with a collection efficiency of more than 40%. The proposal provides a novel mechanism for simultaneously switching and extracting the spontaneous emitted photons in hybrid photonic nanostructures, propelling the implementation in on-chip tunable quantum devices.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
يقع التحكم في الانبعاث التلقائي على نطاق بصري في قلب الأجهزة الضوئية الكمومية المدمجة للغاية، مثل مصادر الفوتون الأحادي على الرقاقة، وأجهزة الليزر النانوية، وأجهزة الكشف عن النانو الضوئية. ومع ذلك، فإن تحقيق تعديل كبير لشدة الفلورة وتوجيه الفوتونات المنبعثة إلى هياكل ضوئية نانوية منخفضة الخسارة لا يزال يمثل مشكلة صعبة إلى حد ما. هنا، باستخدام البلازمون السطحي الفاصل المضبوط بالكريستال السائل، نوضح نظريًا كلاً من التبديل عالي التباين للانبعاثات التلقائية والاستخلاص عالي الكفاءة للفوتونات باستخدام هياكل نانوية بلازمونية سطحية قابلة للضبط مصممة خصيصًا. من خلال تغيير معامل الانكسار للبلورة السائلة، يمكن تعديل المجال الكهرومغناطيسي المحلي للبلازمون السطحي للفجوة بشكل كبير، مما يؤدي إلى تبديل الانبعاث التلقائي للباعث الموضوع عند فجوة المقياس النانوي. من خلال تحسين المعلمات المادية والهندسية، يمكن تغيير معدل الاضمحلال الكلي من 103 γ 0 إلى 8750 γ 0، [γ 0 هو معدل الانبعاث التلقائي في الفراغ] مع نسبة التباين 85. علاوة على ذلك، يتيح التصميم أيضًا انتشار الفوتونات المنبعثة على طول الألياف النانوية ذات الطور المنخفض الخسارة بكفاءة تجميع تزيد عن 40 ٪. يوفر الاقتراح آلية جديدة للتبديل والاستخراج المتزامن للفوتونات المنبعثة تلقائيًا في الهياكل النانوية الفوتونية الهجينة، مما يدفع التنفيذ في الأجهزة الكمومية القابلة للضبط على الرقاقة.Translated Description (French)
Le contrôle de l'émission spontanée à l'échelle optique est au cœur des dispositifs photoniques quantiques ultra-compacts, tels que les sources de photons uniques sur puce, les nanolasers et les détecteurs nanophotoniques. Cependant, obtenir une grande modulation de l'intensité de fluorescence et guider les photons émis dans des structures nanophotoniques à faible perte reste un problème plutôt difficile. Ici, en utilisant le plasmon de surface de l'espace accordé par les cristaux liquides, nous démontrons théoriquement à la fois une commutation à contraste élevé de l'émission spontanée et une extraction à haut rendement des photons avec des nanostructures de plasmon de surface accordables spécialement conçues. En faisant varier l'indice de réfraction des cristaux liquides, le champ électromagnétique local du plasmon de surface de l'entrefer peut être fortement modulé, conduisant ainsi à l'oscillation de l'émission spontanée de l'émetteur placé au niveau de l'entrefer à l'échelle nanométrique. En optimisant le matériau et les paramètres géométriques, le taux de désintégration total peut être changé de 103γ0 à 8750γ0, [γ0 est le taux d'émission spontanée dans le vide] avec le rapport de contraste de 85. En outre, dans la conception, permet également la propagation des photons émis le long des nanofibres à phase adaptée à faible perte avec une efficacité de collecte de plus de 40 %. La proposition fournit un nouveau mécanisme pour commuter et extraire simultanément les photons émis spontanément dans des nanostructures photoniques hybrides, propulsant la mise en œuvre dans des dispositifs quantiques réglables sur puce.Translated Description (Spanish)
El control de la emisión espontánea a escala óptica se encuentra en el corazón de los dispositivos fotónicos cuánticos ultracompactos, como las fuentes de fotones individuales en chip, los nanoláseres y los detectores nanofotónicos. Sin embargo, lograr una gran modulación de la intensidad de fluorescencia y guiar los fotones emitidos hacia estructuras nanofotónicas de baja pérdida sigue siendo un problema bastante difícil. Aquí, utilizando el plasmón de superficie de hueco sintonizado de cristal líquido, teóricamente demostramos tanto una conmutación de alto contraste de la emisión espontánea como una extracción de alta eficiencia de los fotones con nanoestructuras de plasmón de superficie sintonizables especialmente diseñadas. A través de la variación del índice de refracción del cristal líquido, el campo electromagnético local del plasmón de la superficie del espacio puede modularse en gran medida, lo que conduce a la conmutación de la emisión espontánea del emisor colocado en el espacio a nanoescala. Al optimizar los parámetros materiales y geométricos, la tasa de desintegración total se puede cambiar de 103γ0 a 8750γ0, [γ0 es la tasa de emisión espontánea en vacío] con la relación de contraste de 85. Además, en el diseño también permite la propagación de los fotones emitidos a lo largo de las nanofibras de fase coincidente de baja pérdida con una eficiencia de recolección de más del 40%. La propuesta proporciona un mecanismo novedoso para conmutar y extraer simultáneamente los fotones emitidos espontáneamente en nanoestructuras fotónicas híbridas, impulsando la implementación en dispositivos cuánticos sintonizables en chip.Files
s41598-018-29624-y.pdf.pdf
Files
(3.2 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:98baecdf10c9f8d3ddcc2e0890bd1c71
|
3.2 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- تبديل عالي التباين واستخراج عالي الكفاءة للانبعاثات التلقائية بناءً على بلازمون سطح فجوة قابل للضبط
- Translated title (French)
- Commutation à contraste élevé et extraction à haut rendement pour une émission spontanée basée sur un plasmon de surface d'entrefer accordable
- Translated title (Spanish)
- Conmutación de alto contraste y extracción de alta eficiencia para la emisión espontánea basada en plasmones de superficie de hueco sintonizables
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W2882997601
- DOI
- 10.1038/s41598-018-29624-y
References
- https://openalex.org/W1586100809
- https://openalex.org/W1620538313
- https://openalex.org/W1788986006
- https://openalex.org/W1966513995
- https://openalex.org/W1966533239
- https://openalex.org/W1968225927
- https://openalex.org/W1969373528
- https://openalex.org/W1973514388
- https://openalex.org/W1973795078
- https://openalex.org/W1978906881
- https://openalex.org/W1983718136
- https://openalex.org/W1984251057
- https://openalex.org/W2000884742
- https://openalex.org/W2001597879
- https://openalex.org/W2002232913
- https://openalex.org/W2005392446
- https://openalex.org/W2009933701
- https://openalex.org/W2012352105
- https://openalex.org/W2014950254
- https://openalex.org/W2018658742
- https://openalex.org/W2025340588
- https://openalex.org/W2033428839
- https://openalex.org/W2033670590
- https://openalex.org/W2040383424
- https://openalex.org/W2056892594
- https://openalex.org/W2058874525
- https://openalex.org/W2060079110
- https://openalex.org/W2068288021
- https://openalex.org/W2069015247
- https://openalex.org/W2070008931
- https://openalex.org/W2080395605
- https://openalex.org/W2083926174
- https://openalex.org/W2087244145
- https://openalex.org/W2087264210
- https://openalex.org/W2087295443
- https://openalex.org/W2088915729
- https://openalex.org/W2092105345
- https://openalex.org/W2097596407
- https://openalex.org/W2099563223
- https://openalex.org/W2099778617
- https://openalex.org/W2108174640
- https://openalex.org/W2111491444
- https://openalex.org/W2121031741
- https://openalex.org/W2121725095
- https://openalex.org/W2123676362
- https://openalex.org/W2127967372
- https://openalex.org/W2140782011
- https://openalex.org/W2142169688
- https://openalex.org/W2143714060
- https://openalex.org/W2145375372
- https://openalex.org/W2152891913
- https://openalex.org/W2157055089
- https://openalex.org/W2163142987
- https://openalex.org/W2170541282
- https://openalex.org/W2288351543
- https://openalex.org/W2289716747
- https://openalex.org/W2317420495
- https://openalex.org/W2323849798
- https://openalex.org/W2327847271
- https://openalex.org/W2333852630
- https://openalex.org/W2587198671
- https://openalex.org/W2588508788
- https://openalex.org/W2594546544
- https://openalex.org/W267852085
- https://openalex.org/W2768807907
- https://openalex.org/W3100429291
- https://openalex.org/W4236965194
- https://openalex.org/W4254820076
- https://openalex.org/W593311953
- https://openalex.org/W787563647