基于高折射率对比狭缝波导的光子间隙天线

由低损耗电介质制成的光学天线相比等离子体天线具有若干优势，包括高辐射量子效率、可忽略的发热以及优异的光稳定性。然而，由于空间约束弱，传统电介质天线无法提供与等离子体天线相当的光-物质相互作用强度。我们在此提出一种全电介质天线构型，其可支持强约束模式（$V\sim10^{-4}\lambda_{0}^3$），同时保持单位天线量子效率。该构型由具有高折射率柱状结构及填充低折射率材料的横向间隙组成，其中折射率对比诱导出垂直于间隙的电场强增强。我们基于对称与非对称水平狭缝波导的色散关系，对此类光子间隙天线（PGAs）的工作原理给出详细解释。为讨论 PGAs 的性质，我们考虑以硅柱并以空气或 CYTOP 作为间隙材料。我们通过全波仿真表明，对于嵌入间隙中的发射体，PGAs 在 $\lambda=1.25$ \textmu m 处、光谱带宽 $\Delta\lambda\approx300$ nm 内，可将自发发射速率增强约 1000 倍（空气间隙）与约 400 倍（CYTOP 间隙）。此外，PGAs 可被设计成在其光谱带宽的相当部分上提供单向面外辐射。这是通过将间隙位置设于柱体的优化非中心位置以适当打破结构垂直对称性来实现的。我们还证明，当作为接收器时，PGAs 可带来约 3000 倍（空气间隙）与约 1200 倍（CYTOP 间隙）的近场强度增强。