23085

تحليل و شبيه سازي خواص انتشاري موجبرهاي چندلايه پلاسموني گرافني

دكتري

مخابرات ميدان

1393

1399/10/8

دكتر محمد هاشم واجد سميعي

برق

خواص منحصر به فرد گرافن، آن را كانديداي بسيار مطلوبي براي طراحي نسل بعدي قطعه هاي نوري قرار داده است. يكي از ويژگي هاي مهم گرافن، هدايت پذيري قابل تنظيم است كه آن را به عنوان ماده اي مناسب براي علم پلاسمونيك در باند مادون قرمز مياني، قرار مي دهد. در اين رساله، به بررسي و تحليل ساختارهاي چند لايه پلاسموني گرافني با هدف رسيدن به ضريب تحديد بالا و كاهش ميزان تلفات مي پردازيم. بدين منظور، با تركيب لايه هاي گرافني با مواد جديدي نظير ناهمسانگرد، كايرال و غيرخطي، به بهبود عملكرد موجبرهاي پلاسموني گرافني پرداخته مي شود. تركيب مواد ناهمسانگرد با لايه هاي گرافني در مختصات دكارتي، استوانه اي و بيضوي صورت مي گيرد. در اين ساختارها، با استفاده از ميدان مغناطيسي خارجي، بهبود قابل ملاحظه اي در خواص انتشاري آنها، ايجاد مي شود. با شبيه سازي حالت هاي خاص از ساختارهاي چندلايه ناهمسانگرد در مختصات دكارتي، استوانه اي و بيضوي، به بررسي صحت مدل تحليلي ارائه شده، خواهيم پرداخت. براي نمونه، براي موجبر صفحه اي ناهمسانگرد گرافني زمين شده با هادي مغناطيسي كامل، ضريب تمركز 100 در فركانس 0.4 تراهرتز حاصل مي شود. در ادامه، با تركيب صفحات گرافني با مواد كايرال و غيرخطي در مختصات دكارتي، مدل تحليلي آن ها بدست آمده و با معرفي دو موجبر براي هر ساختار، خواص انتشاري شان مورد مطالعه قرار مي گيرد. براي مثال، براي موجبر تركيبي حاوي دو تيغه گرافن و كايرال، ضريب تحديد 15 در فركانس 8 تراهرتز، بدست آمده است. در يك موجبر پيشنهادي بر مبناي تركيب مواد غيرخطي و گرافن، كه در آن، گرافن بر روي لايه هاي فلوئوريد آهن (II)- سيليكا-سيليكن قرار گرفته است، ضريب موثر 200 در پتانسيل شيميايي 0.2 الكترون-ولت و توان اوليه 3، بدست مي آيد. سپس، به منظور نشان دادن اهميت ساختارهاي چندلايه براي تحقق ادوات گرافني، به طراحي و شبيه سازي سيركولاتورهاي گرافني مي پردازيم. ساختار اول، يك سيركولاتور گرافني Y-شكل است كه در آن، سه نوار گرافني به يك ديسك تشديدي متصل شده و كل ساختار بر روي زيرلايه سيليكا قرار دارد. ساختار دوم، سيركولاتوري است كه بر اساس مودهاي لبه اي كار مي كند. با شبيه سازي اين ساختار، سطح ايزولاسيون 14- دسي بل در فركانس 4 تراهرتز بدست مي آيد. ساختار سيركولاتور سوم، يك سيركولاتور با پُست مثلثي چندلايه ست كه در آن، لايه گرافني، به صورت متقارن در وسط پُست قرار گرفته است. براي اين نوع از سيركولاتور، در فركانس تشديد 5 تراهرتز، تلفات انتقال 3.5- دسي بل، ايزولاسيون 40- دسي بل و پهناي باند سيركولاتور، 7.25 درصد بدست مي آيد.

1399/11/04

Analysis and Simulation of Propagation Properties of Multi-Layer Plasmonic Graphene-Based Waveguides

12/28/2020 12:00:00 AM

Fascinating properties of graphene makes it a promising candidate for desingn and fabrication of new generation of photonics and electronics devices such as high-frequency transistors, transparent electrodes and optical sensors. One of the important feature of graphene is its optical conductivity, which can be utilized in Plasmonics research in THz and mid-infrared band. Graphene plasmonics has two major advantages: First, it can confined the light in a very small area and second, its interaction with other new materials such as chiral, nonlinear, etc. is so effective. In this thesis, we will integrate graphene with new materials such as anisotropic, chiral, and nonlinear materials to effectively achieve high mode confinement and low propagation loss. Hybridization of graphene and anisotropic materials has been done in Cartesian, cylindrical and elliptical structures in this thesis. In these waveguides, applying a DC magnetic bias enhances the performance of these structures. It should be noted that these multi-layer structure can be utilized for design of innovative THz devices such as cloaks, modulators, absorbers, filters, detectors and etc. To show the richness of the each multi-layer structure regarding the related specific plasmonic wave phenomena and effects, two exemplary waveguides have been introduced and investigated for each kind of proposed multilayer structures. For instance, the effective index of 100 is obtained at the frequency of 0.4 THz for an anisotropic graphene waveguide with a dielectric substrate backed by a PMC layer. Then, we integrate graphene sheets with chiral and nonlinear materials in planar structures. For instance, an effective index of 200 at the chemical potential of 0.2 eV and incident mode power of 3 is reported for a symmetric graphene-based waveguide with two nonlinear magnetic layers. In the reminder of this thesis, three types of graphene-based circulators have been designed and simulated. First one is a Y-type graphene-based circulator, where a circular graphene resonator is connected to three identical waveguiding graphene strips. The whole structure has been located on a SiO2 substrate. The second structure is a kind of Y-type circulator, which works based on edge-modes. The third circulator is a novel three-port circulator with triangular graphene-based post, which is formed by three 1200 symmetrical metal-based waveguides. We have achieved the isolation of -40 dB with a loss of -3.5 dB at the central frequency of 5 THz. The bandwidth of this circulator is reported 7.25 % with respect to the isolation level of -15 dB.

گرافن , مدل تحليلي , ساختار چندلايه , ماده ناهمسانگرد , ضريب تحديد , طول انتشاري

graphene , multi-layer structure , analytical model , effective index , propagation length