Diffractive multifunctional plasmonic systems

Abstract

Aquesta Tesi descriu la recerca enfocada a l’estudi de la modulació de les propietats òptiques de cristalls fotònics on tenen lloc excitacions plasmòniques. Aquestes propietats es poden modular o, fins i tot, llur magnitud es pot amplificar mitjançant la incorporació de materials funcionals, inclosos compostos magnètics, ferroelèctrics o piezoelèctrics, tot afegint versatilitat al control de la llum a la nanoescala. Per analitzar la interacció entre les propietats òptiques i camps magnètics i elèctrics aplicats, hem utilitzat l’estructura de reixes de difracció com a unitat bàsica d’estudi, amb èmfasi en els efectes combinats de la difracció i ressonàncies plasmòniques en la millora de les respostes magneto-òptiques. L’exposició aborda primerament l’estudi de cristalls magnetoplasmònics fabricats sobre discs digitals comercials (DVD, CD, Blu-ray), que demostra el potencial d’aquestes plataformes per al desenvolupament de dispositius magnetoplasmònics. L’estudi permet generalitzar i donar directrius per al disseny de cristalls magnetoplasmònics on la interacció entre difracció, plasmònica i magnetisme obre el camí a una forma versàtil d’enginyeria de cristalls fotònics. En particular, hem explorat com, en determinades circumstàncies, es poden excitar modes de propagació plasmònics unidireccionals amb grans respostes magneto-òptiques. Finalment, tanquem la Tesi amb l’estudi de cristalls magnetoplasmònics ferroelèctrics, on la interrelació entre magnetisme i ferroelectricitat permet una modulació de les propietats òptiques amb camps elèctrics. Els resultats més rellevants descrits en aquesta Tesi són:

- Observació d’un senyal d’efecte Kerr magneto-òptic transversal (TMOKE) particularment gran a incidència quasi-normal, on, per geometria, l’amplitud intrínseca d’aquest efecte és zero. És de rellevància emfatitzar que aquesta observació s’ha fet en cristalls fotònics crescuts sobre discs digitals comercials. - Utilització d’espectroscòpia de reflectància de Fourier resolta per angle per analitzar modes difractius de de llum i plasmons, que ha permès analitzar la interacció entre difracció i modes magnetoplasmònics i, en particular, l’amplifi- cació d’efectes magneto-òptics associada a ressonàncies plasmòniques en la llum difractada. - Condicions geomètriques per a la maximització simultània de reflectància i senyal TMOKE, rellevants per a aplicacions on es llegeixen els senyals òpticament. - Excitació de modes de propagació plasmònics unidireccionals, amb grans respostes de TMOKE associades. - Desenvolupament i implementació d’un disseny de litografia avançada, que permet l’accés òptic i elèctric als dispositius fotònics. Hem utilitzat aquesta metodologia per analitzar els efectes de la polarització ferroelèctrica sobre la resposta de TMOKE: sota certes condicions, el signe del senyal TMOKE pot invertir-se per camps elèctrics.

In this Thesis we have investigated the modulation of the optical properties of photonic crystals sustaining plasmonic excitations. Such properties can be tuned or enhanced by incorporating functional materials in the crystals, including magnetic, ferroelectric or piezoelectric compounds, which add versatility to the control of light at the nanoscale. To probe the interplay between the optical properties and external magnetic and electric fields, we used grating couplers as the basic device structure for this analysis, with emphasis on the combined effects of diffraction and plasmonic resonances in the enhancement of magneto-optic responses. We started our work with magnetoplasmonic crystals grown on commercial digital disks (DVD, CD, Blu-ray), showing the potential of these platforms for the development of magnetoplasmonic devices. We generalized the results found in these systems to magnetoplasmonic crystals with engineered optical responses, where the interplay between diffraction, plasmonics and magnetism paves the way to a versatile way to engineer the properties of photonic crystals that goes beyond the particular case of grating couplers. In particular, we have explored how, under some circumstances, light at off-normal incidence can excite unidirectional plasmonic propagating modes with particularly large magneto-optic responses. Finally, we close the Thesis with the study of ferroelectric magnetoplasmonic crystals, where the interplay between magnetization and ferroelectric polarization enables a way to modulate electrically the optical properties of grating couplers. In the following, a list is given of the most relevant outcomes described in this Thesis: i - Observation in magnetoplasmonics crystals of an unexpectedly large transverse magneto-optical Kerr effect at quasi-normal incidence, where, by geometry, the intrinsic TMOKE amplitude tends to zero. ii - Use of angle-resolved Fourier reflectance spectroscopy to analyze diffractive modes of light and plasmons, from which the interplay between magnetoplasmonic modes and diffraction has been revealed, associated with the amplification of the transverse magneto-optical Kerr effect at plasmonic resonances on the diffracted light. iii - Geometrical conditions of grating couplers for the simultaneous maximization of reflectance and TMOKE, relevant for applications where signals are read out optically. iv - Excitation of unidirectional forward- and backward- SPP propagating modes using grating couplers, with particularly large associated TMOKE responses. v - An advanced lithography design was developed and implemented, which allowed the optical access and in-situ ferroelectric and magnetic measurements. We used this methodology to analyze the effects of the ferroelectric polarization on the TMOKE response: under