Laser Plasmon Nanowire Saluran dengan Rongga V-Groove

Hasil dan Diskusi

Dengan keunggulan mode plasmonik hibrida, medan listrik dapat dilokalisasi dalam dimensi di luar batas difraksi dengan propagasi rugi-rendah [25, 26]. Jadi, penyelidikan kami berfokus pada properti pemandu dan penguat dalam dimensi diameter subwavelength, 40 hingga 220 nm. Meskipun sulit untuk mengontrol posisi kawat nano dengan diameter di bawah 100 nm secara tepat, kondisi yang kurang lebih ideal dipertimbangkan di sini untuk mengeksplorasi potensi kinerja laser CPN.

Seperti laser kawat nano plasmonik lainnya, mode terpandu yang lebih banyak didukung dalam laser CPN dengan diameter kawat nano yang semakin meningkat. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3, kawat nano dengan diameter 200 nm yang tergabung dalam alur dapat mendukung empat mode terpandu, HE_11x , DIA_11th , TE₀₁ , dan TM₀₁ . Permukaan alur sejajar dengan sisi kawat nano, sehingga sudut alur tetap tidak berubah saat diameter kawat nano berubah. Dalam laser kawat nano plasmonic dengan substrat planar, kawat nano hanya memiliki satu sisi kontak dengan substrat, yang mengarah ke kopling hanya antara mode fotonik HE_11y dan plasmon permukaan. Padahal, dalam struktur CPN, keduanya HE_11x dan DIA_11th pasangan dengan plasmon permukaan membentuk mode plasmonik saluran hibrida karena kontak dua sisi antara kawat nano dan permukaan alur. Untuk mode TE₀₁ dan TM₀₁ , energi elektromagnetik di dalam kawat nano juga berpasangan dengan plasmon permukaan pada permukaan alur yang membentuk mode saluran plasmonik. Empat mode di atas adalah mode terpandu dalam laser CPN dengan diameter 200 nm, dan mode terpotong dengan diameter yang semakin berkurang.

Mode distribusi medan listrik dalam laser CPN-N (a –d ) dan laser CPN-W (e –h ). Diameter kawat nano ditetapkan pada 200 nm

Untuk menyelidiki sifat pemandu dan penguat laser CPN, ketergantungan bagian nyata dari indeks efektif, kehilangan modal, faktor kurungan modal, dan penguatan ambang pada diameter kawat nano D dihitung dan disajikan pada Gambar. 4a–d. Mode HE_11x , DIA_11th , TE₀₁ , dan TM₀₁ laser CPN-N dan CPN-W semuanya diselidiki di sini. Sifat laser CPN-N dan CPN-W ditandai masing-masing sebagai simbol blok dengan garis padat dan simbol lingkaran dengan garis putus-putus. Perlu dicatat bahwa kedalaman alur di sini jauh lebih besar daripada diameter kawat nano untuk menghilangkan pengaruh tepi alur. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4a, ada korelasi positif antara bagian riil dari indeks efektif Re(n _eff ) dan diameter kawat nano D . Ini berperilaku sama dengan indeks efektif dari kawat nano individu. Dengan meningkatnya diameter kawat nano, indeks ekivalen struktur menjadi lebih besar, yang mengarah pada peningkatan indeks modal. Saat diameter berkurang, mode TE₀₁ laser CPN-W dipotong terlebih dahulu pada 200 nm, lalu mode TM₀₁ pemotongan laser CPN-W pada 180 nm, dan mode TE₀₁ dan TM₀₁ laser CPN-N keduanya terpotong pada 170 nm, sedangkan, mode dasar HE_11x dan DIA_11th memiliki diameter potong yang lebih kecil. Karena struktur laser CPN yang asimetris, mode fundamental tidak lagi merosot. Mode HE_11x memiliki diameter potong terkecil 40 nm selama semua mode dalam laser CPN-N. Mode HE_11th memiliki diameter potong terkecil 80 nm selama semua mode dalam laser CPN-W. Dalam laser CPN-N, Re(n _eff ) dari mode HE_11x lebih besar dari mode HE_11th . Padahal, dalam laser CPN-W, Re(n _eff ) dari mode HE_11th lebih besar dari mode HE_11x , yang dihasilkan dari komponen tegak lurus dari mode fundamental. Biasanya, arah medan listrik HE_11x dan TE₀₁ tegak lurus HE_11y dan TM₀₁ , masing-masing. Pada laser CPN-N dan CPN-W, sudut alurnya adalah 60° dan 120°, menghasilkan x -komponen mode mendominasi dalam laser CPN-N dan y -komponen mode mendominasi dalam laser CPN-W, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2d, e. Jadi, mode HE_11x dan TE₀₁ memiliki Re(n . yang lebih besar) _eff ) dan diameter potong yang lebih kecil pada laser CPN-N, sedangkan mode HE_11y dan TM₀₁ memiliki Re(n . yang lebih besar) _eff ) dan diameter potong yang lebih kecil pada laser CPN-W.

Ketergantungan a bagian sebenarnya dari indeks efektif, b kehilangan modal, c faktor kurungan modal, dan d penguatan ambang pada diameter kawat nano D

Kerugian modal per satuan panjang α _i dan faktor kurungan modal Γ _wg adalah faktor signifikan dari rongga optik yang relevan dengan penguat. Faktor kurungan modal adalah indikator seberapa baik mode tumpang tindih dengan media penguatan, yang didefinisikan sebagai rasio antara penguatan modal dengan penguatan material di wilayah aktif [27, 28]. Kerugian modal per satuan panjang α _i dapat diperoleh dari bagian imajiner dari konstanta propagasi modal k _z sebagai α _i = 2 Aku[k _z ]. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4b, kehilangan modal laser CPN-N dan CPN-W berperilaku berkorelasi negatif dengan diameter kawat nano D . Sedangkan seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4c, faktor kurungan laser CPN-N dan CPN-W berperilaku berkorelasi positif dengan diameter kawat nano D . Dengan semakin mengecilnya diameter nanowire, energi elektromagnetik tidak dapat terlokalisasi dengan baik di dalam nanowire, semakin banyak energi elektromagnetik yang bocor. Sebagian energi elektromagnetik menyebar ke luar dari bagian atas kawat nano, dan sebagian energi berinteraksi dengan permukaan alur yang menyebabkan lebih banyak disipasi logam. Sangat menarik untuk dicatat bahwa mode TM₀₁ di laser CPN-N memiliki faktor kurungan yang relatif besar dan kehilangan modal. Hal ini dapat dikaitkan dengan distribusi medan listrik mode TM₀₁ . Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3d, energi elektromagnetik terdistribusi baik di dalam kawat nano maupun di sekitar permukaannya. Meskipun kurungan lebih ketat, energi elektromagnetik memiliki interaksi yang lebih kuat dengan alur logam. Yang penting dalam Gbr. 4c, saat diameter kawat nano meningkat, faktor kurungan menjadi lebih besar, yang menunjukkan bahwa energi elektromagnetik terbatas dalam rongga dan tumpang tindih dengan baik dengan wilayah aktif dan berpotensi menurunkan ambang batas penguat.

Ambang penguat adalah tingkat eksitasi terendah di mana keluaran laser didominasi oleh emisi terstimulasi daripada emisi spontan. Keuntungan ambang g _th , yang menjelaskan penguatan yang diperlukan per satuan panjang untuk penguat, didefinisikan sebagai \( {g}_{\mathrm{th}}=\frac{1}{\varGamma_{wg}}\left[{\alpha}_i+\ frac{1}{L}\ln \left(\frac{1}{R}\right)\right] \), di mana R menunjukkan rata-rata geometrik dari reflektifitas dari segi akhir kawat nano dan L adalah panjang rongga FP nanowire [29]. Panjangnya L ditetapkan pada 10 μm, yang sesuai dengan data eksperimen di Ref. [12]. Perlu dicatat bahwa kawat nano di sini sama dengan Ref. [11, 12], di mana metode tumbuh katalis Au-partikel diadopsi. Jadi, ada tutup emas di bagian atas kawat nano. Untuk segi ujung dengan tutup emas, reflektifitasnya lebih besar dari segi ujung lainnya, mencapai sekitar dan lebih dari 70%. Kami menggambarkan ketergantungan perolehan ambang g _th pada D pada Gambar. 4d. Jelas bahwa penguatan ambang berkurang dengan meningkatnya diameter kawat nano. Hal ini sesuai dengan perilaku kehilangan modal dan faktor kurungan, yang merupakan faktor kunci dari perolehan ambang batas. Saat diameter kawat nano meningkat, energi elektromagnetik dibatasi lebih baik di dalam kawat nano, yang mengarah ke faktor kurungan yang lebih besar dan kehilangan kebocoran energi yang lebih kecil. Dengan demikian, keuntungan ambang batas menjadi lebih rendah. Dalam rentang diameter yang lebih kecil, penguatan ambang mode HE_11x lebih rendah dari mode HE_11th dalam laser CPN-N, penguatan ambang mode HE_11th lebih rendah dari mode HE_11x dalam laser CPN-W. Ini juga membuktikan mode HE_11x dan DIA_11th berputar dalam laser CPN, karena efek sudut alur pada komponen medan listrik.

Faktor kualitas Q mode rongga menunjukkan berapa lama energi yang tersimpan dari mode itu tetap berada di rongga ketika transisi antar pita tidak ada, yang terkait dengan masa pakai foton τ _p memasuki persamaan laju melalui frekuensi resonansi dari mode. Untuk rongga F-P, faktor kualitas didefinisikan di bagian metode [30]. Faktor kualitas tinggi menunjukkan tingkat kehilangan energi yang rendah relatif terhadap energi yang tersimpan di rongga dan osilasi mati secara perlahan. Jadi, perangkat ini dapat bergerak pada ambang yang lebih rendah dan karenanya daya pompa dapat dikurangi. Kami menggambarkan Q faktor sebagai fungsi dari D pada Gambar. 5a. Ada korelasi positif antara faktor kualitas semua mode dan diameter D , kecuali untuk mode TM₀₁ pada laser CPN-N dan CPN-W. Hal ini dapat dikaitkan dengan distribusi medan listrik mode TM₀₁ , yang telah dibahas di atas. Selanjutnya, tingkat emisi spontan dalam nanolaser seperti laser CPN sebagian tergantung pada lingkungan sumber cahaya. Menurut peran emas Fermi, laju emisi spontan dari emitor sebanding dengan kepadatan lokal dari keadaan optik (LDOS) [31]. Dalam lingkungan yang strukturnya berada pada skala panjang gelombang, LDOS dapat dikontrol secara spasial [32]. Akibatnya, LDOS dari emitor dapat ditingkatkan secara lokal bersama-sama dengan laju emisi spontan atau menurun dengan panjang gelombang mikro, yang disebut efek Purcell [33]. Energi elektromagnetik nanolocalized dapat menurunkan ambang penguat dengan meningkatkan laju emisi spontan melalui efek Purcell. Pada laser CPN-N dan CPN-W, energi elektromagnetik terlokalisasi secara ketat pada skala sub-panjang gelombang, menghasilkan faktor Purcell yang besar seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5b. Alur logam memodifikasi lingkungan dielektrik di sekitar kawat nano dan membangun rongga subwavelength, memungkinkan volume ultra-kecil dan kopling antara mode exciton dan microcavity. Dengan menurunnya diameter, faktor Purcell meningkat tajam dan mencapai lebih dari 100. Selain itu, LDOS yang besar dapat meningkatkan tidak hanya laju emisi spontan, tetapi juga merangsang proses emisi dalam aksi penguat. Tindakan penguat dapat lebih mudah dicapai karena medan elektromagnetik nanolokal dari mode plasmonik hibrid tidak hanya membuat eksiton dalam nanolaser berdifusi dengan cepat menuju area rekombinasi yang lebih cepat, meningkatkan tumpang tindih antara perolehan material dan mode plasmonik, tetapi juga merangsang partikel keadaan tereksitasi untuk mentransfer energi. menjadi plasmon dengan frekuensi, fase, dan polarisasi yang sama. Untuk mengukur skala lokalisasi subwavelength, area modal yang dinormalisasi dihitung menggunakan metode di Ref. [13] dan disajikan pada Gambar. 5c. Dibandingkan dengan Gbr. 5b, faktor Purcell berbanding terbalik dengan area modal yang dinormalisasi, yang membuktikan bahwa rongga pada skala subwavelength meningkatkan faktor Purcell dan oleh karena itu meningkatkan laju emisi spontan.

Ketergantungan a faktor kualitas, b Faktor Purcell, dan c area modal yang dinormalisasi pada diameter kawat nano D