CN107359404B - 调控多个随机不相干单光子发射器辐射的环腔纳米天线 - Google Patents

调控多个随机不相干单光子发射器辐射的环腔纳米天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了调控多个随机不相干单光子发射器辐射的环腔纳米天线，包括衬底和若干个环腔状纳米天线，所述环腔状纳米天线呈柱状结构，柱状结构的中间开设有空腔，空腔内填充有单个或多个不相干的单光子发射器；环腔纳米天线整体放置于环境基质中；本发明能产生多个谐振模，同时耦合单光子发射器的激发频段和发射频段，满足不同单光子发射器的斯托克位移，能极大地提高单光子发射器的辐射强度；该天线结构能调控单光子发射器的辐射方向性和角度扩散大小，提高光的收集利用效率；该天线结构对单光子发射器的极化排列没有依赖性，能调控多个不相干单光子发射器。本发明可广泛应用于单分子精度微纳传感、微纳单光子源、量子通信等相关领域。

Description

调控多个随机不相干单光子发射器辐射的环腔纳米天线
技术领域
本发明涉及单分子精度微纳传感、微纳单光子源（single-photon source）、量子通信等相关领域，具体是调控多个随机不相干单光子发射器辐射的环腔纳米天线。
背景技术
单光子发射器（single-photon emitter）是一种在受外界能量激发后，能够产生单频率或单色光的光子源。常用的单光子发射器有单原子，有机荧光分子和量子点等。单光子发射器自身的尺寸远小于波长，能够对分子甚至原子尺度的物质进行标记，实现传统光学器件无法达到的探测精度。同时，一些单光子发射器（尤其是有机荧光分子和量子点）的表面化学性质可以进行特定的处理，能够针对需要探测的物质进行有选择性的标记（selective-labeling），具有优秀的可调控性，是单分子精度传感，高分辨率成像等领域的核心技术之一。然而在实际中要真正利用单光子发射器，必须解决两个问题：1）单光子发射器自身的辐射强度很小，很难被光电探测器探测；2）单光子发射器的极性排列不受控制，其辐射一般没有方向性。针对上述两个问题，目前的传统技术方案很难克服。
纳米天线是利用亚波长纳米结构的谐振效应调控光的传播强度和方向性的技术。原则上，纳米天线可以实现突破衍射极限的聚光以提供超强的光学近场，能与单光子发射器耦合并调节其局域光子态密度，从而加强激发强度；除此之外还可以通过谐振原理与单光子发射器的发射频段耦合进一步加强其发射强度，使得其能够被光电探测器探测。不仅如此，纳米天线对周边介质环境的灵敏感应、出色的设计灵活性以及其小，轻，薄的优势，可以与不同的单光子发射器进行灵活搭配，便于工艺制备。目前已知的纳米天线通常只对单光子发射器的某一极化排列有增强作用，而在实际应用中多个单光子发射器通常同时存在，且互相之间的辐射是不相干的。同时，单光子发射器的激发频段和发射频段之间存在着几十至几百纳米的斯托克位移（Stoke-shift），常见的简单纳米天线设计很难同时增强其激发强度和发射强度，而复杂的纳米天结构对外延设备要求高、制备难度大。因此，设计一种制备简单且能同时增强单光子发射器激发强度和发射强度的纳米天线，实现对多个随机不相干单光子发射器的辐射强度和方向性的调控，具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种调控多个随机不相干单光子发射器辐射的环腔纳米天线，该天线结构能用于调控的多个随机不相干单光子发射器的辐射强度和方向性，并且可以针对任意单光子发射器的斯托克位移（Stoke-shift）进行设计优化，且制备简单。
为实现上述目的，本发明采用技术方案如下：
调控多个随机不相干单光子发射器辐射的环腔纳米天线，其特征在于：包括衬底和若干个环腔状纳米天线，所述环腔状纳米天线呈柱状结构，柱状结构的中间开设有空腔，空腔腔体内填充有单个或多个不相干的单光子发射器。
所述环腔状纳米天线的材质可以采用表面等离激元金属，例如：Au、Ag、Cu、Al等，也可以采用高折率电介质材料，例如：Si、GaAs、GaP、Ge、TiO2等，但不限于前述两类材料。
所述若干个环腔状纳米天线可呈一定阵列结构布局于衬底上，具体的阵列布局方式可根据实际应用要求调整布局。
所述环腔状纳米天线通过灵活调控空腔的内径、柱状结构的外径、柱状结构的壁厚和高度，可以形成多个谐振模，能同时耦合单光子发射器的相应的激发和发射频段。
所述环腔状纳米天线可以是圆柱状结构，沿圆柱状结构的中轴线方向开设形成圆柱形空腔，圆柱状结构的横截面为环形。
所述环腔状纳米天线不依赖于单光子发射器的极化排列，导引腔体内的单光子发射器辐射沿腔体对称轴方向传播，并束缚其横向传播，实现对多个随机不相干单光子发射器的方向性的调控。
所述环腔纳米天线安放于环境基质中，所述环境基质可以是空气、或者水、或者PMMA有机溶液等，不限于这几种。所述环境基质的选材取决于实际应用要求。
所述衬底采用与环境基质折射率相近同时与环腔状纳米天线折射率相差较大的材质，以减小衬底本身对单光子发射器辐射的影响。所述衬底材质采用包括但不限于SiO2，或Si，或有机树脂等。具体的，衬底采用材质的折射率可以是与环境基质的折射率相差±0.5以内，同时与纳米天线的折射率相差±3~4。
当环腔状纳米天线的腔体内只填充单个单光子发射器或多个不相干的单光子发射器时，所述单光子发射器可以是有机发光分子，或原子，或量子点等，但不限于这几种。
不论环腔状纳米天线的腔体内填充的单个光子发射器，还是多个不相干的单光子发射器，所采用的单光子发射器的激发频段和发射频段与环腔状纳米天线对应的谐振模耦合。
所述单光子发射器可以通过工艺或化学方法置放于腔体内的相应位置，具体可以是化学依附、或者光学力依附、或者配体连接的方式，但不限于这几种方式，同时对单光子发射器的极化排列没有要求。
本发明提出的环腔纳米天线可同时调控多个随机不相干单光子发射器的辐射强度和方向性，具体的有益效果如下：
1、通过灵活设计环腔状纳米天线的各项尺寸参数并选取合适的材质，产生多个谐振模以同时耦合单光子发射器的激发频段和发射频段，在激发频段的光源照射下，该天线结构能通过谐振方式产生聚光效果，在腔体内产生高强度的电磁场局域增强，极大的提高单光子发射器的辐射强度，可以针对任意单光子发射器的斯托克位移（Stoke-shift）进行设计优化。
2、利用腔体的结构特点，导引腔体内的单光子发射器辐射沿腔体对称轴方向传播，并束缚其横向传播，真正实现对多个不相干单光子发射器的方向性的调控，显著提高光的收集效率。
3、该天线结构对单光子发射器的极化排列没有依赖性，能调控多个不相干单光子发射器，简化了工艺需求。
4、单光子发射器依附在腔体中的位置可以进行人工调节，能进一步调控光的收集效率。
5、本发明可广泛应用于单分子精度微纳传感、微纳单光子源、量子通信等相关领域。
附图说明
图1为本发明的结构示意图及单个环腔状纳米天线的放大结构示意图。
图2为本发明的吸收（Absorption），散射（Scattering）和总体（Extinction）的消光谱的截面大小（Cross-section）的示意图。
图3为本发明中充满整个腔体内所有不相干量子点的总体辐射方向图和相对于无纳米天线情况下的辐射增强因子（Emitter enhancement）示意图。
图4为本发明中放置在腔体底部的20nm厚的量子点层中所有不相干单光子发射器的总体辐射方向图和相对于无纳米天线情况下的辐射增强因子（Emitter enhancement）示意图。
其中，附图标记为：1环腔状纳米天线；2环境基质；3衬底；4单光子发射器。
具体实施方式
为使本发明的内容、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。需要说明的是，本申请中的实施例中的特征可以互相任意组合。
实施例1
基于高折射率电介质Si的环腔纳米天线结构，具体结构如图1所示，其中：1为Si环腔状纳米天线；2为PMMA基质；3为SiO2衬底，其折射率与PMMA相符合；4为固有量子效率为1的InP量子点。并且多个随机排布不相干的InP量子点充满了整个Si腔体。
如图2所示，可见多个谐振模出现在消光谱中。这种Si环腔状纳米天线1和环境基质2 PMMA有很大的折射率差异，可以产生多个强烈的谐振模，可与用于与InP量子点4的激发波段和发射波段耦合，增强其辐射强度。
在此实施例中，针对激发波长为500nm，发射波长655nm的InP量子点设计Si环腔状纳米天线1。Si环腔状纳米天线1在500nm激发波长下可以产生的相较于入射光强的近场电磁场增强，其增强因子超过6倍。
如图3所示，是计算得到的Si腔体内所有不相干InP量子点的远场方向图和相对于无纳米天线情况下的辐射增强因子。可以看出，Si腔体有效的导引腔体内多个不相干InP量子点的辐射沿腔体对称轴方向传播，并束缚其横向传播，大大改善了光子收集效率，其方向性辐射增强因子达60倍。
实施例2
基于高折射率电介质Si的环腔纳米天线结构，结构如图1所示，其中：1为Si环腔状纳米天线；2为PMMA基质；3为SiO2衬底；4为固有量子效率为1，激发波长为500nm，发射波长655nm的InP量子点；一个厚度20nm包含多个随机排布不相干的InP量子点层被放置在Si腔体的底部。
其中，Si环腔状纳米天线1的消光谱、谐振模、电磁场增强与实施例1一致，如图2所示。
如图4所示，是计算得到Si环腔状纳米天线1对腔体底部20nm厚的所有不相干InP量子点的总体远场方向图和相对于无纳米天线情况下的辐射增强因子。可以看出，通过放置InP量子点4在Si环腔状纳米天线1的腔体底部，可以进一步导引其辐射沿腔体对称轴方向传播，并更好的束缚其横向传播，极大地改善了光子收集效率；同时其方向性辐射增强因子高达180倍。
以上这些实施例仅是本发明的优选案例，本发明所主张的权利范围不局限于这些实施例，任何不脱离本发明的精神和范围的修改、变形都应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.调控多个随机不相干单光子发射器辐射的环腔纳米天线，其特征在于：包括衬底（3）和若干个环腔状纳米天线（1），所述环腔状纳米天线（1）呈圆柱状结构，沿圆柱状结构的中轴线方向开设形成圆柱形空腔，空腔腔体内填充有单个或多个不相干的单光子发射器（4）；所述单光子发射器（4）为固有量子效率为1，激发波长为500nm，发射波长655nm的InP量子点；
所述环腔状纳米天线（1）的材质采用表面等离激元金属，或者采用高折率电介质材料；若干个环腔状纳米天线（1）呈一定阵列结构布局于衬底上，所述阵列结构根据实际应用要求进行布局；
多个随机排布不相干的InP量子点充满了整个环腔状纳米天线（1）的空腔腔体，环腔状纳米天线（1）在500nm激发波长下产生的相较于入射光强的近场电磁场增强，其增强因子超过6倍；环腔状纳米天线（1）的空腔腔体导引腔体内多个不相干InP量子点的辐射沿腔体对称轴方向传播，并束缚其横向传播，其方向性辐射增强因子达60倍。
2.根据权利要求1所述的调控多个随机不相干单光子发射器辐射的环腔纳米天线，其特征在于： 所述柱状结构的高度、外径、空腔的直径和柱状结构的壁厚，均根据实际应用要求进行设计调整，并形成能同时耦合单光子发射器的激发频段和单光子发射器的发射频段的多个谐振模。
3.根据权利要求1所述的调控多个随机不相干单光子发射器辐射的环腔纳米天线，其特征在于：所述环腔纳米天线安放于环境基质（2）中，所述环境基质（2）是空气、或者水、或者PMMA有机溶液。
4.根据权利要求1所述的调控多个随机不相干单光子发射器辐射的环腔纳米天线，其特征在于：所述衬底（3）采用材质的折射率与环境基质（2）的折射率相差±0.5以内，同时与纳米天线的折射率相差±3~4；所述衬底材质采用SiO2，或Si，或有机树脂。
5.根据权利要求1所述的调控多个随机不相干单光子发射器辐射的环腔纳米天线，其特征在于：所述单光子发射器通过化学依附、或者光学力依附、或者配体连接的方式置放于腔体内的相应位置。
6.调控多个随机不相干单光子发射器辐射的环腔纳米天线，其特征在于：包括衬底（3）和若干个环腔状纳米天线（1），所述环腔状纳米天线（1）呈圆柱状结构，沿圆柱状结构的中轴线方向开设形成圆柱形空腔，空腔腔体内填充有单个或多个不相干的单光子发射器（4）；所述单光子发射器（4）为固有量子效率为1，激发波长为500nm，发射波长655nm的InP量子点；
所述环腔状纳米天线（1）的材质采用表面等离激元金属，或者采用高折率电介质材料；若干个环腔状纳米天线（1）呈一定阵列结构布局于衬底上，所述阵列结构根据实际应用要求进行布局；
一个厚度20nm包含多个随机排布不相干的InP量子点层置于环腔状纳米天线（1）空腔腔体的底部；环腔状纳米天线（1）的空腔腔体导引腔体内多个不相干InP量子点辐射沿腔体对称轴方向传播，并束缚其横向传播，其方向性辐射增强因子达180倍。
7.根据权利要求6所述的调控多个随机不相干单光子发射器辐射的环腔纳米天线，其特征在于： 所述柱状结构的高度、外径、空腔的直径和柱状结构的壁厚，均根据实际应用要求进行设计调整，并形成能同时耦合单光子发射器的激发频段和单光子发射器的发射频段的多个谐振模。
8.根据权利要求6所述的调控多个随机不相干单光子发射器辐射的环腔纳米天线，其特征在于：所述环腔纳米天线安放于环境基质（2）中，所述环境基质（2）是空气、或者水、或者PMMA有机溶液。
9.根据权利要求6所述的调控多个随机不相干单光子发射器辐射的环腔纳米天线，其特征在于：所述衬底（3）采用材质的折射率与环境基质（2）的折射率相差±0.5以内，同时与纳米天线的折射率相差±3~4；所述衬底材质采用SiO2，或Si，或有机树脂。
10.根据权利要求6所述的调控多个随机不相干单光子发射器辐射的环腔纳米天线，其特征在于：所述单光子发射器通过化学依附、或者光学力依附、或者配体连接的方式置放于腔体内的相应位置。
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