Photo-thermal control of surface plasmon mode propagation at telecom wavelengths

par Serkan Kaya

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Jean-Claude Weeber et de Christophe Finot.

Le président du jury était Béatrice Dagens.

Le jury était composé de Aurélien Bruyant, Benoit Cluzel.

Les rapporteurs étaient Olivier Gauthier-Lafaye.

  • Titre traduit

    Le contrôle photo-thermique de la propagation du mode plasmon de surface aux longueurs d'onde télécom


  • Résumé

    Les plasmons-polaritons de surface (PPS) font figure de plateforme polyvalente très promet- teuse pour le guidage des ondes électromagnétiques à l’échelle nanométrique. Dans ce contexte, le contrôle dynamique de la propagation PPS est d’une importance capitale. Le contrôle actif des dispositifs plasmoniques a souvent été réalisé jusqu’à présent par le biais d’un effet thermo-optique (TO). Toutefois dans la majorité des cas considérés, l’effet thermo-optique résulte d’une modification des propriétés d’un matériaux diélectrique en contact avec le métal supportant le mode plasmon. Ainsi, le rôle des propriétés thermo-optiques du métal lui-même a rarement été analysé aux fréquences télécom dans le cadre d’applications plasmoniques. L’objectif principal de cette thèse est donc d’analyser en détail l’impact des propriétés thermo- optiques des métaux sur différents modes PPS aux longueurs d’ondes télécom. En premier lieu, nous considérons la modulation photo-thermique d’un mode plasmon supporté par un film mince d’or se propageant à l’interface "or/air". Nous démontrons tout d’abord la modulation de la propagation des modes PPS induite par la dépendance des pertes ohmiques de l’or à la température du film mince. Le contrôle de la température du film est obtenu par un effet photo-thermique en régime continu modulé. Les mesures expérimentales de la pro- fondeur de modulation de l’intensité des modes PPS combinées à la simulation numérique de la distribution de température le long du film d’or nous permettent de remonter aux coefficients thermo-optiques de l’or aux fréquences télécoms. Dans un second temps, nous considérons le contrôle thermo-optique de modes plasmons dont le confinement spatial (et donc l’indice effectif) est supérieur à ceux des modes de films. Les modes considérés dans cette seconde étude sont connus sous le nom de "polymer- loaded surface plasmon waveguides (PLSPPWs)". Ces modes présentent un confinement latéral induit par l’indice de réfraction du ruban de polymère déposés sur le film métallique et un confinement vertical résultant de leur nature plasmonique. L’excitation photo-thermique de ces guides plasmoniques dans un régime nano-seconde nous permet de mettre en évidence la dynamique thermo-optique du métal aux temps courts (<1ns) et du polymère aux temps plus longs (<1µs). La même démarche appliquée à un micro-résonateur plasmonique en anneau révèle les temps caractéristiques de la dynamique de diffusion de la chaleur dans le polymère à l’échelle de quelques dizaines de nanomètres. Sur la base de ces expériences, nous suggérons un design de dispositifs plasmoniques thermo-optique dont la bande passante est de l’ordre du megahertz, un ordre de grandeur au-dessus des systèmes thermo-optiques traditionnels. Enfin, nous présentons la modulation photo-thermique de la propagation PPS le long de nanofils d’or fabriqués par lithographie électronique supportant des modes plasmons très confinés aux longueurs d’onde télécom. La transmission d’un signal télécom à 10 Gbit/s est tout d’abord démontrée afin d’établir sans ambiguïté la pertinence de tels guides d’ondes miniatures pour la transmission d’informations à très courtes échelles. Enfin, nous mettons en évidence la modulation photo-thermique de la propagation de tels modes. En particulier, nous investiguons l’influence sur la profondeur de modulation de la polarisation du faisceau pompe relativement à l’orientation des nanofils. Cet effet de polarisation s’explique par une absorption exaltée si la polarisation du faisceau pompe est orientée perpendiculairement à l’axe du nanofil. L’exaltation résulte de l’excitation d’un mode plasmon local selon l’axe transverse du nanofil.


  • Résumé

    Surface plasmon polaritons (SPPs) is the promising versatile platform proposed for guiding electromagnetic waves at nanoscale dimensions. In this context dynamic control of SPPs prop- agation is of paramount importance. Thermo-optical (TO) effect is considered as an efficient technique for performing active control of plasmonic devices. Among the thermo-optical based plasmonic devices demonstrated so far TO coefficient is dominantly provided by a dielectric material on top of the metal sustaining the SPP mode, however, the role of TO properties of the metal has been rarely investigated for plasmonic applications especially at the telecom frequency ranges. Therefore, the aim of this thesis is to investigate in detail the impact of thermo-optical properties of metals onto various SPP modes at telecom wavelengths.First, we report on photo-thermal modulation of thin film SPP mode traveling at gold/air interface excited at telecom wavelengths. We start by investigating the photo-thermally in- duced modulation of SPPs propagation mediated by the temperature dependent ohmic losses in the gold film. Then we extract the thermo-plasmonic coefficient of the SPP mode from the accurately measured SPPs signal depth of modulation by which we could compute the thermo-optical coefficients (TOCs) of gold at telecom wavelength. Lastly, we demonstrate a pulsed photo-thermal excitation of the SPPs in the nanosecond regime.Secondly, we investigate the thermo-optical dynamics of polymer loaded surface plasmon waveguide (PLSPPW) based devices photo-thermally excited in the nanosecond regime. First, we demonstrate thermo-absorption of PLSPPW modes mediated by the temperature-dependent ohmic losses of the metal and the thermally controlled field distribution of the plasmon mode within the metal. Next, we consider the thermo-optical response of a PLSPPW based racetrack shaped resonator coupled to a straight bus waveguide and evaluate the photo-thermal activation through heating and cooling times. We conclude that nanosecond excitation combined to high thermal diffusivity materials opens the way to high speed thermo-optical plasmonic devices.Finally, we report on the photo-thermal modulation of SPPs propagation along litho- graphically fabricated gold nanowires sustaining highly confined plasmonic mode at telecom wavelengths. First, we investigate telecommunication characterization of the nanowires by ap- plying high bit rate signal transmission, 10 Gbit/s, through fiber-to-fiber confocal detection setup. Next, we demonstrate and evaluate the photo-thermal modulation of SPPs propagation along the nanowires where we discuss qualitatively TO effects due to light-induced modula- tions on nanowires and show the impact of the incident beam polarization on the photo-thermal modulation.


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  • Sous le titre : Photo-thermal control of surface plasmon mode propagation at telecom wavelengths
  • Détails : 1 vol. (x-124 p.)
  • Annexes : Bibliographie p.111-124. 178 références
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