بخشی از مقاله
چکیده - کار در زمینه نانو فوتونیک خواهان دست کاری نور در مقیاس های خیلی کوچکتر از طول موج است. در حال حاضر روش های عملی امکان پذیر در این زمینه خیلی کم است. دراین میان پلاسمون- پلاریتون های سطحی کاندیدای نوید بخشی برای محصور شدگی اپتیکی زیر موجی هستند. دراین مقاله موجبر پلاسمونیکی هیبریدی متقارن در دو بعد بررسی میشود که شامل دو بره دی الکتریک با ضریب شکست بالا و با عرض محدود را شامل میشود که بصورت ساختار عایق / فلز / عایق ترکیب بندی شده اند. نتایج شبیه سازی از طریق روش المانهای محدود نشان میدهد که این ساختار توانایی افزایش چگالی میدان محصور شده را تا 60 برابر ساختار متداول عایق / فلز / عایق دارد.
-1 مقدمه
بررسی بر هم کنش مابین نوروماده اهمیت پایه ای در محدوده گسترده ای از علم و تکنولوژی دارد. پلاسمون - پلاریتون های سطحی مد های الکترومغناطیسی هستند که از برهم کنش بین نور و بارهای سطحی متحرک - الکترونهای رسانش در فلزات - ناشی میشوند. بر هم کنش نور- ماده منجر به مدهای پلاسمون - پلاریتون سطحی میشود که اندازه حرکت آنها بزرگتر از نورمعمولی در همان فرکانس است.
در نتیجه میدان های الکترو مغناطیسی که به وجود میآیند خیلی از سطح دور نمی-شوند و با دور شدن از سطح به صورت نمایی افت می-کنند. مدهای پلاسمون - پلاریتون سطحی مقید به سطح فلز بوده و در حالت عادی طول انتشاری کوتاهی دارند.[1] در این مقاله با بررسی آرایش ویژه ای از موجبر پلاسمونیکی، ویژگی های مد انتشاری در رنج بلند بصورت عددی در طول موج ارتباطی 1550nm بررسی می-شود.
-2 هندسه و ویژگی های مد در موجبر هیبریدی متقارن
سطح مقطع ساختار موجبر هیبریدی متقارن در شکل - - 1 نشان داده شده است. این ساختار یک نوار فلزی است که داخل ماده با ضریب دی الکتریک کم غوطه ور است و دو بره دی الکتریک با ضریب شکست بالا به طور متقارن بالا و پایین نوار فلزی قرار گرفته اند. بره ها شکل مستطیلی با ارتفاع hd و عرض wd دارند. شکل مستطیل در اینجا به خاطر سادگی و آسانی در ساخت آن انتخاب میشود.
اما مطالعات برای انواع دیگری از بره ها با شکل مشابه نیز قابل بررسی است. فاصله بین بره و نوار با hg مشخص شده، عرض و ارتفاع فلز بترتیب با wm , hm تعریف می- شود. ماده دی الکتریک با ضریب شکست بالا سیلیکون فرض میشود، که ضریب شکست آن با nd 3.478 در نظر گرفته میشود. زیر لایه و رولایه از جنس سیلیکا به ضریب شکست nb 1.444 است و برای نوار فلزی، طلا با ضریب شکست nm .55 11.5i استفاده میشود. ویژگی های مدی موجبر به روش المان های محدود در مش بندی مثلثی شکل و در شرط مرزی پراکندگی است بررسی میگردد.[2]
-1-2 توزیع میدان مد برد بلند1 و برد کوتاه2
زمانی که ابعاد بره کوچک و بره نزدیک به نوار فلزی است 2مد سطحی مقید هیبریدی در فضای بین فلز و دی الکتریک به وجود میآید. در شکل - - 2 توزیع شدت میدان ودر شکل - - 3 میدان الکتریکی در راستای محور y برای هر دو ساختار متقارن ونامتقارن رسم شده است. مد متقارن، مد برد بلند و مد نا متقارن را مد برد کوتاه نامگذاری میکنند زیرا اتلاف انتشار مد برد کوتاه تقریبا 2 مرتبه بزرگتر از اتلاف انتشار مد برد بلند است.
-2-2 بررسی تأثیر تغییرات گاف، تغییر عرض بره و ضخامت فلز روی ویژگی های مد انتشاری در شکل - - 4 منحنی رفتار شاخص موثر مد3 - neff - و طول انتشار - - L مد پلاسمونی هیبرید برد بلند به ازای تغییر اندازه گاف از 2nm تا 300 nm رسم شده است.که طول انتشار از رابطه L محاسبه 4 Im - neff - میشود.[3] نتایج نشان میدهد که تغییرات hg اثر قابل توجه در ویژگی های مدال مد هیبریدی دارد. وقتی بره با ضریب شکست بالا نزدیک به نوار طلا قرار بگیرد، جفت شدگی مد بسیار قوی ما بین مد پلاسمونی برد بلند و مد موجبر دی الکتریک منجر به افزایش neff و کاهش L میشود. وقتی فاصله hg از 2nm تا 100nm تغییرمی-کند، کاهش شدید درشاخص مد موثر و افزایش درطول انتشار دیده میشود که اشاره به منطقه ای دارد که محصور شدگی قوی و اتلاف های مدال کم، تحقق مییابد.
بستگی عملکرد موجبر به تغییر پارامترهای ساختاری آن به ترتیب با تغییر دادن ضخامت لایه فلز و عرض بره مطالعه میشود. hg در ضخامت 30nm ثابت نگه داشته شده و ضخامت فلز از 10 تا 100nm تغییر میکند. منحنی تغییرات neff و L به ازای تغییرضخامت فلز در موجبر هیبریدی برای مد متقارن در شکل - - 5 نشان داده شده است. مشاهده میشود که اندازه L در ضخامت های کوچک به خاطر کاهش اتلاف اهمی، سریعاً افزایش مییابد. در این بازه حتی وقتی ضخامت نوار فلزی کمتر از 20nm است - منطقه ای که مد پلاسمونی برد بلند نشتی است - ، مقدار neff همیشه بالای شاخص شکست بره دی الکتریک یعنی 1.444 محاسبه میشود.
