بخشی از مقاله
چکیده -
در این مقاله ضخامت لایههای هسته و پوشش بکار رفته برای ساخت یک مدولاتور موجبری الکترو-اپتیک پلیمری بر روی زیرلایه سیلیکون طراحی و شبیهسازی شده است. برای شبیهسازی پارامترهای مختلف این مدولاتور معرفی شده از روش انتشار پرتو - BPM - استفاده شده است. ضخامت مناسب لایه هسته برای ساختن موجبر در عمق فیلم، ضخامت کافی لایههای پوشش بالایی و پایینی برای کاهش تلفات ناشی از جذب نور توسط الکترود فلزی، ضریب شکست بالای زیرلایه و از طرفی افزایش بازدهی مدولاسیون محاسبه شده است.
ضخامت لایه پوشش بهگونهای تعیین شده است که به ازای تزویج نور لیزر با طولموج 980 نانومتر و قطبش TM، کمتر از %10 دامنه مود اصلی موجبر به لایههای پوشش برسد. برای زیرلایه سیلیکون پوشانده شده با SiO2 به ضخامت 400 نانومتر، لایه هسته با ضریب شکست 1/63 و ضخامت 3 میکرومتر بین دو لایه پوشش زیر و رو به ضریب شکست 1/51 و ضخامتهای به ترتیب 1 و 1/5 میکرومتر طراحی شده است.
-1 مقدمه
مدارهای مجتمع نوری در تمام سطوح تکنولوژی نوری بهویژه در مخابرات نوری، مدولاتورهای نوری، پردازش تصویر و حسگرهای نوری کاربرد دارند.[2 ,1] مدلاتور الکترو-اپتیک به عنوان عنصر اصلی یک فرستنده نوری قابلیت تبدیل سیگنالهای الکتریکی به نوری برای انتقال از طریق شبکههای مخابرات نوری سریع را دارد.[3] با توجه به ضریب الکترو-اپتیک بالای پلیمرها در مقایسه با بیشینه ضریب الکترو -اپتیک کریستالهای غیرخطی، این مواد برای استفاده در ادوات الکترو- اپتیک مناسب هستند. .[4] مواد پلیمری ثابت دیالکتریک کم، پاشندگی کم، پاسخ الکترونیکی سریع و ساخت ساده و کم هزینه دارند.
یک نکته مهم قبل از ساختن مدولاتور، آماده سازی بستر مناسب برای ایجاد شرایط موجبری موثر است. این بستر شامل یک لایه هسته با ضریب شکست بالاتر از لایه پوشش است که باید ضخامت آن طوری تنظیم شود که تعداد مودهای تزویج شده در آن حداکثر دو یا سه مود باشد.[8] از طرفی ضخامت لایههای پوشش بر روی دو کمیت مهم مدولاتور مانند ولتاژ مدولاسیون و تلفات نوری ناشی از جذب در الکترود فلزی و زیرلایه تأثیر می-گذارد
-2 ساختار موجبر و مشخصات مواد پلیمری
در شکل - 1 - ساختار فیلم پلیمری چندلایه برای استفاده در مدولاتور الکترو- اپتیک موجبری را نشان میدهد. همانطور که در شکل نشان داده شده است ساختار شامل یک لایه هسته و دو لایه پوشش است که بر روی زیرلایه سیلیکون پوشانده شده با SiO2 نشانده میشوند. ماده لایه هسته کروموفور آزو - DR1 - Disperse Red1 بهصورت مهمان/ میزبان با غلظت 10 درصد وزنی در محلول پلیمری - Poly - pyromellitic dianhydride-co-4' 4oxydianiline - , amic acid solution - PAM - ، حل می-شود. این پلیمر در طول موج 980 نانومتر دارای ضریب شکست 1/63 است. با توجه به ضریب شکست پلیمر لایه هسته برای انتخاب لایه پوشش باید موادی که دارای ضریب شکست کمتر از 1/63 هستند استفاده شود. برای لایه پوشش از PAM و Polyvinyl Alcohol - PVA - می- توان استفاده کرد که در طولموج 980 نانومتر به ترتیب دارای ضریب شکست 1/514 و 1/614 هستند.
در حبس توان پرتو در هسته و افزایش چسبندگی لایه پلیمری بر روی زیرلایه نقش دارد. در ضمن چون بر روی سطح فیلم الکترود لایهنشانی میشود، لایه پوشش بالا باید به حد کافی ضخامت داشته باشد که مود انتشاری نور به الکترودها نرسد که منجر به افزایش توان اتلافی و قطع مود انتشاری موجبر شود.
همچنین این لایه باید به حدی نازک باشد که حالت موجبری پرتو در زیر آن مشاهده شود و مانع از هدایت نور در لایه هسته نشود. ازآنجاییکه موجبرهامعمولاً بیشتر از چند سانتیمتر طول ندارند، مقدار قابل قبول تلفات 1dB/cm است که متاثر از %20 تلفات در محدوده 1 سانتی متری طول موجبر است.[10] در این مقاله ضخامت لایه پوشش با استفاده از روش انتشارپرتو برای موجبر دو بعدی - BPM - بهگونهای تعریف شده که کمتر از %10 بیشینه دامنه میدان میراشونده از مود اصلی موجبر به لایههای پوشش برسد.
شکل :1 ساختار فیلم پلیمری چندلایه تهیهشده برای ساخت موجبر .
-3 نتایج شبیهسازی
ضخامت لایه هسته حدود 3 میکرومتر فرض شده که حداکثر تعداد مودهای قابل انتشار آن 3 مود میباشد. محبوس شدن نور در لایه هسته با افزایش اختلاف ضریب شکست لایههای هسته و پوشش افزایش مییابد. با افزایش تمرکز پرتو در لایه هسته، لایههای پوشش می-توانند نازکتر انتخاب شوند که منجر به کاهش ضخامت کل قطعه و ولتاژ مدولاسیون میشود. اما آنچه که در این مقاله برای طراحی در نظر گرفته شده است بر اساس مواد پلیمری در دسترس است. ضخامت لایه پوشش زیر، به دلیل جذب نور توسط ضریب شکست بالای سیلیکون حائز اهمیت است.
سیلیکون - - n-type Si در طولموج 980 نانومتر ضریب شکست 3/5+j0/0005 دارد. برای تهیه فیلمهای پلیمری بر روی زیرلایه سیلیکون پوشانده شده با SiO2 - بهعنوان لایه پوشش - ابتدا حالتی فرض شد که فیلم پلیمری هسته مستقیماً بر روی SiO2 لایه نشانی شود. بنابراین یک موجبر سه لایه شامل Si/SiO2/Polymer طراحی و تزویج نور لیزر980 نانومتر به ازای ضخامتهای متفاوت SiO2 بررسی شد. در این طولموج ضریب شکست SiO2، 1/45 است.
برای اینکه تلفات انتشاری بهدست آمده فقط ناشی از الکترود فلزی باشد در مدلسازی فرض شده که لایههای هسته و پوشش بدون تلفات باشند. با توجه به دادههای بهدست آمده به ازای تلفات انتشاری 0/1dB/cm ضخامت 1/5 میکرومتر برای SiO2 بهدست آمد. با فرض ضخامت 400 نانومتری لایه SiO2 که در این ضخامت فقط %40 توان ورودی لیزر به انتهای موجبر خواهد رسید. برای کاهش جذب مود نور میراشونده توسط سیلیکون و همچنین برای چسبندگی بهتر لایه هسته به زیرلایه لازم است یک لایه پلیمری بر روی SiO2 نشانده شود.
با توجه به ضریب شکست لایه هسته، هر دو ماده PAM و PVA برای لایه پوشش مناسب میباشند. ابتدا ضخامت لایههای پلیمری پوشش زیر با کمترین تلفات محاسبه شد و پس از به-دست آمدن ضخامت بهینه لایه پوشش زیر، لایه پوشش روی هسته و دقیقا زیر الکترود فلزی شبیهسازی شده است. درصد توان نور خروجی به ازای ضخامتهای متفاوت لایههای پوشش زیر برای زیرلایه سیلیکون در جدول - 2 - خلاصه شده است.
با توجه به نتایج بهدست آمده در جدول - 2 - به ازای %95 بازدهی توان نور خروجی ضخامت 3 میکرومتر برای PAM و ضخامت حداقل1 میکرومتر به ازای %99 توان نور تزویج شده برای PVA بهدست آمده است. با توجه به نتایج هرچه اختلاف ضریب شکست لایههای هسته و پوشش بیشتر باشد ضخامت لایه پوشش می تواند کاهش یابد. پس از محاسبه ضخامت لایه پوشش زیر، با ثابت در نظر گرفتن این ضخامت به بررسی ضخامت لایه پوشش رو به ازای تلفات جذب کمتر از %10 نور ورودی به الکترود فلزی پرداخته شده که نتایج آن در جدول - 3 - خلاصه شده است.
جدول:3 ضخامت لایه پوشش روی لایه هسته و توان نور خروجی موجبر به توان نور خروجی موجبر چندلایه به طول 1 سانتیمتر.
جدول:2 ضخامت لایه پوشش زیر و توان نور خروجی موجبر چندلایه به طول 1 سانتیمتر.
الکترود فلزی لایهنشانی شده برای اعمال ولتاژ مدولاسیون آلومینیوم با ضریب شکست مختلط 1/43+j9/3 است. مقدار مجازی ضریب شکست وابسته به ضریب جذب در مرتبه 10 6cm-1 است که به سرعت میدانهای میرای هر مود نوری را کاهش میدهد.
با توجه به نتایج حاصلشده به ازای ضخامت 100 نانومتر آلومینیوم به عنوان الکترود فلزی، در صورتی که هیچ لایه پوشش رو وجود نداشته باشد بیش از%50 توان ورودی جذب الکترود خواهد شد. برای لایه پوشش رو از PVA که دارای ضریب شکست کمتری است استفاده شده که تلفات کاهش یابد. درحالیکه لایه پوشش زیر، PAM به ضخامت 3 میکرومتر باشد به ازای 2 میکرومتر PVA به عنوان لایه پوشش رو، تلفات %5 بهدست میآید.
