Studio dell'efficienza di un accoppiatore plasmonico in guida d'onda a striscia

During last 10 years Plasmonics has developed as one of the most important fields of Nanophotonics. Plasmonics is based on the interaction between electromagnetic and conduction electrons at metallic interfaces. This interaction, under particular conditions, creates a propagating wave confined at the interface between metal and dielectric. Such kinds of waves have been named Surface Plasmon Polaritons (SPP). One of the main reasons of the researchers' interest in SPP was due to the possibility to integrate Nanophotonics and Nanoelectronics fields. At first efficient plasmonics waveguides and efficient couplers have to be created. Efficient coupling of electromagnetic field in plasmonic waveguides is one of the most important problem that has to be solved. In particular it's interesting to find an efficient broadside coupler which could open the way to more complex 2D and 3D geometries. In this way our work is focused on 3D broadside coupling in plasmonic strip waveguides. In the first part the study of plasmonics waveguides is performed. In particular a systematic analysis of the cutoff condition for SPP in strip waveguide is presented. The main effect considered is the asymmetry due to the mismatch between the upper and lower cladding. It is shown also that for this reason the propagation is limited to narrow region of physical parameters. In the second part the issue of optical coupling into plasmonic strip waveguide modes is addressed. Namely, first a 2D in-coupling configuration is studied by the variation of its physical parameters and the coupling efficiency is analyzed. It is shown that this structure has some interest bandwich properties in order to its future application. In the end an innovative 3D in-coupling configuration is proposed and studied. It is shown that such proposed structure has an efficiency smaller than 2D configuration due to some geometrical differences, even if it maintains many interesting properties for future developers.

Nel corso degli ultimi dieci anni la Plasmonica è divenuta uno dei più importanti campi di ricerca della Nanofotonica. La Plasmonica si basa sull'interazione tra la radiazione elettromagnetica e gli elettroni di conduzione delle superfici metalliche. Tale interazione, in particolari condizioni, genera un'onda propagante all'interfaccia tra il metallo ed il dielettrico. Tali tipologie di onde sono chiamate Polaritoni Plasmonici di Superficie (SPP). La possibilità di integrare la Nanofotonica con la Nanoelettronica è stato uno dei principali motivi di interesse della comunità scientifica. A tal proposito occorre lo sviluppo di guide d'onda ed accoppiatori in ingresso ed uscita efficienti. Lo sviluppo di accoppiatore efficienti rappresenta uno dei più importanti problemi da risolvere. In particolare lo sviluppo di strutture in grado di accoppiare lateralmente il fascio incidente aprirebbe la strada a geometrie 2D e 3D più complesse ed interessanti. Il nostro lavoro è focalizzato sull'accoppiamento laterale 3D in guida d'onda a striscia. Nella prima parte del nostro lavoro sono presentate le caratteristiche delle guide plasmoniche. In particolare è stato realizzato uno studio sulla condizione di cutoff delle guide a striscia, evidenziando come esso dipenda quasi esclusivamente dall'asimmetria dovuta al differente indice di rifrazione tra il dielettrico del substrato e quello del superstrato. E' stato dimostrato che questo aspetto limita la propagazione ad una regione di parametri fisici piuttosto limitata. La seconda parte riguarda lo studio dell'accoppiamento in guida d'onda. In prima istanza è presentata una geometria bidimensionale sulla quale sono stati eseguiti degli studi al variare dei suoi parametri caratteristici. Da questi studi è emerso che tale configurazione mostra delle caratteristiche interessanti in termini di banda. Nella parte finale di questo lavoro è presentata una struttura di accoppiamento tridimensionale in guida d'onda a striscia. Gli studi effettuati evidenziano come questa struttura mantenga delle proprietà interessanti, sebbene abbia un efficienza di accoppiamento inferiore rispetto al caso bidimensionale.