بخشی از مقاله
چکیده –
این مقاله به بررسی پنج حالت مختلف محل قرار گیری گرافن در موجبر سیلیکنی مدولاتور جذبی در باند تراهرتز می پردازد. نتایج شبیه سازی نشان می دهد که استفاده از گرافن در وسط و زیر موجبر سیلیکنی و اعمال ولتاژ به صفحات آن، سبب افزایش جذب قابل توجهی در موجبر برای مود TE میشود که بدین طریق می توان دامنه سیگنال نوری عبوری از موجبر را مدوله نمود. نشان داده می شود در فرکانس 1 تراهرتز با اعمال ولتاژ 10 ولت، تغییرات جذب برای حالتی که گرافن در وسط موجبر قرار داشته باشد، 0/0343 و برای حالتی که گرافن زیر موجبر قرار گیرد، 0/0291 خواهد بود. به علاوه، طول مدولاتور برای این دو حالت به ترتیب 1/7 و 1/8 میلیمتر و توان مصرفی نیز 3/95 nJ/bit و 4/18 nJ/bit می باشد. لذا، ساختارهای پیشنهادی دارای ابعاد کوچکتر، عمق مدولاسیون بیشتر در ولتاژ کاری کمتری نسبت به ساختارهای مشابه پیشین می باشند.
– 1 مقدمه
مدولاسیون فاز و دامنه حامل ها نقشی اساسی درگستره سیستم های انتقال داده ایفا میکنند. در باند مخابرات نوری، بررسی مدولاتورها به خوبی گسترش یافته اند و امروزه به عنوان یک عنصر اساسی در شبکه های انتقال به شمار میروند. همان طور که میدانید امواج تراهرتز دارای یک پتانسیل خیلی خوب در حوزه های کاری مختلف همچون مراقبت ایمنی، تشخیص سرطان و تصویربرداری می باشند. با این حال، مطالعه و کاربرد امواج تراهرتز که شامل محدوده بین 0/1 تا 10 تراهرتز می شود، کمتر مورد توجه بوده است.
به منظور بررسی این کاربرد ها، مطالعه دقیق در مورد آشکارسازهای تراهرتز، موجبرهای تراهرتز و مدولاتورهای تراهرتز جدید مورد نیاز است.
مدولاتورهای مبتنی بر موجبر1 در طول موج های مخابراتی بسیار رایج هستند و چندین موجبر مبتنی بر ساختار گرافن، به همراه سیلیکن و سیلیکن نیتراید ارائه شده اند.[3] , [2] با این حال استفاده از این موجبرها در باند تراهرتز بسیار کم بوده اند.
از طرفی گرافن به دلیل داشتن خواص منحصر به فرد الکتریکی و نوری، از جمله هدایت نوری تغییر پذیر با ولتاژ، قابلیت جابجایی بالای الکترون و مقاومت پایین در دمای اتاق در سال های اخیر بسیار مورد توجه قرار گرفته است.[5] تغییر در میزان جذب گرافن به وسیله اعمال ولتاژ و تغییر تراز فرمی آن یک خصوصیت مهم در گرافن می باشد که باعث می شود از آن به عنوان یک نیمه هادی منحصر به فرد بدون گاف انرژی یادکنند
در سال 2015 مدولاتوری جذبی در باند تراهرتز ارائه شد که با استفاده از گرافن روی سطح موجبر، به عمق مدولاسیون %62 برای مود TE در ولتاژ 30 ولت رسیدند.[4] اقای میتندورف2 و همکاران در سال 2017 به ساخت مدولاتور جذبی در باند تراهرتز پرداختند.[7] ایده مورد استفاده در کار ایشان، قرار دادن گرافن در زیر موجبر درون بستر ماده سیلیکن اکسید می باشد. نتیجه کار آنها دستیابی به عمق مدولاسیون %90 در طول10 میلیمتر و ولتاژ کاری 5- تا 5 ولت می باشد.
در این تحقیق با استفاده از دولایه گرافن در وضعیتهای مختلف نسبت به موجبر سیلیکنی، افزایش جذب به میزان مطلوب و درنتیجه دستیابی به عمق مدولاسیون بیشتر، به ازای ولتاژ کاری کمتر و در عین حال طول کوتاهتر برای مدولاتور نسبت به مدولاتورهای جذبی قبلی انجام می پذیرد.
– 2 تئوری کار
یکی از مهم ترین بخشهای طراحی مدولاتور های تراهرتز، استفاده از ماده مناسب به منظورافزایش عمق مدولاسیون است.[7] گرافن یکی از موادی است که امروزه به طور گسترده به عنوان عنصر تاثیرگذار در مشخصات مدولاتور، استفاده می شود.
قبل از شبیه سازی ساختار، به منظور شناخت خواص گرافن، ابتدا نیاز است که به پارامترهای موثر در خصوصیات الکتریکی و نوری آن اشاره کنیم. عملکرد مدولاتورهای مبتنی بر گرافن بر اساس قابلیت تنظیم پذیر بودن رسانایی لایه گرافن می باشد. در باند تراهرتز طبق معادله درود3 مقدار رسانایی از رابطه ذیل محاسبه می شود که در آن T ، و ħ و به ترتیب دما، فرکانس زاویه ای، ضریب کاهش یافته پلانک و ثابت بولتزمن و همچنین µ و به ترتیب پتانسیل شیمیایی و زمان واهلش 4 گرافن می باشند، همانطور که از این رابطه مشخص است، جذب و اختلاف فاز در گرافن به وسیله پتانسیل شیمیایی تغییر می کند. رابطه بین پتانسیل شیمیایی گرافن و ولتاژ اعمالی به آن از طریق فرمول ذیل مشخص می شود که در آن ، و به ترتیب فاصله بین صفحات گرافن، ثابت دیالکتریک ماده بین صفحات گرافن و سرعت حرکت حاملها در تراز فرمی میباشند. مقدار 0 = 0 و = 2.5 106 / درنظرگرفته شده اند. همچنین 0 ولتاژ آفست5 میباشد که به چگالی حاملهای ذاتی گرافن وابسته است.
همان طور که از رابطه 1 و2 انتظار میرود، با افزایش ولتاژ میزان پتانسیل شیمیایی گرافن افزایش یافته و در نتیجه قسمت حقیقی مقدار رسانایی آن که نشان دهنده جذب صفحات گرافن است، افزایش می یابد. این رفتار در شکل 1 قابل مشاهده می باشد.
– 3 طراحی و شبیه سازی
سطح مقطع مدولاتور جذبی مورد طراحی، در شکل 2 نشان داده شده است. همانطور که در این شکل مشاهده می شود، ساختار کلی مدولاتور جذبی در هر پنج حالت مورد بررسی یکسان می باشد. تنها تفاوت این ساختارها با یکدیگر به محل قرار گیری گرافن باز میگردد.
شکل :1 قسمت حقیقی رسانایی گرافن برحسب تغییرات ولتاژ در فرکانس 1 تراهرتز
جنس زیرلایه از ماده سیلیکن اکسید و ناحیه هدایت از جنس سیلیکن می باشد . ارتفاع و عرض موجبر برابر با 70 میکرومتر و ارتفاع ناحیه پایه6 موجبر 10 میکرومتر می باشد. ناحیه گرافن که بخش کنترل کننده الکتریکی و نوری مدولاتور میباشد، به صورت زرد رنگ به ترتیب یکبار در بالای موجبر، وسط موجبر، زیر موجبر، بالای زیرلایه و در دو طرف موجبر قرار داده شده است. ماده اکسید
با ثابت دی الکتریک = 9 به صورت ساندویچ شده بین دو صفحه گرافن، مشابه با یک خازن قرار گرفته است که ضخامت این لایه 60 نانوتر می باشد. محل قرار گیری اتصالات فلزی جهت اعمال ولتاژ به مدولاتور، صفحات گرافن می باشند که در اینجا نشان داده نشدهاند. برای شبیه سازی رفتار مدولاتور، از قسمت مود در نرم افزار لومریکال استفاده شده است. شرایط مرزی به صورت لایه تطبیق کامل - PML - در نظر گرفته شده است.
اعمال ولتاژ به صفحات خازن و تغییر پتانسیل شیمیایی آن، سبب ایجاد تغییر در ضریب موثر موجبر7 می شود. شکل 3 قسمت موهومی این تغییرات ضریب موثر موجبر را به صورت تابعی از ولتاژ نشان می دهد. قسمت حقیقی این تغییرات ضریب موثر، به معنی ایجاد تغییر در ضریب شکست موثر موجبر می باشد که سبب ایجاد اختلاف فاز برای مود انتشاری در طول موجبر می شود و قسمت موهومی آن نشان دهنده جذب نور توسط گرافن می باشد.
شکل 3 میزان جذب صفحات گرافن را به صورت تابعی از ولتاژ
شکل :2 برش دو بعدی از ساختار مدولاتور به همراه تصویر پروفایل x-polarization میدان الکتریکی بدون اعمال ولتاژ با استفاده از گرافن در الف - قسمت بالایی ناحیه موجبر سیلیکن - Top Waveguide - ب - وسط ناحیه موجبر - Mid Waveguide - ج - زیر موجبر - Under Waveguide - د - زیر ناحیه پایه موجبر - Under Pedestal - ه - دو طرف ناحیه موجبر . - Side -
شکل :3 قسمت موهومی ضریب شکست موثر به صورت تابعی از ولتاژ برای مود برای هر پنج حالت مختلف محل قرار گیری گرافن نشان می دهد. همان طور که در این شکل مشخص است، با افزایش ولتاژ میزان جذب توسط گرافن برای تمامیحالت ها افزایش مییابد. به طور مشخص در ولتاژ 10 ولت بیشترین میزان جذب در حدود 0/038 برای حالتی است که گرافن در وسط موجبر قرار دارد. در این حالت طول گرافن موجود در مدولاتور نزدیک به 1/7 میلیمتر می باشد. همچنین پهنای باند 3dB برای این موجبر حدود 63 KHz میباشد که از رابطه زیر محاسبه میشود.که در آن C و R به ترتیب خازن و مقاومت ناشی از صفحات گرافن درون موجبر میباشند.
