Nanophotonic control of optical emission, propagation, and all-optical modulation

Abstract

The field of nanophotonics is concerned with the use of nanoscale structures and systems to control light for purposes such as miniaturization of optical components and control over the emission of light by quantum emitters. The research compiled in this dissertation focuses on artificial optical nanomaterials, generation of light, and all-optical modulation. Most of the artificial optical materials examined in this dissertation are metamaterials. These consist of scatterers, such as nanorods, in a lattice with a sub-wavelength period. For light passing through a metamaterial, the material appears as a homogeneous medium but with extraordinary optical properties. Typically, the optical properties also vary depending on the direction of light propagation; this effect is known as spatial dispersion. To analyze and design spatially dispersive metamaterials for different purposes, this dissertation adopts a wave parameter-based approach where a refractive index and wave impedance is assigned to each plane wave propagating in the metamaterial. We refine the previously-developed wave parameter theory to describe the movement of optical energy inside nanomaterials. We then develop a Fourier transform-based method to analyze optical emission inside spatially dispersive materials. We also discuss the outcoupling of light from inside nanomaterials, and show how emitted light can efficiently escape even from inside materials that exhibit strong attenuation. We then design and experimentally demonstrate nanostructures that drastically increase the brightness of a fluorescent film by combining the enhancements of radiation directivity and pump light absorption. The methods and ideas put forward in this part are useful for understanding and designing nanomaterials and structures for the purpose of controlling optical emission, with an eye on applications such as sensors and light sources. The dissertation also discusses nanomaterials for controlling the polarization of light. We theoretically and experimentally demonstrate a wave plate that relies on the strong birefringence of a sub-wavelength metal-dielectric structure. The wave plate combines low loss, broad bandwidth, and operation in the transmission mode, and we also discuss how it can be fabricated on large areas, making mass production feasible. Finally, we present a method of ultrafast all-optical modulation, as well as a method of ultrafast detection. Both methods rely on an optical gain medium and a Fourier transform pulse shaper. The on-resonance gain medium facilitates strong nonlinear interaction of two optical signals. The pulse shaper is used as a wavelength splitter and recombiner (in all-optical modulation) and a time-to-space mapper (in detection). In our experiments, modulation and detection reach sub-picosecond speed and resolution, respectively, despite the overall nanosecond-scale response of the gain medium.

Nanofotoniikka on valon manipulointia nanometrin kokoisilla rakenteilla. Nanofotoniikka mahdollistaa esimerkiksi hyvin pienten optisten komponenttien valmistamisen ja valon emission hallitsemisen mikroskooppisella tasolla. Tähän väitöskirjaan koottu tutkimus keskittyy keinotekoisiin optisiin nanomateriaaleihin, valonlähteisiin ja optiseen modulointiin. Väitöskirjassa tutkittavat keinotekoiset optiset materiaalit ovat pääasiassa metamateriaaleja. Ne koostuvat sirottajista, esimerkiksi nanosauvoista, jotka ovat hilassa, jonka yksikkökopit ovat pienempiä kuin valon aallonpituus. Tällainen materiaali näyttäytyy valolle homogeenisena väliaineena, jolla voi olla erityislaatuisia optisia ominaisuuksia. Useimmiten materiaalin optiset ominaisuudet myös riippuvat valon etenemissuunnasta: tätä kutsutaan spatiaaliseksi dispersioksi. Väitöskirjassa käytetään spatiaalisesti dispersiivisten materiaalien analyysiin ja suunnitteluun aaltoparametrimenetelmää, jossa jokaiselle materiaalissa etenevälle tasoaallolle määritetään oma taitekerroin ja aaltoimpedanssi. Täydennämme ensin aaltoparametriteoriaa, jotta sen avulla voidaan kuvata optisen energian etenemistä nanomateriaalien sisällä. Tämän jälkeen kehitämme Fourier-muunnokseen perustuvan menetelmän, jolla voidaan analysoida valon emissiota spatiaalisesti dispersiivisten nanomateriaalien sisällä. Tutkimme myös valon kytkeytymistä nanomateriaalien sisältä ulos, ja näytämme kuinka valo voi paeta tehokkaasti jopa valoa voimakkaasti vaimentavien materiaalien sisältä. Tämän jälkeen tutkimme teoreettisesti ja kokeellisesti nanorakenteita, jotka kasvattavat huomattavasti fluoresoivan kalvon kirkkautta yhdistäen parannuksia säteilyn suuntaavuuteen ja pumppausvalon absorptioon. Esitettyjä menetelmiä ja ideoita voidaan käyttää kehitettäessä nanorakenteita esimerkiksi antureita ja valonlähteitä varten. Väitöskirja käsittelee myös nanomateriaaleja, jotka muuttavat valon polarisaatiota. Kehitämme aaltolevyn joka perustuu metalli-dielektrisen nanorakenteen vahvaan kahtaistaittavuuteen, ja tutkimme sen toimintaa teoreettisesti ja kokeellisesti. Tässä nanomateriaaliaaltolevyssä yhdistyvät pienet häviöt, laaja optinen kaistanleveys ja toiminta läpäisymoodissa. Näytämme myös, että nanorakenteesta huolimatta aaltolevy voidaan valmistaa alaltaan suureksi, mikä on massatuotannon edellytys. Viimeisessä osuudessa esitämme ultranopean täysin optisen modulaatiomenetelmän sekä ultranopean valoilmaisimen. Molemmat perustuvat valoa vahvistavaan laserväliaineeseen ja Fourier-muuntavaan pulssinmuotoilijaan. Laserväliaine mahdollistaa kahden valosignaalin vahvan epälineaarisen vuorovaikutuksen. Pulssinmuotoilija puolestaan toimii aallonpituusjakajana ja -yhdistäjänä (modulaatiomenetelmässä) ja ajasta-paikkaan kuvauksen tekijänä (ilmaisimessa). Saavutamme kokeellisissa tuloksissamme alle pikosekunnin modulaationopeuden ja aikaresoluution huolimatta siitä, että laserväliaine toimii nanosekunnin aikaskaalassa.