Design for ultrahigh-Q position-controlled nanocavities of single semiconductor nanowires in 2D photonic crystals
利用时域有限差分法（FDTD）模拟了二维光子晶体中的线缺陷缝隙，通过对半导体纳米线的操纵，可以得到具有不同尺寸的Q- Q纳米腔.通过控制光子晶体的设计和晶格参数，在通信波段获得了大于106的品质因数和小于0.11 μ m ~ 3（NW中立方波长的1.25）的模体积。该设计对于在光子晶体中实现位置可控腔是有用的。在这里，我们还讨论了小的依赖性的Q因子，Vc，和腔峰的位置的NW内的插槽和潜在的应用，腔量子电动力学（QED）使用嵌入式发射极NW。
2012-11-14 physics.optics
Resonant, broadband and highly efficient optical frequency conversion in semiconductor nanowire gratings at visible and UV wavelengths
使用流体动力学的方法，我们研究体和表面诱导的二次和三次谐波产生的半导体纳米线光栅在吸收区具有共振非线性。我们展示了谐振，宽带和高效的光学频率转换：与传统的智慧相反，我们表明谐波产生可以充分利用谐振非线性的光谱范围内的非线性光学系数的提升远远超出了什么是可实现的透明，长波长，非谐振制度。使用峰值功率密度约为500 MW/cm 2的飞秒脉冲，我们预测在硅纳米线阵列中的三次谐波转换效率约为1%，在几乎任何所需的UV或可见光波长，包括负介电常数的范围。我们还预测表面的二次谐波转换效率为0.01%，取决于电子有效质量，作为一个整形共振的结果，和发病的五阶非线性效应的信号的行为。这些显着的发现，所产生的非线性共振色散，场定位和相位锁定的综合效应，可以显着地扩展硅光子学的操作光谱带宽，并强烈建议，无论是线性吸收或集肤深度不应该是激励因素，以排除半导体或金属从列表中的有用或实用的非线性材料在任何光谱范围。
2019-05-11 physics.optics
Lasing modes in ZnO nanowires coupled to planar metals
半导体纳米线激光器可以经受由其环境的变化引起的其激光阈值的修改。一个有前途的选择是使用金属衬底来获得低体积表面等离子体激元（SPP）模式。我们介绍了一个简单的，但定量精确的模型，可以用来描述金属衬底上的纳米线激光器的模式竞争。我们发现，铝基板可以降低激光阈值的ZnO纳米线激光器，而银基板，阈值增加相比，电介质基板。从这些发现中概括，我们预测描述平面金属和半导体纳米线之间的相互作用，这允许指导未来的高度集成的激光源的改进。
2022-11-08 physics.optics
Low-power continuous-wave second harmonic generation in semiconductor nanowires
半导体纳米线由于其纳米尺度的横向约束和强的光-物质相互作用，有望实现各种片上非线性光学器件。然而，通常需要高强度脉冲泵浦激光器来利用其光学非线性，因为光与纳米尺寸的线的耦合很差。在这里，我们展示了微瓦连续波光泵浦二次谐波产生（SHG）在AlGaAs纳米线集成硅平面光子晶体腔。在亚波长尺度上，通过极端局域化的腔模有效地增强了光-NW耦合。强SHG获得，即使用连续波激光激发与泵浦功率下降到~3 uW，和腔增强因子估计约150。此外，在集成器件中，NW的SHG比硅板中的三次谐波产生强两个数量级以上，尽管NW仅与小于1%的腔模耦合。NW的非线性频率转换的这种显著降低的功率需求将促进用于非线性光学的基于NW的构建块，特别是在芯片集成相干光源、纠缠光子对和信号处理设备中。
2018-08-14 physics.optics
Hydrodynamic acoustic plasmon resonances in semiconductor nanowires and their dimers
从金属等离子体激元学已知的流体动力学Drude模型也适用于尺寸在单粒子量子限制和体之间的半导体结构。但与金属相反，对于半导体，可能必须考虑两种或更多种类型的等离子体，以便正确描述它们的等离子体特性。在这种结合分析和计算的研究中，我们探讨了最近提出的双流体动力学Drude模型的等离子体半导体纳米线的光学性质的预测，特别是热激发InSb纳米线。我们专注于低频声表面和体等离子体共振，这是这个模型的独特指纹，尚未观察到。我们确定这些共振的光谱单纳米线的基础上分析计算，他们是在我们的数值实现的模型完全一致。对于纳米线的二聚体，我们预测的消光截面和声学局域表面等离子体共振场增强，这使得它的观察在二聚体的大幅增加更有可能。
2019-05-25 cond-mat.mes-hall physics.optics
Near-field cavity optomechanical coupling in a compound semiconductor nanowire
III-V族化合物半导体纳米线是一种用于新型混合量子界面的有吸引力的材料，该新型混合量子界面通过嵌入其独立结构中的波长可调量子结构来互连光子、电子和声子。然而，在这样的纳米机械元件中，一个挑战是如何通过其微小的机械运动来检测和操纵少量的声子。一个解决方案是通过引入“腔光学机械”框架将光学腔耦合到纳米线，但它们之间的典型尺寸差异成为实现这一目标的障碍。在这里，我们展示了近场耦合的二氧化硅微球腔和外延生长的InP/InAs独立纳米线。倏逝光机械耦合不仅能够通过平衡零差干涉法精细探测机械运动，而且能够调谐纳米线中的谐振频率、线宽、Duffing非线性和振动轴。将这种腔光学力学与外延纳米线工程相结合，为新型量子精密测量和信息处理开辟了道路。
2020-06-30 cond-mat.mes-hall physics.optics
Movable high Q nanoresonators realized by semiconductor nanowires on a Si photonic crystal platform
亚波长半导体纳米线由于其独特的光学性质和在光子器件中的应用潜力，近年来引起了人们的广泛关注。然而，实现严格的光限制或与光子电路的有效耦合并不简单，仍然是一个挑战。在这里，我们表明，一个高Q纳米腔可以通过放置在Si光子晶体的沟槽波导中的直径为100 nm以下的单个III/V半导体纳米线，通过纳米探针操作。我们观察到非常快的自发发射（91 ps）的纳米线加速的强烈的Purcell增强纳米腔，这证明了非常强的光约束可以实现。此外，该系统使我们能够沿着波导将纳米腔移动到任何地方。这种配置在集成光子学中提供了显著程度的灵活性，并且允许在Si光子电路中添加和置换III/V纳米腔器件的各种功能。
2014-03-17 physics.optics quant-ph
Data-driven Discovery for Robust Optimization of Semiconductor Nanowire Lasers
本研究通过分析55,516个纳米线激光器，发现腔体效应是性能关键，提出优化长度和端面反射率分布以实现鲁棒性能的通用路线图。
2024-09-20 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Transverse polarization light scattering in tubular semiconductor nanowires
我们在光学范围内对管状半导体纳米柱的散射截面进行了数值计算。散射研究的横向入射的光，即，沿着圆柱体的直径，具有横向电极化和横向磁极化。这些亚波长纳米结构支持米氏共振，并且当圆柱体的长度与波长相当时，可以与米氏模式重叠的导模产生尖锐的法诺共振。我们表明，不同的内部半径影响每个模式不同，允许一个额外的自由度调谐的共振峰的光谱位置。
2019-05-06 cond-mat.mes-hall physics.optics
Avalanche amplification of a single exciton in a semiconductor nanowire
连接单光子和电子是远程固态量子比特之间共享量子信息的关键因素。半导体纳米线提供了将光量子点与雪崩光电二极管相结合的独特可能性，从而能够将入射的单光子转换为宏观电流，以进行有效的电检测。目前，需要数百万个激发事件来执行激子量子位状态的电读出。在这里，我们演示了载流子的倍增，从一个量子点中产生的单个激子隧穿到纳米线雪崩光电二极管。由于电子和空穴的放大率都很大（> 10 ^4），我们将电学检测量子点中产生的单个激子所需的激发事件数量减少了四个数量级。这项工作代表了一个重要的一步，单次电读出，并提供了一个新的功能，片上量子信息电路。
2012-04-18 cond-mat.mes-hall physics.optics
Theory and design of quantum light sources from quantum dots embedded in semiconductor-nanowire photonic crystal systems
我们介绍了一种新的平台，用于实现芯片上的量子电动力学使用光子晶体波导结构组成的周期性纳米线阵列与嵌入半导体量子点作为量子光源。这些基于波导的结构，现在可以制造具有优异的精度，被发现产生波导Purcell因子超过100和片上β因子高达99%。我们研究了光子晶体波导和有限尺寸结构的基本光学性质，使用光子能带结构计算和严格的格林函数计算，使我们能够获得模式特性和光子态的局域密度。与基于平板的光子晶体的比较也作出了，我们强调了在纳米线系统的关键优势，包括潜在的，以尽量减少非本征散射损失，并产生高的理论Purcell因子和β因子的芯片上。我们还表明，这些结构表现出丰富的光子兰姆位移在宽带频率。
2014-11-18 cond-mat.mes-hall physics.optics
Strong coupling between weakly guided semiconductor nanowire modes and an organic dye
从经典和量子的角度研究了半导体纳米线引导的电磁模式与其周围介质中分子的激子态之间的光-物质耦合，目的是描述强耦合机制。弱导模（裸光子模式）是通过经典的分析，确定那些最低阶的模式呈现大的电磁场扩散到纳米线外，同时保持其强大的引导行为。表现出激子状态的有机染料的介电常数的实验拟合用于现实的情况。一个量子模型正确地确认，通过避免模式交叉的强耦合制度可以实现这种配置，导致拉比分裂值超过100毫电子伏。此外，它示出的耦合强度取决于纳米线外的能量传播的分数，而不是对模场的本地化。这些结果开辟了一个新的途径，涉及在非吸收介质中的传播模式的强耦合现象。
2019-04-01 cond-mat.mes-hall physics.optics
Semiconductor nanowire metamaterial for broadband near-unity absorption
红外半导体近一吸收体的实现将为传感、健康、成像和量子信息科学中的应用提供新的能力，特别是在需要便携性的地方。通常，市售的便携式红外单光子探测器由体半导体制成，效率远低于1。在这里，我们设计了一种新型的半导体纳米线超材料，并表明，通过仔细安排InGaAs纳米线阵列，并通过控制它们的形状，我们表现出在室温下的近单位吸收效率。我们的实验表明，在前所未有的波长范围从900 nm到1500 nm的平均测量效率为93%（模拟平均效率为97%）。我们进一步表明，近单位吸收的结果从集体响应的纳米线超材料，起源于耦合到泄漏谐振波导和横模。这些耦合机制导致光从顶部直接吸收，并且当光从一个纳米线散射到相邻纳米线时间接吸收。这项工作可能导致新一代量子探测器的开发，其在红外线中具有前所未有的宽带近单位吸收，同时在室温附近工作，适用于更广泛的应用。
2022-02-28 cond-mat.mes-hall physics.ins-det physics.optics
Nanowire lasers
本文综述了半导体纳米线作为受激发射和激光增益介质的原理和发展趋势。半导体纳米线近来已被广泛研究用于集成光电子器件，例如LED、太阳能电池和晶体管。人们还对纳米线用于亚波长激光系统进行了深入的研究，这些系统利用了纳米线的准一维性质、材料选择和组合的灵活性以及固有的光电特性。首先，我们提供了一个概述使用准一维纳米线系统，实现亚波长激光器的高效，定向，低阈值发射。然后，我们描述了国家的最先进的纳米线激光器的材料，几何形状和波长可调谐性。接下来，我们将介绍半导体奈米线雷射的基础，定义受激发射的关键参数，并介绍奈米线的特性。然后，我们从文献中回顾了先进的纳米线激光器设计。最后，我们提出了有趣的低阈值纳米光源和光学互连的前景。我们打算说明纳米激光器在许多应用中的潜力，如纳米光子器件，集成电子和光子学的下一代光电子器件。例如，这些纳米级光子学的构建模块在与片上表征工具耦合时可用于数据存储和生物医学应用。这些纳米级单色激光光源有望在纳米光子学方面取得突破，因为它们可以在室温下工作，可能是电驱动的，并且可以更好地理解低维半导体系统中的固有纳米材料特性和表面态效应。
2018-09-05 cond-mat.mes-hall physics.optics
Ultra low-loss, isotropic 2D optical negative-index metamaterial based on hybrid metal-semiconductor nanowires
在过去的几年里，许多令人着迷的和以前几乎无法想象的特性被预测为那些新颖的，人造的，人造的材料，所谓的超材料，被证明不仅是一个有形的现实，但一个非常有用的。然而，在这个新发现的领域中，许多最好的成就远没有直接转化为在许多方面更有趣的高频范围，而不仅仅是技术困难，而且还有概念上的困难。在具有负折射率的光学超材料（通常称为负折射率超材料（NIM））的领域中，特别重要的是同时实现系统的强响应和低相关损耗的问题。在目前的工作中，我们证明了使用混合金属-半导体纳米线获得各向同性光学NIM的可能性，具有非常强的电和磁响应，表现出极低的损耗（约两个数量级优于目前的光学NIM）。
2012-10-29 cond-mat.other physics.optics
Temperature-resilient anapole modes associated with TE polarization in semiconductor nanowire
圆柱形纳米线的偏振相关散射各向异性在例如纳米天线、光热治疗、热光致发光、催化、传感、光学滤波器和开关中具有许多潜在的应用。在所有这些应用中，依赖于温度的材料特性起着重要的作用，并且通常会对性能产生不利影响，这取决于辐射阻尼或耗散阻尼的主导地位。在这里，我们采用基于Mie散射理论的数值模拟，研究和比较金属（金，Au）纳米线与间接（硅，Si）和直接（砷化镓，GaAs）带隙半导体纳米线的温度和偏振相关的光学各向异性。结果表明，等离子体散射共振在半导体中，在吸收带内，随着温度的增加而恶化，而那些发生远离吸收带加强作为结果的声子贡献的增加。间接带隙薄（$20 \,\mathrm{nm}$）Si纳米线对于横向电（TE，$E_{\perp}$）和磁（TM，$E_{\parallel}$）模式都呈现低吸收效率，并且对于较短波长处的TM模式呈现高散射效率，使得它们适合作为高效散射体。在TE偏振的半导体纳米线（$r \! = \! 125 \! - \! 130$ nm）中也观察到具有温度弹性的高阶阿那普尔模式，其特征在于高吸收和低散射效率。在此，GaAs纳米线呈现出比Si纳米线大$3 \! - \! 7$倍的吸收效率，使得它们特别适合于温度弹性应用，例如扫描近场光学显微镜（SNOM）、局部加热、非侵入式感测或检测，其需要近场中的能量的强局部化。
2022-03-28 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Control of single photon emitters in semiconductor nanowires by surface acoustic waves
我们报道了声表面波对III-V族材料系统中纳米线异质结中的点的光发射的影响的实验研究。在直接光激发下，III族氮化物点在纳米线异质结构中的激子能级以声频振荡，在时间积分光致发光光谱中产生发射线的特征分裂。这种声学诱导的激子跃迁能量的周期性调谐与光谱检测滤波相结合，并用作调节从这些纳米线量子点发射的反聚束光子的时间输出的工具。此外，电子和空穴沿着III-砷化物纳米线的声学传输将电荷注入到空间上与光激发区域分离的量子点样复合中心的系综中。声学布居和去布居机制决定了在系综中同时发生的载流子复合事件的数量，从而允许控制所发射光子的反聚束程度。本研究结果对III-V族半导体异质结单光子发射的动态控制具有重要意义。
2019-02-22 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.optics
Dispersion features of complex waves in a graphene-coated semiconductor nanowire
在复波理论的框架下，研究了石墨烯包覆的半导体纳米线在太赫兹频段的色散特性。通过对特征方程的复数根得到的相位和衰减常数的特性分析，对波导模式进行了详细的分类。通过这样的处理，波被归因于“适当”或“不适当”波的组，其中它们的类型被确定为被捕获的表面波、快漏波和慢漏波以及表面等离子体。详细绘制了轴对称TM 0 n和TE 0 n模以及非对称混合EH 1 n和HE 1 n模的色散曲线，并分析了泄漏波的辐射区和俘获表面波的导行区。揭示了表面等离子体激元TM模传播的特殊性。表面等离子体存在的两个子区域被发现，它们出现在传播和反应波。正确地确定了高阶模的截止条件。
2018-02-23 physics.class-ph physics.optics
Broadband telecom transparency of semiconductor-coated metal nanowires: more transparent than glass
提出了涂覆有高介电常数电介质的金属纳米线（NW）作为强烈减少导电NW的光散射的手段，使它们在电信中感兴趣的红外波长处透明。基于一个简单的，普遍的法律来自静电参数，我们找到适当的参数，以减少混合金属-电介质NW的散射效率由高达三个数量级相比，均匀的金属NW的散射效率。我们表明，金属@电介质结构是更强大的制造缺陷比类似的电介质@金属的。透明区域的带宽完全覆盖近红外电信范围。虽然这种效果在垂直入射和给定偏振下是最佳的，但严格的理论和数值计算表明，透明度对偏振和入射角的变化是鲁棒的，并且对于相对密集的周期性或随机排列也是如此。基于金属纳米线的大量应用可以受益于这种不可见性。
2013-06-20 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Unveiling the detection dynamics of semiconductor nanowire photodetectors by terahertz near-field nanoscopy
半导体纳米线场效应晶体管由于其传输特性的强非线性以及其低噪声等效功率（< 1 nW/Hz $^{1/2}$）和高响应度（> 100 V/W）的显著组合而代表了用于开发室温（RT）太赫兹（THz）频率光探测器的有前途的平台。纳米工程的NW光电探测器相结合的高灵敏度与高速度（亚纳秒）在太赫兹制度在RT是非常可取的许多前沿应用在量子光学和纳米光子学，但这需要一个清晰的理解的起源的光响应。然而，由于允许同时激活不同过程的固有设备不对称性，传统的电学和光学测量不能明确地确定主导检测机制。在这里，我们创新地捕捉快照的光响应的个人InAs纳米线通过高空间分辨率（35 nm）太赫兹光电流纳米显微镜。通过将太赫兹量子级联激光器耦合到散射型扫描近场光学显微镜（s-SNOM）并监测电学和光学读数，我们同时测量传输和散射特性。空间分辨的电响应提供了明确的签名的光热电或测辐射热电流的相互作用进行了讨论，作为光子密度和材料掺杂的函数，因此提供了一种途径，工程师的光响应设计。
2020-11-21 cond-mat.mtrl-sci physics.ins-det physics.optics
