بخشی از مقاله
چکیده
تلفیق کننده های اپتیکی به دلیل محدودیت پراش قابلیت فشردگی محدودی دارند. از آنجا امروزه تلفیقکنندههای پلاسمونی به دلیل اندازه فوق فشرده و کارکرد زیر حد پراش و پهنای باند بالا و مصرف انرژی پایین مورد توجه قرار گرفتهاند. در این تحقیق یک تلفیق کننده پلاسمونی جذب کننده بر پایه اثر پاکلز با ساختار طلا- سیلیکون نیترید-باریوم تیتانات-طلا با بستری شیشهای و اثر ضخامت لایهها بر عملکرد تلفیق کننده مورد بررسی قرار گرفته است. همچنین ضخامت بهینه برای لایههای دیالکتریک تشکیلدهنده این تلفیق کننده به دست آمده است.
-1 مقدمه
به طور کلی واژه تلفیقکننده به دستگاهی اطلاق میشود که اطلاعات را بر موج حامل سوار میکند.[1] تلفیق کنندههای اپتیکی به دلیل محدودیت پراش بیشتر از حد معینی قابلیت فشردهتر نمودن را ندارند. تلفیق کنندههای پلاسمونی دستهای از تلفیق کنندههای الکترواپتیکی سرعت بالا هستند که در چارچوب پلاسمون پلاریتون سطحی کارکردی زیر حد پراش پیدا می کنند و برای استفاده در اپتیک مجتمع بسیار مناسباند. عمل تلفیق در مخابرات نوری بر روی فاز، دامنه، فرکانس، قطبش و شدت انجام می گیرد.
ساختارهای پلاسمونی فعال نیازمند تکنولوژی موجبر پلاسمونی مناسب برای هدایت اپتیکی و همچنین کنترل منطقه فعال هستند. عمده ساختار موجبر مناسب برای تلفیق کنندههای پلاسمونی شامل سطح مشترک فلز-دیالکتریک[3] و ساختار فلز-دیالکتریک-فلز[6-4] میشوند.
تلفیق کننده های پلاسمونی به طور معمول برای تلفیق از پنج اثر پلاسمونی حرارتی[7]، اثر پاشندگی حامل های آزاد[8]، اثر پاکلز[9]، اثر تغییر فاز[10] و اثر آبکاری الکتروشیمیایی[11] استفاده میکنند.
در این مقاله تلفیق کننده پلاسمونی بر پایه اثر پاکلز با ساختار فلز-دیالکتریک-فلز معرفی میشود که ساختار آن در قسمت دیالکتریک از دو لایه، شامل لایه دیالکتریک غیر فعال Si3N4 و یک لایه دیالکتریک فعال BaTiO3 است. لایههای فلزی از جنس طلا هستند و کل ساختار بر روی بستری از SiO2 قرار دارد. با تغییر ضخامت لایهها حالت بهینه را برای این ساختار پیدا میشود.
-2 شبیه سازی
ساختار مورد مطالعه در این تحقیق شامل دو لایه از Si3N4 می باشد که بین دولایه نازک از طلا ساندویچ شده و روی بستری از مطابق با شکل - 1 - قرار میگیرند. برای بررسی تلفیقکننده جذب کننده ساختار دو بعدی صفحهای بررسی میشود و اثرات لبه ناچیز در نظر گرفته میشود. در این پژوهش از نرم افزار MATLAB برای شبیهسازی استفاده شده است. برای این مهم در ابتدا کمیتهای ضریب جذب و پارامتر شایستگی معرفی می شوند. ابتدا معادله پاشندگی را برای ساختار مورد نظر بدست آورده و حل میشود سپس با اعمال یک اختلاف پتانسیل الکتریکی ضریب شکست BaTiO3 به وسیله اثر پاکلز تغییر می کند.
برای به دست آوردن میدان اعمال شده به ماده فعال معادله لاپلاس را حل کرده و با جایگذاری ضریب شکست جدید تحت تاثیر میدان الکتریکی اعمالی معادله پاشندگی مجددا حل میشود .[12] در این شبیهسازی ضریب شکست الکترود فلزی با مدل درود و ضریب شکست دیالکتریکها با فرمول سلمایر بیان شده است .[16-13] با توجه به این که تحریک پلاسمون پلاریتون سطحی در این ساختار توسط مد TM امکانپذیر است، فرض میشود موج الکترومغناطیسی ورودی به ساختار موج تخت و قطبیده TM است، همچنین قسمت وابسته به زمان e -i t و قسمت وابسته به طول x، e i x در نظر گرفته میشود.
شکل -1 ساختار تلفیقکننده پلاسمونی جذب کننده. تلفیقکننده مورد بررسی شامل دو لایه طلا یک لایه باریم تیتانات، یک لایه از ماده غیرفعال سیلیکون نیترید و یک لایه نیمه متناهی از هوا و و بستری نیمه متناهی از سیلیکای گداخته شده می شود.
ضریب دی الکتریک نسبی برای لایههای 1 تا 6 بجز 4 و x و z به ترتیب ضریب دی الکتریک نسبی باریوم تیتانات - لایه - 4 در راستای x و z ، ثابت انتشار و k0 عدد موج هستند. رابطه ضریب دیالکتریک نسبی برای مواد مورد استفاده برابر مجذور ضریب شکست بوده که در مرجع [16] آمده است. با اعمال شرایط مرزی برای جوابهای موج تخت مولفههای Hy که در معادلات - 1 - و - 2 - و Ex متناظرشان در سطحهای مشترک، معادله پاشندگی به دست میآید. از حل این معادله ثایت انتشار به صورت کمیتی مختلط حاصل میشود. در این مقاله برای حل معادله از روش نلدر-مید استفاده شده است. ثابت انتشار دارای دو قسمت حقیقی و موهومی است که قسمت موهومی آن نمایانگر اتلاف است. به این ترتیب ضریب جذب ساختار به صورت:
-3 نتایج و بحث
نمودار پاشندگی برای ساختار معرفی شده با لایه طلا به ضخامت 30نانومتر و لایه باریم تیتانات به ضخامت 6 نانومتر و لایه سیلیکون نیترید به ضخامت 20 نانومتر در شکل - - 2 و شکل - - 3 نشان داده شده است. بیشترین جذب برای این ساختار در نزدیکی 510 نانومتر است.
شکل -2 ضریب جذب بدون اعمال ولتاژ - آبی - و ضریب جذب با اعمال ولتاژ - قرمز - برای ساختار شامل 6 نانومتر باریم تیتانات و 20 نانومتر سیلیکون نیترید.
شکل - - 2 و شکل - - 3 به ترتیب ضریب جذب و قسمت حقیقی ثابت انتشار ساختار ذکر شده را به ازای طول موجهای مختلف با - بدون - اعمال ولتاژ 100V را برای ساختار شامل 6 نانومتر باریم تیتانات و 20 نانومتر سیلیکون نیترید را نمایش میدهد. با اعمال اختلاف پتانسیل به لایههای فلزی ساختار تلفیقکننده، ضریب جذب در طول موج مخابرات نوری 1.55 میکرومتر از 0.7459 m-1 در حالت خاموش به -1 0.7153 m در حالت روشن کاهش پیدا می کند. که در مقایسه با ساختار طلا-باریم تیتانات-طلا[19] تغییر ضریب جذب تلفیقکننده به میزان زیادی افزایش می یابد.
شکل -3 ثابت انتشار بدون اعمال ولتاژ - آبی - و ضریب جذب با اعمال ولتاژ - قرمز - برای ساختار شامل 6 نانومتر باریم تیتانات و 20 نانومتر سیلیکون نیترید.
توزیع میدان مغناطیسی مد پلاسمونی به ازای طول موج 1.55 میکرومتر برای ساختار شامل لایه طلا به ضخامت 30نانومتر و لایه باریم تیتانات به ضخامت 6 نانومتر و لایه سیلیکون نیترید به ضخامت 20 نانومتر در شکل - - 4 نشان داده شده است.
شکل -4 توزیع میدان مغناطیسی مد پلاسمونی برای ساختار شامل 6 نانومتر باریم تیتانات و 20 نانومتر سیلیکون نیترید در طول موج 1.55 میکرومتر.
برای ضخامتهای مختلف سیلیکون نیترید و باریم تیتانات و به ازای اعمال ولتاژ 100 ولت مقدار FoM - Figure Of Merit - متفاوتی به دست میآید. بیشترین مقدار آن برای ساختار شامل لایه طلا به ضخامت 30نانومتر و لایه باریم تیتانات به ضخامت 6 نانومتر میباشد.
