Study of plasmonic slot waveguides with a nonlinear metamaterial core : semi-analytical and numerical methods

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Journal of Optics du 12 Juin 2017

Cet article s’inscrit dans la thématique en plein essor de l’étude des nonlinéarités spatiales dans les guides d’onde, branche de l’optique nonlinéaire où les profils spatiaux des champs électromagnétiques sont pris en compte dans la description précise des phénomènes nonlinéaires. A Fresnel, cette thématique avait débuté en 2008 par un premier travail consacré à l’extension du soliton de Townes.

Figure 1.
(a) : Géométrie du guide nonlinéaire symétrique à fente plasmonique avec un coeur nonlinéaire à base de métamatériau avec ses deux gaines métalliques semi-infinies. (b), (c) Deux orientations différentes pour les multicouches périodiques de matériaux isotropes formant le coeur nonlinéaire en métamatériau.

Dans ce nouvel article, Gilles Renversez et son doctorant Mahmoud Elsawy de l’Institut Fresnel (CNRS/AMU/ECM) étudient des guides d’onde plasmonique avec un cœur nonlinéaire en métamatériaux au moyen des nouvelles méthodes semi-analytiques et numériques qu’ils ont développées. La première méthode, semi-analytique, est construite grâce à des fonctions elliptiques spéciales de Jacobi. La seconde seconde, purement numérique, est basée sur les éléments finis et une extension à deux composantes du champ de l’algorithme dit à puissance fixée utilisé en optique guidée nonlinéaire. L’intérêt de ces nouvelles méthodes résident dans leurs capacités à décrire des cœurs nonlinéaires de type Kerr y compris anisotropes et donc de pouvoir traiter les cas où le cœur est un métamatériau. A partir de la méthode semi-analytique, une formule explicite est fournie décrivant la nonlinéarité effective du guide en fonction des composantes du tenseur de permittivité du cœur nonlinéaire. Ceci permet de construire des guides d’onde plasmonique à base de métamatériaux réalistes disposant d’une nonlinéarité effective plusieurs ordres de grandeur supérieur aux guides plasmoniques isotropes. Ces résultats permettent d’envisager la réalisation de guides d’onde nonlinéaires de longueurs très réduites par rapport aux guides actuellement utilisés en optique nonlinéaire. Les pertes inhérentes aux guides plasmoniques sont contrôlées via l’utilisation de matériaux à gain. De plus, des résultats de FDTD nonlinéaires sont fournies afin de montrer la stabilité de la solution nonlinéaire d’intérêt.

Références :
- Mahmoud M. R. Elsawy and Gilles Renversez, "Study of plasmonic slot waveguides with a nonlinear metamaterial core : semi-analytical and numerical methods" Téléchargeable gratuitement pendant dix jours à partir du 12 juin.
Published 9 June 2017 - Journal of Optics, Volume 19, Number 7

- Voir aussi une application de ces nouvelles méthodes dans notre nouvel article :
Mahmoud M. R. Elsawy and Gilles Renversez, "Spatial Nonlinearity in Anisotropic Metamaterial Plasmonic Slot Waveguides"https://link.springer.com/article/1... publié ce mois de juin 2017 dans la revue Plasmonics

Contact :
Institut Fresnel - CNRS UMR 7249, Aix-Marseille Université, 13013, Marseille, France
Gilles RENVERSEZ, Professeur à l’Université d’Aix-Marseille et membre de l’équipe ATHENA
gilles.renversez chez fresnel.fr - Tél. : 04 91 28 89 85