Excitation and Detection of Highly Confined Plasmonic Gap Modes with Subwavelength Dimensions [Elektronische Ressource] = Anregung und Detektion hochlokalisierter plasmonischer Gap-Moden mit Subwellenlängendimensionen / Jing Wen. Betreuer: Bernhard Schmauss

Jing Wen

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• Physik

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• Publié le: 01 janvier 2011
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• Langue: English
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Extrait

Excitation and Detection of
Highly Confined Plasmonic
Gap Modes with
Subwavelength Dimensions
Anregung und Detektion
hochlokalisierter plasmonischer
Gap-Moden mit
Subwellenlängendimensionen
Der Technischen Fakultät der
Universität Erlangen-Nürnberg
zur Erlangung des Grades
DOKTOR-INGENIEUR
vorgelegt von
Jing Wen
aus Hubei, China
Erlangen-2011Als Dissertation genehmigt von
der Technischen Fakultät der
Universität Erlangen-Nürnberg
Tag der Einreichung: 04.07.2011
Tag der Promotion: 19.10.2011
Dekan: Prof.Dr.-Ing.habil. Marion Merklein
Berichterstatter:
Prof.Dr.-Ing. Bernhard Schmauss
Prof.Dr. Ulf Pescheli
Summary
Plasmonicgap waveguidesallowfor 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 nanoanten-
nas, 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 near-
field opticalmicroscope(SNOM). Gapplasmonic modes aresuc-
cessfullyprobedbyfocusingGaussianopticalbeamsonaloaded
optical antenna. In addition to probing propagating plasmonic
modes in a waveguide, the excitation of a plasmonic nano-rod
resonatoris realizedby anincidentelectronbeam. The cathodo-
luminescence 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 dramati-
cally. 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
weaksignals,re-emittedfromthegapwaveguidesareshown. 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 λ = 1.55µm.
The measured sum of the coupling efficiency and antenna ab-
sorptionreachesup to 20%comparedto 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 sourceto provide
local excitation of propagating plasmons and the other one forii
detecting the near field.
In this thesis, a new excitation and probing method of plas-
monic waveguides by loaded optical antennas, is proven in the
far field experiments. The cross polarization detection scheme,
whichisdiffractionlimited,cansuccessfullyresolvethescattered
light from the end of a bent waveguide with sub-wavelength di-
mension. 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 subwave-
length waveguideswith matched opticalantennas 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.iii
Zusammenfassung
PlasmonischeGap-WellenleiterermöglichendieFührungvonLicht
auf Dimensionen unterhalb der Beugungsgrenze. Sie bergen ein
großes Potenzial für zukünftige hochintegrierte plasmonische El-
emente. Diese Dissertation untersucht die Kopplung von Licht
aus dem Fernfeld in hoch lokalisierte plasmonische Gap-Moden
mitHilfeangekoppelterNanoantennensowohlnumerischalsauch
experimentell. Die in den Wellenleitern propagierenden plas-
monischenModenkönnenentwederimFernfeldunterBenutzung
eines Aufbaus mit gekreuzten Polarisatoren oder im Nahfeld
mittels eines rasternd messenden optischen Nahfeldmikroskops
(scanning near-field optical microscope, SNOM) detektiert wer-
den. Durch Fokussieren eines Gaußstrahls auf eine mit dem
Wellenleiter verbundene optische Antenne konnte die Feldaus-
breitung im Gap-Wellenleiter erfolgreich vermessen werden. Zu-
sätzlich zur Aufnahme von sich ausbreitenden plasmonischen
Moden in einem Wellenleiter wird die Anregung eines stabför-
migen plasmonischen Resonators im Nanometermaßstab durch
einen einfallenden Elektronenstrahl realisiert. Die Abbildung
vonplasmonischenModenkonnteimZugeeinesRasterscansmit-
tels der Kathodolumineszenztechnik durchgeführt werden.
Die Verwendung von Nanoantennen kann die Kopplungsef-
fizienz eines einfallenden Lichtstrahls zu plasmonischen Gap-
Modenerheblicherhöhen. DieoptimaleKopplungseffizienzwird
durch Angleichen der Impedanz von Antenne und Wellenleiter
erreicht. Es werden Fernfeldmessungen gezeigt, welche die De-
tektion von extrem schwachen, von den Gap Wellenleitern aus-
gesandtenSignalenerlauben. DasSignal-Rausch-Verhältniskon-
◦nte unter Verwendung von 90 -Kurven beschreibenden Wellen-
leitern und durch den Einsatz eines Detektionsschemas mit ge-
kreuzten 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 Krüm-
mungsradienimMikrometerbereichgemessenwerden. Eswurde
festgestellt, dass die Transmission durch das Substrat um 16%iv
abnimmt, wenn ein Lichtstrahlder Wellenlängeλ =1.55µm auf
dieoptischeAntennefokussiertwird. DiegemesseneSummeaus
Kopplungseffizienz und Antennenabsorption erreicht Werte bis
zu 20%,verglichenmit einer simuliertenoptimalen Kopplungsef-
fizienz von 15%.
Durch optische Nahfeld-Rasterscans (SNOM) kann das Nah-
feldderProbesimultanangeregtundgemessenwerden. DieUm-
setzbarkeit einer SNOM Doppelspitzen-Messung wird gezeigt,
für welche die eine Spitze als Punktquelle zur lokalen Anregung
sich ausbreitender Plasmonen dient und die andere zur Detek-
tion des Nahfelds.
In dieser Arbeit wird eine neue Anregungs- und Detektions-
methode für plasmonische Wellenleiter, verbunden mit einer op-
tischen Antenne, in Fernfeldmessungen vorgestellt. Durch ein
Detektionsschema mit gekreuzten Polarisatoren, welches beu-
gungslimitiert ist, kann das gestreute Licht vom Ende des ge-
krümmten Wellenleiters erfolgreich im Subwellenlängenbereich
aufgelöstwerden. DerResonanzbereicheiner optischenAntenne
erlaubt die selektiveKopplung vonLichteines bestimmten spek-
tralen Bereiches in den plasmonischen Wellenleiter. Die vorge-
stellteKombinationausWellenleiternimSubwellenlängenbereich
und optischenAntennen kannWegbereiter vielfältigerneuerAn-
wendungen 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 Nano-
photonik zu schlagen.Contents v
Contents
1. Introduction 1
2. Theoretical background 5
2.1. Optical properties of noble metals . . . . . . . . . . 6
2.1.1. Drude model . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1.2. Lorentz model . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2. Surface plasmon polaritons at metal/insulator inter-
faces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.1. From Maxwell’s equation to surface plasmon
polaritons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.2. SurfacePlasmonPolaritonsinametal-insulator-
metal geometry . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.3. Plasmonic gap modes . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.3.1. Field distributions of plasmonic gap modes . 26
2.3.2. Geometricsizeandfrequencydependent prop-
erties of plasmonic gap modes . . . . . . . . 29
2.4. Excitation of surface plasmon polaritons . . . . . . . 37
2.5. Nano-antennas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.5.1. Basics of classical antennas . . . . . . . . . . 40
2.5.2. Pocklington’s equations for classical antennas 43
2.5.3. Numerical simulations of single- and double-
rod antennas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45vi Contents
2.6. Detection in the near field . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.6.1. Scanning Near-Field Optical Microscopy . . 51
2.6.2. Informationtransferfromnear-fieldtofar-field
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3. FEMsimulationofcouplingfar-field lighttoplasmonicgap
mode waves 57
3.1. Fielddistributionsofnanoantennasandgapwaveguides 58
3.2. Optimization of geometric sizes . . . . . . . . . . . . 61
3.3. Far-field radiation pattern of double-arm antennas . 66
3.4. Improving the coupling efficiency by adding a metal
layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
◦3.5. The propagation properties of 90 bent waveguides . 68
3.6. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4. Far-