Hybrid photonic-plasmonic devices with single nanoscale light sources
Authors:   , Bermúdez Ureña Esteban 
Published: October 2023

The field of photonics comprehends the generation, manipulation and detection of light (photons). Over the past decades, it has underpinned many of the technological advances upon which we rely on a daily basis, from our personal electronic devices and data communication channels (fibre optics), to medical instruments and lighting technologies. In line with this dependence, the photonics community is constantly seeking to develop novel technologies that can enable ever faster and powerful data communications, as well as compact and ultrasensitive monitoring systems. Advances made in this field depend greatly on the understanding and control we have over the light-matter interactions at play, with a strong focus on integrated photonic chip platforms due to their small footprint and scalability potential.
One of the main challenges to achieve fully integrated photonic chips deals with the emission coupling from nanoscale light sources to the on-chip photonic components. Ideally, the energy of a given light emitter should efficiently couple to sub-wavelength confined modes in order to fulfil scalability requirements. One solution is to implement metallic structures supporting surface plasmon polariton modes (i.e., coupled oscillations between photons and the free-electrons of the metal), which enable confinements beyond the diffraction limit of light.
This thesis deals with the development of hybrid photonic devices that enable the coupling of nanoscale light sources with on-chip plasmonic structures. These hybrid systems allowed us to influence the emission dynamics of the light sources, as well as transferring the emitted energy across the surface of a chip via subwavelength confined propagating modes. We implement state-of-the-art nanopositioning techniques to demonstrate various functioning hybrid devices operating with down to a single nanoscale emitter.
We start by exploiting a double high-resolution lithography approach combined with chemical functionalization, to assemble colloidal semiconductor quantum dots (QDs) at the hotspot of plasmonic nanoantennas. The antennas, designed to resonate with the excitation wavelength of our experiment, allow us to study the excitation enhancement provided by the metallic nanostructures by means of fluorescence lifetime measurements. We also provide some new insights about the limitations of the implemented positioning method.
Next, we turn our attention to explore the potential of the V-groove (VG) channel plasmon waveguides, to couple and transfer the emission from various nanoscale light sources across the surface of a chip. First, we explore the coupling of quantum emitters (i.e., particles able to emit single photons), with a focus on Nitrogen Vacancy (NV) centres in nanodiamonds and self-assembled QDs in semiconductor nanowires. In both cases, we relied on an atomic force microscope (AFM) based nanopositioning technique to bring the particles into the VG channels. We demonstrate for the first time the coupling of these type of quantum emitters to the channel plasmon polariton (CPP) modes supported by the VG waveguides, even down to the single emitter-VG coupling scenarios.
Finally, we venture into developing plasmonic waveguide-integrated nanowire laser devices. To achieve this, the AFM nanopositioning technique allow assembling core-shell-cap semiconductor nanowires into wafer-scale compatible VG waveguides. Room temperature operation of this hybrid plasmon nanolaser is demonstrated, with a remarkable performance in terms of the transfer of energy from the hybrid plasmonic-photonic mode to the subwavelength confined propagating CPP mode of the VG.
The results presented in this thesis contribute to the list of potential hybrid photonic-plasmonic platforms applicable in future integrated photonic chip technologies. In particular, our devices based on the VG plasmonic waveguides, pave the way for the further development of more complex heterogeneous photonic circuitry.

El campo de la fotónica comprende la generación, manipulación y detección de la luz (fotones). Durante las últimas décadas, la fotónica ha sido la base de muchos de los avances tecnológicos de los que dependemos diariamente, desde nuestros dispositivos electrónicos personales y canales de comunicación de datos (fibra óptica), hasta los instrumentos médicos y las tecnologías de iluminación. Los avances en este campo dependen en gran medida de la comprensión y control que tenemos sobre las interacciones de luz-materia que está en juego, con un fuerte enfoque en los circuitos integrados fotónicos por su tamaño y escalabilidad. Idealmente, se quiere acoplar la energía de nano-emisores de luz a los modos confinados en dimensiones por debajo de la longitud de onda de operación. Una solución consiste en implementar estructuras metálicas que soportan modos de polaritón de plasmón de superficie (oscilaciones acopladas entre los fotones y los electrones de conducción de un metal), los cuales permiten confinamientos más allá del límite de difracción de la luz. Esta tesis aborda el desarrollo de dispositivos fotónicos híbridos que permiten el acoplamiento de nano-fuentes de luz con estructuras plasmónicas en un substrato (chip). Estos sistemas híbridos nos permiten influir en las dinámicas de emisión de las partículas, así como transferir la energía emitida por medio de modos de propagación confinados. Para esto, hemos implementado técnicas de nano-posicionamiento de última generación para demostrar varios dispositivos híbridos que operan incluso con un único emisor nanoscópico. Comenzamos implementando un doble método de alta resolución de litografía combinado con la funcionalización química de superficies, para ensamblar puntos cuánticos semiconductores coloidales en las áreas de interacción aumentada de nano-antenas plasmónicas. Las antenas, diseñadas para resonar con la longitud de onda de excitación de nuestro experimento, nos permiten estudiar el incremento de excitación proporcionado por las nanoestructuras metálicas mediante mediciones del tiempo de vida de la fluorescencia. También aportamos nuevas perspectivas en cuanto a las limitaciones del método de posicionamiento usado. Luego, enfocamos nuestra atención en explorar el potencial de las guías de onda plasmónicas en forma de canales en V [V-grooves (VG) por su notación en inglés], para acoplar y guiar la emisión de diferentes nano-fuentes de luz a través de la superficie de un chip. En primer lugar, exploramos el acoplamiento de emisores cuánticos (es decir, partículas capaces de emitir fotones individuales), en particular de los centros de vacancia de nitrógeno (NV) en nano-diamantes y puntos cuánticos auto-ensamblados en nano-cables semiconductores. En ambos casos, utilizamos una técnica de nano-posicionamiento basada en un microscopio de fuerza atómica (AFM por sus siglas en inglés) para posicionar las partículas dentro de las VG. En este trabajo, demostramos el acoplamiento de este tipo de emisores cuánticos a los modos plasmónicos soportados por las guías de onda VG, incluso hasta el escenario de acoplamiento con un emisor individual. Finalmente, emprendemos la realización de dispositivos de nano-láser basados en nano-cables semiconductores integrados con las guías de onda plasmónica VGs. De nuevo, implementamos la técnica de nano-posicionamiento de AFM para ensamblar nano-cables de semiconductores dentro de las guías de onda VG. Demostramos el funcionamiento a temperatura ambiente de este nanolaser híbrido de plasmones, con un rendimiento notable en términos de la transferencia de energía desde el modo híbrido fotónico-plasmónico al modo propagativo de las VG. Los resultados presentados en esta tesis contribuyen a la lista de plataformas híbridas fotónicas-plásmonicas aplicables en futuras tecnologías de chips fotónicos integrados.