Contributions to nanophotonics: linear, nonlinear and quantum phenomena
Authors:   , Roque Fernández Pablo Manuel de 
Published: October 2023

(English) Nanophotonics can be defined as the science and technology studying the control optical fields at the nanoscale and their interaction with matter. In order to spatially control such fields we would need structures with characteristic dimensions of the order of the wavelength, bringing us to the nanoscale.

A way to control optical fields at this scale is the use of nanoantennas, optical equivalent of radio-antennas. They provide efficient interfaces between near-fields generated by light sources and radiative channels. After a brief Introduction, Chapter 2 describes interaction between single photon emitters and nanoantennas. We start the chapter introducing a method to numerically simulate the interaction. A key concept to solving Maxwell equations is that of the Green function. I show how this function relates to the emission rate of optical emitters in a nanophotonic environment. I then describe an our efforts to build a lifetime-imaging near-field scanning optical microscope. Using this rig we are able to measure changes changes in the emission rate of single emitters that interact with resonant optical antennas.

A complementary way to control optical field in the nanoscale is using dielectric confinement. Chapter 3 introduces hybrid structures combining nanoantennas and dielectric waveguides. I generalize the Green function formalism introduced in Chapter 2, and show how this is related to the energy transfer rate between a donor and an acceptor. I use this numerical method to calculate the energy transfer rate in a hybrid structure. An increase of orders of magnitude is found at distances of the order of the wavelengths of the transferred photons. This chapter finishes by discussing the role that the local density of optical states has on the energy transfer efficiency.

Nanoantennas increase near-field by orders of magnitude. In these conditions, nonlinear optical effects start to play a role. Chapter 4 is devoted to these nonlinear interactions mediated by nanoantennas. I explore nonlinear interactions in resonant nanoantennas, in particular SHG. First I introduce a method to numerically compute the contributions to SHG generated by the metal in nanoantennas. Both surface and bulk contributions to SHG are considered. I use the numerical method to show that narrowings within the antenna shape are sources of increased SHG. The increase in SHG is attributed to increase of the local field gradients, that increase to the bulk contribution to SHG. We numerically validate our results by performing SHG measurements at the single resonant antenna level.

Optical fields are functions of space, but also of time. The development of broadband femtosecond lasers and pulse shaping techniques allows control of optical field down to the femtosecond timescale. Chapter 5 explores the control of optical fields in time. Using phase shaping methods we optimize the two-photon absorption process in single QDs. I introduce a new optimization algorithm, that allows us to perform the optimization using as feedback signal the luminesce from single QDs. We then compare our results with standard phase shaping techniques.

Based on their success to effectively control all kinds of optical fields, plasmon supporting nanoantennas are being actively researched in the field of quantum optics. In Chapter 6 I describe a quantum eraser experiment mediated by structures supporting surface plasmon resonances. I first explain the details and subtleties of a quantum eraser experiment. I then detail our efforts to reproduce previously reported results about how to fabricate elliptical bullseye antennas behaving as quarter waveplates. Quarter waveplates are a required part for the quantum eraser effect to take place. An additional key component of our experiment is a bright, state-of-the-art entangle polarization entangle photon source that is described at length. We then perform a quantum eraser experiment mediated by plasmons.
(Español) La nanofotónica es el conjunto de ciencia y tecnologías que estudian el control de campos ópticos en la nanoescala y la interacción de estos con la materia. Para controlar estos campos, necesitamos estructuras con dimensiones características del orden la su longitud de onda, lo que nos lleva a la nanoescala. Una forma de controlar campos ópticos a estas escalas es mediante el uso de nanoantenas, los equivalentes a frecuencias ópticas de las antenas de radio. Las nanoantenas proporcionan interfaces entre los campos cercanos generados por emisores ópticos y modos de radiación. Tras una breve introducción, el capítulo 2 describe la interacción entre emisores de fotones individuales y nanoantennas. El capitulo comienza introduciendo un método numérico de simulación que nos permite calcular la función de Green y su relación con la tasa de emisión de fotones de emisores ópticos en entornos nanofotónicos. Describo a continuación la construcción de un microscopio óptico de campo cercano capaz de medir el tiempo de vida de las tasas de emisión de emisores de fotones individuales que interactúan con nanoantenas. Un método complementario para controlar campos ópticos es la utilización del confinamiento dialéctico. El capítulo 3 introduce estructuras híbridas que combinan nanoantenas y guías de onda. Generalizo el formalismo de las funciones de Green del capitulo 1, y muestro como las nuevas funciones están relacionadas con la transferencia de energía entre un donor y un aceptor. Seguidamente, calculo la tasa de transferencia de fotones mediada por la estructura híbrida. Observamos un incremento de ordenes de magnitud en la tasa de transferencia a distancias comparables con las longitudes de onda de los fotones transmitidos. El capitulo finaliza discutiendo el papel que la densidad local de estado ópticos juega en la eficiencia de la transferencia de energía. Las nanoantenas incrementan el campo cercano órdernes de magnitud. En estas condiciones los efectos no-linearles comienzan a entrar en juego. El capitulo 4 está dedicado a estas interacciones no lineales mediadas por nanoantenas, en particular la generación de segundo armónico (SHG). Primeramente, introduzco un método numérico para calcular las contribuciones superficiales y volumétricas a SHG. Estrecheces introducidas a lo largo de las nanoantenas incrementan las emisiones de SHG. Este incremento es atribuido al incremento de gradientes de campo, que contribuyen mayoritariamente a un incremento de la parte volumétrica. Finalmente validamos nuestros resultados numérico experimentalmente. Los campos ópticos son funciones del espacio, pero también del tiempo. El desarrollo de láseres de femtosegundo de banda ancha, unido a las técnicas de formación de pulsos permiten el control de la luz a escalada de femtosegundos. El capítulo 5 explora este control de los campos en el tiempo. Utilizando técnicas de formación de pulsos optimizamos los procesos de absorción de dos fotones en puntos cuánticos de semiconductores. Introduzco un nuevo algoritmo de optimización que nos permite utilizar como señal de retroalimentación la señal de luminiscencia de puntos cuánticos individuales. Debido al éxito en el control de todo tipo de campos ópticos, las nanoantenas basadas en resonancias de plasmones están siendo activamente investigadas en el campo de la óptica cuántica. En el capitulo 6 describo un experimento de borrado cuántico mediado por estructuras basadas en resonancias plasmónicas. Primeramente describo los detalles y sutilezas de este tipo de experimentos. Seguidamente detallo nuestros esfuerzos para reproducir resultados previos acerca de la fabricación antenas elípticas de diana que se comportan como retardados de cuarto de onda. Estos retardadores de cuarto de onda son necesarios para que el efecto de borrado cuántico pueda darse. Otro ingrediente clave de nuestro experimento es una fuente brillante de fotones ...