Plasmonic excitations on metallic nanowires embedded in silica photonic crystal fibers

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DDC ist geraten, Vorgegebene Schlagwörter teilweise etwas weit hergeholt.

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2010-07-02
Issue Year
2010
Authors
Prill Sempere, Luis
Editor
Abstract

This thesis describes the theoretical and experimental investigation of metal- filled photonic crystal fibers (PCFs) and their fabrication. The thesis explains how to overcome the obstacles when infiltrating molten metals into sub-micron holes in fused silica (SiO2) PCF. The optical properties of such filled fibers are theoretically and experimentally investigated, focusing on the coupling between the core mode of the fibers and the surface plasmon polaritons (SPPs) on the metal wires. The thesis introduces the ideas, physical challenges and results of two new filling techniques: the pressure cell technique and the splicing technique. These techniques make it possible for the first time to fill different fiber structures with sub-micron sized holes, such as PCFs and single-hole capillaries, with different metals like gold (Au) and silver (Ag) [89, 90, 107]. Samples with hole diameters between 120 nm and 20 µm 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 filled 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 filled PCF structures. Also, different 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 SiO2 from the metal wires. Two different approaches have been tried: etching of the SiO2 and cleaving the PCF.

Abstract

Das Thema dieser Arbeit ist die theoretische und experimentelle Untersuchung von mit Metall gefüllten photonischen Kristallfasern (im Englischen photonic crystal fiber (PCF)) und deren Herstellung. Sie beschreibt die Schwierigkeiten, die sich beim Füllen von Submikrometer-Löchern in Quarzglas (im Englischen fused silica (SiO2)) PCF mit geschmolzenem Metall auftun, und wie man diese bewältigen kann. Die optischen Eigenschaften solch gefüllter Strukturen werden mit dem Fokus auf die Koppelung zwischen der Kernmode der Faser und Oberflächenplasmonen (im Englischen surface plasmon polaritons (SPPs)) auf Metalldrähten untersucht. Im Rahmen dieser Arbeit werden Ideen, physikalische Herausforderungen und Resultate zweier neuer Fülltechniken, der Druckzellen-Technik und der Splicing-Technik, ausführlich erklärt. Diese Techniken ermöglichen es erstmalig, Faserstrukturen mit Submikrometer-Löchern (z.B. PCF und Kapillare) mit Metallen (z.B. Gold (Au) und Silber (Ag)) zu füllen [89, 90, 107]. Proben mit Lochdurchmessern zwischen 120nm und 20µm und einem Längenverhältnis von bis zu 75000 können 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 gefüllten PCF geleitet wird, kann mit SPP-Moden auf den Drähten koppeln. Durch Messungen wurden die Resonanzwellenlänge und die Verluste solcher SPPs für verschiedene PCF-Strukturen ermittelt. Auch wurden diverse Phänomene, wie die Verschiebung der Resonanzwellenlänge mit dem Drahtdurchmesser oder -abstand und die Polarisationsabhängig- 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 SiO2 eingebetteten Metalldrähte freistellt. Zwei unterschiedliche Ansätze wur- den dazu erprobt: Das Wegätzen des SiO2 und das vorsichtige Spalten einer PCF.

DOI
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