Les guides d'ondes plasmoniques ouvrent la possibilité de développer des dispositifs optiques considérablement miniaturisés et offrent une voie prometteuse vers la prochaine génération de circuits nanophotoniques intégrés pour le traitement de l'information, informatique optique et autres. Les éléments clés des circuits nanophotoniques sont les routeurs plasmoniques commutables et les modulateurs plasmoniques.

Récemment, Le Dr Joachim Herrmann (MBI) et ses collaborateurs externes ont développé de nouveaux concepts pour la réalisation de tels nanodispositifs. Ils ont étudié la propagation des polaritons de surface-plasmon (SPP) dans des guides d'ondes magnéto-plasmoniques. Sur la base des résultats de cette étude, ils ont proposé de nouvelles variantes de routeurs magnéto-plasmoniques commutables et de modulateurs à disques magnéto-plasmoniques pour diverses fonctionnalités nanophotoniques. Dans un guide d'onde à base d'un film métallique d'épaisseur dépassant la profondeur de peau et entouré d'un diélectrique ferromagnétique, un champ magnétique externe dans la direction transversale peut induire une asymétrie spatiale importante de la distribution des modes des polaritons de surface-plasmons (SPP). La superposition des modes asymétriques pair et impair sur une certaine distance conduit à une concentration de l'énergie sur une interface, qui est commuté sur l'autre interface par inversion de champ magnétique.

L'amplitude de magnétisation requise est réduite de manière exponentielle avec l'augmentation de l'épaisseur du film métallique. Sur la base de ce phénomène, le groupe a proposé un nouveau type de routeurs plasmoniques commutables à commande magnétique intégrés au guide d'ondes. Une configuration d'un tel nanodispositif est illustrée sur la figure 1, constitué d'un guide d'onde métallique en forme de T entouré d'un diélectrique ferromagnétique sous un champ magnétique externe induisant une aimantation M. Sur la figure 2, les résultats numériques pour la propagation du plasmon en résolvant l'équation de Maxwell montrent une commutation de canal par l'inversion du champ magnétique avec un contraste élevé de 99% dans la bande passante optique de dizaines de THz. Ici, g est la giration g=χM, χ est la susceptibilité magnéto-optique et g0 est une giration caractéristique requise pour induire une asymétrie de mode significative. L'inversion du champ magnétique par des circuits électroniques intégrés peut être réalisée avec un taux de répétition de l'ordre du GHz. Notez que jusqu'à présent, il y a eu peu d'articles rapportant la réalisation de routeurs plasmoniques commutables basés sur des nanofils d'argent ramifiés contrôlés par la polarisation de la lumière d'entrée.

Dans un deuxième article, le groupe a proposé et étudié un nouveau type de modulateur plasmonique ultra-petit basé sur un guide d'ondes métal-isolateur-métal et un disque magnéto-optique à couplage latéral contrôlé par un champ magnétique externe (voir Fig.3). Le changement du nombre d'ondes et la transmission des polaritons de plasmon de surface (SPP) peuvent être réglés en modifiant le champ magnétique. La commutation marche/arrêt réversible des modes SPP en cours par une inversion de la direction du champ magnétique externe est démontrée. L'amélioration de la résonance de la modulation magnéto-plasmonique de plus de 200 fois conduit à un rapport de contraste de modulation supérieur à 90 pour cent, en gardant une perte d'insertion modérée dans une bande passante optique de centaines de GHz. Des simulations numériques par la résolution des équations de Maxwell confirment les prédictions par les formules analytiques dérivées d'une modulation magnéto-plasmonique à fort contraste. La figure 4 montre la distribution des composantes du champ magnétique des SPP à une giration g=0,03 et g=-0,03, respectivement. Comme on le voit en changeant la direction du champ magnétique externe, la transmission des SPP est commutée d'un état désactivé à un état activé via le diagramme d'interférence modifié dans le guide d'ondes.