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Plasmonique intégrée pour circuits photoniques à haute densité 

Mickaël Février, Lukas Halagacka, Matthias Grangier, Yida Wen, Philippe Gogol, Abdelhanin Aassime, David Bouville, Navy Yam, Robert Megy, Béatrice Dagens

Coll: LNIO (UTT) et CEA-LETI

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Integrated plasmonic : why ?

µfluidic channel

Optical source Optical detectorSensor area

Integrated bioplasmonic sensor

Specific functions, miniaturized functionsEfficient excitationSpatial separation of « active function » and excitation/detection system

Complex circuits Efficient devices

Optical interconnects, optical circuitry, nanoantennasIsolators, circulators

Isolator

Circulator

Principle: enhanced properties thanks to nanostructuration and guiding effects

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Outline

• Integrated plasmonic : why ?

• State of the art

• Localized surface plasmon chains

• SOI - LSP chain interfacing

• From long to short plasmonic chains

• Back to waveguide coupling

• Chain mode harmonics

• Application to biosensing

Gold nanoparticles

SOI waveguide

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State of the art : interfacing SOI and plasmonic waveguide

• reflexionslosses• Coupling efficiency between 15%

and 30%

Chen et al, Opt. Lett., 31, 2133, 2006

Tian et al, APL, 95, 013504, 2009

Briggs et al, Nano. Lett., 10, 4851, 2010

• Integrated plasmonic : why ?

• State of the art• Localized

surface plasmon chains

• SOI- LSP chain interfacing

• From long to short plasmonic chains

• Back to waveguide coupling

• Chain mode harmonics

• Application to biosensing

Butt-joint coupling

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State of the art : interfacing SOI and plasmonic waveguide

Sederberg et al, APL 96, 121101, 2010

Delacour et al, Nano. Lett., 10, 2922, 2010• Reduced reflections• Coupling efficiency: 60% to 70%

Evanescent coupling

• Integrated plasmonic : why ?

• State of the art• Localized

surface plasmon chains

• SOI- LSP chain interfacing

• From long to short plasmonic chains

• Back to waveguide coupling

• Chain mode harmonics

• Application to biosensing

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State of the art : localized surface plasmons nanoparticles deposited on a waveguide

Quidant et al, PRB 69, 085407 (2004)

• successive metallic NP: correlated excitation through underlying dielectric waveguide (like in Bragg grating)

• but no direct coupling between NP

Bragg grating made of metallic nanoparticles

• Integrated plasmonic : why ?

• State of the art• Localized

surface plasmon chains

• SOI- LSP chain interfacing

• From long to short plasmonic chains

• Back to waveguide coupling

• Chain mode harmonics

• Application to biosensing

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Localized surface plasmon (LSP) chains

Simsek, Optics Express , 18, 1722, 2010

Plasmonic resonance generated by an

electromagnetic excitation in a metallic nanoparticle

(subwavelength dimension)

Excited particle= oscillating dipole

Near field excitation of the nearest particle:

electromagnetic energy propagation

Plasmonic resonance controlled by the

size, shape, position of nanoparticles

• Integrated plasmonic : why ?

• State of the art• Localized

surface plasmon chains

• SOI- LSP chain interfacing

• From long to short plasmonic chains

• Back to waveguide coupling

• Chain mode harmonics

• Application to biosensing

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Ellipsoidal MNP polarisability

Response of MNP to electromagnetic field depends on polarisability a (for isolated MNP or for MNP assembly)

Ep d

04

Polarisability a includes static response (dielectric cstt, shape of the ellipsoid)

But also radiative effects (dimensions of the NP with respect to wavelength, retardation effects, …)

)(33,0

dmud

dmzyxu Laaa

1

2

2

3

3

,0 3

21

vavi

uuu

with

0 2/1

,,

22 )()(2

zyxmmu

zyxu

qaqa

dqaaaL

zyxu aaaa

zyxu

,,

,,

x

zy

(ellipse semi-axis)

• Integrated plasmonic : why ?

• State of the art• Localized

surface plasmon chains

• SOI- LSP chain interfacing

• From long to short plasmonic chains

• Back to waveguide coupling

• Chain mode harmonics

• Application to biosensing

ed

em

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Ellipsoidal MNP polarisability

polarisability a is sensitive to MNP environment, shape and dimensions

ay= 40110 nm

Po

lari

sab

ilit

y (i

mag

par

t)

ax=40nm, az=15nm

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• Back to waveguide coupling

• Chain mode harmonics

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x

zy

ay

ed

em

Eext

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(LSP) chains design

Weber et al, PRB, 70, 125429, 2004Koenderink et al, PRB, 74,033405, 2006

3 2 330

/( ) 14

ˆ ˆ3( )1 ˆ ˆ( )² m mm mN i n md c

m n

extn n

i n m dc n m d c n m d

e

r p r p p r p rp E

Model “Couple Dipole Approximation” (in homogeneous medium)

• each nanoparticle = one point, with polarisability a

• radiative losses, NP geometry, gold index (Drude model)

• long and short distance interaction

P: dipolar moment

E: external excitation

α: polarisability

ω: pulsation

d: interparticle distance

Contribution of other MNP 1/r, 1/r² and 1/r3 interactions

Gives the excitation profile along the finite chain (|pn|²~dissipated ohmic power)

Defines collective oscillation of chain dipoles of the infinite or finite chain : eigenmodes (En

(ext)=0) in homogeneous medium: dispersion curve

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• Back to waveguide coupling

• Chain mode harmonics

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(LSP) chains modelling (in homogeneous medium)

Dispersion curves of the infinite chain :

Dispersion curves of the finite chain :

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• From long to short plasmonic chains

• Back to waveguide coupling

• Chain mode harmonics

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20 MNP chain in homogeneous media

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Designed and realized device

• Design: analytical and then FDTD models• Telecom wavelength, TE mode: ellipsoidal shape• E-beam lithography (alignment) + lift-off process• 30 nm thick gold nanorods

2 ax

2 ay

2 ay~ 220 nm

2 ax~ 80 nm

Localized surface plasmon excitation ? Chain = waveguide ?

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surface plasmon chains

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• Back to waveguide coupling

• Chain mode harmonics

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20 MNP: transmission spectrum

• Resonance transmission minimum• « noise »: FP modes• FDTD simulation (experimentally fitted Drude model): 5dB extra losses

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surface plasmon chains

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• From long to short plasmonic chains

• Back to waveguide coupling

• Chain mode harmonics

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Transmission setup(IEF)

Chain excitation ? Coupling mechanisms ?

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Near-field : traNSNOM(LNIO, UTT)

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M. Fevrier et al. Nano Lett. 12, 1032, 2012

(a)(b) (c)

(a)

(b)

(c)

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• Back to waveguide coupling

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Dispersion curves

FDTD calculation extracted dispersion curve of the 20 MNP chain on SOI

Coupled modes (anticrossing) chain=waveguide

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surface plasmon chains

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• Back to waveguide coupling

• Chain mode harmonics

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Dispersion curves of a chain in homogeneous medium and of the SOI waveguide

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From 5 to 50 MNP chain

10 MNP

20 MNP 50 MNP

5 MNP

- transmission: similar spectral shape, wider for longer chains- much lower transmission at 5MNP: cavity effect

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From 5 to 50 MNP chain

l=1475 nm

5MNP, 1325 nm

20MNP, 1475 nm 50MNP, 1465 nm

10MNP, 1321 nm

Intensity profiles at transmission minimum

- 20 and 50 MNP: clear waveguide coupling- 10 MNP: intermediate case- 10 to 50 MNP: same coupling length

- 5 MNP: too short for re-coupling ; total energy transfer into the fourth MNP (<500nm)

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Dipole excitation: experimental validation

5MNP, 1325 nm

20MNP, 1475 nm

Very short chains (5MNP) sufficient to implement plasmonic functions

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Record coupling length

2LcLc ≈ 560 nmκ ≈ 2805 mm-1

Waveguides Coupling length (Lc)

SOI/nanoparticle chain ≈ 560 nm (measure, Fevrier et al. Nano Lett.)

SOI/delocalized plasmonic waveguide

≈ 1 µm (measure, Delacour et al. Nano Lett.)

2 dielectric waveguides ≈ 100 µm (theory, Sun et al. Optics Lett.)

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LSP chain on Si3N4 waveguide

Waveguide coupling Longer coupling length in Si3N4 waveguide case

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M. Février et al, submitted to JLT

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Excitation near or far of the light line

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Lc = λ/[2(neff antisym − neff sym)]

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Strong interaction due to device geometry

Mode distortion, especially in dielectric waveguide

M. Février et al, submitted to JLT

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Excitation up to « non guided » mode

Low guiding in Si3N4

Antisymmetric supermode with index higher than material index

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M. Février et al, submitted to JLT

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Excitation up to « non guided » mode

appears on transmission curve

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Guiding based on resonances and near-field coupling

1rst Brillouin zone

chain

SOI

dkb

kb=2pd

d=150 nm

Spatial harmonics : - generated by chain periodicity - includes decreasing phase contribution- may be as intense as fundamental

component

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Specific collective chain modes

FDTD

1rst et 2nd Brillouin zones

Strong excitation of spatial harmonics in chain waveguide

-

2,561,6

Heterodyne SNOM (LNIO, UTT)

-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40

NeffA. Appuzzo, accepted for publication in Nano Letters

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Biochips : plasmonics waveguides

Silice Si02

SAM thiol/orSAM silane

/ SiO2or

Bio-plasmonics for molecular interaction with localized plasmons

Possible detection in transmission

Compatibility with further integration with “lab-on-chip” systems: thiols molecules grafting on gold; thiols can “capture” element to be detected

Plasmonics response strongly modified by the presence of these elements (molecules, ...)

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Toward biosensing

Calculation: chain of 5 gold nanoparticles coated with dielectric material.

experiment

Mickaël Février, et al, « Integration of short gold nanoparticles chain on SOI waveguide toward compact integrated bio-sensors, » Optics Express Vol. 20, Iss. 16, pp. 17402–17409 (2012)

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Conclusion and perspectives

• Integration of localized plasmon waveguide on SOI demonstrated, at telecom wavelength

• Several efficient excitation and propagation regimes identified• Very short chains (5MNP) sufficient to implement plasmonic functions• Similar behaviours with SiN guide (compatible with visible wavelength)

Short chain = reduced losses, compactness Plasmonic= energy concentration (non-linear functions, sensing, …) Toward magneto-plasmonic (Au/Co/Au)

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