بخشی از مقاله
چکیده -
در این مقاله یک ساختار جدید برای بهبود عملکرد مدولاتورهای گرافنی پیشنهاد شده است. عملکرد مدولاتورهای گرافنی ساخته شده تاکنون، به قطبش نور فرودی وابسته است؛ به طوری که این مدولاتورها قطبش TM را بهتر از قطبش TE مدولهسازی میکنند.
مسئول این اختلاف عملکرد ناهمسانگردی گرافن است، که باعث شده است که عملکرد مدولاتورهای رایج شدیدا به قطبش وابسته باشد. در این مقاله با افزودن یک لایه گرافن به دیواره موجبر، علاوه بر گرافن موجود در سقف موجبر، وابستگی عملکرد مدولاتور به قطبش تا حد زیادی از بین رفته است. نتایج شبیهسازی حاکی از آن است که علاوه بر از بین رفتن حساسیت مدولاتور به قطبش نور، عملکرد کلی مدولاتور نیز تا حد قابل ملاحظهای بهبود یافته است.
-1 مقدمه
در سالهای اخیر مواد دوبعدی مورد توجه بسیاری از محققان حوزه الکترواپتیک قرار گرفتهاند، از آن جمله میتوان به گرافن، چالکوجناید و فسفر سیاه اشاره کرد. این مواد برای دستیابی به ابزارهای نوری با ویژگیهای منحصربهفرد، بسیار نویدبخش هستند. در بین این مواد، گرافن برای طراحی و ساخت مدولاتورهای الکترواپتیکی با ویژگیهایی نظیر سرعت بالا، توان مصرفی بسیار کم و ...مناسب به نظر میرسد
ویژگیهای منحصربهفرد گرافن که آن را به گزینهای بسیار جذاب برای کاربردهای الکترواپتیکی تبدیل کرده است، به طور خلاصه بدین شرح است: -1 کوکپذیری؛ بدین معنی که با تغییر چگالی حاملهای گرافن میتوان قسمت حقیقی و موهومی گذردهی الکتریکی آن را به طور قابل ملاحظهای تغییر داد. چگالی حاملهای گرافن را میتوان با اعما ولتاژ یا یا تاباندن نور تغییر داد. -2 سرعت بالای پاسخ گرافن، -3 طیف پهن ویژگیهای گرافن، مثلا جذب آن در پهنای طیفی وسیعی یکسان است. -4 سازگاری با ساختارهای
CMOS علیرغم همه ویژگیهای مطلوب مذکور، مدولاتورهای ساخته شده برپایه گرافن تاکنون، یک عیب بسیار مهم دارند و آن این است که این مدولاتورها شدیدا به قطبش نور حساس هستند. به عبارت سادهتر مدولاتورهای ساخته شده بر پایه گرافن، دو قطبش TE و TM را مانند هم مدولهسازی نمیکنند و عملکرد آنها برای این دو نوع قطبش تفاوت آشکاری دارد
مسئول مستقیم این اختلاف عملکرد، ناهمسانگردی گرافن است. به طور کلی گرافن یک ماده ناهسانگرد است و این ناهمسانگردی یک ویژگی ذاتی گرافن است. گرافن یک آرایه دوبعدی از اتمهای کربن است که در یک ساختار لانه زنبوری در کنار هم قرار گرفتهاند. هر اتم کربن با سه اتم کربن پیوند دارد و یک الکترون آزاد دارد. الکترونهای آزاد گرافن در صفحه گرافن دارای تحرکپذیری بسیار زیاد و در راستای عمود بر صفحه گرافن، دارای تحرکپذیری بسیار کم هستند. بنابراین ویژگیهای گرافن مثلا گذردهی الکتریکی آن در صفحه گرافن، با همتای خود در جهت عمود بر صفحه گرافن تفاوت بسیار زیادی دارند. در جهت صفحه، گرافن مانند یک فلز، البته با ویژگی جالب کوکپذیری، رفتار میکند، این در حالی است که در راستای عمود بر صفحه، گرافن مانند یک دیالکتریکی عمل میکند
از آنجا که ناهمسانگردی یاد شده یک ویژگی ذاتی گرافن است و نمیتوان آن را از بین برد و یا تغییر داد، ما در این مقاله یک ساختار جدید برای بهبود عملکرد مدولاتورهای گرافنی و کاهش اختلاف عملکرد این مدولاتورها در دو مد TE و TM معرفی کردهایم که منجر به نتایج بسیار امیدوارکنندهای نیز شده است.
-2 گذردهی الکتریکی گرافن
در ابتدا به طور مختصر به بررسی گذردهی الکتریکی گرافن میپردازیم. همانظور که بیان شد گذردهی گرافن در راستای صفحه آن با همتای خود در راستای عمود بر صحه گرافن کاملا متفاوت است. گذردهی در راستای صفحه را با ∥ و مولفه آن در راستای عمود بر صفحه را با ⊥ نمایش میدهیم.
همانطور که مشخص است، ′ قسمت حقیقی و ′′ قسمت موهومی گذردهی میباشند که با رهیافت کرامرز-کرونیگ به دست آمدهاند که در آنها انرژی فوتون فرودی، انرژی فرمی یا همان پتانسیل شیمیایی، ضخامت لایه گرافن که معمولا آن را در عمل برابر 1 اختیار میکنند، Γ پهنشدگی گذار بین نواری در طیف بازتابی گرافن است که مقدار آن برابر 110 - 110 mev میلیالکترونولت - میباشد و - 1⁄ - نرخ پراکندگی حاملها است که به خاطر تاثیر ناچیز آن روی ثابت دیالکتریک غالبا مقدار آن را برابر صفر قرار میدهند. لازم به ذکر است که در روابط بالا هم سهم مربوط به گذارهای بین-نواری هم سهم گذارهای درون-نواری به حساب آمده است. معمولا مقدار ⊥ را برابر 2.5 در نظر میگیرند.[2] در شکلهای 1 و 2 به ترتیب قسمت حقیقی و موهومی گذردهی الکتریکی گرافن برحسب پتانسیل شیمیایی یا همان انرژی فرمی ترسیم شدهاند.
شکل -1 قسمت حقیقی گذردهی الکتریکی موازی گرافن بر حسب انرژی فرمی در طول موج 1550 نانومتر
شکل -2 قسمت موهومی گذردهی الکتریکی موازی گرافن بر حسب انرژی فرمی در طول موج 1550 نانومتر
1؛-2 ساختار رایج مدولاتورهای گرافنی
در شکل 3 ساختار یک مدولاتور گرافنی را به طور شماتیک میتوان مشاهده کرد. در اینگونه ساختارها گرافن معمولا تنها در بالای یک موجبر سیلیکونی قرار میگیرد و با اتصال الکترودهای الکتریکی از جنسهای مختلف میتوان سیگنال الکتریکی را به گرافن اعمال کرد
شکلهای 1 و 2 نمایش داده شده است. نکته بسیار مهمی که باید حتما به آن توجه شود این است که گذردهی عمودی گرافن با تغییر انرژی فرمی تقریبا هیچ تغییری نمیکند، که همانطور که بیان شد، این پدیده به دلیل ناهمسانگردی گرافن است. تانسور گذردهی الکتریکی گرافن برای ساختار موجود در شکل 3 بدین شکل است:
که در آن ∥ از روابط 1 تا 3 به دست میآید و ⊥ هم معمولا برابر 2.5 فرض میشود. ساختار موجود در شکل 3 با استفاده از نرمافزار کامسول طراحی شد و رفتار آن با تغییر انرژی فرمی برای هر دو مد TE و TM شبیهسازی شد. طول ساختار برابر با 10 میکرومتر اختیار شد. با تغییر انرژی فرمی در بازه 0/35 تا 0/45 الکترون ولت، مشاهده میشود که مدولاسیون هر دو مد انجام میشود، بدین معنی که اختلاف قابل ملاحظهای در میزان عبور هر دو مد به وجود میآید
برای درک بهتر حالت 0/45 الکترونولت را حالت روشن و حالت 0/35 الکترونولت را حالت خاموش مینامیم. اما به وضوح از شکل 4 پیدا است که عمق مدولاسیون معیاری از میزان مدولهسازی است و در اینجا برابر با اختلاف بین دو حالت روشن وخاموش است، برای دو مد تفاوت آشکاری دارد و این یعنی اینکه این ساختار، که یک ساختار رایج در مدولاتورهای گرافنی است، به قطبش حساس است و عملکرد آن برای دو مد قطبش TE و TM کاملا متفاوت است و این یک نقص بزرگ محسوب میشود.
شکل -3 سمت راست: نمای عرضی از یک نمونه مدولاتور گرافنی که به قطبش حساس است. سمت چپ: ساختار مدولاتور به صورت کلی - راستای انتشار x میباشد - .
شکل -4 نمودار میزان عبور - بر حسب دسیبل - به صورت تابعی از انرژی فرمی برای دو مد قطبش TE و TM
