Hybrid nanophotonic elements and sensing devices based on photonic crystal structures [Elektronische Ressource] / von Michael Barth

Dipl.-Phys. Michael Barth

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• Publié par: humboldt-universitat_zu_berlin
• Publié le: 01 janvier 2010
• Nombre de lectures: 24
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 56 Mo

Extrait

Hybrid Nanophotonic Elements and Sensing Devices
based on Photonic Crystal Structures
D I SS E R TAT I O N
zur Erlangung des akademischen Grades
doctor rerum naturalium
(Dr. rer. nat.)
im Fach Physik
eingereicht an der
Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät I
Humboldt-Universität zu Berlin
von
Dipl.-Phys. Michael Barth
geboren am 14.05.1980 in Oelsnitz/Vogtland
Präsident der Humboldt-Universität zu Berlin:
Prof. Dr. Dr. h.c. Christoph Markschies
Dekan der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät I:
Prof. Dr. Andreas Herrmann
Gutachter:
1. Prof. Dr. Oliver Benson
2. Prof. Jelena Vučković, Ph.D.
3. Prof. Dr. Matthias Ballauff
Tag der mündlichen Prüfung: 14. Juni 2010Abstract
This thesis deals with the development and investigation of novel photonic crys-
tal structures for applications in nanophotonics and optofluidics. Thereby, a first
series of experiments focuses on the characterization and optimization of photonic
crystal cavities in the visible wavelength range, demonstrating unprecedented cav-
ity quality factors of up to 3400. These structures are subsequently employed
as platforms for the creation of advanced hybrid nanophotonic elements by cou-
pling external particles (such as diamond nanocrystals and metal nanoparticles)
to the cavities in a well-controlled manner. For this purpose, a nanomanipulation
method is developed, utilizing scanning probes for the deterministic positioning
and assembly of particles on the photonic crystal structures. Various types of such
hybrid elements are realized and investigated, including diamond-coupled cavities,
plasmon-coupled cavities, and metal-diamond hybrid structures. These systems
represent prototypes of fundamental nanophotonic/plasmonic building blocks for
future integrated all-optical devices, providing control on the generation and co-
herent transfer of photons on the level of a single quantum emitter.
Apart from applications in nanophotonics, different types of photonic crystal
structures are also studied with regard to their performance as biochemical sens-
ing elements. For the first time a thorough numerical analysis of the optical forces
exerted on objects in the near-field of photonic crystal cavities is conducted, pro-
viding novel means to trap, detect, and investigate biological particles in inte-
grated optofluidic devices. Furthermore, various types of photonic crystal fibers
arestudiedwithregardtotheirdetectionsensitivityinabsorptionandfluorescence
measurements, revealingaclearsuperiorityofselectivelyinfiltratedhollow-corede-
signs in comparison to solid-core fibers. For the first time the reliable detection of
−9molecular concentrations down to 10 M is demonstrated, promising applications
of such fiber-based sensors in analytical chemistry and medicine.
Keywords:
photonic crystal cavity, nanoparticle, nanomanipulation, optical force, photonic
crystal fiber, optofluidic sensing
iiiZusammenfassung
Die vorliegende Forschungsarbeit widmet sich der Entwicklung und Untersu-
chung neuartiger photonischer Kristallstrukuren für Anwendungen in den Gebie-
ten der Nanophotonik und Optofluidik. Dabei konzentriert sich eine erste Serie
von Experimenten auf die Charakterisierung und Optimierung photonischer Kris-
tallresonatoren im sichtbaren Spektralbereich, wobei bisher unerreichte Resona-
torgüten von bis zu 3400 gezeigt werden können. Diese Strukturen werden an-
schließend als Plattformen zur Herstellung von hybriden nanophotonischen Bau-
elementen verwendet, indem externe Partikel (wie z.B. Diamant-Nanokristalle
und Metall-Nanopartikel) in kontrollierter Art und Weise an die Resonatoren
gekoppelt werden. Zu diesem Zweck wird eine Nanomanipulationsmethode ent-
wickelt, welche Rastersonden zur gezielten Positionierung und Anordnung von
Partikeln auf den photonischen Kristallstrukturen benutzt. Verschiedene Arten
solcher Hybridelemente werden realisiert und untersucht, einschließlich diamant-
gekoppelter Resonatoren, plasmon-gekoppelter Resonatoren und Metall-Diamant
Hybridstrukturen. Diese Systeme repräsentieren Prototypen grundlegender nano-
photonischer/plasmonischer Module für zukünftige integrierte optische Bauteile,
welche Kontrolle über die Erzeugung und den kohärenten Transfer von Photonen
auf dem Niveau eines einzelnen Quantenemitters ermöglichen.
Außer für Anwendungen auf dem Gebiet der Nanophotonik werden verschiede-
ne photonische Kristallstrukturen auch hinsichtlich ihres Leistungsvermögens als
biochemische Sensorelemente erforscht. Zum ersten Mal wird eine umfassende nu-
merische Analyse der optischen Kräfte auf Objekte im Nahfeld photonischer Kris-
tallresonatoren durchgeführt, welche neue Möglichkeiten zum Einfang sowie zur
Detektion und Untersuchung biologischer Partikel in integrierten optofluidischen
Bauteilen bieten. Weiterhin werden unterschiedliche photonische Kristallfasern
bezüglich ihrer Detektionssensitivität in Absorptions- und Fluoreszenzmessungen
untersucht, wobei sich eine klare Überlegenheit von selektiv befüllten Hohlkern-
Designs im Vergleich zu Festkern-Fasern offenbart. Zum ersten Mal kann die zu-
−9verlässige Detektion von molekularen Konzentrationen bis hinunter zu 10 M ge-
zeigt werden, wodurch sich vielversprechende Anwendungen solcher Fasersensoren
in der analytischen Chemie und Medizin abzeichnen.
Schlagwörter:
photonischer Kristallresonator, Nanopartikel, Nanomanipulation, optische Kraft,
photonische Kristallfaser, optofluidische Sensorik
vContents
Abbreviations xi
1 Introduction 1
2 Investigation of photonic crystal cavities in the visible 5
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 Theory of electromagnetism in photonic crystals . . . . . . . . . . . . . 7
2.2.1 Fundamental optical properties of periodic dielectric media . . . 7
2.2.2 Optical properties of planar photonic crystals . . . . . . . . . . . 10
2.2.3 Defect modes in planar photonic crystals . . . . . . . . . . . . . 14
2.2.4 Optimization strategies for photonic crystal cavities . . . . . . . 20
2.2.5 Quantum electrodynamics in photonic crystal cavities . . . . . . 28
2.3 Experimental and computational methods . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.3.1 Fabrication of photonic crystal cavities . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.3.2 Optical spectroscopy on photonic crystal cavities . . . . . . . . . 39
2.3.3 Plane wave expansion method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.3.4 Finite-difference time-domain simulations . . . . . . . . . . . . . 42
2.4 Investigation and optimization of L3 cavities . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.4.1 Mode analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.4.2 Optimization of the quality factor . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.4.3 Observation of cavity QED effects . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.5 Investigation of double-heterostructure cavities . . . . . . . . . . . . . . 57
2.5.1 Mode analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.5.2 Polarization properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.6 Summary and conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3 Assembly and investigation of hybrid nanophotonic elements 65
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
viiContents
3.2 Optical properties of defect centers in diamond . . . . . . . . . . . . . . 67
3.2.1 Nitrogen-vacancy defect centers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.2.2 Single photon emission from defect centers . . . . . . . . . . . . . 69
3.2.3 Diamond nanocrystals versus bulk diamond . . . . . . . . . . . . 72
3.3 Optical properties of metal nanoparticles . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.3.1 Surface plasmon polaritons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.3.2 Plasmon excitation in metal nanoparticles . . . . . . . . . . . . . 76
3.3.3 Fluorescence enhancement near metal nanoparticles . . . . . . . 80
3.4 Experimental methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.4.1 Manipulation of nanoparticles using scanning probes . . . . . . . 84
3.4.2 Optical spectroscopy and photon correlation measurements . . . 92
3.5 Nanoparticle-loaded photonic crystal cavities . . . . . . . . . . . . . . . 93
3.5.1 Coupling of polystyrene beads to photonic crystal cavities . . . . 94
3.5.2 of diamond nanocrystals to photonic crystal cavities . . 96
3.6 Plasmonic-photonic hybrid cavities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
3.6.1 Coupling of gold nanorods to photonic crystal cavities . . . . . . 103
3.6.2 of gold nanospheres to photonic crystal cavities . . . . 107
3.7 Metal-diamond hybrid structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
3.7.1 Properties of the individual constituents . . . . . . . . . . . . . . 114
3.7.2 Optical characterization of the assembled structures . . . . . . . 116
3.8 Summary and conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
4 Analysis of optical forces near photonic crystal cavities 125
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
4.2 Theory of electromagnetic forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
4.2.1