Guide plasmonique polymère-métal : composants passifs et actifs pour la photonique intégrée

Polymer-metal plasmonic waveguide : passive and active components for integrated photonics

• Auteur / Autrice : Jonathan Grandidier
• Direction : Alain Dereux, Gérard Colas des Francs
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Dijon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Plasmons

Photonique

Résumé

Les guides d’onde plasmoniques induits par un ruban diélectrique (DLSPPWs pour ''Dielectric Loaded Surface Plasmon Polariton Waveguides'') permettent de transmettre à une échelle sub-longueur d’onde, des signaux électriques et plasmoniques (ondes optiques à l’interface entre un métal et un diélectrique) dans la même circuiterie. De plus, l’utilisation d’un ruban de polymère comme diélectrique permet de fonctionnaliser ces DLSPPWs. Cette configuration est par conséquent d’un grand intérêt pour des applications en photonique intégrée. Néanmoins, les DLSPPWs souffrent de pertes importantes en raison de la dissipation dans le métal. Nous abordons le problème en montrant qu’il est possible de compenser les pertes en utilisant une configuration analogue à celle d’un amplificateur optique. Nous mettons d’abord en place les outils théoriques (modèle de l’indice effectif), numériques (méthode différentielle et méthode de la fonction de Green) et expérimentaux (microscopie à fuites radiatives) adaptés à l’optimisation et la caractérisation des DLSPPWs. Une fois le confinement modal maximisé à la longueur d’onde telecom ?=1. 55 µm, nous considérons un polymère dopé avec des boîtes quantiques. Le mode plasmon guidé dans le système polymère dopé-métal est excité pendant qu’un laser pompe les boîtes quantiques dans leur état excité. La relaxation des boîtes quantiques par émission stimulée de plasmon-polariton de surface apporte un gain optique. Ce phénomène est caractérisé par microscopie à fuites radiatives dans l’espace direct et dans l’espace réciproque. Cette démonstration représente un élément clé pour la photonique intégrée et l’interconnexion de circuits tout-optiques miniaturisés.

Dielectric loaded surface plasmon polariton waveguides (DLSPPWs) enable transmission at a sub-wavelength scale of both electrical and plasmonic (optical waves at the interface between a metal and a dielectric) signals in the same circuitry. Moreover, the use of a polymer as the dielectric load enables the functionalization of DLSPPWs. Therefore, this configuration is of great interest for integrated photonic applications. However, DLSPPWs suffer strong losses due to dissipation into the metal film. We address here the possibility of compensating the losses using a configuration analogous to an optical amplifier. We first set theoretical (effective index model), numerical (differential method and Green’s function method) and experimental (leakage radiation microscopy) tools adapted for the optimization and the characterization of these guides. Once the modal confinement has been optimized at telecom wavelength ?=1. 55 µm, we consider a polymer doped with quantum dots. The guided surface plasmon mode in the doped polymer-metal system is excited while an additional laser pumps the quantum dots in their excited states. Quantum dots relaxation by stimulated emission of surface plasmon polariton offers an optical gain. This phenomenon is characterized by leakage radiation microscopy in the direct space (imaging plane) and in the back focal space (Fourier plane). This demonstration is a step towards integrated photonics and interconnection of all-optical miniaturized circuitry.