Simulations and experiments to enhance light-matter interactions with nanophotonics

Abstract

The thesis explores the enhancement of light-matter interactions through the application of nanophotonic dielectric waveguides and plasmonic nanostructures with a combined approach of three-dimensional numerical simulations and experiments. Nanophotonic waveguides allow an efficient interaction of nearby quantum emitters with their evanescently guided light field establishing their significance as an integral part of future quantum technologies. Plasmonic structures, on the other hand, enable strong light-focusing effects due to induced charges offering enhanced interaction rates, which make them particularly suited for detecting single molecules and nanoparticles via Raman scattering. The first section of the thesis focuses on plasmonic interactions around noble metal nanostructures, using a commercially available Surfaced Enhanced Raman Spectroscopy (SERS) target. The validity of the commonly applied measure of the electromagnetic enhancement factor, the |E|^4-approximation, is explored for the application of detecting polystyrene nanoplastics. This discussion is supported by numerical three-dimensional Frequency Dependent Time Domain (FDTD) simulations conducted using Ansys Optics software. Subsequently, a new SERS substrate adapted to improve the interaction with the nanoparticles further is proposed via a numerical study. The second part of the thesis explores a waveguide-based sensing platform designed to collect light from a point-like dipole source. The coupling efficiency between a broadband dipole source and the fundamental modes of the nanophotonic waveguide is evaluated through numerical FDTD simulations. For an optimized Silicon nitride (Si3N4) waveguide cross-section of 500 nm × 100 nm, coupling strengths of 20%of the radiated power for wavelengths in between 580 nm and 680 nm are obtained with a dipole located 20 nm from the waveguide’s surface. Finally, two in-house built platforms are presented which couple light to nanophotonic waveguides either via the waveguide facet with free beam alignment or via fibres connected through grating couplers.

Die vorliegende Diplomarbeit versucht die Verstärkung der Wechselwirkung von Licht und Materie durch den Einsatz nanophotonischer dielektrischer Wellenleiter und plasmonischer Nanostrukturen, zu erreichen. Dazu wird ein kombinierter Ansatz aus dreidimensionalen numerischen Simulationen und Experimenten verwendet. Nanophotonische Wellenleiter ermöglichen eineeffiziente Wechselwirkung zwischen Lichtfeldern und naheliegenden Quantenemittern und bilden daher einen integralen Bestandteil zukünftiger Quantentechnologien. Plasmonische Strukturen erhöhen solch eine Wechselwirkung aufgrund induzierter Ladungen, wodurch sich starke Lichtfokussierungseffekte ergeben. Solche Substrate sind auch besonders geeignet für die Detektion einzelner Moleküle und Nanopartikel durch Raman-Streuung. Der erste Abschnitt der Diplomarbeit untersucht die verstärkte Licht-Materie Wechselwirkung rund um Metallnanostrukturen unter der Verwendung eines kommerziell erhältlichen Surfaced Enhanced Raman Spectroscopy (SERS) Objektträgers. Die Gültigkeit des üblicherweise angewendeten Maßes des elektromagnetischen Verstärkungsfaktors, das zum Vergleich von SERS-Substraten verwendet wird, wird in Bezug auf die Anwendung zur Detektion von Polystyrol-Nanoplastiken diskutiert. Dazu werden numerische dreidimensionale Frequency Dependent Time Domain (FDTD)-Simulationen verwendet, die mit der kommerziell erwerblichen Software Ansys Optics durchgeführt wurden. Anschließend wird, mithilfe einer numerischen Studie, ein neues SERS-Substrat vorgeschlagen, das die Wechselwirkung mit den Nanopartikeln weiter verbessern soll. Der zweite Teil der Arbeit untersucht eine auf Wellenleitern basierende Sensorplattform, die darauf abzielt, Licht von einer punktförmigen Dipolquelle zu sammeln. Die Koppeleffizienz zwischen einer breitbandigen Dipolquelle und den Grundmoden des nanophotonischen Wellenleiters wird durch numerische FDTD-Simulationen bestimmt. Für einen optimierten Wellenleiterquerschnitt aus Siliziumnitrid Si3N4 von 500 nm × 100 nm werden Kopplungsstärken von 20 % der abgestrahlten Leistung für Wellenlängen zwischen 580 nm und 680 nm erzielt, wenn die Dipolquelle 20 nm von der Oberfläche des Wellenleiters entfernt ist.Abschließend werden zwei eigens gebaute Plattformen vorgestellt, die Licht entweder über die Wellenleiterrandfläche mittels Freistrahlausrichtung oder über Fasern, die durch Gitterkoppler verbunden sind, an nanophotonische Wellenleiter koppeln.