بخشی از مقاله
چکیده -
در این مقاله، با استفاده از بلورهای فوتونی میلهای بر روی زیر لایه InP و ایجاد نقص در شبکه مثلثی میلهای، یک سنسور گازی طراحی گردیده است. در ابتدا با روش بسط امواج صفحهای - PWE - ، مقادیر ثابت شبکه و شعاع بهینه به ترتیب 0.52μm و 0.1456μm بدست آمدهاند. سپس با ایجاد نقص در ساختار بلور فوتونی، سنسورگازی طراحی گردیده است. ایجاد نقص در این شبکه بلور فوتونی براساس ایجاد نقص خطی میباشد. این سنسور گازی دارای حساسیت برابر با 280nm/RIU است که برای اختلاف ضریب شکست 0.005 مقدار طول موج تشدید به اندازه 1.4nm جابهجا میشود.
-1 مقدمه
انتشار نور در محیطهای همگن و انعکاس و شکست آن در مرزهای بین محیطهای مختلف از موضوعات اصلی ادوات نوری است. به هر ساختاری که ضریب شکست آن به طور متناوب تغییر کند یک بلورفوتونی میگویند. اگر این تکرار در یکبعد باشد، به بلورفوتونی تشکیل شده، بلورفوتونی یکبعدی میگوییم. تکرار ساختارها در متناوب دو و سهبعد نیز بلورفوتونی دو و سه بعدی را بوجود خواهد آورد. این ساختارها در واقع دوگان بلورهای نیمه-هادی هستند. اساس کار بلورهای فوتونی بر مبنای انعکاس و انتقال نور میباشد.
از این ساختمان نوری برای جلوگیری از انتشار امواج الکترومغناطیسی در یک باند فرکانس خاص - که شکاف باند فوتونی نامیده میشود - استفاده میکنند.[1] این خصوصیات و قابلیتهای دیگری مانند انعطاف پذیری بالا، توانایی طراحی در حد نانومتر و قابلیت مجتمعسازی با فتودتکتور و لیزر ، بلورهای فوتونی را یکی ضمینههای مهم در صنعت نانو الکترونیک نوری و فوتونیک کرده است
یکی از پارمترهای موثر بر انعکاس و انتقال نور در بلورهای فوتونی ضریب شکست میباشد .[5] از طرفی دیگر گازها دارای ضریب شکستهای متفاوتی می باشند. حال با توجه به این دو مشخصه میتوان از بلورهای فوتونی برای شناسایی گاز موجود در یک محیط استفاده کرد
برای عبور یک طول موج خاص در شبکه بلورفوتونی نیازمند ایجاد نقص در شبکه هستیم که این نقص انواع مختلفی دارد. بسته به شکل هندسی نقص میتوان آنرا به نقص نقطهای - نقص صفر بعدی - ، خطی - نقص یکبعدی - ، و یا صفحه ای - نقص دوبعدی - تقسیم نمود.
وانگ 7]،[8، یک سنسور با استفاده از بلور فوتونی و نقص نقطهای در پنجره 1.55 P طراحی کرده است که با تغییر ضریب شکست 0.0001 طول موج 0.04nm جابهجا میشود.
در این مقاله، یک سنسور گازی مبتنی بر بلورهای فوتونی از جنس InP و به شکل میلهای با شبکه مثلثی طراحی شده، سپس با ایجاد نقصی خطی مسیر برای عبور نور در پنجره 1.55 P باز گردیده است. در این سنسور، گاز موجود در محیط باعث جابهجا شدن طول موج مرکزی مشدد میشود که این تغییر در آشکارساز قابل اندازه گیری میباشد. همچنین این سنسور به دلیل اینکه از زیر لایه InP ساخته شده است، قابلیت مجتمع با لیزر و فتوتکتور را نیز دارد.
-2 ساختمان شبکه بلور فوتونی
در شکل - 1 - نمای کلی بلور فوتونی با شبکه مثلثی و ساختار میلهای آن نمایش داده شده است. لایه بستر و لایه پوششی InP و لایه فیلم InGaAsP انتخاب شدهاست. مشخصات لایهها شامل ضخامت و ضریب شکست در شکل - 1 - نمایش داده شده است.
شکل :1 شمای کلی ساختار میلهای بلور فوتونی با شبکه مثلثی و مشخصات لایهها؛ الف - نمای سه بعدی شبکه بلورفوتونی؛ ب - نمای XY شبکه؛ ج - نمای XZ شبکه که n1=3.17 و n2=3.364 میباشد.
با استفاده از نرم افزار COMSOL ضریب شکست موثر لایه-ها برابر با 3.2634 محاسبه گردیدهاست.[9] برای محاسبه شکاف باند فوتونی از روش بسط صفحهای - PWE - و نرمافزار Rsoft-Bandsolve استفاده شدهاست. محاسبات نشان میدهد که هر دو پلاریزاسیون TE و TM میتواند در این ساختار منتشر شود. برای محاسبه شکاف باند فوتونی در پنجره طول موج 1.55 P، نمودار شکاف باند برای مودهای TE و TM با تغییر شعاع در محدوده 0.001-0.25 P برای ثابت شبکه 0.52 P در شکل - 2 - رسم شده است. مشاهده میشود که شکاف باند در میلهای به شعاع 0.1456 P در محدوده فرکانس نرمالیزه شده 0.3354 - معادل با طول موج - 1.55 P برای مود TE بدست میآید. در شکل - 3 - ساختمان باند در مسیر k برای مود TE و TM نشان داده شده است.
شکل :3 نمودار شکاف باند برای مود TE و TM بر حسب فرکانس در مسیر.K
از مزایای این ساختار لایه این است که قابلیت مجتمعسازی با لیزر و فتودتکتور را داراست. همانطور که در شکل - 4 - دیده میشود. لیزر، نوری را در طول موج 1.55 P تولید نموده و به داخل بلور فوتونی ارسال میکند. بعد از عبور نور از داخل بلور فوتونی توسط فتودتکتور آشکار میشود.
تنها تفاوت ساختار لایه سنسور گازی مبتنی بر بلور فوتونی - ساختار غیر فعال - و لیزر و فتودتکتور - ساختارهای فعال - ، وجود لایه فعال InGaAsP با شکاف طول موج - 1.55 P که با - Q - 1.55 - - شناخته میشود - در داخل لایه فیلم - - Q - 1.25 - میباشد. وجود این لایه در لیزر موجب تولید نور و در فتودتکتور موجب جذب نور میشود. ضمنا لیزر و فتودتکتور دارای الکترودهایی برای اعمال ولتاژ میباشند. همانطور که در شکل - 4 - دیده میشود به لیزر، ولتاژ مستقیمی جهت تولید جفت الکترون و حفره در لایه فعال اعمال شده و به فتودتکتور ولتاژ معکوس اعمال میشود تا نور جذب شده در لایه فعال به جفت الکترون و حفره تبدیل شود
شکل :2 نمودار شکاف باند برای مود TE وTM بر حسب شعاع میله.
شکل :4 شمای کلی سنسور گازی مجتمعسازی شده با لیزر و فتودتکتور.
-3 طراحی سنسور گازی مبتنی بر بلور فوتونی -1-1
در طراحی سنسور گازی از یک شبکه بلور فوتونی میلهای نتایج شبیهسازی نشان میدهد که اعمال اختلاف ضریب 17 17 از نوع مثلثی استفاده شده است. برای عبور طول موج شکست 0.005 به میلهها، طول موج مرکزی مشدد را به اندازهی 1.4nm در پنجره طول موج 1.55 P جابهجا میکند.
با توجه به 1.55 P از شبکه بلورفوتونی یک نقص خطی در شبکه بلورفوتونی ایجاد شدهاست. طرح شبکه بلور فوتونی همراه با نقص نمودار نشان داده شده در شکل - 7 - حساسیت این سنسورگازی ایجاد شده در شکل - 5 - نمایش داده شده است. برابر 280nm/RIU و تابع طول موج مرکزی نسبت به ضریب شکست برابر y = 1.395x - 1541 میباشد. همچنین اختلاف طول موج مرکزی مشدد در شکل - 8 - نشان داده شده است.
شکل :5 ساختار بلور فوتونی بعد از ایجاد نقص شکل :6 توزیع میدان در شبکه بلور فوتونی در طولموج 1.55P
-4 شبیهسازی
برای شبیه سازی زمانی انتشار نور در افزاره، معادلات ماکسول با استفاده از روش 2D-FDTD گسسته حل میشود. برای شبیهسازی دو بعدی سنسور گازی از روش تفاضل محدود در حوزه زمان - FDTD - و نرم افزار Rsoft-Fullwave استفاده شده است. شکل - 6 - توزیع میدان الکتریکی را در شبکه بلور فوتونی و در طول موج 1.55 P نشان میدهد. نور ورودی از نوع گوسی و به صورت پالسهای متوالی میباشد. برای مشاهده اطلاعات خروجی از یک آشکارساز در انتهای شبکه بلور فوتونی استفاده میشود.
فتودتکتور موجود در خروجی سیگنال نوری را به سیگنال الکتریکی تبدیل میکند. این شبیهسازی برای سه حالت انجام گرفتهاست. در حالت اول فرض شده که گازی در محیط وجود ندارد و ضریب شکست 1 در نظر گرفته شدهاست. در حالت دوم و سوم به ترتیب فرض شده که گازی با ضریب شکست 1.005 و 1.01 در محیط وجود دارد..
شکل :7 نمودار ضریب شکست برحسب طول موج مرکزی.
-5 نتیجهگیری
باتوجه به نتایج بدست آمده میتوان با استفاده از بلورهای فوتونی سنسور گازی طراحی کرد که بتواند گاز موجود در یک محل را شناسایی و نسبت به تغییر گاز آن محیط حساس باشد. با توجه به اینکه این سنسورها به تغییر ضریب شکست خیلی کم هم حساس می باشند در نتیجه دقت آنها بسیار بالا می باشد.
