Fabrication and characterization of thermo-plasmonic routers for

165 Pages·2016·32.68 MB·French

by  Hassan, Karim

Fabrication and characterization of thermo-plasmonic
routers for telecom applications
Karim Hassan
To cite this version:
KarimHassan. Fabricationandcharacterizationofthermo-plasmonicroutersfortelecomapplications.
Other [cond-mat.other]. Université de Bourgogne, 2013. English. ￿NNT: 2013DIJOS029￿. ￿tel-
00944210￿
HAL Id: tel-00944210
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Submitted on 10 Feb 2014
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Université de Bourgogne
Faculté des Sciences
Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne
Département Nanosciences
Fabrication and characterization of
Thermo-Plasmonic routers for Telecom Applications
Thèse présentée à l’Université de Bourgogne pour obtenir
le grade de Docteur (Mention Physique)
par
Karim HASSAN
Soutenue le 12 Juillet 2013 devant la commission d’examen composée de:
Bozhevolnyi S. I. Professeur, Univ. South. Denmark Rapporteur
Bachelot R. Professeur, Univ. Tech. Troyes Rapporteur
Dagens B. Directeur de Recherche, Univ. Paris Sud Examinateur
Finot C. Professeur, Univ. Bourgogne Examinateur
Dereux A. Professeur, Univ. Bourgogne Co-directeur de thèse
Weeber J.-C. Professeur, Univ. Bourgogne Directeur de thèse
Karim HASSAN: Fabrication and characterization of Thermo-Plasmonic routers for
Telecom Applications, A brigde between Electronics and Photonics, © July 2013
To Vanessa.

A la fin il n’en restera qu’un!
— Denis Brognard [Koh Lanta]
Remerciements
Durant ces trois dernières années, j’ai eu l’opportunité d’évoluer aussi bien dans ma
vie professionnelle que personnelle, et ceci grâce à de nombreuses personnes qui m’ont
données du temps, des idées, de la force et parfois même leur confiance. Il est évident
que la période de la thèse est tout à fait propice à ce genre d’évolution, à l’interface
entre fin d’étude et début de carrière, où l’on doit à la fois apprendre et découvrir, mais
sans un cadre de travail approprié, tout pourrait être plus dur. L’équipe d’Optique
Submicronique et NanoCapteur du Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne
remplit parfaitement ce rôle, les portes de chaque chercheur y sont toujours ouvertes
(c’est un leurre chez Eric F.). Aussi je remercie Gérard, Alexandre, Laurent et Juan pour
leur expertise scientifique, technique, et sportive, avec des discussions tant chaleureuses
que prolifiques. Je pense également au trio d’Eric B. F. et L. qui m’ont soutenus pour
divers projets comme l’enseignement ou les barbecues d’équipes (dans le pure respect
des règles de sécurité). Merci à Elly pour son soutien indéfectible.
Il est difficile d’avoir un mot ou son antonyme pour chacun et chacune de mes collègues
doctorants, post-doctorants, et autres laborantins, mais je dirai merci à Simon sa
"Grandeur", Thomas et David pour leur "Finesse", Antonin pour son "Illettrisme", Johan
et Jérémie pour leur "Multiplicité", Thibault, Flo, et Nono pour leur "Superficialité",
Michaelforhiswisdom, Mingxia, Fillimon, Padmnabh, Ece, Christian, Serkan, Stéphane,
Marie, Pauline, Pierre, Sébastien, Rémi, Delphine et Jean pour leur présence. J’ai
souvent du faire appel aux services du département de mécanique et d’électronique qui
ont toujours su répondre à mes attentes, un savoir faire à ne pas négliger, merci à Brice
en particulier.
Enfin, tout ce travail n’aurait pas été possible sans un encadrement aussi efficace. C’est
pourquoijeremercieAlainDereux, quim’adonnéenviedèslatroisièmeannéedeLicence
de poursuivre dans cette voie de par sa motivation débordante qui transparaissait lors
de ces enseignements, cachée pour certains derrière un tableau noir plein d’équations,
mais bien visible pour ceux qui savaient l’écouter. Mes derniers mots sont dédiés à
Jean-Claude Weeber, qui a été bien plus qu’un professeur pour moi, le mot "juste"
pourrait être défini par cet homme par qui j’ai eu la chance de rejoindre la Science.
e

Contents
General Introduction v
I State of art and introducing work 1
1 Context 5
1.1 Motivation: Carrying optical data on chip . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2 Surface Plasmon Polariton Waveguides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2.1 2D Surface Plasmon Polariton waveguides . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2.2 3D Surface Plasmon Polariton waveguides with lateral confinement 13
1.3 DLSPPW-based components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.3.1 Passive telecom components based on DLSPPWs . . . . . . . . . . 17
1.3.2 Active telecom components based on DLSPPWs . . . . . . . . . . 22
1.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2 Advanced analysis of passive DLSPPWs 25
2.1 Physical properties of DLSPPWs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2 Experimental background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.2.1 DLSPPW fabrication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.2.2 Characterization setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.2.3 Calibrating leakage radiation images . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.3 Momentum-space spectroscopy of linear couplers . . . . . . . . . . . . . . 33
2.3.1 Experimental measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.3.2 Comparison with Finite Element Method . . . . . . . . . . . . . . 36
2.4 Momentum-space spectroscopy of curved DLSPPWs . . . . . . . . . . . . 37
2.4.1 Experimental images . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.4.2 Fourier plane model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.4.3 Analytical development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
i
ii Contents
II Control Of Thermo-Optical DLSPPWs functionalities 47
3 Electrical control of DLSPPWs components 51
3.1 Thermo-optical control of DLSPPW filters: RaceTrack Resonators . . . . 52
3.1.1 Experimental images . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.1.2 Lossy resonator model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.1.3 Structural parameters optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.1.4 Thermo-optical response of racetracks resonators . . . . . . . . . . 60
3.2 Thermo-optical control of X-Add-Drop 2×2 DLSPPW routers . . . . . . 62
3.2.1 High TOC polymer processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.2.2 X-Add-Drop Experimental images . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.2.3 X-Add-Drop Thermo-optical routing . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.2.4 Comparison with FEM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.3 Thermo-optical control of plasmo-photonic mode DLSPPW routers . . . 68
3.3.1 DMI Experimental images . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.3.2 DMI Thermo-optical routing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.3.3 Comparison with FEM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.3.4 Low frequency dynamic heating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4 Photo-thermal control of DLSPPW components 77
4.1 Localised SPP for efficient light-heat conversion . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.1.1 Samples fabrication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.1.2 Radiation leakage characterizations of the DMI routers. . . . . . . 80
4.1.3 Photo-thermal activation of DMI plasmonic routers . . . . . . . . 82
4.2 All plasmonic DLSPPW devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.2.1 Dielectric Loaded Gratings for fiber-to-fiber characterizations. . . 91
4.2.2 Plasmo-thermal activation by Kretschmann-Raether excitation . . 100
4.2.3 Plasmo-thermal activation by Metallic Gratings excitation . . . . 109
4.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
5 Dihedron Surface Plasmon Polaritons 117
5.1 Passive properties of symmetric and asymmetric Dihedrons . . . . . . . . 117
5.1.1 Impact of a single metallic shield . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
5.1.2 Symmetric Dihedron modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
5.1.3 DLSPPW Polarization converter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
5.2 Electrical heating of Dihedrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
5.2.1 Impact on the time response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
5.2.2 Thermo-optic behavior of plasmonic Dihedron based polarization
converter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
5.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
Contents iii
General Conclusion 133
Bibliography 135
Publications 149