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Thèse Année : 2014

Plasmon–soliton waves in metal-nonlinear dielectric planar structures

Ondes de type plasmon–soliton dans des structures planaires métallo-diélectriques nonlinéaires

Wiktor Walasik
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Résumé

In this PhD thesis, we study the properties of stationary transverse magnetic polarized waves in structures composed of a Kerr-type nonlinear dielectric layer, metal and linear dielectric layers. Although these waves, called here plasmon–solitons, have been studied for more than 30 years, there is still no experimental confirmation of their existence due to extremely high nonlinear index modification required to generate such waves in the configurations proposed so far. The goal of this PhD thesis is to develop analytical and numerical models to improve the understanding of plasmon–solitons and to design structures that support these nonlinear waves at low power levels. In the first part of this work, we develop several models to study the properties of plasmon–soliton waves in two types of structures: (i) semi-infinite nonlinear dielectric in contact with metal and linear dielectric layers and (ii) finite-size nonlinear dielectric layer sandwiched between two metal regions (nonlinear slot waveguide). Our models allow us to compute the nonlinear dispersion relations and the corresponding field profiles for such structures. They extend the approaches already proposed in literature and allow us to study configurations that have never been analyzed before. The different models we have developed have various complexity levels and use different approximations. Therefore, they can be used in a complementary way to study the structures of interest. In the second part, we present results obtained using our models for the two types of structures mentioned above. For the first type, we prove that using the four-layer structures that we propose (with a thin linear dielectric layer separating a nonlinear medium and a metal film), it is possible to obtain plasmon–soliton waves at the power levels already used to generate spatial solitons in fully dielectric waveguides. Using the effciency of our methods, we scanned the structure parameter space and found the most promising configurations for the first experimental observation of plasmon–solitons. Then, we study nonlinear slot waveguides. For symmetric nonlinear slot waveguide structures, we find the modes already known in literature and discover the existence of new, higher order modes. For some of the symmetric modes, we observe a symmetry breaking bifurcation giving birth to asymmetric modes in symmetric structure. We study the effects of the core size and the permittivity contrast modifications on the intensity threshold required for the bifurcation. finally, we present the first study of asymmetric nonlinear slot waveguide structures.
Dans cette thèse, nous étudions les propriétés d’ondes stationnaires transverses magnétiques dans des structures composées d’une couche de diélectrique nonlinéaire de type Kerr et des couches métalliques et diélectriques linéaires. Bien que ces ondes, nommées ici plasmons–solitons, ont été étudiées depuis plus que 30 ans, il n’y a toujours pas de confirmation expérimentale de leurs existences, du fait de l’extrême modification nonlinéaire de l’indice de réfraction requise pour générer ces ondes dans les configurations proposées jusqu’ici. Le but de cette thèse est de développer des modèles analytiques et numériques pour améliorer notre compréhension de ces plasmons–solitons et de concevoir des structures supportant ces ondes nonlinéaires à basse puissance. Dans la première partie de cette thèse, nous élaborons différents modèles pour étudier les propriétées de plasmons–solitons dans deux types de structures : (i) une région diélectrique nonlinéaire semi-infinie en contact avec des couches de métal et de diélectrique linéaires et (ii) une couche de diélectrique nonlinéaire d’épaisseur finie entre deux régions métalliques semi-infinies (guide d’onde métallique à cœur nonlinéaire). Nos modèles nous permettent de calculer des relations de dispersion nonlinéaires et les profils de champ correspondants dans ces structures. Ils généralisent les approches déjà proposées dans la littérature et nous permettent d’étudier des configurations qui ne l’avaient jamais été. Les différents modèles développés ont des niveaux de compléxité différents et font appel à différentes approximations. Par conséquent, ils sont complémentaires dans l’étude des structures visées. Dans la seconde partie, nous présentons des résultats obtenus pour les deux types de structures mentionnées ci-dessus. Pour le premier, nous montrons qu’en utilisant une structure à quatre couches que nous proposons (avec une couche mince tampon de diélectrique linéaire entre le milieu nonlinéaire et le film métallique), il est possible d’obtenir des plasmons–solitons à des niveaux de puissance déjà utilisés pour des solitons spatiaux dans des guides d’onde purement diélectriques. Du fait de l’effcacité de nos méthodes, nous avons scanné l’espace des paramètres de la structure et nous avons trouvé les configurations les plus adaptées à la première observation expérimentale des plasmons–solitons. Puis, nous étudions les guides d’onde métalliques à cœur nonlinéaire. Pour de tels guides symétriques, nous retrouvons des modes déjà connus dans la littérature et trouvons de nouveaux modes d’ordres supérieurs. Pour certains des modes symétriques, nous observons une bifurcation par brisure de symétrie donnant naissance à des modes asymétriques dans une structure symétrique. Nous étudions les effets du changement de la taille du cœur et du contraste de permittivité sur le seuil requis pour cette bifurcation. Finallement, nous présentons la première étude des guides d’onde métalliques à cœur nonlinéaire asymétriques.
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  • HAL Id : tel-01080690 , version 1

Citer

Wiktor Walasik. Plasmon–soliton waves in metal-nonlinear dielectric planar structures. Optics [physics.optics]. Aix-Marseille Université; Universitat Politécnica de Catalunya, 2014. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01080690⟩
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