Modelling and improvement of complex nonlinear plasmonic waveguides

par Mahmoud Mohamed Reda Ahmed Elsawy

Thèse de doctorat en Physique et sciences de la matière. Optique, photonique et traitement d'image

Sous la direction de Gilles Renversez.

Soutenue le 28-09-2017

à Aix-Marseille , dans le cadre de Ecole Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille) , en partenariat avec Institut Fresnel (Marseille, France) (laboratoire) .

Le président du jury était Philippe Lalanne.

Le jury était composé de Hervé Maillotte, Arnaud Mussot, Olivier J-F Martin, Christophe Geuzaine.

Les rapporteurs étaient Éric Cassan, Kestutis Staliunas.

  • Titre traduit

    Modélisation et amélioration des guides d'onde plasmoniques non-linéaires complexes


  • Résumé

    Le but de cette thèse est de développer les outils numériques et semi-analytiques qui nous permettent d’étudier des guides non-linéaires complexes et réalistes qui pourraient être fabriqués et caractérisés expérimentalement.Nous présentons une étude complète d’une version améliorée du guide d’onde plasmonique non-linéaire à une dimension, en ajoutant deux couches tampons de diélectrique linéaire entre le cœur non-linéaire isotrope et les deux gaines métalliques. Ses couches réduisent les pertes et permettent leur diminution avec la puissance contrairement aux guides simples. De plus, les principaux modes plasmoniques non-linéaires peuvent présenter une transition spatiale vers des modes de types différents, qui peut être contrôlée par la puissance.Par la suite, nous étudions un nouveau guide plasmonique non-linéaire à fente utilisant un métamatériau, soit dans le cœur non-linéaire soit dans les gaines linéaires. Nous avons mis au point une méthode semi-analytique et une méthode numérique afin d’étudier les solutions stationnaires non-linéaires dans ce nouveau guide non-linéaire anisotrope. Nous avons montré analytiquement et numériquement que le cœur non-linéaire anisotrope peut être conçu afin d’atteindre de forts effets non-linéaires à faible puissance. Pour certains métamatériaux dans les gaines linéaires, la figure de mérite de ce guide d’onde augmente de plus de 50 fois par rapport aux guides isotropes.Pour conclure, nous présentons une nouvelle méthode basée sur la méthode des éléments finis de type vectoriel couplée à l’algorithme à puissance fixée pouvant calculer rigoureusement les effets non-linéaires dans des guides d’onde plasmoniques 2D.


  • Résumé

    The main goal of this PhD is to develop the semi-analytical and the numerical tools that allow us to study complicated and realistic nonlinear plasmonic waveguides which can be fabricated and characterized experimentally.First, we present a full study of an improved version of the one-dimensional nonlinear plasmonic slot waveguide, by adding two linear dielectric buffer layers between the isotropic nonlinear core and the two metal claddings. These additional layers reduce the overall losses and allow the losses to decrease with the power for some configurations unlike the usual slot. Furthermore, the main plasmonic modes can exhibit nonlinear spatial modal transitions towards new families of modes that can be controlled with the power.Second, we propose and study new one-dimensional nonlinear plasmonic slot waveguides with metamaterial regions either in the nonlinear core or in the linear claddings. For the metamaterial nonlinear core, we developed semi-analytical and fully numerical methods in order to study the nonlinear stationary solutions propagating in this anisotropic nonlinear waveguide. We have demonstrated both analytically and numerically that the anisotropic nonlinear core can be designed in order to achieve strong nonlinear effects at low power.For the structures with metamaterial linear claddings, the figure of merit can be extremely enhanced by more than 50 times compared with the simple one. Finally, we present the full derivation of a new nonlinear full vectorial finite element method based on the fixed power algorithm in order to quantify rigorously the nonlinear characteristics of realistic two-dimensional nonlinear plasmonic structures.


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