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Photonic Gap Antennas for the Manipulation and Generation of Light

Ashutosh Patri

Ph.D. thesis (2023)

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Abstract

ABSTRACT Antennas are ubiquitous in wireless electronic devices, ranging from radio-controlled toys and smartphones to satellites in space. In the past three decades, a new type of antenna has emerged, operating as a transducer for light waves instead of radio waves. These optical antennas efficiently receive and transmit electromagnetic radiation, acting as transducers between nanoscale dipoles such as atoms, molecules, or quantum dots and light. Therefore, the performance of optical antennas hinges on their ability to concentrate light at a deep subwavelength level. To achieve this goal, most theoretical and experimental efforts have been dedicated to utilizing sub-wavelength metallic antennas. Metals support a collective oscillation of electrons known as surface plasmons at visible and infrared frequencies, enabling deep sub-wavelength localization of oscillating electric fields. This localization is achieved by converting the energy of the electric field, which acts as a source of capacitance, into the kinetic energy of free electrons, serving as a source of kinetic inductance. In contrast, long-wavelength and dielectric antennas predominantly involve energy oscillation between electric and magnetic fields. Plasmonic antennas have proven valuable in manipulating and enhancing the emission of nearby emitters, benefiting light-emitting devices and state-of-the-art single-photon sources. Additionally, their light-concentrating capabilities have found crucial applications in sensing, nonlinear optics, integrated photonics, and imaging. The objective of this thesis is to explore the potential of low-loss dielectric structures as optical antennas. In low-loss dielectrics, material resonances are absent in the frequency region of interest, so we can focus only on the antenna’s structural resonances. In contrast to metals, dielectrics have bound electrons (or charges), and the corresponding displacement current supports the oscillation only between electric and magnetic field energy. The displacement current in dielectrics is not limited to the surface but is available throughout the entire volume of the antenna structure. With increasing molecular polarizability of the dielectric, the antenna structure can be scaled to a smaller size to enhance the electric field intensity and there is no energy waste as heat. From the radio antennas made by Hertz to the metal optical antennas, the field enhancement in the gap of the antenna structure has been the gateway to their applications. Here we explore the potential of the gap in optical dielectric antennas to enhance the electric field in its vicinity and to tune the directional strength of the light radiation into the far field region. In addition, we demonstrate their unique abilities in transforming the wavefront of the light when arranged in an array.

Résumé

RÉSUMÉ Le développement des antennes optiques a énormément progressé au cours des deux dernières décennies. De manière semblable à leurs homologues à plus grande longueur d’onde (radio et micro-ondes), les antennes optiques convertissent le rayonnement électromagnétique du champ lointain en champ proche localisé et vice versa. Alors que la transmission dans les antennes à grande longueur d’onde est générée par des courants électriques alternatifs, les antennes optiques sont généralement excitées par des faisceaux lumineux incidents ou des émetteurs uniques tels que des atomes, des molécules ou des points quantiques. Une extrac-tion efficace de l’énergie électromagnétique de ces émetteurs nécessite une forte localisation du champ électrique proche. Pour y parvenir, la grande majorité des travaux théoriques et expérimentaux se sont concentrés sur l’utilisation d’antennes métalliques sub-longueur d’onde. La réponse des métaux aux champs électriques oscillant à des fréquences visibles et infrarouges est dominée par les plasmons de surface qui permettent une localisation très in-tense des champs électriques oscillants, dans un volume beaucoup plus petit que la longueur d’onde. La résonance des plasmons de surface convertit l’énergie du champ électrique, source de capacitance, en énergie cinétique des électrons libres, source d’inductance cinétique. Cela est différent du mécanisme d’opération des antennes à grande longueur d’onde et des an-tennes diélectriques, où l’énergie oscille principalement entre le champ électrique et le champ magnétique. La capacité des antennes plasmoniques à manipuler ou à renforcer l’émission d’émetteurs uniques proches s’est avérée utile à la fois pour les dispositifs émettant de la lumière et pour les sources de photons uniques de pointe. De plus, leur capacité à concentrer la lumière a trouvé des applications importantes, par exemple dans les senseurs, l’optique non linéaire, la photonique intégrée et l’imagerie. L’objectif de cette thèse est d’explorer le potentiel des structures diélectriques à faibles pertes en tant qu’antennes optiques. Dans les diélectriques à faibles pertes, les résonances du matériau sont absentes dans la bande de fréquence qui nous intéresse, de sorte que nous pou-vons nous concentrer uniquement sur les résonances structurelles de l’antenne. Contrairement aux métaux, les diélectriques ont des électrons (ou des charges) liés, et le courant de déplace-ment correspondant soutient l’oscillation uniquement entre l’énergie du champ électrique et celle du champ magnétique. Le courant de déplacement dans les diélectriques n’est pas limité à la surface mais est disponible dans tout le volume de la structure de l’antenne. Avec une polarisabilité moléculaire croissante du matériau diélectrique, la structure de l’antenne peut être réduite à une taille plus petite pour augmenter l’intensité du champ électrique et il n’y a pas de perte d’énergie sous forme de chaleur.

Department: Department of Electrical Engineering
Program: Génie électrique
Academic/Research Directors: Stéphane Kéna-Cohen
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/53474/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 13 Nov 2023 11:23
Last Modified: 13 Apr 2024 06:04
Cite in APA 7: Patri, A. (2023). Photonic Gap Antennas for the Manipulation and Generation of Light [Ph.D. thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/53474/

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