مقاله تولید تابش تراهرتز کوک پذیر بر اساس ترکیب چهارموج در موجبرهای سیلیکونی

بخشی از مقاله

چکیده

در این مقاله، چگونگی دستیابی به محدودهی فرکانسی مناسب در ناحیه تراهرتز به وسیله ترکیب چهارموج در موجبرهای سیلیکونی مورد بررسی قرار میگیرد. به این منظور یک موجبر سیلیکونی با خواص پاشندگی مناسب انتخاب و با تغییر طول موج پمپ ورودی از رژیم پاشندگی عادی تا رژیم غیر عادی در مجاورت طول موج صفر پاشندگی، تابش تراهرتز تولید شده در ناحیه وسیعی تنظیم می شود. نتایج نشان میدهد که با تغییر طول موج پمپ به اندازه 1/5 m می توان به جابجایی فرکانسی از 38 تا 309 تراهرتز دست یافت.

کلید واژه- موجبر سیلیکونی، ترکیب چهارموج، رژیم پاشندگی عادی، رژیم پاشندگی غیر عادی، تابش تراهرتز.

-1 مقدمه

از آنجاییکه تابش تراهرتز در زمینه های مختلفی مانند فیزیک کاربردی، ارتباطات، سنجش و علوم زیستی کاربرد دارد، منابع تراهرتز حایز اهمیت می باشند. تولید تابش تراهرتز به روشهای مختلفی چون آنتن های نور رسانش - - PC، شتاب دهنده بزرگ ذرات[1]، لیزرهای آبشاری کوانتومی[2]، یکسوسازی نوری در بلورهای غیرخطی[3] و تولید تفاضل فرکانسی DFG[4] - Difference-frequency generation - صورت می گیرد. از جمله کار آمدترین آنها که اخیرا مورد توجه واقع شده، براساس ترکیب چهار موج در موجبرهای سیلیکونی است. هزینه پایین، دسترسی فراوان و همچنین خواص نوری خطی و غیرخطی سیلیکون، باعث شده است که سیلیکون مادهی ایدهآلی برای ساخت ادوات مجتمع فوتونیکی نانومقیاس شود.[5] پذیرفتاری مرتبه سوم نوری غیرخطی بسیار بزرگ سیلیکون موجب میشود برای دستیابی به اثرات غیرخطی قوی، به ادوات نوری با طول کمتری از مرتبه چندصد میکرومتر تا چند میلیمتر نیاز باشد.[6]

علاوه بر این موجبر سیلیکونی در مقایسه با تارهای معمولی دارای ساختار تواناتری برای تولید تابش تراهرتز می باشد و ضریب جذب سیلیکون در محدوده تراهرتز کمتر از1 0/23 cm در حالی که برای تار نوری حدود 5 cm می باشد. ترکیب چهارموج Four- - FWM   - wave mixing یک اثر غیر خطی است که از خاصیت غیر خطی اپتیکی مرتبه سوم ناشی می شود. اساس فرآیند FWM بر پایه ی فاز نسبی بین چهار فوتون می باشد. در این فرآیند یک موج دیگر که سیگنال - - s خوانده میشود، به همراه پمپ - -  p به درون یک محیط غیر خطی هدایت می شود. در خروجی سیگنال تقویت شده به همراه پمپ و یک مولفه جدید فرکانسی یعنی آیدلر - -  a پدیدار می شود. اگر پمپ به اندازه کافی قوی باشد و شرط جور شدگی فاز برآورده شود، بهره ی قابل توجهی بدست می آید برای یک FWM موثر باید اصل پایستگی تکانه و انرژی همزمان بر قرار شود.

در حالتی که اختلاف بردارهای موج بین پمپ، سیگنال و تراهرتز صفر باشد جورشدگی فازی صورت می پذیرد و اصل پایستگی تکانه برآورده می شود. تبدیل فرکانسی یا طول موجی مبتنی بر ترکیب چهارموج است که به شدت به منحنی پاشندگی و بخصوص 2 - ضریب پاشندگی مرتبه دوم - بستگی دارد. در این حالت برای ارضای شرط جورشدگی فازی، طولموج پمپ بایستی بسیار نزدیک به طولموج پاشندگی صفر Zero- - ZDW - Dispersion Wavelength موجبر و معمولا در ناحیه پاشندگی غیرعادی انتخاب شده باشد. در کارهای قبلی Wang و همکاران یک موجبر سیلیکونی طراحی کردند وFWM را فقط در p 4.3  m  شبیه سازی کردند.[7]ما در این مقاله با تغییر طول موج پمپ ورودی از رژیم پاشندگی عادی تا رژیم غیر عادی در مجاورت طول موج صفر پاشندگی - 6.4  m 0 - ،2و 4را در رژیمپاشندگی عادی - p0 - وغیرعادی - p0 - تغییر میدهیم و از این طریق حداکثر جابجایی فرکانسی تراهرتز را کنترل میکنیم که بر این اساس میتوان تابش تراهرتز تولید شده را در ناحیه وسیعی تنظیم کرد.

-2 مبانی نظری و نتایج شبیهسازی

همانطور که در شکل - - 1 مشاهده می شود، موجبر سیلیکونی انتخاب شده در این تحقیق شامل مغزی سیلیکون می باشد که روی لایه ای از هوا قرار گرفته است که مانند یه غلاف برای آن عمل می کند و پارامترهای آن  Aeff  می باشد .[7] همانطور که در شکل - 2 - مشاهده می شود، در ترکیب چهارموج فرکانس باندهای جانبی - استوکس و آنتیاستوکس - بطور متقارن نسبت به فرکانس پمپ - با واکوکی صفر - به گونهای قرار گرفتهاند که شرط بقاء انرژی برآورده شده است. یعنی    s    a    p    2    که در اینجا pو a و s به ترتیب فرکانس زاویهای امواج پمپ، استوکس و آنتیاستوکس میباشد.واکوکی فرکانسی نسبت به فرکانس پمپ توسط رابطه زیر داده شده است.