Demonstration of the spatial self-trapping of a plasmonic wave

par Tintu Kuriakose

Thèse de doctorat en Optique et photonique

Sous la direction de Mathieu Chauvet.

Soutenue le 12-07-2018

à Bourgogne Franche-Comté , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; Dijon ; Belfort) , en partenariat avec FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon) (laboratoire) , Université de Franche-Comté (Etablissement de préparation) et de Franche-Comté Électronique Mécanique- Thermique et Optique - Sciences et Technologies / FEMTO-ST (laboratoire) .

Le président du jury était Maria-Pilar Bernal-Artajona.

Le jury était composé de Mathieu Chauvet, Maria-Pilar Bernal-Artajona, Rachel Grange, Georges Boudebs, Gilles Renversez.

Les rapporteurs étaient Rachel Grange, Georges Boudebs.

  • Titre traduit

    Démonstration de l'autofocalisation d'une onde plasmonique


  • Résumé

    Cette thèse est une contribution au domaine de recherche de la plasmonique nonlinéaire, domaine émergent de l'optique. L'objectif principal est de démontrer expérimentalement l'autofocalisation d'une onde plasmonique.L'étude débute avec la fabrication et la caractérisation de guides plans en verre de chalcogénure de composition Ge-Sb-Se. Une technique basée sur la formation de solitons spatiaux est développée afin d’estimer leurs non-linéarités Kerr. Les propriétés optiques linéaires et non linéaires de ces guides sont étudiées aux longueurs d’onde de 1200 nm et 1550 nm.Des structures plasmoniques sont ensuite conçues pour propager des ondes hybrides plasmon-solitons avec des pertes de propagation modérées. Elles sont constituées des guides précédents recouverts de nanocouches de silice et d'or.Les caractérisations optiques par couplage plasmon-soliton révèlent une forte autofocalisation subie par l’onde qui se propage à l'intérieur de la structure plasmonique. Comme prévu par la théorie, le comportement est présent uniquement pour une lumière polarisée TM. Des résultats expérimentaux détaillés de cette autofocalisation exaltée par effet plasmonique sont présentés pour différentes configurations. Des simulations confirment les résultats expérimentaux obtenus.Cette démonstration fondamentale vient confirmer le concept d’autofocalisation assistée par plasmon tout en révélant un effet nonlinéaire très efficace. Cela ouvre de nouvelles perspectives pour le développement de dispositifs photoniques non linéaires intégrés ainsi que de nouveaux phénomènes physiques.


  • Résumé

    This dissertation contributes to the research area of nonlinear plasmonics an emerging field of optics. The main goal is to demonstrate experimentally the spatial self-trapping of a plasmonic wave.The study begins with the fabrication and the characterization of slab Ge-Sb-Se chalcogenide waveguides. A technique based on the formation of spatial solitons is developed to estimate their Kerr nonlinearities. Linear and nonlinear optical properties of the waveguides are studied at the wavelengths of 1200 nm and 1550 nm.Plasmonic structures are then designed to propagate hybrid plasmon-soliton waves with moderate propagation losses. They are constituted of the previous waveguides covered with nanolayers of silica and gold.Optical characterizations reveal a giant self-focusing undergone by the wave that propagates inside the plasmonic structure. The behavior is present only for TM polarized light as expected from theory. Detailed experimental results of this plasmon enhanced nonlinear self-trapping corresponding to different configurations are presented. Simulations confirm the obtained experimental results.This fundamental demonstration confirms the concept of plasmon-assisted self-focusing while revealing a very efficient nonlinear effect. This opens new perspectives for the development of integrated nonlinear photonic devices as well as new physical phenomena.


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Informations

  • Sous le titre : Demonstration of the spatial self-trapping of a plasmonic wave
  • Détails : 1 Vol. (133p.)
  • Annexes : Bibliogr.p.107-125
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