بخشی از مقاله
چکیده-
در این مقاله عملکرد آرایه متناوبی از نانوذرات کروی از جنس نقره ،تحت عنوان فیلتر پلاسمونیکی ارائه شده است. هدف طراحی و شبیه سازی باشد. در ساختار ارائه شده، آرایه نانوذرات در بستری از جنس نانوساختار پیشنهادی بهعنوان فیلتر تنظیم پذیر نوری برای کاربردهای مخابراتی می ژرمانیوم قرار داده شده است. هدف از این ترکیب مواد افزایش شدت میدان محلی در حد فاصل آرایهی نانوذرات و لایهی پوششی ژرمانیوم بوده که به نوبه خود افزایش چشمگیری را دراندازه میدان جایگزیده توسط این آرایه را به دنبال خواهد داشت.
تابش نور در محدودهی مادون قرمز منجر به تحریک پلاسمونهای سطحی موضعی در نانوذرات شده و با هیبریداسیون بین ذرات، فرکانس رزونانس این امواج سطحی به پنجره مخابراتی انتقال یافته است. تزویج نور به این امواج سطحی موضعی باعث حبس شدن نور بصورت میدان محلی در حدفاصل بین نانوذرات شده و عملکرد فیلتری را در پنجره - استفاده شده FDTDمخابراتی بهبود میبخشد. به منظور مدل سازی و بررسی عملکرد ساختار ارائه شده از روش عددی تفاضل محدود در حوزه زمان - ×است. در این بررسی، تاثیر ابعاد لایهها و نانوذرات بر کیفیت حبس میدان محلی و طیف فیلترینگ، مورد مطالعه قرار گرفته است.
-1 مقدمه
از فیلترهای نوری در سیستم های تصویربرداری رنگی و طیفی برای جداسازی نور طول موجهای مختلف استفاده میشود.[1] فیلترهای نوری معمولی با استفاده از تکنیک لایههای نازک ساخته میشوند. همچنین این فیلترها مشکلاتی چون: ابعاد بزرگ و توان مصرفی بالا حین فرآیند ساختدارند . بنابراین اخیراً بهجای فیلترهای معمولی، فیلترهای چند لایه پلاسمونیکی بدلیل مزایایی همانند ابعاد کوچک، تلورانس نسبتاً کم زاویهی فرودی و توانایی هدایت مؤثر نور مورد توجه زیادی قرار گرفته اند. همچنین برای این فیلترهای ابعاد کوچک کاربردهای بسیاری مانند، انتخاب پهنای باند گسترده، باند باریک، باند میانگذر و باند کناری را ذکر نمود
در ادامه به خلاصهای از کارهای انجام شده در این زمینه اشاره خواهیم نمود.
کارتیک کومار و همکارانش آرایه های مختلفی از نانودیسک های فلزی نقره و طلا بر روی یک سطح بازتابنده قرار دادند تا بتوانند با استفاده از آن ساختار تصویری رنگی در حد پراش نوری چاپ کنند.[2]چندی بعد، گوانگ یوان و همکارانش نیز با استفاده از آرایهای از نانومیلههای نقره، فیلترهای رنگی بازتابنده طراحی کردند که با تغییر هندسه آرایهها، طول موج فیلتر حاصل نیز متغیر بود.[3] فیلترهایی با خواص بازتابندهگی مطلوب در طول موج طیف مرئی برای آرایه ای از نانوذرات هسته-پوستهدار نقره وسیلیکا جاسازی شده درون ماتریکس پلیمری هم در مقاله[4] توسط چیا وی هسو و همکارانش ساخته شد.
در مقالهی [5] خواص فیلترینگ برای شبکه ای از نانوذرات فلزی با مقطع بیضوی که بر روی لایهای از ITO لایهنشانی شده و کل ساختار داخل مادهی سیلیکا جاسازی شده در بازهی مرئی مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته است. ساختار طوری طراحی شدهاست تا قله بازتاب با حداقل تلفات جذب و حداکثر میانگین سطح گذار به-دست آید.
در این مقاله طراحی و شبیه سازی فیلترهای نوری بر اساس آرایهای متناوب از نانوذرات نقره کروی مدفون در ژرمانیوم که مابین دو لایه از جنس سیلیکا قرار گرفته-است، انجام شده است. هدف طراحی فیلتر برای کارکرد در طول موج 1550 نانومتر می باشد.
فیلتری که در این مقاله به طراحی و شبیه سازی آن پرداختهایم، دامنه انتقالی تقریبی %80 با قله رزونانسی بیشینه در طول موج مخابراتی را دارد.
-2 ساختار و روش شبیه سازی
در ساختار پیشنهادی آرایهای متناوب از نانوذرات کروی از آلیاژ نقره با شعاع 11 نانومتر و ضخامت - hAg - و ثابت شبکه متناوب 44 نانومتر در راستای محورهای مختصاتی x و y را درون لایهای از جنس ژرمانیوم با ضخامت بهینه - hGe - در حدود 355 نانومتر بر روی بستری از جنس سیلیکا با ضخامت 1000 - hsio2 - نانومتر قرار میدهیم. شرایط مرزی در راستای عمود بر ساختار بصورت لایههای جاذب PML و در راستای موازی با آن بصورت شرایط مرزی متناوب در نظر گرفته شده است. بهمنظور تحریک ساختار از یک منبع موج تخت با شدت 1 وات بر میکرومتر مربع در جهت -z با گسترهی طول موجی 1200 تا 2000 نانومتر از بالای ساختار و عمود بر آن استفاده شده است. دقت فضایی در هر سه راستا 0/5 نانومتر مد نظر گرفته شده است. ساختار فیلتر پلاسمونیکی پیشنهادی در این مقاله در محیط نرم افزار شبیه سازی و مورد ارزیابی قرار میگیرد.
شکل .2 نمودار طیف عبور هنگامیکه از آرایه متناوب با ثابت شبکه 44 نانومتر از نانوذراتی کروی از جنس نقره با شعاع 11 نانومتر داخل لایهای از ژرمانیوم با ضخامت 355 نانومتر قرار داده ایم.
طیف عبور حاصل از شبیه سازی برای ساختار پیشنهادی در شکل2 نشان داده شدهاست. همانطور که ملاحظه می-شود، ژرمانیوم با شیفت فرکانس پلاسمون سطحی منجر به تشکیل قله رزونانسی در طول موج مخابراتی شده است. بهمنظور مقایسه کیفیت رزونانس پلاسمونیکی نانوذرات فلزی و نیمههادی، از طیف شدت محلی در مرز بین نانوذرات بهره میگیریم زیرا میزان میدان محلی گویای میزان تزویج نور ورودی به مد پلاسمونیکی میباشد.
شکل3 میدان محلی ایجاد شده در حد فاصل بین نانوذرات نقره در یک سلول واحد از شبکه را نشان می-دهد. همانطور که ملاحظه میشود، به هنگام استفاده از لایه ژرمانیوم و نانوذرات نقره بدلیل بالا بودن ضریب گذردهی منفی فلزات نسبت به نیمههادیهای آلایش شده، شدت میدان در مرز بین نانوذرات و لایه ژرمانیوم نسبتا شدید بوده و بین نانوذرات و لایه ژرمانیوم تزویج شدیدتری رخ داده است. که البته بدلیل خاصیت فلزی، بخشی از نوسانات بصورت تلفات اهمی میرا شده و از اینرو دامنه طیف انتقال کمتر از حالتی است که از نانوذرات نیمههادی استفاده کردیم.
در انتها به بررسی تاثیر تغییر جنس لایهی نیمههادی استفاده شده در ساختار شکل 2 میپردازیم. در این بررسی، از نیمههادیهای دیگری مانند GaSb و InSb با حفظ مقادیر اولیه برای ابعاد ساختار به جای لایه ژرمانیوم استفاده میکنیم
شکل.3 طیف شدت میدان محلی در صفحه x-y در مرز بین نانوذرات نقره واقع در لایه ژرمانیوم در طول موج 1550 نانومتر.
شکل.4 مقایسهی طیف انتقال به ازای سه عنصر: Ge، GaSb، InSb
با این تغییرات، تغییر شدت میدان محلی در مرز بین نانوذرات نقره در لایهای از نیمههادی InSb و GaSb بترتیب در شکلهای5 و 6 قابل مشاهده است.
شکل.5 طیف شدت میدان محلی در صفحه x-y در مرز بین نانوذرات واقع در لایه InSb در طول موج 1550 نانومتر
شکل.6 طیف شدت میدان محلی در صفحه x-y در مرز بین نانوذرات واقع در لایه GaSb در طول موج 1550 نانومتر
