Dynamics of optical soliton and surface plasmon in dielectric-metal and dielectric-metal-dielectric interfaces

Abstract

Plazmonik, fizikte ışığın çoğunlukla metal yüzeylerde yüzey plazmonlarıyla etkileşim uygulamalarını içeren bir araştırma dalıdır. Genel bir bakış açısıyla bakarsak, bir tarafta nano-ölçeklerde iyi sonuçlar veren fakat veri akışı ve iletiminin optik frekanslara kıyasla çok yavaş olduğu elektronik, diğer tarafta moise optik veri iletiminin çok hızlı olduğu fakat boyutlarının nano-ölçekten daha büyük olan ışığın dalga boyu ile sınırlandığı fotonik bulunmaktadır. Plazmonik ise ışığı ve yüzey plazmonlarını optik frekanslar gibi çok küçük ölçeklerde çiftleştirerek elektronik ve fotonik arasında bir bağ kurar. Bu da yüzey plazmonlarıyla donanımlı nano-ölçekli optik cihazlar geliştirilmesine olanak sağlar. Bu açıdan bakıldığında yüzey plazmonlarının kontrol edilebilir optik kaynaklarla çiftleştirilerek uyarılması ve kontrol edilmesi amaçlanmaktadır. Bu tez çalışmasında nonlineer dielektrik dalga kılavuzunda yayılan optik soliton ile metal yüzeylerde yayılan yüzey plazmonlarının etkileşiminin dinamik özelliklerini inceliyoruz. Optik solitonun nonlineer doğasından kaynaklanan nedenlerle bağlama parametresi soliton genliği ile değişmektedir ve bunun bir sonucu olarak sabit bir etkileşim değerinden çok dinamik bir parametredir. Öncelikle fraksiyonel popülasyon oransızlığı ve bağıl faz terimlerini kullanarak paralel sistemin dinamiğini Josephson eklemi olarak inceledik. Daha sonra da düz metal bir yüzeye göre parabolik bir yörüngede yayılan solitonun etkileşimini göz önüne aldık. Bazı parametre değerlerinde optik solitondan yüzey plazmonuna neredeyse tam bir popülasyon transferi gerşekleştirdik. Daha sonra optik solitonun dielektriğin iki tarafındaki metal yüzeylerde yayılan yüzey plazmonlarıyla etkileştiği metal/dielektrik/Kerr/dielektrik/metal çok katmanlı sistemin dinamiğini inceledik. Bazı uzaklık parametresi değerlerinde solitonun uzaysal profilinin yayılım sırasında neredeyse sabit olduğunu bulduk. Farklı bir yapılandırmada da metal yüzeyleri ile soliton ekseni arasındaki uzaklığı parabolik bir tünel olarak oluşturduk ve bu durumda parametre değerlerine göre solitonun uzaysal profilinin tünele girdikten sonra azaltılıp arttırılabildiğini gösterdik.

Plasmonics is a research field on the physics and applications of the interaction of light with surface-plasmons on ?mostly- metal surfaces. From a naive point of view, there is electronics on one side, which can perform well on nano-scale structures but the data process and transfer is very slow compared to optical frequencies. On the other side, optical data transfer is ultrafast e.g. in fibers but their size is down-limited by the wavelength of light which is usually much larger than the nanoscale. Thus, plasmonics establishes a link between electronics and photonics by coupling light and surface plasmons at very small scales, at optical frequencies. This has the potential to develop surface-plasmon-integrated optoelectronic devices at nanoscales. In this respect, the excitation and control of surface-plasmons via coupling to controllable optical sources is highly desirable.In this thesis work, we investigate the dynamical properties of the interaction between an optical soliton in a nonlinear dielectric waveguide and co-propagating surface-plasmons along a metal surface. Due to the nonlinear nature of the optical soliton, the coupling parameter depends on the soliton amplitude, and thus become an inherently dynamical parameter rather than being a coupling ?constant.? We first revisit the dynamics of the parallel system which is formulated as a Josephson junction by introducing fractional population imbalance and the relative phase variables. Then, we consider the interaction when the soliton is propagating on a parabolic trajectory with respect to the flat metal surface. Nearly full population conversion from optical soliton to surface ? plasmon is achievable under certain parameter values.We next investigate the dynamics in a metal/dielectric/Kerr/dielectric/metal multilayer system, in which the optical soliton is essentially coupled to two surface plasmons on either side across dielectric spacers. We found that for certain (asymmetric) spacing parameters the spatial profile of the soliton is almost constant along the propagation. In a different multilayer configuration, we take the metal surfaces to form a parallel channel but with a parabolic opening with respect to the soliton axis. In this case, depending on the model parameters the oscillations in the spatial profile of the soliton may be induced or suppressed as it enters through the parabolic channel.