بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله، ساختار هیبریدی پلاسمونیکی با زیرلایه InP جهت طراحی و بهبود مقسم توان نوری 1 2 توسط تداخل چند مود طراحی و تحلیل شده است. در ساختار موجبر، لایه هسته - InGaAsP - میتواند دارای عمق خوردگی متغییری از صفر تا 500 نانومتر باشد. با بررسیهای انجام شده در این مقاله نشان داده شده است که با افزایش عمق خوردگی، طول انتشار در موجبر پلاسمونیکی مبتنی بر InP تا 50 درصد کاهش مییابد.
همچنین با کاهش عمق خوردگی در ساختار موجبر، توان انتقال نوری در مقسم توان تداخل چند مود میتوان طول لازم برای داشتن یک مقسم توان یک ورودی دو خروجی را تا حدود 60 نانومتر کاهش داد و طول آنرا به کمتر از 650 نانومتر کاهش داد که در مقایسه با کارهای قبلی طول مقسم توان بیش از 460 نانومتر کمتر شده است در حالی که درصد انتقال توان بیشتر از 90 درصد حفظ شده است. با توجه به اهمیت مقسم های توان در مدارات مجتمع فتونیکی، این مسئله تحقق مدارات مجتمع یکپارچه فتونیکی را بیش از پیش میسر میکند.
مقدمه
موجبرهای پلاسمونیکی با تبدیل نور به پلاسمونهای سطحی توانایی هدایت میدانهای نوری در ابعاد نانو را دارند. نانو ساختارهای پلاسمونیکی متنوعی تا به حال معرفی شده است. در این بین ساختارهای هیبریدی پلاسمونیکی به علت برقراری مصالحه میان طول انتشار و سطح موثر مود کاندید مناسبی برای طراحی و پیادهسازی ادوات مجتمع فتونیکی هستند .
به علت امکان مجنمع سازی یکپارچه ادوات فعال و غیر فعال فتونیکی بر روی یک زیرلایه در طول موج مخابراتی 1,55 میکرومتر، ادوات مبتنی بر زیرلایه InP دارای اهمیت ویژهای هستند.
یکی از پرکاربردترین ادوات فتونیکی در مدارات مجتمع نوری مقسمهای توان هستند که در تداخلسنج ماخ زندر، مالتی پلکسر- های طولموج فیلترهای مود و... کاربرد دارند. مطالعاتی بر روی مقسمهای توان مبتنی بر سیلیکون انجامشده است. طی این مقاله ابتدا ساختار هیبریدی پلاسمونیکی مبتنی بر InP معرفی میشود و با استفاده از این ساختار یک تزویج گر جهتدار و مقسمتوان چند مود طراحی شده است .
موجبر هیبریدی پلاسمونیکی مبتنی بر InP در شکل 1 سطح مقطع موجبر پلاسمونیکی مبتنی بر زیر لایه InP نمایش داده شده است. در شکل 1 به ترتیب از پایین به بالا، زیرلایه InP با ضخامت hSub و برابر 500nm و ضریب شکست در طول موج مخابراتی 1.55 m برابر با 3.1669 در نظر گرفته شده است و بر روی آن لایه هسته InGaAsP - Q - با ضخامت hetch + hQ مجموعا برابر 500nm و ضریب شکست در طول موج مخابراتی 3.3636 نمایش داده شده است. سپس بر روی آنها دو لایه هم عرض InP و Ag به ترتیب با ضخامتهای hInP و hAg قرار گرفته است.
ضریب شکست فلز نقره در طول موج مخابراتی برابر 0.1388+11.31i است که در مقایسه با فلز طلا باعث تلفات کمتری میشود .[3] ضریب شکست مواد InP، InGaAsP و Ag تابع طول موج می باشند که ضریب شکست مواد InP و InGaAsP بر حسب طول موج طبق رابطه سلمیر محاسبه میگردند.
شکل :1 نمایش ساختار لایههای موجبر پلاسمونیکی هیبریدی مبتنی بر . InP
در ساختار شکل 1، hSub و hInP به ترتیب برابر 500nm و 160nm و پهنای زیر لایه یک میکرومتر در نظر گرفته شده است. لایه هسته InGaAsP میتواند به صورت کامل یا بخشی از آن در فرآیند ساخت دچار خوردگی شود. میزان خوردگی لایه Q در موجبر بر روی طول انتشار و ضریب شکست موثر تاثیر مستقیمی دارد. در شکل 2و 3 تاثیر میزان خوردگی به ترتیب بر روی قسمت حقیقی ضریب شکست موثر و طول انتشار مود نمایش داده شده است. طول انتشار نور در یک موجبر پلاسمونیکی برابر است با که λ طول موج نور ورودی و neff.imag قسمت موهومی ضریب شکست موثر است.
با افزایش عمق خوردگی از 0nm تا 500nm در لایه هسته Q، قسمت حقیقی ضریب شکست موثر مود اصلی TM به دلیل کاهش سطح لایه Q با بیشترین ضریب شکست، مطابق نمودار شکل 2 کاهش مییابد.
شکل:2 نمودار قسمت حقیقی ضریب شکست موثر مود اصلی TM بر حسب عمق خوردگی لایه .Q
همچنین با افزایش عمق خوردگی در لایه Q، قسمت موهومی ضریب شکست موثر افزایش مییابد و در نتیجه طول انتشار به صورت قابل توجهی کاهش مییابد که به دلیل افزایش تحدید میدان در لایه پوشش با افزایش عمق خوردگی است که باعث افزایش تلفات اهمی فلز به دلیل تماس بیشتر میدان با سطح فلز میشود و در نتیجه تلفات انتشاری افزایش مییابد.
با توجه به اینکه در فرآیند ساخت، دیوارههای موجبر دارای اعوجاجهایی خواهد بود ساخت موجبر با خوردگی کم عمق بهتر است.
در ادامه به معرفی و طراحی یک مقسم توان با تداخل چند مورد میپردازیم و تاثیر عمق خوردگی لایه Q در پارامترهای مهم مقسم توان را بررسی میکنیم.
لایه InP پوششی نشان میدهد در حالتی که طول LMMI برابر با 800nm و پهنای WMMI برابر با 700nm است. عمق خوردگی در ساختار شکل 5 قسمت - الف - و - ب - برابر با 200nm و در قسمت - ج - ، یک ساختار بدون خوردگی در نظر گرفته شده است.
شکل :3 نمودار طول انتشار مود اصلی TM بر حسب عمق خوردگی لایه .Q طراحی مقسم توان تداخل چند مود - MMI - پر کاربردترین عنصر در مدارات مجتمع فتونیکی مقسمهای توان هستند. در شکل 4 یک مقسم توان تداخل چند مود نمایش داده شده است.
شکل :4 نمای سه بعدی از مقسم توان 1 2 با تداخل چند مود با خوردگی کم عمق در لایه . Q
پهنای موجبر ورودی مقسم توان با Win و پهنای موجبرهای خروجی با Wout ، طول و پهنای مقسم توان چند مود به ترتیب با LMMI و WMMI نمایش داده شده است.
در شکل 4، پهنای Wout برابر با 200nm و پهنای موجبر ورودی Win برابر با 400nm در تظر گرفته شده است. جهت تحریک دو مود در مقسم توان، پهنای WMMI برابر با 700nm انتخاب شده است. ضمنا موجبرهای خروجی به صورت متقارن قرار گرفتهاند و با توجه به اینکه موجبر ورودی در وسط MMI قرار گرفته است فقط مودهای زوج TM00 - و - TM02 تحریک میشوند .
برای شبیه سازی عددی MMI از روش FDTD سه بعدی استفاده شده است.
شکل 5 توزیع توان در مقسم توان چند مود را در خروجی و وسط
شکل :5 نمایش توزیع توان در مقسم توان چند مود - الف - در موجبرهای خروجی - ب - در وسط لایه پوشش InP با 200 نانومتر خوردگی در لایه Q - ج - در وسط لایه پوشش InP بدون خوردگی در لایه . Q
بررسی تاثیر عمق خوردگی در طراحی مقسم توان
بیشترین توان نوری انتقالی با توجه به نمودار شکل 6 زمانی اتفاق میافتد که لایه هسته Q دارای خوردگی عمیق باشد و کمترین میزان توان انتقالی زمانی رخ میدهد که لایه هسته Q بدون خوردگی است. در مقایسه با تغییراتی که در طول مقسم توان با تغییرات عمق خوردگی رخ میدهد، مقدار توان انتقالی نسبتا ثابت مانده و فقط شاهد 2 درصد تغییرات در آن هستیم. و به طور کلی توان انتقالی در تمامی شرایط بیشتر از 93 درصد است که 7% تلفات ناشی از ویژگی ذاتی موجبرهای پلاسمونیکی است.
شکل 7 منحنی طول مقسم توان 1 2 را برحسب عمق خوردگی
نشان میدهد که با شبیهسازی به روش FDTD به دست آمده است. نتایج نشان میدهد که کوتاه ترین طول مقسم توان 1 2 در عمق خوردگی صفر به دست میآید و با افزایش عمق خورگی
