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Plasmonic excitations on metallic nanowires
embedded in silica photonic crystal bers
Metallische Nanodrahte in Photonischen
Kristallglasfasern: Herstellung und
plasmonische Anregungen
Den Naturwissenschaftlichen Fakult aten der
Friedrich-Alexander-Universit at Erlangen-Nurn berg
zur
Erlangung des Doktorgrades
vorgelegt von
Luis Prill Sempere
aus WerneckAls Dissertation genehmigt von der Naturwissenschaftlichen
Fakult at der Friedrich-Alexander Universit at Erlangen-Nurn berg
Tag der mundlic hen Prufung: 17.06.2010
Vorsitzender
der Promotionskommission: Prof. Dr. Eberhard B ansch
Erstberichterstatter: Prof. Dr. Philip St.J. Russell
Zweitberichterstatter: Prof. Dr. Stefan Maieriii
Abstract
This thesis describes the theoretical and experimental investigation of metal-
lled photonic crystal bers (PCFs) and their fabrication. The thesis explains
how to overcome the obstacles when in ltrating molten metals into sub-micron
holes in fused silica (SiO ) PCF. The optical properties of such lled bers2
are theoretically and experimentally investigated, focusing on the coupling
between the core mode of the bers and the surface plasmon polaritons (SPPs)
on the metal wires.
The thesis introduces the ideas, physical challenges and results of two new
lling techniques: the pressure cell technique and the splicing technique. These
techniques make it possible for the rst time to ll di erent ber structures
with sub-micron sized holes, such as PCFs and single-hole capillaries, with
di erent metals like gold (Au) and silver (Ag) [89, 90, 107]. Samples with hole
diameters between 120 nm and 20μm and aspect ratios as high as 75000 have
been realized.
Theoretical simulations [85] and models [108] have been developed in order
to understand the optical behavior of these novel structures. The light guided
in the core of the lled PCF structure will couple to SPP modes on the wires.
Several measurements have been performed to determine the resonance wave-
lengths and losses of such lled PCF structures. Also, di erent phenomena
such as the shift of the resonance position with the wire diameter or pitch and
the polarization dependence of SPP in polarization maintaining (PM)-PCF
have been investigated.
The fabrication of free standing metal arrays was another focus of this
work. The critical question was how to remove the surrounding SiO from the2
metal wires. Two di erent approaches have been tried: etching of the SiO 2
and cleaving the PCF.iv
Zusammenfassung
Das Thema dieser Arbeit ist die theoretische und experimentelle Untersuchung
von mit Metall gefullten photonischen Kristallfasern (im Englischen photonic
crystal ber (PCF)) und deren Herstellung. Sie beschreibt die Schwierigkeiten,
die sich beim Fullen von Submikrometer-L ochern in Quarzglas (im Englischen
fused silica (SiO )) PCF mit geschmolzenem Metall auftun, und wie man diese2
bew altigen kann. Die optischen Eigenschaften solch gefullter Strukturen wer-
den mit dem Fokus auf die Koppelung zwischen der Kernmode der Faser und
Ober achenplasmonen (im Englischen surface plasmon polaritons (SPPs)) auf
Metalldr ahten untersucht.
Im Rahmen dieser Arbeit werden Ideen, physikalische Herausforderungen
und Resultate zweier neuer Fulltec hniken, der Druckzellen-Technik und der
Splicing-Technik, ausfuhrlic h erkl art. Diese Techniken erm oglichen es erstma-
lig, Faserstrukturen mit Submikrometer-L ochern (z.B. PCF und Kapillare) mit
Metallen (z.B. Gold (Au) und Silber (Ag)) zu fullen [89, 90, 107]. Proben mit
Lochdurchmessern zwischen 120 nm und 20μm und einem L angenverh altnis
von bis zu 75000 k onnen so realisiert werden.
Theoretische Simulationen [85] und Modelle [108] wurden entwickelt, um
die optischen Eigenschaften dieser neuartigen Strukturen zu beschreiben. Das
Licht, welches im Kern der gefullten PCF geleitet wird, kann mit SPP-Moden
auf den Dr ahten koppeln. Durch Messungen wurden die Resonanzwellenl ange
und die Verluste solcher SPPs fur verschiedene PCF-Strukturen ermittelt.
Auch wurden diverse Ph anomene, wie die Verschiebung der Resonanzwellen-
angel mit dem Drahtdurchmesser oder -abstand und die Polarisationsabh angig-
keit solcher SPPs in polarisationserhaltenden (im Englischen polarization main-
taining (PM)) PCFs, untersucht.
Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit war die Herstellung von freistehen-
den Metalldrahtgittern. Die entscheidende Frage war hierbei, wie man die in
SiO eingebetteten Metalldr ahte freistellt. Zwei unterschiedliche Ans atze wur-2
den dazu erprobt: Das Weg atzen des SiO und das vorsichtige Spalten einer2
PCF.Contents
Acronyms ix
1 Motivation 1
2 Theory 5
2.1 Structures with periodically modulated refractive index . . . . . 5
2.1.1 Photonic crystals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.2 crystal ber structures . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2 Optics with metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2.1 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2.2 Planar surface plasmons polaritons (SPP) . . . . . . . . 13
2.2.3 SPPs on a single metal wire . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.2.4 Numerical studies of metal lled PCF . . . . . . . . . . . 30
2.3 Optical properties of silica, gold and silver . . . . . . . . . . . . 36
2.3.1 Silica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.3.2 Metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.4 Metal lling theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.4.1 Wetting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.4.2 Capillary e ect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.4.3 Washburn’s equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3 Sample fabrication and experimental setups 51
3.1 Fabrication of wires in silica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.1.1 Fiber drawing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52vi CONTENTS
3.1.2 Pre-processing the sample . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.1.2.1 Tapering the sample . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.1.2.2 Techniques for hole selection . . . . . . . . . . . 57
3.1.3 Filling procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.1.3.1 Pressure cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.1.3.2 Splicing technique (Figure 3.10) . . . . . . . . . 64
3.1.3.3 Comparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.1.4 Utilization issues with lled samples . . . . . . . . . . . 74
3.1.5 Comparison to other techniques . . . . . . . . . . . . . . 75
3.2 Fabrication of free standing wires . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.2.1 Etch process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.2.2 Cleave gap pulling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.3 Setup for spectral measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4 Experimental and theoretical results and discussion 85
4.1 The smallest holes lled with gold (Au) . . . . . . . . . . . . . . 85
4.2 Completely lled PCF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.3 Metal lled large pitch-PCF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.4 Selectively lled PM- bers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
4.4.1 Transmission behavior of an Au- lled PM-PCF . . . . . 111
4.4.2 Polarization dependence of Au- lled PM-PCFs . . . . . . 114
4.4.3 Near- eld patterns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
4.4.4 Loss measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
5 Conclusions and outlook 123
A Introduction to optics 127
A.1 Maxwell’s equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
A.2 Refractive index and dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
A.3 The basic wave equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
A.4 Dielectric waveguiding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
A.4.1 Dielectric slab waveguide . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132CONTENTS vii
A.4.2 Step index bers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
A.5 Kramers-Kronig relation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
A.6 Beer-Lambert law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
B More details about presented data 143
B.1 Drude model t on to experimental data for silver (Ag) . . . . . 143
List of Figures 145
List of Tables 151
Bibliography 153
Acknowledgements 169
Curriculum Vitae 173
Publications 175viii CONTENTSAcronyms
1D one-dimensional
2D two-dimensional
3D three-dimensional
Ag silver
Au gold
Ar argon
CaCO calcium carbonate3
CCD charge coupled device
CVD chemical vapor deposition
e.g. for example
EM electromagnetic
ESM endlessly single mode
FES nite element simulation
FIB focused ion beam
Ga gallium
HE Helmholtz equations
HeNe helium neon
HF hydro uoric acid
HPLC high performance liquid chromatography
ID inner diameter
i.e. that means
IMPRS International Max-Planck Research School
LP large pitchx Acronyms
LP linearly polarized
MMF multimode ber
N nitrogen2
Na sodium
NA numerical aperture
NH F ammonium uoride4
OD outer diameter
OSA optical spectrum analyzer
PBG photonic band gap guidance
PC photonic crystal
PCF photonic crystal

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