Adressage et contrôle de nanosources optiques par plasmonique intégrée ou fibrée

Addressing and control of optical nanosources by integrated or fibered plasmonics

• Auteur / Autrice : Julien Barthes
• Direction : Alain Dereux, Gérard Colas des Francs
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 18/06/2015
• Etablissement(s) : Dijon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Carnot-Pasteur (Besançon ; Dijon ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (ICB) (Dijon)
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Guérin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Jacques Greffet, Olivier Martin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christian Girard, Aurélien Drezet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanotechnologie

Fibres optiques

Plasmons

Mots clés libres

Facteur de Purcell

Guide plasmonique hybride

Théorie des modes couplés en présence de pertes

Purcell factor

Hybrid plasmonic waveguide

Coupled lossy mode theory

Résumé

Les plasmons polaritons de surface, modes supportés par des nanostructures métalliques permettent de confiner la lumière à des échelles sub-longueurs d’onde. En s’affranchissant de la limite de diffraction, ces modes constituent des pistes intéressantes pour l’adressage et le contrôle de nanosources optiques (molécules, boites quantiques...). Par exemple, un nanofil métallique constitue un guide plasmonique unidimensionnel qui permet d’exciter une nanosource ou encore de coupler deux émetteurs avec des applications possibles pour la réalisation de composants nano-optiques intégrés. En revanche, la perte d’énergie dans le métal diminue la portée de ces dispositifs. Une stratégie consiste donc à travailler sur une configuration hybride : plasmonique et fibre optique, pour coupler efficacement l’émission de la nanosource à un mode de fibre. Ceci ouvre la voie à la réalisation d’une nanosource fibrée de manipulation aisée pouvant être utilisée comme source de photon unique pour la cryptographie quantique ou plus simplement comme une sonde de champ proche optique haute résolution.Après une étude des principaux canaux de relaxation d’une molécule fluorescente à proximité d’un guide plasmonique, nous discutons de l’optimisation du couplage entre l’émetteur et le guide plasmonique en jouant sur sa forme et la longueur d’onde d’émission. Ensuite, nous nous intéressons au comportement d’une structure hybride composée d’une fibre optique étirée et métallisée. Enfin, nous montrons que l’optimisation du transfert d’énergie d’une molécule fluorescente en présence de cette structure permet de collecter plus de 50% de l’énergie lumineuse d’un nano-émetteur posé sur un substrat vers une fibre optique par le truchement d’un plasmon.

Surface plasmon polariton (SPP) can confine light on subwavelength dimensions. Since they are not diffraction limited, they are of great interest for addressing and controlling optical nanosources. For example, a metal nanowire defines 1D plasmonic waveguide with a great potential for either addressing or coupling quantum emitters. Therefore, SPP opens great opportunities for integrated optical applications. However, SPP suffer from ohmic losses that jeopardize the applications of plasmonic components. In this context, we study the possibilities provided by an hybrid plasmonic-photonicstructure to couple efficiently an emitter to a fiber mode. Such a structure paves the way for fibered single photon nanosource or high resolution optical probe. In this thesis manuscript, we first study the coupling rate between a fluorescent molecule and a metallic nanowire thanks to Green’s dyad formalism. This leads us to distinguish the different relaxation channels and the enhancement of the energy transferred into the plasmonic guided mode by optimizing the shape of the guide (crystalline nano-wire,slow modes). Then, we investigate the energy propagation in a metal coated taperedoptical fiber. Finally, we achieve an optimal configuration for which more than 50% of the energy emitted by a quantum emitter laid on a substrat is transferred into an optical fiber.