بخشی از مقاله
چکیده -
در این مقاله یک ساختار سوئیپینگ تمام نوری بر اساس موجبر پلاسمونیکی MIM با یک کاواک استوانه ای غیرخطی پیشنهاد شده است. برای پردازش سیگنال نوری در مدارات فوتونیکی یکپارچه و کاربرد آنها نیازمند توانایی کنترل نور با سیگنال نوری است.
در این سوئیچ پیشنهادی ما توسط نور پمپ کمکی کنترل میشود، بدین ترتیب که شدت نور پمپ کمکی در ثابت دی الکتریک ماده کر اثر میگذارد و با توجه به نمودار انتقالی سیگنال نوری اول به تشدید در آمده و سیگنال نوری دوم عبور میکند و در عدم حضور پمپ نیز سیگنال نوری اول عبور میکند.
ما موفق به طراحی سوئیچ با کیفیت بالای سوئیچینگ منطبق با سیستم های مخابراتی در ابعاد نانو شده ایم که قابل استفاده در مالتی پلکسر ها و مدولاتورهای تمام نوری می باشد.
-1 مقدمه
بررسی قطعات پلاسمونیکی علم جدیدی است که در طی سال های اخیر توسعه داده شده است. [1] ادوات فوتونیک بهبود یافته مثل مدولاتور ها، سوئیچ ها ، آشکارسازها ، فیلترهای قابل تنظیم و مدارات فتونیکی توسط پلاسمون سطحی - surface - Plasmons طراحی می شوند
پلاسمون های سطحی - sp - ، موج های الکترومغناطیسی هستند که در امتداد سطح رابط مین فلز و دی الکتریک با انزوای نمایی در سطح حرکت میکنند و انرژی حمل شده توسط فوتون ها به تحریکات جمعی الکترون های آزاد در سطح مشترک فلز و دی الکتریک تبدیل میشود. این انتقال انرژی تنها در یک طول موج رزونانس ویژه ی نور زمانی که اندازه ی حرکت فوتون منطبق بر حرکت پلاسمون است اتفاق می افتد.[3] پلاریتون های پلاسمون سطحی - plasmon polaritons surface - به عنوان حامل انرژی ، برای هدایت نور استفاده می شود. [3-5] ساختارهای فلز-عایق-فلز - metal-insulator-metal - ، - MIM - موجبرهایی براساس SPPS ها هستند به طوری که یک یا چندین طول موج را عبور نمیدهند ، بنابراین وجود یک یا چندین فرورفتگی در طیف انتقالی حائز اهمیت است
دراین مقاله یک ساختار سوئیچینگ تمام نوری براساس موجبر MIM با یک کاواک غیرخطی پیشنهاد شده است که ثابت دی الکتریک که با تغییر شدت پمپ نور تغییر کرده و باعث کنترل سیگنال نوری انتقالی میشود.
-2 ادبیات موضوع
توسط نرم افزار finite -difference-time- - FDTD - domination سوئیچ مربوطه را شبیه سازی کردیم.
شماتیک ساختار سوئیچ تمام نوری، a و b طول و عرض کاواک استوانه ای، c و d طول و عرض ماده - etch - ، v فاصله ی بین دو فلز، w فاصله ی بین ماده کر - kerr material - و ماده اچ - etch material - a=1.01ʽm - ، b=0.48ʽm ، c=0.4ʽm ، d=0.2ʽm ، v=0.1ʽm ، - w=1.3ʽm ساختار سوئیچینگ تمام نوری متشکل از دو روکش فلزی و یک کاواک استوانه ای است. روکش فلزی از جنس نقره که ضریب گذردهی را میتوان با مدل رود - Drude model - ، توصیف کرد.
ضریب دی الکتریک در فرکانس های بینهایت ، فرکانس برخورد الکترون و فرکانس حجم پلاسما می باشد.[10] کاواک استوانه ای با ساختار غیر غیر خطی کر - kerr nonlinear - material پرشده است که ثابت دی الکتریک وابسته به شدت میدان اعمالی است. مقدار ثابت دی الکتریک برابر 2 تعیین شده است. ساختار غیر خطی کر به عنوان سیلیکون تعریف شده است که حساسیت مرتبه سوم غیرخطی در بازه ی طول موجی [ 1,4 1,55 ] میکرومتر تقریبا برابر است
ساختار ارائه شده دارای ماده اچ نیز می باشد که این ماده پوششی مقاوم در برابر نور است. - [13-14] ضریب شکست تعریف شده به صورت پیش زمینه برای ماده اچ، ضریب شکست پیش زمینه تعریف شده است - .
-1-2 روش تحقیق
هنگامی که نور تابشی در ساختار MIM تابیده میشود باعث ایجاد SPP ها در فضای بین فلز و موجبر می شود. نور تابیده شده می تواند در کاواک استوانه ای تشدید یابد و ثابت دی الکتریک ماده ی کر میتواند توسط شدت نور کمکی پمپ با توجه به اثر غیر خطی کر در ماده غیر خطی کر موجب تغییر شود.
نمودار فوق نشاندهنده حداکثر تغییرات ضریب دی الکتریک بر اساس شدت میدان اعمالی می باشد.
طیف انتقالی در طول موج را میتوان با تئوری همزمانی تحلیل کرد
فرکانس نوری،فرکانس تشدید، میزان اتلاف میدان توسط تشدید داخلی ، میزان اتلاف در طول موجبر
می باشد . واضح است که فرکانس سیگنال اگر برابر فرکانس تشدید باشد . طیف انتقالی با مقدار کمینه خود برابر خواهد بود.
برای محاسبه پاسخ های خطی و غیر خطی از نرم افزارهای Lomerical FDTD simulations استفاده شده است که گام های زمانی و مکانی برای همگرایی تعریف شده است. - c سرعت نور است. -
شکل : - 2 - نمودار ضریب ثابت دی الکتریک جدید بر حسب میدان اعمالی .
شکل : - 3 - نمودار طیف انتقالی در حالت عدم حضور سیگنال پمپ کمکی
در نظر بگیریم این سیگنال در عدم حضور پمپ روشن است و نیز در حضور پمپ روشن میباشد.
شکل : - 4 - نمودار طیف انتقالی در حالت حضور سیگنال پمپ کمکی
همان طور که در شکل - 4 - و - - 3 دیده میشود طیف انتقالی در دو حالت حضور و عدم حضور پمپ رسم شده است با توجه به شکل 2 و حداکثر تغییرات ضریب شکست در محدوده ی طول موج مدنظر برابر است. شکل - 3 - طیف انتقالی موجبر MIM در عدم حضور پمپ است که طول موج تشدید در این موجبر طراحی شده برابر 1,512 میکرومتر است.
زمانی که سیگنال پمپ به ساختار اعمال میشود طول موج تشدید و نمودار به اندازه 25 نانو متر شیفت میابد که در این حالت طول موج تشدید برابر1,537 میکرومتر است که تحت تاثیر تغییرات دی الکتریک ماده پر شده در کاواک استوانه ای میباشد ، بنابراین سیگنال نور در عدم حضور پمپ کمکی ودر حضور پمپ نوری خواهد بود همانطور که مشهود است در شکل - 4 - طیف طول موج انتقالی در میکرومتر عبور داده می شود بنابراین سیگنال نوری در طول موج می تواند به عنوان سیگنال کمکی برای کنترل نور عبوری مد نظر قرار گیرد. ما در این ساختار طول موج را طول موج مناسب برای طول موج پمپ که با شدت نور اعمالی اش باعث تغییر ثابت دی الکتریک در ماده غیرخطی کر می شود.
