19189

۱۹۱۸۹

مطالعه، بررسي و طراحي برخي ادوات پلاسمونيكي

دكتري تخصصي

فيزيك اتمي و مولكولي

93-94

۱۳۹۷/۳/۲۹

دكتر محمد واحدي

فيزيك

در دهه هاي اخير، امواج پلاسمونيك (پلاسمون پلاريتون هاي سطحي) به عنوان يك از راه حل اميدواركننده براي غلبه بر حد كلاسيكي پراش نور معرفي شده¬اند. بر اين اساس ساختارهاي پلاسمونيكي زيادي نظير انواع فيلترها، حسگر ها، آنتن ها و غيره پيشنهاد شده است. در اين ميان كليدها و حسگرها به عنوان دو عنصر اساسي در مخابرات نوري بسيار مورد توجه قرار دارند. از اين رو در اين رساله ابتدا يك كليد الكترواپتيكي پلاسمونيكي با ميزان عبور بالا، ولتاژ كم جهت كليد زني و هندسه¬ي ساده به منظور ساخت آسان ساختار پيشنهاد شده است. ساختار ارائه شده شامل يك موجبر اصلي MIM بوده كه به طور مستقيم با دو كاواك ريزشي و دوكاواك بازتابي تزويج شده است. تمام كاواك¬ها توسط يك ماده الكترواپتيك پر شده¬اند. بسته به اينكه ساختار شامل يك كاواك بازتابي يا دو كاواك بازتابي باشد دو كليد پلاسمونيكي دو كاناله 1×2 در طول موج هاي 984 نانومتر و 1560 نانومتر پيشنهاد كرديم. علاوه بر اين، ساختار جديد ديگري جهت تحقق اثر PIT ارائه داده ايم. اين ساختار شامل يك موجبر مستقيم MIM بوده كه با يك كاواك مستطيلي و يك كاواك -Hشكل تزويج شده است. در اين ساختار به منظور جلوگيري از اكسيداسيون، يك لايه نازك گرافن روي ديواره هاي داخلي كاواك H رسوب داده شده و اثر آن مورد مطالعه قرار گرفته است. نتايج نشان دادند كه ساختار پيشنهاد شده مي¬تواند به عنوان يك نانوحسگر با حساسيت پذيري 1300 nm⁄RIU و شايستگي 59.1〖RIU〗^(-1) به كارگرفته شود. همچنين اين ساختار را همچنين مي¬توان به عنوان يك كليد نوري با ميزان عبور 76% و ضريب خاموشي 19.77dB به كار برد. ساختار كنترل پذير ديگري نيز جهت تحقق اثر PIT پيشنهاد شد. اين ساختار شامل يك موجبر مستقيم بوده كه با يك نانو ديسك و دو ديسك مماس بر هم (موسوم به كاواك TITD) تزويج شده است. نتايج نشان دادند كه طول موج PIT در اين ساختار مي تواند با اعمال يك دمش خارجي با شدت 24.39 MW⁄〖cm〗^2 (توان حدوداً 2mW) از 782nm به 815nm تغيير پيدا كند. ساختار پيشنهاد شده قابليت به كار¬گيري به عنوان يك نانوحسگر با حساسيت پذيري 690 nm⁄RIU و شايستگي 49.28〖RIU〗^(-1) را دارد. علاوه بر مطالب فوق الذكر، با پيشرفت تكنولوژي¬ تراهرتز (THz) و ظهور كاربردهاي مختلف اين فناوري در طيف¬سنجي، مخابرات، توليد نوركند و شناسايي مواد زيستي، يك ساختار پلاسمونيكي 8-شكل دوگانه جهت تحقق اثر PIT در باند تراهرتز طراحي كرديم. اين ساختار شامل موجبر نيم رساناي اينديوم آنتيمونيد (InSb) است. نيم رساناي اينديوم آنتيمونيد با اين خاطر به كار گرفته شده تا بتواند موج پلاسمونيك را در اين باند تحريك كند. حساسيت پذيري اين ساختار در حالت تك PIT برابر با 654 GHz⁄RIU بدست آمد. نتايج بدست آمده نشان دادندكه جابه¬جايي فركانسي برابر با 37GHz و 99GHz براي حالاتي كه مولكول هاي تك رشته¬اي و هيبريدي DNA درون كاواك¬هاي ساختار را پركرده¬اند حاصل خواهد شد. در انتها به علت ظهور كاربردهاي مختلف باند فروسرخ (MIR) در زمينه هاي مختلفي همچون بهداشت، كنترل كيفيت و كاربردهاي امنيتي، يك ساختار پلاسمونيكي شامل يك موجبر نيم رساناي سيليكوني جهت تحقق اثرات PIT و PIA در باند فروسرخ طراحي كرديم. ساختار پيشنهاد شده شامل سه كاواك تزويج شده به موجبر اصلي بود. نتايج نشان دادند كه ساختار پيشنهاد شده را مي¬توان به عنوان يك دماسنج با حساسيت پذيري دمايي 1.48 nm⁄c^0 و يك كليد پلاسمونيكي با ميزان عبور 83% و ضريب خاموشي 20.74dB با قابليت عملكرد در باند فروسرخ به كار برد.

1397/04/20

Design and Characterization of Some Plasmonic Devices

7/10/2018 12:00:00 AM

In the recent decays, surface plasmon polariton (SPP) waves are intruduced as a promising solution to realize ultra-dense integrated optical circuits, without suffering from limitations of classical diffraction limit of light in the conventional photonic components. Accordingly, until now, several plasmonic devices have been proposed, such as filters, sensors, antennas, etc. Switches and also sensors as two key components in the field of optical communications have attracted many attentions. Hence, in this thesis, firstlly, a compact elector optical (EO) plasmonic switch with high transmission, low required external voltage for switching and simple geometry for fabrication is proposed. The proposed structure was consist of a MIM bus waveguide directly coupled to two drop cavities as well as two reflector nanocavities. All the cavities were filled with EO material. Based on single and double reflector cavity structures, two plasmonic 1×2 switches at the wavelengths 984nm and 1560nm are proposed. Besides, a novel implementation for plasmon-induced transparency (PIT) composed of a bus waveguide coupled to a rectangular nanocavity and an H-shape resonator is proposed. In this device, for avoiding oxidization of the structure, a thin graphene layer on the inner walls of the H-resonator is employed and the effect of it is studied. It is observed that the proposed structure can be used as a nanosensor with a refractive index sensitivity of 1300nm.RIU-1 and figure of merit equal to 59.1 RIU-1 and also as a compact nanoswitch with transmission 76% and a modulation depth equal to 19.77dB. Another PIT tuned structured composed of a bus waveguide coupled to a nanodisk and two internally tangent disks (TITD) is proposed. There, it is shown that the PIT peak can be tuned from 782nm to 815nm using an external pump laser with an intensity of up to 24.39 MW/cm2 (Power≅2mW). The TITD-based structure can be well employed as a nanosensor, with a refractive index sensitivity and figure of merit equal to 690nm.RIU-1 and 49.28 RIU-1 respectively. In addition to the above mentioned, with the development of terahertz (THz) technology, and appearing various applications of this technology in spectroscopy, communication, slow light, and monitoring of biomaterials, an ultra-compact double 8-shaped plasmonic structure consists of a semiconductor-insulator-semiconductor (SIS) bus waveguide coupled to dual disk resonators for realization of PIT in the THz region has been studied. Indium antimonide (InSb) was employed to excite SPP in terahertz region. In this stricture, the sensitivity equal to 654 GHz/RIU-1 was be obtained for single PIT structure. It is shown that, a frequency shifts equal to 37 GHz and 99 GHz could be observed for the denatured and the hybridized DNA states, respectively. In the final, by appearing various applications in the mid-infrared (MIR) band, such as health-related fields, sensing, industrial process and security applications, a novel silicon-based integrated structure consists of a semiconductor-insulator-semiconductor (SIS) plasmonic bus waveguide coupled to three rectangular nano-cavities for PIT and plasmon-induced absorption (PIA) effects in MIR band is proposed. It is shown that the proposed structure can be used either as a temperature sensor with a sensitivity of 1.48 nm/°C or as a plasmonic switch operating in the MIR range with transmission 83% and modulation depth of 20.74dB