بخشی از مقاله
چکیده -
در این مقاله عملکرد یک مدولاتور پلاسمونیک که در آن با اعمال ولتاژ DC یا RF میتوان فاز پلاسمون پلاریتونهای سطحی را تغییر داد، به صورت سهبعدی شبیهسازی و تحلیل شده است. در این قطعه ابتدا نور از یک موجبر سیلیکونی وارد یک مبدل شده و از مد فوتونیک به پلاسمونیک تبدیل میشود.
سپس با انتشار در یک ساختار فلز-عایق-فلز و با تمرکز شدید میدان در سطح مشترک فلز-عایق و نیز همپوشانی شدید با میدان الکتریکی بایاس اعمالشده به دو فلز، تغییر فاز یافته و در خروجی مجداً با عبور از یک مبدل دیگر به مد فوتونیک تبدیل میشود. تغییر فاز پلاسمونها از طریق اثر الکترواپتیک موسوم به پاکلز در عایق پلیمری با ضریب الکترواپتیک بالاو نتیجتاً تغییر ضریب شکست متناسب با میدان بایاس صورت میگیرد. در این ساختار نشان داده شده است که مقدار پارامتر حاصلضرب ولتاژ در طول لازم برای ایجاد اختلاف فاز به میزان 1/63 ولت-میلیمتر کاهش مییابد.
نتیجه گیری: با قرار دادن این مدولاتور فاز در یک ساختار ماخ-زندر، میتوان یک مدولاتور دامنه با ابعاد میکرومتری ساخت.
-1 مقدمه
مدولاتور فاز یک افزاره مهم در مخابرات نوری است. در کنار سایر اثرهای غیرخطی برای ایجاد تغییر فاز در موج، یکی از اثرهای مورد استفاده اثر الکترواپتیک پاکلز است .[1] تا پیش از گسترش استفاده از دانش پلاسمونیک، اکثر مدولاتورهای فازی که بر این مبنا و با استفاده از ماده معروف ساخته میشدند به علت محدودیت پراش نور در حد میلیمتری بودند
دانش پلاسمونیک روشن ساخت که تزویج میدان به نوسان پلاسمونهای سطح فلز-عایق میتواند محدودسازی و تمرکز شدید میدان و درنتیجه کوچکتر کردن یک افزاره و کشاندن آن به زیر حد پراش نور را به همراه داشته باشد
در میان سوئیچها و مدولاتورهای پلاسمونیک، مانند افزارههای با تشدیدگر[6] ، با اثر حرارتی-پلاسمونیک [7]، با اثر پاشندگی حاملهای آزاد [8]، کنترل چگالی حاملها [9]، این مدولاتور با اثر الکترواپتیک پاکلز است که در مجموع سرعت بالا، طول کمتر قطعه، مصرف کمتر انرژی و پهنای باند بالاتر را از خود نشان میدهد [7] و 11]؛. [10 با گسترش دانش مهندسی مواد، امکان تولید مادههایی با ضریب الکترواپتیک بسیار زیاد و پاسخ تقریباً بدون تاخیر نسبت به یک بایاس مایکروویو فراهم شده است
روش المان محدود و با نرمافزار تجاری COMSOL Multiphysics® در دو حالت تک مدولاتور و نیز در ساختار ماخ-زندر انجام شده و عملکرد بخشهای مختلف افزاره به خصوص اثر طراحی دقیق خمیدگی لبههای فلز تحلیل و گزارش شده است.
شکل -1 ساختار کلی مدولاتور فاز پلاسمونیک-پلیمری
-2 تئوری و روش شبیهسازی
1؛-2 ابعاد و مشخصات کلی
در این مقاله مدولاتور پلاسمونیک فازی متشکل از دو ورقه طلا و مادهی پلیمر بین آن شبیهسازی شده است. چنانکه در شکل 1 دیده میشود این افزاره در ابتدا و انتهای خود از طریق دو مبدل فوتونیک به پلاسمونیک و بالعکس به موجبر سیلیکونی و در نتیجه سایر مدارهای سیلیکونی متصل میشود. یک ولتاژ چه به صورت DC و چه در فرکانس رادیویی یا مایکروویو به عنوان بایاس به دو ورقهی فلزی اعمال میشود. میدان الکتریکی ایجادشده در شکاف کانال پلاسمونیک برهمپوشانی شدیدی با میدان پلاسمونیک پیدا کرده و باعث ایجاد تغییر فاز و به عبارتی مدوله کردن فاز آن میشود.
این قطعه پیش از این به صورت آزمایشگاهی ساخته و آزمایش شده است[10]، اما شبیهسازی آن فقط به صورت دوبعدی و در سطح مقطع کانال پلاسمونیک انجام شده است.در این مقاله یک شبیهسازی تمامموج سهبعدی از کل افزاره با همهی بخشهای آن در طول موج 1550 نانومتر به در این قطعه ضخامت طلا 150 نانومتر، فاصله شکاف بین دو فلز 140 نانومتر و ضخامت زیرلایه 2 میکرومتر درنظرگرفته شده است. پهنای موجبر سیلیکونی 450 نانومتر و ارتفاع آن 220 نانومتر است. ضریب شکست سیلیکون nSi 3.48 ، زیرلایه nSiO2 1.44 و پلیمر nPolymer 1.68 است.
ازآنجاکه فلز روی تراشه نمیتواند لبههای تیز داشته باشد و نیز چون این ناحیه محل تمرکز شدید میدان خواهد بود، در طراحی سهبعدی خمیدگی لبههای فلز و مشبندی دقیق در آن ناحیه رعایت شده است
شکل -2 مشبندی سه بعدی خمیدگی لبه های فلز
این مقاله به شرط در دسترس بودن در وبگاه www.opsi.ir معتبر است.
2؛-2 کانال پلاسمونیک
طلا در فرکانس نوری دارای ضریب دیالکتریک منفی - 0 - با مقدار مطلق بزرگی است که امکان تمرکز شدید میدان نوری در سطح مشترک فلز-عایق را ایجاد میکند. برای این منظور از رابطهی ارائه شده توسط جانسون و کریستی برای ضریب شکست در شبیهسازی استفاده شده است
3؛-2 اثر الکترواپتیک پاکلز
ضریب شکست یک ماده با اعمال میدان الکتریکی خارجی طی اثر پاکلز تغییر میکند . این تغییر با توان اول میدان الکتریکی متناسب است و در اصل با رابطههای تانسوری بیان میشود، اما با کمی تقریب از معادله زیر استفاده میشود که در آن r33 ضریب الکترواپتیک ماده، U ولتاژ بایاس خارجی و wgap عرض شکاف کانال است. این تغییر ضریب شکست پلیمر در یک نقطه و وابسته به میدان بایاس در آن نقطه است و در مجموع برای همهی نقاط یک تغییر ضریب شکست موثر - - neff میتوان فرض کرد که باعث ایجاد تغییر فاز در طول کانال - - L میشود:
مقدار ضریب r33 پلیمر استفادهشده 170 پیکومتربرولت است که البته پس از فرایند لایهنشانی پلیمر بر روی تراشه این مقدار قابل دستیابی نیست و مقدار 21 پیکومتربرولت گزارش شده است که مبنای این تحقیق نیز قرار گرفته است
در کامسول این اثر در دو مرحله محاسبه میشود. ازآنجاکه فرکانس مایکروویو بایاس در مقابل فرکانس نوری بسیار کم است و استاتیک بهنظر میرسد، ابتدا با استفاده از روش الکتریسیتهی ساکن توزیع میدان بایاس در ساختار پیدا شده و سپس در حل حوزه فرکانس از این نتایج برای تغییر ضریب شکست پلیمر استفاده میشود. تحریک پورتها با تحلیل مودال انجام میشود.
-3 نتایج شبیه سازی و بحث
شبیهسازی سهبعدی انجام شده و در این بخش نتایج ارائه و بحث میشود. در شکل 3 - الف - توزیع میدان الکتریکی در فرکانس نوری و در سمت چپ - ب - توزیع میدان الکتریکی الکترواستاتیک - بایاس - در سطح مقطع عرضی کانال پلاسمونیک - xy - دیده میشود. در هر دو شکل تمرکز شدید میدان در لبههای خمیدهی فلز و در نتیجه یک برهمپوشانی مناسب دو میدان نوری و بایاس مشهود است.
شکل :3 توزیع میدان الکتریکی در سطح مقطع کانال - الف - در فرکانس نوری و - ب - در الکترواستاتیک
در شکل 4 توزیع میدان الکتریکی Ex در فرکانس نوری از نمای بالا - صفحه - xz ملاحظه میشود. موج از سمت چپ و پس از ورود به بخش گوهایشکل به تدریج به مد پلاسمونیک تبدیل شده و در کانال پلاسمونیک انتشار مییابد. در پایان نیز مجدداً به مد فوتونیک تبدیل شده و از موجبر سیلیکونی سمت راست خارج میشود.
شکل :4 توزیع مولفه x میدان الکتریکی نوری از نمای بالا
میزان اتلاف برای کانال به طول 24 میکرومتر به همراه دو بخش گوهای 2/5 میکرومتری برابر 14/3 دسیبل حاصل شده است. بررسی بیشتر نشان داد که تلف کانال حدود 0.3 دسیبلبرمیکرومتر و در نتیجه هر کدام از مبدلها حدود 3/5 دسیبل اتلاف دارند. در این شبیهسازی به دو ورقهی فلزی، یک بار بایاس صفر و بار دیگر بایاس 4/7 ولت اعمال شده است که با مقایسه دو حالت، مقدار حاصلضرب ولتاژ در طول لازم برای ایجاد اختلاف فاز به میزان 1/63 ولت-میلیمتر حاصل شده است.
