بخشی از مقاله
چکیده
با پایین آوردن حد پراش، مدارهای مجتمع ساخته شده درحوزه پلاسمونیک خیلی فشردهتر از مدارهای مجتمع نوری خواهند بود و سرعت انتقال و سوئیچ در این مدارات افزایش مییابد. همچنین در سالیان اخیر گرافن به دلیل قابلیتهای فوقالعاده اپتیکیاش برای کاربردهای مختلف در محدودهی مادون قرمز متوسط1رشد قابل ملاحظهای داشته است. در این کار تحقیقاتی در گام اول طراحی و شبیه سازی فیلتر پلاسمونیک صورت پذیرفت، بدین شکل که دو ورق گرافنی به مانند دو رزوناتور بوسیله سه کاواک روی بستر قرار داده شدند و بوسیله روش تفاضل متناهی درزمان2مورد بررسی قرار گرفتند.
رفتار این دو ورق گرافن محصور بین کاواک ها به مانند رزوناتور بود. سپس تأثیر تغییر پارامترهای طول نوار گرافن، پتانسیل شیمیایی گرافن در ساختار را مورد بررسی قرار دادیم، که علاوه بر تنظیم پذیر بودن فیلتر طراحی شده، توان انتقالی فیلتر برابر.,85 شده که نسبت به کارهای قبلی افزایش قابل توجهی را نشان میدهد.مطالعات ما می تواند در ساخت مدارات مجتمع پلاسمونیک فعال برای پردازش های نوری در طیف مادون قرمز متوسط کاربرد داشته باشد.
مقدمه
متمرکز شدن امواج الکترو مغناطیس در سطح، ناشی از اندرکنش میان نور و نوسانات پلاسما و انتشار مابین دیالکتریک و فلز را پلاریزاسیون پلاسمون سطحی[1]3 گویند. با توجه به تواناییشان در غلبه بر محدودیت های متداول پراش و محصور کردن میدانهای الکترومغناطیس در الگوهای فضایی نانو مقیاس که اساس دستگاههای پلاسمونیک فلزی مرئی و نزدیک به مادون قرمز است. این رفتار رادر انواع سیستمهای نظیرموجبرها[2] ، فیلترها[3] ، سوئیچ های تمام نوری[4] ، منعکسکننده های براگ[5] می توان نشان داد.
با وجود کاربردهای وسیع در نواحی مادون قرمز پایین و مرئی، بکارگیری فلز، عملکرد برخی از دستگاههای پلاسمونیک فلزی که در ناحیه مادون قرمز میانی و بالاتر کار می کنند را دچار اختلال میکند. بعلاوه کنترلپویای گذردهی4 فلز، در ساختارهای متداول پلاسمونیک دشوار است. با توجه به این ایرادات، از آنجائیکه گرافن[7-9] یک لایه از اتمهای کربن جمع آوری شده در شبکه لانه زنبوری است، به نظر میرسد بعنوان یک جایگزین، نوید دهندهای برای مواد پلاسمونیک جهت ساخت نسل جدید ادوات نوری نانو در ناحیه مادون قرمز[10]میباشد.
از ویژگی های نوری ماده گرافن این استکه به ولتاژ گیت وابسته است، بنابراین میتوان از پتانسیل شیمیایی بالقوه گرافنکه با استفاده از ولتاژ گیت خارجی [11-12] تنظیم ولتاژ انجام میدهد برای تنظیم پذیر نمودن ساختارهای الکترومغناطیس ساخته شده از گرافن، استفاده کرد. هر دوی این نتایج در تئوری و تجربه اثبات میشوند و توانائی بالایی در کنترل الکتریکی دستگاههای پلاسمونیک ایجاد می کنند.
از اینرو بدون نیاز به ساخت، ساختارهای جدید که در دستگاههای متداول فلزی نیاز بود، میتوان فقط با بکارگیری ولتاژ خارجی گیت امواج spp[13] را در ساختار های نوری بر پایه گرافن مهندسی کرد.
این مطالعات میتواند در ساخت نانو مدارات مجتمع پلاسمونیک فعال برای پردازشهای نوری در محدوده طیف مادون قرمز متوسط کاربرد داشته باشد.
بدین ترتیب کار بزرگی برای طراحی و تحقیق در مورد تجهیزات پلاسمونیک بر پایه گرافن در ناحیه مادون قرمز و فراتر از آن انجام میشود. گرافن تک لایه، برای موجبر دو وجهی بشکل Y و لنز های لوینورگ، با ایجاد الگوهای غیر یکنواخت هدایت بکار گرفته میشود.[14] موجبرهای بشکل S، موجبرهای مارپیچی و موجبرهای منحنی[15] بر اساس گرافن خمیده نیز پیشنهاد داده میشوند و مشخصات بسیار عالی و با نویز پایین ارائه میدهد.
اخیراً توجه بسیار زیادی به سیستم کوپل، میان صفحههای گرافن واحد[16] و شبکههای سیلیکون[17] شده است.در این تحقیق هدف، طراحی فیلتر پلاسمونیک بر پایه گرافن در محدوده مادون قرمز متوسط است که بالاترین کارآیی و کمترین تلفات را داشته باشد. به همین منظور تک ورقهی گرافنی با سه کاواک در نظر گرفته میشود. این ساختار بر روی یک بستر ایجاد شده و بوسیله روش تفاضل محدود حوزه زمان بررسی می شود. با توجه به کاواکهای معرفی شده نوار محصور گرافن به عنوان تشدید کننده پلاسمونیک خطی شکل عمل خواهد کرد. فقط طول موجهای تابیده شده که شرایط تشدید، تشدیدکنندهیخطی شکل را دارا می باشند می توانند وارد نوار گرافن شده و نهایتاً از آن عبور کنند. این تک ورقه گرافنی در نظر گرفته شدهاثرات یک فیلتر باندگذر را در ناحیه مادون قرمز متوسط از خود به نمایش میگذارد.
لازم به ذکر است که امکان کنترل طیف انتقال نه تنها بوسیله تغییر در طول نوار گرافن محصور مابین کاواک ها، بلکه بوسیله تغییر کوچکی در پتانسیل شیمیایی که از خارج اعمال می شود نیز بدون دخالت در ساختار وجود دارد. بعلاوه می توان طول موج پیک انتقالی را به صورت خطی بوسیله تغییر در ضریب شکست بسترقابل کنترل نمود. البته ناگفته نماند که تاثیر تغییر در طول کاواک ها در بهینه سازی طیف نیز تاثیر گذار می باشد.
تئوری و شبیه سازی
شکل: 1 ساختار طراحی شده برای فیلتر
نمائی از ساختار مد نظر درشکل1 :نشان داده شده است. ابتدا ساختار طراحی شده برای فیلتر پلاسمونیک را مرور و نحوه عملکرد و خروجی ساختار را بررسی میکنیم. مطابق شکل دو ورق گرافن محصور بین سه کاواک که روی یک بستر با ضریب شکست nقرار گرفته است. عرض کاواک ها فرض شده است، و طول ورقهای گرافن و مشخص شدهاند. با توجه به کاواکهای مفروض موج spp در نقطه اتصال کاواک و ورق های گرافن پس و پیش رفته و منعکس میشوند، تا اینکه امواج ایستای ناشی از رزونانس روی ورقهای گرافن - رزوناتور - تشکیل شده و بعنوان رزوناتور پلاسمونیک خطی عمل میکنند.
با در نظر داشتن ساختار مورد هدف، رزونانس دو ورقه گرافن تک لایه کنار یکدیگر موجب تشدید در طیف فرکانس عبوری شده و موجب عبور تنها یک طیف فرکانسی از این ساختار با گذر دهی بالا میشود. به وضوح تاثیر آنرا روی طیف عبور فیلتر باند گذر مشاهده میکنیم.
در این ساختار یک منبع نور دوقطبی که بهفاصله 2nm بالاتر از سطح گرافن ورودی برای تولید امواج پلاسمونیک قرارگرفته و به ساختار تابانده میشود. با توجه به دو کاواک تعبیهشده، موج SPP روی نوار گرافن منتشرشده و مابین کاواکهای ابتدایی و انتهایی منعکس میشود و درنهایت تشکیل موج ایستا را روی نوار گرافن میدهد. توجه به ساختار این نکته را نشان میدهد که اکثر امواج SPP بایستی از حدفاصل کاواک ابتدایی و گرافن منعکسشده و نتوانند عبور کنند و تنها امواجSPP تابشی که طولموج آنها با طولموج رزونانس نوار گرافن برابر است، امکان ورود به نوار گرافن و نهایتاً عبور از آن را دارند.
برای شبیهسازی کامپیوتری ساختار از نرمافزار Lumerical و روشFDTDدوبعدی برای محاسبات عددی استفاده شد، برای پرهیز از محاسبات بسیار سنگین در مقیاسنانومتری، از مش بندی غیریکنواخت در نواحی مختلف ساختار استفادهشد،به شکلی که نواحی شامل گرافن دارای کوچکترین اندازه مش - در حد - 0,05 nm باشند.
