Advanced Optical Materials:片上集成纳米能源器件——纳米光学开关控制量子发射器选择性激发

集成纳米光/热器件的出现和发展为微纳尺度能量输运、近场热辐射控制、先进能源技术等提供了新的可能。亚波长的表面等离激元微纳结构可以将光或热辐射波压缩在纳米尺度空间,从而极大增强了光和物质的相互作用,提升了近场能量的传输效率。量子发射器是量子通信、量子计算等领域中的核心器件,利用微纳光学结构对光的灵活调控性能将纳米光子芯片与量子发射器进行集成则可以在微纳尺度对含能器件进行主动调控,同时为复杂多功能的集成量子光学芯片的开发提供新的思路。

自旋-轨道耦合最初是凝聚态物理中描述电子动态的一个基本效应,近些年有研究人员提出光子的自旋-轨道耦合效应,特别是在纳米尺度,由于表面等离激元的出现能够进一步增强该耦合效应。已有的研究发现通过设计球形等金属纳米结构能够在红外波段实现光子轨迹的弯曲和入射光左右旋圆偏振的对应关联。然而依然缺乏在可见光波段实现将不同偏振光定向耦合的特殊结构,同时如何将量子发射器集成在相应的纳米光学环路中也是需要解决的技术难题。

上海交通大学赵长颖教授课题组和合作者基于光子的自旋-轨道耦合设计了片上集成的纳米能源器件:可以在复合微纳系统中对两个相距10 µm的量子发射器进行选择性激发。研究人员基于介电加载的表面等离激元结构设计了一个适用于532 nm波长的耦合器,该耦合器可以定向地将左、右旋的圆偏振入射光分别耦合进入相应的波导支路,理论和实验证实两侧强度对比可以达到30倍以上。同时,介电加载的复合波导结构使得耦合的表面等离激元具有较长的传输距离。更进一步地,由于该结构自上而下的加工过程使精准集成量子发射器(含氮空位中心的纳米金刚石)成为可能,两个相距10 µm的量子发射器被精准地集成在距离波导两支路距离末端2 µm处,实验测试证实了左右旋的入射光对量子发射器的选择性激发和控制。该设计起到纳米光学开关的作用,对于将来的微纳热辐射系统、纳米光学芯片有着重要的应用价值。

相关论文以”Spin–Orbit Controlled Excitation of Quantum Emitters in Hybrid Plasmonic Nanocircuits”为题发表在Advanced Optical Materials上(DOI: 10.1002/adom.202000854),上海交通大学博士生阚银辉为论文第一作者,赵长颖教授为论文通讯作者。