Excitation and Detection of Highly Confined Plasmonic Gap Modes with Subwavelength Dimensions

Anregung und Detektion hochlokalisierter plasmonischer Gap-Moden mit Subwellenlängendimensionen

  • Plasmonic gap waveguides allow for light confinement below the diffraction limit. They have great potentials for further highly integrated plasmonic devices, but are difficult to excite. This thesis demonstrates the coupling of light from the far field to highly confined plasmonic gap modes via connected nanoantennas,both numerically and experimentally. Propagating surface plasmon modes can either be detected in the far field by using a cross polarization setup or in the near field by a scanning nearfield optical microscope (SNOM). Gap plasmonic modes are successfully probed by focusing Gaussian optical beams on a loaded optical antenna. In addition to probing propagating plasmonic modes in Plasmonic gap waveguides allow for light confinement below the diffraction limit. They have great potentials for further highly integrated plasmonic devices, but are difficult to excite. This thesis demonstrates the coupling of light from the far field to highly confined plasmonic gap modes via connected nanoantennas,both numerically and experimentally. Propagating surface plasmon modes can either be detected in the far field by using a cross polarization setup or in the near field by a scanning nearfield optical microscope (SNOM). Gap plasmonic modes are successfully probed by focusing Gaussian optical beams on a loaded optical antenna. In addition to probing propagating plasmonic modes in a waveguide, the excitation of a plasmonic nano-rod resonator is realized by an incident electron beam. The cathodoluminescence imaging technique for mapping plasmonic modes by a raster scan of the electron beam is proven. The use of nanoantennas can increase the coupling efficiency of an incident optical beam into plasmonic gap modes dramatically. An optimum coupling efficiency is achieved by matching the impedance between the antenna and the waveguide. Far-field measurements which allow for the detection of extremely weak signals, re-emitted from the gap waveguides are shown. By using a crossed-polarizer detection scheme that requires bent waveguides, the signal-to-noise ratio is dramatically improved. The excitation of gap modes is shown to be sensitive to the wavelength and the position of the excitation beam relative to the coupled nano-antenna. High transmission through the bent waveguides with radii in the μm range is detected. It is found that the transmission of the focused optical beam impinging on the antenna drops by 16% at the wavelength of 1.55 μm. The measured sum of the coupling efficiency and antenna absorption reaches up to 20% compared to the simulated optimum coupling efficiency of 15%. Scanning experiments are performed for near-field excitation and detection simultaneously. We prove operating double-tip SNOM scans, for which one tip acts as a point source to provide local excitation of propagating plasmons and the other one for detecting the near field. In this thesis, a new excitation and probing method of plasmonic waveguides by loaded optical antennas, is proven in the far field experiments. The cross polarization detection scheme,which is diffraction limited, can successfully resolve the scattered light from the end of a bent waveguide with sub-wavelength dimension. The resonant behavior of an optical antenna allows the selective coupling of light to the plasmonic waveguide in a certain spectral range. The presented combination of subwavelength waveguides with matched optical antennas paves the way for versatile new applications: to probe nanooptics, to access plasmonic circuitry and in general to bridge the gap between the far field and the near field in plasmonics.show moreshow less
  • Plasmonische Gap-Wellenleiter ermöglichen die Führung von Licht auf Dimensionen unterhalb der Beugungsgrenze. Sie bergen ein großes Potenzial für zukünftige hochintegrierte plasmonische Elemente.Diese Dissertation untersucht die Kopplung von Licht aus dem Fernfeld in hoch lokalisierte plasmonische Gap-Moden mit Hilfe angekoppelter Nanoantennen sowohl numerisch als auch experimentell. Die in den Wellenleitern propagierenden plasmonischen Moden können entweder im Fernfeld unter Benutzung eines Aufbaus mit gekreuzten Polarisatoren oder im Nahfeld mittels eines rasternd messenden optischen Nahfeldmikroskops (scanning near-field optical microscope, SNOM) detektiert werden. Durch Fokussieren einesPlasmonische Gap-Wellenleiter ermöglichen die Führung von Licht auf Dimensionen unterhalb der Beugungsgrenze. Sie bergen ein großes Potenzial für zukünftige hochintegrierte plasmonische Elemente.Diese Dissertation untersucht die Kopplung von Licht aus dem Fernfeld in hoch lokalisierte plasmonische Gap-Moden mit Hilfe angekoppelter Nanoantennen sowohl numerisch als auch experimentell. Die in den Wellenleitern propagierenden plasmonischen Moden können entweder im Fernfeld unter Benutzung eines Aufbaus mit gekreuzten Polarisatoren oder im Nahfeld mittels eines rasternd messenden optischen Nahfeldmikroskops (scanning near-field optical microscope, SNOM) detektiert werden. Durch Fokussieren eines Gaußstrahls auf eine mit dem Wellenleiter verbundene optische Antenne konnte die Feldausbreitung im Gap-Wellenleiter erfolgreich vermessen werden. Zusätzlich zur Aufnahme von sich ausbreitenden plasmonischen Moden in einem Wellenleiter wird die Anregung eines stabförmigen plasmonischen Resonators im Nanometermaßstab durch einen einfallenden Elektronenstrahl realisiert. Die Abbildung von plasmonischen Moden konnte im Zuge eines Rasterscans mittels der Kathodolumineszenztechnik durchgeführt werden. Die Verwendung von Nanoantennen kann die Kopplungseffizienz eines einfallenden Lichtstrahls zu plasmonischen Gap-Moden erheblich erhöhen. Die optimale Kopplungseffizienz wird durch Angleichen der Impedanz von Antenne und Wellenleiter erreicht. Es werden Fernfeldmessungen gezeigt, welche die Detektion von extrem schwachen, von den Gap Wellenleitern ausgesandten Signalen erlauben. Das Signal-Rausch-Verhältnis konnte unter Verwendung von 90°-Kurven beschreibenden Wellenleitern und durch den Einsatz eines Detektionsschemas mit gekreuzten Polarisatoren erheblich verbessert werden. Es wird gezeigt, dass die Anregung von Gap-Moden empfindlich von der verwendeten Wellenlänge und von der Position des anregenden Strahls relativ zur koppelnden Nanoantenne abhängt. Dabei konnte eine hohe Transmission durch Wellenleiter mit Krümmungsradien im Mikrometerbereich gemessen werden. Es wurde festgestellt, dass die Transmission durch das Substrat um 16% abnimmt, wenn ein Lichtstrahl der Wellenlänge 1.55 μm auf die optische Antenne fokussiert wird. Die gemessene Summe aus Kopplungseffizienz und Antennenabsorption erreicht Werte bis zu 20%, verglichen mit einer simulierten optimalen Kopplungseffizienz von 15%. Durch optische Nahfeld-Rasterscans (SNOM) kann das Nahfeld der Probe simultan angeregt und gemessen werden. Die Umsetzbarkeit einer SNOM Doppelspitzen-Messung wird gezeigt,für welche die eine Spitze als Punktquelle zur lokalen Anregung sich ausbreitender Plasmonen dient und die andere zur Detektion des Nahfelds. In dieser Arbeit wird eine neue Anregungs- und Detektions-methode für plasmonische Wellenleiter, verbunden mit einer optischen Antenne, in Fernfeldmessungen vorgestellt. Durch ein Detektionsschema mit gekreuzten Polarisatoren, welches beugungslimitiert ist, kann das gestreute Licht vom Ende des gekrümmten Wellenleiters erfolgreich im Subwellenlängenbereich aufgelöst werden. Der Resonanzbereich einer optischen Antenne erlaubt die selektive Kopplung von Licht eines bestimmten spektralen Bereiches in den plasmonischen Wellenleiter. Die vorgestellte Kombination aus Wellenleitern im Subwellenlängenbereich und optischen Antennen kann Wegbereiter vielfältiger neuer Anwendungen werden: Als Sonde für die Nano-Optik, als Zugang zu plasmonischen Nano-Schaltkreisen und im Allgemeinen, um eine Brücke zwischen dem Fernfeld und Nahfeld für die Nanophotonik zu schlagen.show moreshow less

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Metadaten
Author:Jing Wen
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus-29777
Advisor:Bernhard Schmauss
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2011/12/14
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Date of final exam:2011/10/19
Release Date:2011/12/14
Tag:Antenna; Optics; Plasmon; Waveguide
SWD-Keyword:Antenne; Optik; Plasmon; Wellenleiter
Institutes:Technische Fakultät / Technische Fakultät -ohne weitere Spezifikation-
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 53 Physik / 530 Physik

$Rev: 13581 $