Plasmonic photonic crystal fiber

Plasmonische photonische Kristallfaser

  • Surface plasmons, which are coupled electron-photon modes confined along the interface between a conductor and a dielectric, offer the unique possibility of guiding and manipulating electromagnetic waves on the nanoscale. In this thesis, the use of plasmonic photonic crystal fiber as a new class of hybrid plasmonic waveguide is presented. The holey structure in the photonic crystal fiber is exploited to integrate metallic nanowires into the cladding of the fiber. Novel filling techniques were used to embed high-quality gold wires with diameters down to 100 nm in the cladding of silica-based photonic crystal fibers. Light launched into the dielectric core mode of gold-filled sample was demonsSurface plasmons, which are coupled electron-photon modes confined along the interface between a conductor and a dielectric, offer the unique possibility of guiding and manipulating electromagnetic waves on the nanoscale. In this thesis, the use of plasmonic photonic crystal fiber as a new class of hybrid plasmonic waveguide is presented. The holey structure in the photonic crystal fiber is exploited to integrate metallic nanowires into the cladding of the fiber. Novel filling techniques were used to embed high-quality gold wires with diameters down to 100 nm in the cladding of silica-based photonic crystal fibers. Light launched into the dielectric core mode of gold-filled sample was demonstrated to couple to the surface plasmons on the gold nanowire, and were probed by near-field, scattering and transmission techniques. The coupling conditions were explored by selectively filling nanowires with different diameters into different cladding holes of the photonic crystal fiber. The results showed that plasmonic resonances in the visible to infrared frequency range could be excited on the nanowires of varying diameters, with up to 50 dB difference between on- and off-resonance. Coupled mode analysis was performed to numerically model the behavior of the coupling mechanism, and confirmed the existence of two eigenmodes at resonance: a plasmon-like mode with very high attenuation and a dielectric-like mode with low attenuation. Additionally, the hybridization of propagating plasmon modes was investigated by integrating a pair of gold nanowires in the cladding of the fiber. The results revealed the excitation of a bonding and an anti-bonding modes at specific wavelengths, leading to the formation of "plasmonic molecules". Finally, the ultrafast nonlinear properties of the gold-fill photonic crystal fibers were studied and nonlinear shift of transmission dip was observed. The study enabling the realization of novel in-fiber plasmonic devices and providing insight into the fundamental properties of the propagating plasmon, for instance, plasmon hybridization, nonlinear plasmonics, and near-field optics.show moreshow less
  • Oberflächenplasmonen sind elektromagnetische Moden, die entlang der Grenzfläche eines Leiters und eines Dielektrikums durch Elektron-Photon-Kopplung gebunden sind. Sie bieten die einzigartige Möglichkeit Licht im Nanometerbereich zu leiten und zu steuern. In dieser Dissertation werden Möglichkeiten gezeigt, photonische Kristallfasern als eine neue Art von hybriden plasmonischen Wellenleitern zu verwenden. In die Lochstruktur des Mantels der Faser wurden dazu metallische Nanodrähte integriert. Durch die Entwicklung neuartiger Fülltechniken gelang es, qualitativ hochwertige Golddrähte mit einem Durchmesser von bis zu 100 nm dünn herzustellen. Die dielektrische Kernmode der goldgefüllten Probe Oberflächenplasmonen sind elektromagnetische Moden, die entlang der Grenzfläche eines Leiters und eines Dielektrikums durch Elektron-Photon-Kopplung gebunden sind. Sie bieten die einzigartige Möglichkeit Licht im Nanometerbereich zu leiten und zu steuern. In dieser Dissertation werden Möglichkeiten gezeigt, photonische Kristallfasern als eine neue Art von hybriden plasmonischen Wellenleitern zu verwenden. In die Lochstruktur des Mantels der Faser wurden dazu metallische Nanodrähte integriert. Durch die Entwicklung neuartiger Fülltechniken gelang es, qualitativ hochwertige Golddrähte mit einem Durchmesser von bis zu 100 nm dünn herzustellen. Die dielektrische Kernmode der goldgefüllten Probe koppelte zu Oberflächenplasmonen auf dem Goldnanodraht, welche wiederum durch Nahfeld-, Streulicht-, und Transmissionstechniken vermessen wurden. Durch selektives Füllen von Nanodrähten unterschiedlicher Durchmesser wurden die Kopplungseigenschaften untersucht. Auf den Drähten konnten plasmonische Resonanzen im Sichtbaren und Nahinfraroten angeregt werden - mit bis zu 50 dB Unterschied in der Transmission der Kernmode auf und neben der Resonanz. Die interplasmonische Kopplung wurde durch gekoppelte Modentheorie numerisch modelliert und bestätigte die Existenz zweier Eigenmoden auf der Resonanz: eine "plasmon-like" Mode mit sehr hoher Dämpfung und eine "dielectric-like" mit niedriger Dämpfung. Durch das Füllen von zwei Nanodrähten wurde die Hybridisierung von propagierenden plasmonischen Moden untersucht. Bei spezifischen Wellenlängen wurden eine bindende und eine antibindende Mode angeregt, was zur Bildung von "plasmonischen Molekülen" führte. Schlussendlich wurden die nichtlinearen Eigenschaften der goldgefüllten Faser untersucht und dabei ein nichtlineares Verschieben in der Resonanz festgestellt. Diese Arbeit ermöglicht die Realisierung neuartiger plasmonischer Komponenten, welche in eine optische Faser integriert werden können. Außerdem liefert sie Erkenntnisse über fundamentale Eigenschaften von propagierenden Plasmonen, z.B. plasmonische Hybridisierung, nichtlineare Plasmonik und Nahfeldoptik.show moreshow less

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Metadaten
Author:Ho Wai Lee
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus-36444
Advisor:Philip St.J. Russell
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2012/10/29
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Naturwissenschaftliche Fakultät
Date of final exam:2012/10/19
Release Date:2012/10/29
Tag:Nanodraht; Nanooptik; Photonische Kristallfasern
nanooptics; nanowire; photonic crystal fiber
SWD-Keyword:Erlangen / Institut für Optik; Information und Photonik (Max-Planck; Nahfeldoptik; Nichtlineare Optik; Oberflächenplasmonresonanz; Optik; Plasmon
Institutes:Naturwissenschaftliche Fakultät / Naturwissenschaftliche Fakultät -ohne weitere Spezifikation-
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 53 Physik / 530 Physik

$Rev: 13581 $