12557

12557

بررسي و تحليل ساختارهاي دورگه پلاسموني و طراحي ادوات نوري مبتني بر آن

دكتري

برق - مخابرات- ميدان

آذر ماه 1392

آذر ماه 1392

دكتر محمد هاشم واجد سميعي

چكيده رفع محدوديت سرعت و پهناي باند مدارات الكترونيكي بوسيله مدارات فوتونيكي، امري است كه از مدتها پيش مورد توجه ويژه محققين حوزه‏هاي مخابرات و الكترونيك بوده است. با وجود اينكه تغيير از ابعاد مجتمع‏سازي ميكرو به نانو در مدارات الكترونيكي مدتهاست كه آغاز شده اما در حوزه نور و فوتونيك، حد فيزيكي پراش، مانع اساسي در پياده‏سازي نانوساختارهاي نوري است. در اين ميان «علم پلاسمونيك»، كه به نحوه متمركزسازي نور در ابعاد بسيار كمتر از طول‏موج مي‏پردازد، از بهترين راه حلهاي موجود براي رفع اين مانع و تحقق مدارات مجتمع نسل آينده است كه حد بهينه دو مشخصه سرعت (يا پهناي باند) و ابعاد را نتيجه مي‏دهد. در عين حال، چالش اساسي حوزه پلاسمونيك، تلفات بالاي ساختارهاي پلاسموني (فلزي-دي‏الكتريكي) است كه كاربري آنها در بسياري از حوزه‏هاي عملي را با محدوديت مواجه مي‏سازد. ايده‏هاي مختلفي براي غلبه نسبي بر چالش فوق ارائه شده است (همچون استفاده از ساختارهاي چند لايه با برد انتشاري بلند، بكارگيري بهره در ماده و همچنين دورگه‏سازي) كه از ميان آنها، ايده «دورگه‏سازي» كه در سال 2008 مطرح شده، از پتانسيل بالايي در اين رابطه برخوردار است. دورگه‏سازي مبتني بر استفاده از لايه‏هايي با اختلاف زياد ضريب شكست در مجاورت فلز است كه باعث حصول همزمان تلفات نسبتا كم و تحديد (متمركزسازي) زياد مي‏شود. در اين رساله، با محور قرار دادن ايده دورگه‏سازي ساختارهاي پايه پلاسموني، سه ساختار تيغه‏اي دورگه فلز-عايق، فلز-عايق-فلز و عايق-فلز-عايق پيشنهاد شده و به تفصيل مورد تحليل تئوري مبتني بر پارامترهاي متغير فركانس، جنس و ضخامت لايه‏هاي فلز و دي‏الكتريك و با استفاده از «روش ماتريس انتقال» قرار گرفته‏اند. در اين تحليل، ضمن مقايسه آنها با ساختارهاي غيردورگه (كه حاكي از برتري قابل ملاحظه آنها است)، در مورد پتانسيل آنها براي بهينه‏سازي تلفات و حداكثر تحديد انرژي نتيجه‏گيري شده است. همچنين شش موجبر مقيد شده عرضي در دو بعد، مبتني بر نتايج ساختارهاي تيغه‏اي، پيشنهاد شده و ضمن تحليل تفصيلي آنها در طول موج مخابراتي nm 1550 نشان داده‏ايم كه موجبر كانالي دورگه (مبتني بر ساختار فلز-عايق-فلز؛ با فلز نقره (Ag) و لايه‏هاي دي‏الكتريك سيليكون (Si) و سيليكا (SiO2)) داراي بهترين عملكرد انتشاري بوده (با طول انتشاري حدود mμ 30، مساحت مودي نرماليزه كمتر از 0.06 و فاصله بين موجبري مركز تا مركز در حدود nm 250) و براي طراحي ادوات و بكارگيري در مدارات مجتمع نوري بسيار مناسب است. مبتني بر موجبر منتخب، خمهاي موجبري 90درجه و S-شكل و مقسم توان با راندمان بالاي 95%، تزويجگر جهتي با طول تزويج كمتر از μm 1 و راندمان بالاي 90%، مبدل موجبري دي‏الكتريك به پلاسموني فشرده و پهن باند با راندمان بالاي 90% و پهناي باند طول‏موجي بالاي nm 300، فيلتر تشديدگر حلقوي با ابعاد nm 1300، ضريب كيفيت (Q) 119 و ضريب اطفاء (ER) dB 17 و كليد الكترواپتيك مبتني بر ساختار تشديدگر حلقوي با ضريب اطفاء و تلفات متوسط dB 10 و dB 2 و ابعاد nm 1550 ارائه شدند كه ضمن اثبات عملكرد مناسب در ابعاد بسيار فشرده، در موارد متعدد نسبت به نمونه‏هاي مشابه برتر هستند. واژه‌هاي كليدي: پلاسمونيك، پلاريتون پلاسمون سطحي، موجبرهاي پلاسموني، ادوات نوري، مدارات مجتمع نوري.