بخشی از مقاله
چکیده:
در این مقاله مراحل طراحی و شبیهسازی یک حسگر فشار بر اساس ساختارهای کریستال فوتونی پیشنهاد شده است. این حسگر شامل یک موجبر کریستال فوتونی دو بعدی است که با یک میکروکاواک تزویج شده است. ساختار کریستال فوتونی از حفرههای هوایی با ساختار ششگوش در محیط اصلی سیلیسیوم تشکیل شده است.
طول موج تشدید میکروکاواک به ضریب شکست مواد تشکیل دهنده کریستال وابسته بوده و بر اساس شبیهسازیهای انجام شده، طول موج تشدید میکروکاواک بر اثر فشار بین 0/1 GPa تا 10 GPa دارای عملکرد خطی است. همچنین حساسیت این حسگر 16nm/GPa و کمینه فشار قابل اندازهگیری 0/0209 ʽN بهدست آمده که نسبت به نمونههای قبلی بهبود یافته است.
-1 مقدمه
با توسعه روزافزون فنآوریهای پیشرفته مانند نانوفن-آوری، نیاز به ابزارهایی برای عملکرد در این حوزهها هر روز آشکارتر میشود. کریستالهای فوتونی، ساختارهای متناوبی هستند که میتوانند نور را بهوسیله کنترل مشخصههای انتقال و بازتاب در فرکانس و جهت مشخص، هدایت و کنترل نمایند. مشخصه مهم این کریستالهای نوری، شکاف باند فوتونی است و بر این اساس تاکنون کاربردهای متعددی از این کریستالها مانند، موجبرهای نوری، لیزرهایی با جریان راهانداز پایین، فیبرهای کریستال فوتونی و فیلترهای نوری معرفی شده است .[4-1] هر روزه کاربردهای جدیدی از این کریستالها معرفی میشود و پیشبینی میشود این ساختارها در آینده بهعنوان قطعات پایه در مدارات یکپارچه نوری مورد استفاده قرار گیرند.
استفاده از این ساختارها بهعنوان حسگرهای نوری یکی از آخرین تحقیقات در این زمینه است و بهعلت کاربرد حسگرها در علوم مهمی مانند پزشکی و صنعت، توسعه تقاضا برای حسگرها بهطور عام و حسگرهای کریستال فوتونی بهطور خاص موجب افزایش تلاشها در این زمینه شده است. تاکنون تحقیقات متعددی مانند حسگر ریزجابهجایی [5]، حسگر رطوبت و حسگرهای شیمیایی [6] ارائه شده است. اخیرا Stomeo و همکارانش یک نمونه حسگر فشار براساس موجبر کریستال فوتونی ارائه دادهاند که در محدوده 0/25 تا 5 گیگاپاسگال خطی است .[7] همچنین Lee و همکارانش اثرات فشار را روی مشخصه-های نوری یک کریستال فوتونی دوبعدی بررسی نمودهاند
در این مقاله یک نمونه حسگر فشار کریستال فوتونی شامل یک موجبر تزویج شده با میکروکاواک، ارائه میشود. در بخش بعد، تحلیل نظری اثر فشار بیان شده است. سپس ساختار حسگر مورد بررسی قرار گرفته و در انتها شبیهسازی و نتایج عملکرد آن مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است.
-2 تحلیل اثر فشار
برای یک ماده همسانگرد، ضریب شکست در تمامی جهات یکسان است. در اثر فشار ساختار کریستال تغییر یافته و
ضریب شکست ماده تغییر میکند. تاثیر فشار روی مشخصات نوری مواد را میتوان برای موارد حسگری مورد ملاحظه قرار داد. برای تعیین ضریب شکست ساختار در اثر فشار از ضرایب تانسور نوری استفاده میشود .[9] با فرض اعمال فشار در یک جهت داریم:
شکل-1 ساختار موجبر کریستال فوتونی با آرایه ششتائی از حفره-های هوا در سیلیسیوم. ثابت شبکه a=440 nm و شعاع حفره هوا r=0/36a است. ریز حفره با تغییر شعاع یک حفره هوا در مرکز کریستال به اندازه RC=0/55a ایجاد شده است. منبع گاوسی در ورودی و آشکارساز در خروجی موجبر قرار گرفته است.
-3 طراحی ساختار حسگر
طرح کلی ساختار کریستال فوتونی برای کاربرد حسگری در شکل 1 نشان داده شده است. ساختار کریستال فوتونی شامل یک آرایه ششگوش از حفرههای هوا با ضریب شکست n=1 در محیط زمینه سیلیسیوم با n=3/5 است. ثابت شبکه a= 440 nm و شعاع حفرههای هوا r= 0/36a است. طول این کریستال برابر L 5/6ʽm و عرض آن برابر W 4/8 ʽm است. کاواک کریستال فوتونی با ایجاد یک نقص موضعی در ساختار کریستال فوتونی برای محصور کردن نور در یک یا چند حالت ایجاد میشود. بسیاری از کاربردهای کریستالهای فوتونی منوط به طراحی کاواکی با قابلیت بالا برای محصور نمودن نور است.
در این طرح میکروکاواک، با تغییر شعاع یک حفره هوا در مرکز کریستال به اندازه RC=0/55a ایجاد شده و موجبر نیز با برداشتن یک ردیف از حفرههای هوا در مسیر ریز حفره ایجاد شده است. بر اساس شبیهسازی انجام شده با روش PWE - بسط موج صفحهای - این ساختار دارای فرکانس بهنجار شده شکاف باند a/ برای مود TM بین 0/2240 تا 0/3522 است. این فرکانس مطابق با شکاف باند 1250 تا 1960 نانومتر است. برای شبیهسازی انتشار امواج الکترو-مغناطیسی در موجبر از روش، تفاضل متناهی در حوزه زمان - FDTD - استفاده شده است.
-4 شبیهسازی و تحلیل نتایج
برای شبیهسازی اثر فشار بر روی طیف انتقالی خروجی از روش FDTD دو بعدی استفاده شده است. برای کاهش محاسبات در روش FDTD سه بعدی، ساختار معادل با روش ضریب شکست موثر بهدست آمده است. عمق حفره-های هوایی برابر 300 نانومتر انتخاب شده است.
نور از سمت چپ به موجبر وارد شده و آشکارساز در انتهای موجبر مشخصات نور خروجی فیلتر شده بهوسیله کاواک را آشکار میکند. برای محاسبه طیف انتقالی خروجی ساختار حسگر با یک موج پالس گوسی در ورودی موجبر تحریک شده و در خروجی آشکارساز، طیف انتقالی خروجی نشان داده میشود. برای این منظور شرایط مرزی بهصورت PML در نظر گرفته شده است. شکل 2 طیف انتقالی را در حالت بدون فشار نشان میدهد. دراین حالت طول موج تشدید برابر =1777 nm بهدست آمده است.
ضریب کیفیت میکروکاواک نیز برابر 4 1500 محاسبه شده است. نتایج شبیهسازی عددی نشاندهنده افزایش ضریب شکست ساختار با افزایش فشار اعمالی است.
به عنوان نمونه ضریب شکست سیلیسیوم با افزایش فشار از صفر به یک گیگاپاسگال، از 3/5 به 3/5398 افزایش یافته و بر این اساس، طول موج تشدید از 1777 نانومتر در فشار صفر به 1793 نانومتر در فشار 1 گیگاپاسگال افزایش مییابد. در فشار 5 گیگاپاسگال میکروکاواک دارای طول موج تشدیدی برابر 1857 نانومتر بوده و در فشار 10 گیگاپاسگال طول موجی برابر 1945 نانومتر از خود نشان داده است. شکل 3 تغییرات طول موج تشدید را به ازای تغییر فشار از 0 تا 10 گیگاپاسگال نشان میدهد.
شکل-2 طیف انتقالی خروجی در حالت بدون فشار. طول موج تشدید برابر 1777 نانومتر است.
شکل-3 طیف انتقالی خروجی برای مقادیر مختلف فشار از صفر تا 10 گیگاپاسگال.
