بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله تلاش کرده ایم با استفاده از ساختاری مبتنی بر نانو ذرات پلاسمونیک نانو فیلتر میان گذر تمام نوری قابل تنظیمی طراحی کنیم . در این ساختار پیشنهادی برای فیلتر از یک نانو ذره کامپوزیتی کروی شکل با هسته فلزی - جنس طلا - که مدهای پلاسمونیک گزیده شده را همراهی می کند با یک لایه عایقی پوشش داده شده، بهره گرفته شده است.
نتایج حاصل از این کار نشان می دهد که محل فرکانس مرکزی فیلتر با تغییر ضریب شکست لایه پوشش و یا ضخامت این لایه در یک رنج وسیعی تغییر می کند. برای تغییر محل رزونانس پلاسمونی و پهنای باند فیلتر از روش تمام نوری شفافیت القای الکترومغناطیسی - EIT - بهره گرفته شده است. همچنین برای آنالیز این ساختار پیشنهادی از روش شبه استاتیک بهره گرفته شده است.
مقدمه
مدارات مجتمع نوری و سیستمهای تمام نوری یکی از زمینه های جذاب برای محققین بخش پردازش سیگنال با سرعت بالا است. بطوریکه یکی از مهمترین بلوکهای پایه در این بخش، بلوک فیلترینگ می باشد . به عبارت دیگر آنالیز طیفی یکی از پر کاربردترین بخش های بلوک فیلترینگ است. از دهه گذشته تقاضا برای استفاده از فیلترهای قابل تنظیم برای بکار گیری در سیستمهای مالتی پلکسینگ طول موجی - WDM - در سیستمهای مخابرات نوری به خاطر افزایش ظرفیت طول موجهای
ارسالی و دریافتی در کانالهای مخابراتی و همچنین کاهش ابعاد قطعات مخابراتی برای قرار گرفتن در کنار سایر عناصر دیگر رو به افزایش بوده است .
در سیستمهای WDM یکی از ضروری ترین بلوکها فیلترهای باند باریک می باشد . با این امر فاصله کانالها به هم نزدیک شده در نتیجه حجم بالایی از اطلاعات را می توان ارسال و دریافت کرد. همچنین در عرض دهه گذشته با گسترش حوزه جدیدی از علم و تکنولوژی به نام فناوری نانو بسیاری از شرکتها و مراکز تحقیقاتی تلاش دارند در بخش مدارات مجتمع، سطح مجتمع سازی و ابعاد عناصر را کاهش داده تا بتوانند تعداد بیشتری از بلوکهای سازنده را در کنار هم قرار دهند .
زیرا با این عمل قابلیت اطمینان سیستمهای الکترونیکی و نوری افزایش خواهد یافت. برای کاهش ابعاد عناصر و افزایش سطح مجتمع سازی و استفاده اساسی از پتانسیل این بخش از علم ساختارهای پلاسمونیک مبتنی بر نانو ذرات کامپوزیتی کاندیدای خوبی به حساب می آیند. نانو ذرات کامپوزیتی ساختارهای ترکیبی از دو یا چند ماده همگن بوده بطوریکه خود این مواد ابعادی در محدوده نانو متری دارند . باید توجه کرد که ابعاد خود این محیطها در مقایسه با طول موج نوری خیلی کوچک بوده و به تنهایی خواص خودشان را دارا هستند.
اما خواص نوری خود ساختارهای کامپوزیتی بر اساس نوع توپولوژی و عناصر استفاده شده می توانند مدیریت شوند .[1] این خواص نوری مدیریت پذیر نانو ذرات کامپوزیتی باعث ارزشمند شدن این ساختارها در بکارگیری و طراحی ادوات نوری در نانو فوتونیک و نانو اپتیک شده است . به همین خاطر در سالهای اخیر گروهای مختلف تحقیقاتی مشغ ول تحقیق در این حوزه بوده اند.[2] همچنین خواص منحصر به فرد نوری و الکترومغناطیسی این نانو ذرات کامپوزیتی باعث شده که از دهه گذشته تا حال از این ساختارها برای مدیریت کردن به خود نور یعنی گزیده کردن آن در ابعاد زیر طول موجی استفاده کنند.
در این مقاله تلاش داریم خواص فیلترینگ ساختار مبتنی بر نانو ذرات کامپوزیتی را با روش شبه استاتیک مورد تجزیه و تحلیل قرار دهیم. اثر تغییرات ضریب شکست لایه پوشش، محیط میزبان، شعاع نانو ذره و ضخامت لایه پوشش را بر روی جابجایی محل فرکانس مرکزی و عرض باند فیلترینگ مورد مطالعه قر ار خواهیم داد.
به عبارت دیگر نشان خواهیم داد که محل فرکانس مرکزی فیلتر پیشنهاد شده در محدوده وسیعی با مدیریت پارامترهای اشاره شده در بالا تغییر کند . برای کنترل ثابتهای نوری محیط میزبان و لایه پوشش از روش تمام نوری و کوانتومی شفافیت القای الکترومغناطیسی - EIT - بهره گرفته شده است. این روش یک روش تمام نوری بوده و این اجازه را به ما می دهد که با اعمال یک میدان کنترلی بتوانیم تراوایی الکتریکی محیط را مدیریت کنیم.
مدلسازی نانو فیلتر قابل تنظیم نوری
در این بخش ریاضیات لازم برای بدست آوردن توز یع میدان الکتریکی در ساختار نانو کامپوزیت و شرط رزونانس برای فیلتر پیشنهادی معرفی می گردد . شکل 1 نشان دهنده ساختار پیشنهادی برای نانو فیلتر قابل تنظیم نوری است. نانو ذره کامپوزیتی از یک هسته فلزی با شعاع R a و از یک لایه پوششی از جنس عایق به شعاع R b تشکیل شده و در یک محیط میزبان قرار گرفته است.
شرایط رزونانس پلاسمونی
از رابطه - 1 - روشن است که اگر پارامترهای محیطی مناسب انتخاب شوند، دامنه میدان در مجاورت ذره نسبت به فاصله دور می تواند افزایش چشمگیری داشته باشد. باید توجه کرد که سیستم دارای یک ماگزیمم محلی خواهد داشت، این نقطه را اصطلاحا نقطه رزونانس خواهیم گفت . با استفاده از پدیده EIT می توان محل فرکانس مرکزی فیلتر میان گذر ارائه شده را کنترل کرد .
بطوریکه با اعمال میدان پمپ به محیط EIT ضریب شکست لایه پوشش تغییر خواهد کرد. بنابراین با استفاده از این روش دامنه و فاز میدان الکتریکی در نقطه مشاهده می تواند مدیریت شود - شکل . - 2 به عبارت دیگر با افزایش ضریب شکست لایه پوشش طول موجهای رزونانس به سمت قرمز شیفت پیدا می کنند. در شکل 3 اثر تغییرات ضریب شکست لایه پوشش را بر روی جابجایی فرکانس رزونانس فیلتر میان گذر نشان داده ایم. به عبارت دیگر می توان با افزایش ضریب شکست لایه پوشش فرکانس رزونانس را به فرکانسهای پایین هدایت کرد . همچنین در شکل 4 اثر تغییر ضخامت لایه پوشش را بر روی فرکانس رزونانس نشان داده ایم.
بحث و نتیجه گیری
در این مقاله نشان دادیم که نانو ذرات کامپوزیتی می توانند رفتار فیلترینگ از خود نشان دهند. بطوریکه این فیلتر ابعادی در رنج نانو متری داشته و می تواند در مدارات مجتمع نوری بکار گرفته شود . همچنین تکنیک بکار برده شده برای عمل کنترلینگ فیلتر یک تکنیک تمام نوری بوده و سازگاری اساسی با مدارات مجتمع نوری دارد.
