مهندسی برق

پایان نامه برق (مخابرات-میدان): بررسی و تحلیل ساختارهای انعکاس دهنده برگ در حوزه پلاسمونیک برای کاربرد قطعات پسیو

 
 
استادان راهنما:
دکتر عباس علی قنبری                  دکتر علیرضا غروی
 
 

 

شهریور ماه ۱۳۹۲
متن پایان نامه :
چکیده
بررسی و تحلیل ساختارهای انعکاس دهنده برگ در حوزه پلاسمونیک برای کاربرد قطعات پسیو

به کوشش
امیدرضا دانشمندی
 
در طراحی مدارمجتمع نوری، حد پراش کوچک­سازی عناصر نوری را محدود می­ کند. پلاسمون پلاریتون­های سطحی که در سطح مشترک فلز و دی الکتریک انتشار می­یابند بر این محدودیت غلبه می­ کنند. یکی از موضوعاتی که در این پایان نامه مطالعه می شود بررسی آزمایشگاهی موجبرهای صفحه ای و کانالی دی­الکتریک-فلز-دی­الکتریک پلاسمونیک با ساختار پلیمر-نقره-منشور است. موج پلاسمونیک به روش معروف تزویج به وسیله منشور تحریک شد. یک روش آزمایشگاهی ساده نیز برای اندازه ­گیری طول انتشار موج پلاسمونیک نیز معرفی شد. یک پدیده جالب که در آزمایش­ها مشاهده شد اثرات پراکندگی امواج سطحی پلاسمونیک در انتهای نوار نقره بودکه یک ناپیوستگی را ایجاد می کند. این پدیده می ­تواند برای تزویج بین موجبرهای معمولی سه بعدی با موجبرهای پلاسمونیک استفاده شود. در حال حاضر این موضوع تحت بررسی برای طراحی تزویجگر های هایبرید پلاسمونیک است. علاوه­بر این در این پایان ­نامه، ساختارهای متناوب برگ که به عنوان انعکاس­دهنده و فیلتر در مدارهای نوری کاربرد دارند مطالعه می­شوند. ساختارهای هایبرید پلاسمونیک برای طراحی و شبیه­سازی انعکاس­دهنده­های برگ استفاده شد. انعکاس­دهنده­های هایبرید پلاسمونیک بر پایه توری­های سینوسی و دندانه اره­ای بررسی و با توری مستطیلی که پیش از این معرفی شده است مقایسه شد. نشان داده می­شود که توری دندانه اره ای در مقایسه سه توری با هم، مشخصات بهتری از خود نشان می دهد و این توری در مقایسه با توری­های مستطیلی و سینوسی دارای اعوجاج باند عبور کمتر و عرض باند قطع باریکتری را ایجاد می­ کند. همچنین نشان داده می­شود توری سینوسی که می ­تواند به­راحتی با تکنیک­های هولوگرافی ساخته شود، در مقایسه با توری مستطیلی دارای اعوجاج باند عبور کمتر و عرض باند قطع باریکتری است. علاوه بر این، عملیات آپودیزیشن توری دندانه اره­ای هایبرید پلاسمونیک بررسی شد و مشخص شد که با بهره گرفتن از این تکنیک می­توان به کاهش بیشتر اعوجاج در باند عبور و عرض باند قطع رسید.

کلیدواژگان: پلاسمونیک، پلاسمون سطحی، موجبر، فیلتر، انعکاس دهنده برگ.
 
 
 
فهرست مطالب
 
 

عنوانصفحه

 
فصل اول:                مقدمه۲
۱-۱         مقدمه و اهمیت موضوع.۲
۱-۲         بر تاریخچه.۵
۱-۳         پلاریتون و پلاسمون پلاریتون سطحی.۷
۱-۴           پلاسمونیک و اصصل عدم قطعیت (حد پراش)۹
فصل دوم:                                                     مبانی نظری ساختارهای پلاسمون پلاریتون سطحی.۱۴
۲-۱           معادلات ماکسول و انتشار امواج الکترومغناطیسی۱۴
۲-۲           تابع دی‌الکتریک مدل گاز الکترون آزاد فلزات۱۹
۲-۳           مقایسه تابع دی‌الکتریک فلزات واقعی با تابع دی‌الکتریک مدل پلاسما۲۳
۲-۴           بررسی پلاسمون پلاریتون‌های سطحی در مرز فلز-عایق.۲۷
۲-۴-۱    معادله موج۲۷

عنوانصفحه

۲-۵             رابطه پاشندگی پلاسمون پلاریتون‌های سطحی۳۲
۲-۶           گسترش فضایی امواج SPPs.38
۲-۶-۱           عمق نفوذ پلاسمون‌های سطحی۴۰
۲-۶-۲             طول انتشار پلاسمون­های سطحی۴۱
۲-۷             بررسی خواص SPPs در سیستم‌های چند لایه.۴۳
۲-۸             تحریک امواج پلاسمون سطحی در مرزهای مسطح.۵۱
۲-۸-۱             تزویج به کمک منشور(یا به روش بازتابش تضعیف شده کامل (ATR)).52
۲-۸-۲            تزویج با بهره گرفتن از توری.۵۸
۲-۸-۳               تحریک با بهره گرفتن از پرتوهای به شدت کانونی شده.۶۱
۲-۸-۴               تحریک بوسیله میدان نزدیک.۶۳
۲-۸-۵             روش‌های تزویج کردن مناسب پلاسمونها برای مدارات مجتمع از ادوات پلاسمونیکی و فوتونیکی .۶۵
۲-۹             ساختارهای هایبرید پلاسمونیک.۶۷
۲-۹-۱             موجبرهای هایبریدپلاسمونیک: ترکیبی از موجبر دی­الکتریک و موجبرپلاسمونیک. ۶۹
۲-۹-۲             تحلیل نظری موجبرهای هایبرید پلاسمونیک۷۱
۲-۹-۲-۱               توضیح ساختار و روش آنالیز ساختار یک بعدی.۷۲
۲-۹-۲-۲               تحلیل موجبر دو بعدی هایبرید پلاسمونیک۷۸
۲-۹-۲-۳               روش آنالیز و چند تعریف مهم.۸۱

عنوانصفحه

۲-۹-۲-۴               اثر تغییرات برخی پارامترها بر روی میزان بهبود موجبر هایبرید پلاسمونیک۸۲
۲-۱۰           بازتابشکننده یا فیلتر برگ در کاربردهای پلاسمونیک۸۶
۲-۱۰-۱           ساختار فیلترهای برگ IMI89
۲-۱۰-۲           ساختار فیلترهای برگ MIM94
۲-۱۰-۳           ساختار فیلترهای برگ هایبرید پلاسمونیک.۹۷
فصل سوم: ساخت موجبرهای پلاسمونیکی و ایده­ای برای اندازه­گیری طول انتشار پلاسمون­ها ۱۰۷
۳-۱             شبیه سازی ساختار موجبر IMIصفحه ای.۱۰۱
۳-۲             ساخت موجبر صفحهای IMI (هوا –نقره-سیلیکا).۱۰۶
۳-۲-۱             تحریک پلاسمون­های سطحی در موجبر صفحه­ای.۱۰۷
۳-۳             ساخت موجبر کانالی و تحریک پلاسمون های سطحی در آنها۱۱۱
۳-۳-۱               ساخت موجبر کانالی پلاسمون سطحی (سیلیکا-نقره-هوا).۱۱۲
۳-۳-۲               تحریک پلاسمون ها بر روی موجبر کانالی و مشاهده زاویه تزویج۱۱۶
۳-۴             طراحی روشی برای اندازهگیری طول انتشار در ساختارهای IMI پلاسمونیک۱۱۷
۳-۴-۱                 روش و چیدمان اندازه گیری کننده کمره بیم تحریک کننده پلاسمونهای سطحی (بیم رسیده به قاعده منشور)۱۱۹
۳-۴-۲                 ساختار پیشنهادی برای اندازهگیری طول انتشار پلاسمون­های

عنوانصفحه

سطحی.۱۲۱
۳-۴-۳                 تزویج نور به موجبر پلیمری به کمک منشور(بدون لایه نشانی).۱۲۷
۳-۴-۴                 بحث و بررسی داده­ ها و نتایج آزمایش۱۳۰
۳-۴-۵                 راهکارهای افزایش دقت در روش پیشنهادی اندازه ­گیری طول انتشار.۱۳۱
فصل چهارم: شبیه­سازی انعکاس­دهنده برگ هایبرید پلاسمونیک.۱۳۴
۴-۱           شبیه سازی انعکاس­دهنده برگ هایبرید پلاسمونیک با پروفایل مستطیلی۱۳۸
۴-۲           شبیه سازی انعکاس­دهنده برگ هایبرید پلاسمونیک با پروفایل سینوسی.۱۴۰
۴-۳           شبیه سازی انعکاس­دهنده برگ هایبرید پلاسمونیک با پروفایل دندانه اره­ای۱۴۵
۴-۴           شبیه سازی کاهش اعوجاج در انعکاس­دهنده برگ هایبرید پلاسمونیک با پروفایل دندانه اره­ای.۱۴۹
فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادات.۱۵۳
مراجع۱۵۵
 
 
 
 
فهرست جدول­ها
 
 

عنوان وشمارهصفحه

 
جدول ‏۲‑۱: اثرات تغییر در ابعاد مختلف موجبر بر روی مشخصه­های آن۸۴
جدول ‏۳‑۱: مشخصات محیط­های ساختار کرشمن در شبیه­سازی.۱۰۲
جدول ‏۳‑۲: مقادیر زاویه­های تزویج و طول انتشار اندازه ­گیری شده در آنها۱۳۱
جدول ‏۴‑۱: مقادیر محاسبه شده قسمت حقیقی ضریب شکست موثر برای مد هایبرید ساختار، براساس ضخامت لایه گپ و ارتفاع لایه سیلیکن۱۳۶
 
 
 
 
 
 
 
 
 
فهرست شکل­ها
 
 

شماره و عنوانصفحه

 
شکل ‏۱‑۱: نمودار فراوانی تعداد مقالات چاپ شده در مجله NATURE در مباحث پلاسمون و فوتونیک کریستال۷
شکل ‏۱‑۲: سطح عدد موج برای (a)یک امواج اپتیکی سه بعدی (b) امواج اپتیکی دو بعدی۱۰
شکل ‏۱‑۳: نمونه­ای از امواج اپتیکی دو بعدی.۱۱
شکل ‏۲‑۱: تابع دی الکتریک (۲-۲۶)گاز الکترون آزاد (منحنی پیوسته) و نتایج حاصل از اندازه ­گیری­های جانسون و کریستی(منحنی­های نقطه چین).گذار های بین باندی اعتبار مدل درود را در فرکانس­های مرئی و بالاتر محدود می­ کند[۸]۲۴
شکل ‏۲‑۲: قسمت حقیقی(نمودار سمت چپ) و قسمت موهومی(نمودار سمت راست) مربوط به فلز طلا متناظر با معادله (۲-۲۶)۲۵
شکل ‏۲‑۳: قسمت های حقیقی و موهومی فلز نقره. منحنی نقطه چین نتایج حاصل از اندازه گیری جانسون و کریسیتی و منحنی پیوسته نتایج حاصل از مدل درود را نشان می دهد[۸].۲۵
شکل ‏۲‑۴: ساختار یک موجبر مسطح که در آن موج در دستگاه مستطیلی در راستای x منتشر می شود۲۹

شماره و عنوانصفحه

شکل ‏۲‑۵: مرز مشترک بین یک فلز و یک دی­الکتریک ساده­ترین ساختار برای انتشار SPPs است.۳۳
شکل ‏۲‑۶: منحنی پاشندگی برای سطح مشترک یک فلز با مدل درود با ضریب خاموشی ناچیز و دی­الکتریک هوا(منحنی خاکستری رنگ) و دی الکتریک سیلیکا(منحنی سیاه رنگ)۳۷
شکل ‏۲‑۷: رابطه پاشندگی SPPs در مرز نقره-هوا (منحنی خاکستری رنگ) و نقره-سیلیکا (منحنی سیاه رنگ)، با درنظر گرفتن قسمت موهومی تابع دی­الکتریک نقره[۸]۴۲
شکل ‏۲‑۸: ساختار یک سیستم سه لایه که در آن یک لایه نازک(محیط ) بین دو لایه ضخیم(محیط و محیط ) قرار گرفته است۴۳
شکل ‏۲‑۹: نمایش مولفه x میدان الکتریکی برای مدهای زوج و فرد۴۷
شکل ‏۲‑۱۰: منحنی پاشندگی مدهای فرد و زوج برای ساختار سه لایه هوا-نقره-هوا با ضخامت لایه فلزی ۱۰۰nm (منحنی نقطه چین خاکستری رنگ) و با ضخامت ۵۰nm (منحنی نقطه چین سیاه رنگ). همچنین منحنی پاشندگی ساختار پایه نقره-هوا (منحنی پیوسته). برای تابع دی­الکتریک نقره از مدل درود با ترم موهومی ناچیز استفاده شده است۴۸
شکل ‏۲‑۱۱: منحنی پاشندگی برای مد تزویج شده اصلی در ساختار سه لایه نقره-هوا-نقره با ضخامت لایه هوا میانی ۱۰۰ nm (منحنی نقطه چین خاکستری رنگ) و ۵۰ nm (منحنی نقطه چین سیاه رنگ) و ۲۵ nm (منحنی پیوسته سیاه رنگ). همچنین منحنی پاشندگی پلاسمون سطحی در یک سطح مشترک نقره-هوا (منحنی پیوسته خاکستری رنگ) و خط پاشندگی نور در هوا (خط خاکستری رنگ) رسم شده است.۵۰
شکل ‏۲‑۱۲: بازتاب کامل نور در داخل منشور. منشور یک محیط عایق یا تابع دیالکتریک است که اطراف آن هوا یا خلا با تابع دیالکتریک است۵۳
شکل ‏۲‑۱۳: (a) ساختار اتو. یک لایه نازک هوا بین منشور و سطح فلز وجود دارد. (b) منحنی پاشندگی یک سطح مشترک نقره-هوا همراه با خط پاشندگی در هوا (خط چین) و در محیط

شماره و عنوانصفحه

منشوری که از جنس سیلیکا (نقطه چین) است. در نقطه A یک مد SPP با بردار موج   توسط نوری با فرکانس   و زاویه تابش   تحریک شده است.۵۴
شکل ‏۲‑۱۴: (a) ساختار کرشمن-ریچر. فلز بر روی منشور لایه نشانی شده است. (b) منحنی پاشندگی سطح مشترک نقره-هوا و نقره-منشوهمراه با خط پاشندگی نور در هوا (خط چین) و در منشور از جنس سیلیکا (نقطه چین). نور تابشی می تواند یک مد SPP را در نقطه Aتحریک کند۵۵
شکل ‏۲‑۱۵: دیاگرام برداری فرایند تزویج نور روی سطح فلز به کمک توری .۶۰
شکل ‏۲‑۱۶: دیاگرام برداری فرایند دکوپلینگ نور از سطح فلز به کمک توری.۶۰
شکل ‏۲‑۱۷: ساختاری برای تحریک پلاسمون های سطحی با بهره گرفتن از میکروسکوپ شیء و آشکار کردن آن از طریق امواج نشتی۶۲
شکل ‏۲‑۱۸: (a) شدت امواج نشتی ناشی از تحریک توسط میدان با قطبشTM که نشان دهنده انتشار پلاسمونهای سطحی از نقطه تحریک است. (b) با توجه به اینکه تحریک توسط میدان با قطبش TE است تحریک پلاسمونها انجام نشده است۶۳
شکل ‏۲‑۱۹: تحریک پلاسمون­های سطحی با بهره گرفتن از میدان­های نزدیک یک روزنه با ابعاد کوچکتر از طول موج۶۴
شکل ‏۲‑۲۰: یک چیدمان معمول برای اعمال یا اندازه گیری میدان نزدیک یک روزنه با ابعاد کوچکتر از طول موج که برای تحریک و اندازه ­گیری پلاسمون­های سطحی استفاده می­شود. (a) تصویر SEM از روزنه یک پروب. (b)و(c) دو چیدمان معمول از تحریک و آشکارسازی پلاسمون­های سطحی از طریق نور منتشر شده داخل زیرلایه در میدان دور . (d)تصویر یک لایه نازک نقره۶۵
شکل ‏۲‑۲۱: تحریک پلاسمون­های سطحی منتشر شده بر روی سطح موجبر پلاسم.نیک با بهره گرفتن از روش Fiber Taper. شدت توان انتقالی از فیبر در طول موج ۱۵۹۰ nm به شدت

شماره و عنوانصفحه

کاهش یافته که ناشی از تحریک پلاسمون­ها است.۶۷
شکل ‏۲‑۲۲: (a) نمایی از موجبر هایبرید. (b)و(c)توزیع چگالی توان بهترتیب برای مد TM و TE ابعاد موجبر برابر است. (d) توزیع چگالی توان برای مد TM با ابعاد . طول موج نور ۱۵۵۰nm است.۷۰
شکل ‏۲‑۲۳: چگونگی ایجاد یک مد هایبرید با تزویج مدهای دی­الکتریک و پلاسمون سطحی. (a)ساختار موجبر (b) چگالی توان نرمالیزه شده. در این ساختار ابعاد چنین است: . طول موج نورنیز ۱۵۵۰nm می­باشد.۷۲
شکل ‏۲‑۲۴: مقایسه توزیع چگالی توان نرمالیزه شده برای مد هایبرید و مد پلاسمون سطحی با تلف انتشاری یکسان۷۳
شکل ‏۲‑۲۵: ساختار پایه موجبر هایبرید پلاسمونیک.۷۷
شکل ‏۲‑۲۶: (a)ساختار موجبر هایبرید پلاسمونیک دو بعدی. (b)چگالی توان نرمالیزه شده در موجبر۷۹
شکل ‏۲‑۲۷: ساختارهای گوناگون هایبرید پلاسمونیک که در سال­های اخیر معرفی شده ­اند.۸۰
شکل ‏۲‑۲۸: اثرات تغییرات عرض موجبر و ارتفاع لایه گپ برای . (a) قسمت حقیقی ضریب شکست موثر (b) طول انتشار بر حسب میکرومتر (c) اندازه مد.۸۳
شکل ‏۲‑۲۹: اثرات تغییرات عرض موجبر و ارتفاع لایه گپ برای . (a) قسمت حقیقی ضریب شکست موثر (b) طول انتشار بر حسب میکرومتر (c) اندازه مد.۸۳
شکل ‏۲‑۳۰: تغییرات (a) اندازه مدی (b)طول انتشار و قسمت حقیقی ضریب شکست موثر بر حسب تغییر طول موج برای موجبر هایبرید پلاسمونیک با ابعاد .۸۵
شکل ‏۲‑۳۱: نمایی از ساختار و عملکرد فیلتر برگ در طول موج­های باند عبور و باند قطع۸۶

شماره و عنوانصفحه

شکل ‏۲‑۳۲: گستره طیفی بازتابشی یک فیلتر برگ برحسب طول­موج و نوار گاف مرکزی آن.۸۸
شکل ‏۲‑۳۳: گستره طیفی بازتابشی یک فیلتر برگ با یک نقص در مرکز آن برحسب طول­موج و تشکیل یک حفره تشدید در مرکز نوار گاف آن.۸۹
شکل ‏۲‑۳۴: ساختارهای فیلتر برگ IMI (a)توری گاف فلزی. (b) توری عرض پله ای نوار فلزی و (c) تعریف مشخصات دوره تناوب آن.۹۰
شکل ‏۲‑۳۵: پاسخ طیفی فیلتر برگ IMI گاف فلزی در طول توری­های مختلف (a)منحنی انتقال (b)منحنی بازتابش.۹۲
شکل ‏۲‑۳۶: پاسخ طیفی فیلتر برگ IMI عرض پله ای نوار فلزی در طول توری­های مختلف (a)منجنی انتقال (b)منحنی بازتابش۹۳
شکل ‏۲‑۳۷: دو ساختار معمول فیلتر برگ MIM. (a) ساختار توری گاف دی­الکتریک (b) ساختار توری پله­ای نوار دی­الکتریک۹۴
شکل ‏۲‑۳۸: (a) ساختار یک دوره تناوب توری گاف دی­الکتریک (b) ساختار یک دوره تناوب توری پله­ای نوار دی­الکتریک (c) تابع انتقال آنها بر اساس مشخصات ابعادی مختلف ساختار MIM96
شکل ‏۲‑۳۹: ساختار فیلتر برگ هایبرید پلاسمونیک همراه با نمایش یک دوره تناوب آن.۹۸
شکل ‏۲‑۴۰: نمودار طیف انتقال برحسب طولموج فیلتر برگ هایبرید پلاسمونیک در سه مقدار متفاوت ۹۹
شکل ‏۳‑۱: نمودار طول انتشار بر حسب طول موج تحریک برای فلزات نجیب. داده ها بر اساس ضریب شکست­های ارائه شده توسط پالیک[۱۱, ۳۵] و جانسون-کریستی [۱۰] می­باشد۱۰۳
شکل ‏۳‑۲: ساختار کرشمن پیاده­سازی شده در نرم افزار همراه با لایه PML در اطراف آن.۱۰۴
شکل ‏۳‑۳: مولفه z میدان مغناطیسی (a)ساختار کرشمن بدون مرز PMC (b) همراه با مرزPMC و بهبود نمایش میدان ۱۰۶
شکل ‏۳‑۴: چیدمان آزمایشگاهی تحریک پلاسمون­های سطحی با ساختار کرشمن.۱۰۹

شماره و عنوانصفحه

شکل ‏۳‑۵: شدت بازتابش از سطح موجبر صفحه ای برحسب تغییر زاویه ی تابش۱۱۱
شکل ‏۳‑۶: مراحل لایه­نشانی موجبر کانالی به روش لیتوگرافی (a) ویفر سیلیکن-سیلیکا.(b) لایه نشانی ماده فوتورزیست بر روی زیرلایه. (c)و (d) نوشتن موجبرکانالی به عرض ۸ میکرومتر بر روی ماده فوتورزیست. (e) لایه نشانی کروم و نقره بر روی ماده فوتورزیست . (f) پاک کردن قسمت­های تحت تابش نبوده ماده فوتورزیست و باقی ماندن نوار فلزی . (g) ایجاد موجبر سیلیکا-نقره-هوا.۱۱۳
شکل ‏۳‑۷: دستگاه لایه نشانی چرخشی و محل قرار گرفتن زیرلایه۱۱۴
شکل ‏۳‑۸: چیدمان موجبر نویس با بهره گرفتن از تابش مستقیم بیم باریک شده لیزر.۱۱۴
شکل ‏۳‑۹: تصویر موجبر پلاسمونیکی با پهنای ۸ میکرومتر و ضخامت ۴۰نانومتر که در شکل به صورت نوار روشن قابل رویت است.۱۱۵
شکل ‏۳‑۱۰: شدت بازتابش از سطح موجبر کانالی با پهنای ۸ میکرومتر برحسب تغییر زاویه تابش و مشاهده زاویه تزویج۱۱۶
شکل ‏۳‑۱۱: چیدمان آزمایشگاهی لازم برای اندازه ­گیری کمره بیم تابیده شده به قاعده منشور.۱۱۹
شکل ‏۳‑۱۲: نمودار شدت بیم رسیده به آشکارساز بر حسب تفییر فاصله زاویه قائم منشور از محل تابش بیم به قاعده آن.۱۲۰
شکل ‏۳‑۱۳: منشور قائم الزاویه SF6 که کروم و نقره بر روی قاعده آن لایه نشانی شده است.۱۲۱
شکل ‏۳‑۱۴: چیدمان آزمایشگاهی اندازه ­گیری زاویه های تزویج با ساختار اتو در موجبر (منشور-نقره-پلیمر).۱۲۲
شکل ‏۳‑۱۵: نمودار شدت پرتو بازتابش شده ار قاعده منشور و رسیده به آشکار­ساز در چیدمان شکل (۳-۱۴)، برحسب زاویه­های تابش نور به منشور.۱۲۳
شکل ‏۳‑۱۶: تصویر مادون قرمز مد نوری انتشاری در موجبر پلیمری که توسط پلاسمون­های سطحی تحریک شده است۱۲۴

شماره و عنوانصفحه

شکل ‏۳‑۱۷: چیدمان اندازه ­گیری شدت مد نوری ناشی از پراکندگی SPPs.125
شکل ‏۳‑۱۸: تصویر چیدمان شکل (۳-۱۷) در آزمایشگاه.۱۲۶
شکل ‏۳‑۱۹: نمودار تغییرات شدت بیم رسیده به آشکارساز در چیدمان شکل (۳-۱۷) برحسب فاصله محل تحریک پلاسمون­ها از نقطه ناپیوستگی در زاویه تزویج ۳۲ درجه۱۲۶
شکل ‏۳‑۲۰: نمودار تغییرات شدت بیم رسیده به آشکارساز در چیدمان شکل (۳-۱۷) برحسب فاصله محل تحریک پلاسمونها از نقطه ناپیوستگی در زاویه تزویج ۳۵ درجه۱۲۷
شکل ‏۳‑۲۱: نمودار شدت پرتو بازتابش شده ار قاعده منشور و رسیده به آشکارساز در چیدمان شکل ((۳-۱۴)که منشور بدون لایه­نشانی فلزی باشد)، برحسب زاویه­های تابش نور به منشور۱۲۸
شکل ‏۳‑۲۲: نمودار شدت نور خروجی از موجبر پلیمری برحسب فاصله بین زاویه قائم منشور و محل ایجاد بازتابش داخلی کامل، در زاویه تزویج ۳۴ درجه.۱۲۹
شکل ‏۳‑۲۳: نمودار شدت نور خروجی از موجبر پلیمری برحسب فاصله بین زاویه قائم منشور و محل ایجاد بازتابش داخلی کامل، در زاویه تزویج ۳۶ درجه.۱۳۰
شکل ‏۴‑۱: فیلتر برگ هایبرید پلاسمونیک با پروفایل مستطیلی. (a) مشخصات یک دوره تناوب توری (b)ساختار توری برگ با ۱۸ دوره تناوب.۱۳۴
شکل ‏۴‑۲: نمودار زمانی تابع موج تابش شده به ساختار فیلتر برگ هایبرید پلاسمونیک.۱۳۷
شکل ‏۴‑۳: نمودار طیف انتقال فیلتر برگ هایبرید پلاسمونیک با پروفایل مستطیلی برای سه حالت مختلف ۱۳۹
شکل ‏۴‑۴: فیلتر برگ هایبرید پلاسمونیک با پروفایل سینوسی. (a) مشخصات یک دوره تناوب توری (b)ساختار توری برگ با ۱۸ دوره تناوب۱۴۰
شکل ‏۴‑۵: مقایسه طیف انتقال مربوط به ساختار HPBR با پروفایل سینوسی با ساختار با پروفایل مستطیلی (a) (b) (c) .142
شکل ‏۴‑۶: دامنه نرمالیزه شده میدان الکتریکی در راستای قطبش اعمالی، برای مد هایبرید پلاسمونیک ایجاد شده در ساختارهای HPBR با پروفایل­های مستطیلی و سینوسی،

شماره و عنوانصفحه

۱۴۳
شکل ‏۴‑۷: توزیع اندازه بردار پوینتینگ درجهت انتشاری Z در طول­موج­های تابش شده (a) 1480nm (b) 1550nm (c) 1720nm در ساختار با پروفایل سینوسی۱۴۴
شکل ‏۴‑۸: فیلتر برگ هایبرید پلاسمونیک با پروفایل دندانه اره­ای. (a) مشخصات یک دوره تناوب توری (b)ساختار توری برگ با ۱۸ دوره تناوب.۱۴۵
شکل ‏۴‑۹: مقایسه طیف انتقال مربوط به ساختار HPBR با پروفایل دندانه اره­ای با ساختارهای با پروفایل مستطیلی و سینوسی (a) (b) (c) 147
شکل ‏۴‑۱۰: دامنه نرمالیزه شده میدان الکتریکی در راستای قطبش اعمالی، برای مد هایبرید پلاسمونیک ایجاد شده در ساختارهای HPBR با پروفایل­های مستطیلی و سینوسی و دندانه اره­ای، .۱۴۸
شکل ‏۴‑۱۱: توزیع اندازه بردار پوینتینگ درجهت انتشاری Z در طول­موج­های تابش­شده (a)1480nm (b) 1550nm (c) 1720nm در ساختار با پروفایل دندانه اره­ای۱۴۹
شکل ‏۴‑۱۲: ساختار فیلتر برگ هایبرید پلاسمونیک دندانه اره­ای با عملیات آپودیزشن۱۵۰
شکل ‏۴‑۱۳: نمودار طیف انتقال ساختار دندانه ارهای و ساختار دندانه اره­ای آپودایز شده در حالت ۱۵۱
 
 
 
 
 
 
 
 
فصل اول
 
مقدمه
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

۱                    مقدمه

۱-۱                 مقدمه و اهمیت موضوع

اپتیک یکی از شاخه­های علم است که قبل از تعریف نور به صورت بسته­های فوتون پیشرفت­های زیادی کرده بود. تعریف نور به صورت امواج الکترومغناطیسی با طول­موج­های معین، کمک شایانی به گسترش این علم داشته است. فوتونیک نام دیگری برای این علم بود که با تعریف ذره­ای نور، به میان آمد. در این تعریف نور را به صورت بسته ای از ذرات بدون جرم با تکانه[۱]مشخص بیان کردند. بنابراین خواص موجی و ذره ای نور هر دو باعث گسترش علم نور یا اپتیک شدند. پیشرفت تکنولوژی، کاربرد نور را در زمینه های مخابراتی ، شناسایی مواد، حسگر های زیستی و مدارات با ابعاد نانومتری وسیع­تر کرده است.
مدارات مجتمع نوری از جمله بحث­هایی است که با پیشرفت علم اپتیک مورد توجه فراوان محققان قرار گرفت. البته در کوچک­سازی ادوات نوری محدودیت­های بنیادی مشاهده شد. مهم­ترین این محدودیت­ها چنین بیان می­کرد که نور نمی­تواند در مکان یا فضا در ابعاد کمتری از طول موج جایگزیده شود. دانشمندان در استدال­های فیزیکی خود کمترین حدی برای این جایگزیدگی مشخص کردند. این کمترین حد برای کوچک کردن ابعاد قطعات و دقت[۲] مشاهده اشیا، حد پراش[۳] نام­گذاری شد.
پلاسمون­های سطحی (مباحث نظری آن در فصل­های آتی بیان می شود) که با نام کامل پلاسمون پلاریتون­های سطحی[۴] (SSP) تعریف شده ­اند، امواج الکترومغناطیسی سطحی هستند که به موازات سطح مشترک فلز-دی الکتریک منتشر می­شوند. تعریف کامل این امواج اولین بار در سال ۱۹۵۷ میلادی( ذکر سال­ها در متن همگی به میلادی است) توسط آقای ریتچر[۵] به­طور کامل با کاربرد اپتیکی معرفی شدند. این امواج در دهه­های اخیر کاندیدای کاهش ابعاد اپتیک به دو بعد شده ­اند به­ طوری که توانایی گذشتن از حد پراش (که در ادامه توضیح داده خواهد شد) را دارند [۱].
برتری­های ساخت ادوات نوری با ابعاد میکرومتری و نانومتری همراه با پشرفت تکنولوژی­های نمایش مانند نمایش میدان نزدیک اپتیکی[۶](SNOM) باعث توجه بیشتر به تحقیقات در این حوزه از فوتونیک شده است. این حوزه را بخاطر ابعاد نانومتری عناصر آن نانوفوتونیک و پلاسمونیک می­نامند.
پلاسمونیک حوزه­ای است که با خواص الکترومغناطیسی خود بعضی از ویژگی­های الکترونیک را دارد. انتقال اطلاعات در این حوزه در مقایسه با الکترونیک، با فرکانس­های خیلی بالاتر انجام می­شود و پهنای باند خیلی بیشتری قابل دسترسی است. اپتیک نیاز به خطوط موجبری بزرگتری نسبت ابعاد نانو دارد که با توجه به محدودیت حد پراش کوچک­سازی قطعات موجبری با مشکل مواجه می­شود.
مدارات الکترونیکی نیز از ابعاد بزرگتری نسبت به اداوات اپتیکی تشکیل می­شوند. علاوه­بر­این، در مدار­های الکترونیکی در تبادل داده بین مبدا و مقصد، تاخیری ایجاد می­شود که سرعت مدار­ها با کاهش شدیدی روبرو می­شود. در مدار­های اپتیکی این سرعت افزایش می­یابد علاوه­بر اینکه ظرفیت خط انتقال هم افزایش پیدا می­ کند. ولی همچنان مشکل حد پراش مانع اصلی در کوچک­سازی مدارها می­باشد.
پلاسمونیک پهنای باند اپتیکی را با ابعاد کمتر از حد پراش معرفی می­ کند. بنابراین می ­تواند اپتیک و عناصر آن را با پهنای باند خیلی بزرگتر و موجبرهای خیلی کوچک ریزسازی کند. پس همه مزیت­ها و خواص مدار­های الکترونیکی و اپتیکی را با هم ترکیب می­ کند. این تکنولوژی نیاز به توسعه بیشتری دارد چرا که دارای معایبی مانند طول انتشار کم امواج پلاسمون سطحی است.
در سال­های اخیر تحقیقات زیادی برای کم کردن معایب این امواج با بهره گرفتن از خواص مواد در تقویت امواج و ساختار­های هایبرید[۷] شروع شده­است. اندازه ­گیری­ها نیز در علم پلاسمونیک پیچیدگی زیادی به خود گرفته است. به همین خاطر بخشی از تحقیقات نیز صرف ساده سازی اندازه ­گیری­ها از طریق ویژگی­های ذاتی این امواج در مشاهده پلاسمون­ها و اندازه ­گیری طول انتشار آنها می­شود.
هدف از انجام این پایان ­نامه طراحی و شبیه­سازی فیلترهای پلاسمونیک برگ برای کاربرد در مدارهای پسیو بود. لذا در این پایان ­نامه بعد از بر تاریچه علم پلاسمونیک و تعریف اجمالی پلاسمون پلاریتون­های سطحی به معرفی حد پراش و شکستن آن توسط علم پلاسمونیک می­پردازیم. در فصل دوم تئوری مربوط به پلاسمون­های سطحی در ساختار های مختلف بیان می­شود. البته با توجه به هدف از انجام این پایان ­نامه که بررسی ساخت فیلتر­های IMI برگ[۸] بود که با توجه به محدودیت زمانی تا مرحله ساخت موجبر IMI برای اولین بار در کشور ومعرفی روشی جدید اندازه ­گیری طول انتشار پیشرفت حاصل شد. در فصل سوم آزمایش­های انجام شده درباره تحریک پلاسمون­ها و ایده روشی جدید در اندازه ­گیری طول انتشار آنها ذکر می­شود. در فصل چهارم نیز شبیه­سازی فیلتر های برگ هایبرید پلاسمونیک تشریح می­شود.

۱-۲                 بر تاریخچه

امواج سطحی الکترومغناطیسی که در این پایان نامه به نوع خاصی از آن پرداخته می­شود، می­توانند در امتداد سطح مشترک دو محیط غیرمتشابه حرکت کنند. این امواج در یک قرن گذشته مورد بررسی قرار گرفته­اند.
زنیک[۹] درسال ۱۹۰۹ میلادی در خلال بحث­های مخابرات رادیویی اطراف کره زمین زمانی که نیمه بالایی فضا را دی­الکتریک و زمین را هادی فرض کرده بود، با چگونگی انتشار این امواج مواجه شد[۲]. چنین موج مشابه­ای با تزویج پرتو الکترومغناطیسی به چگالی بارهای نوسانی در فلزات می ­تواند در سطح مشترک فلز-دی­الکتریک انتشار یابد. البته بعضی از محققان این مد را به عنوان یک موج صوتی که در مدل گاز الکترون آزاد دریای الکترونی فلزات منتشر می شوند ، معرفی کردند[۳].
فانو[۱۰] در سال ۱۹۴۱ تشخیص دادکه امواج سطحی که در سطح مشترک فلز و دی­الکتریک منتشر می­شوند مشابه نمونه­ای از امواجی است که سال­های قبل توسط زنیک و بعد از آن توسط سامرفیلد[۱۱] در سال ۱۹۰۹معرفی شده بودند. تئوری فانو به صورت کامل همراه با روش های آزمایشگاهی در سال ۱۹۶۷ توسط ریچر و بعد از آن توسط بیگلهل[۱۲] اثبات شد. آنها به­طور جداگانه و با آزمایش­های منسجم تحریک پلاسمون­های سطحی را به روش­های الکترونی و نوری بیان کردند. ریچر توانست به کمک آزمایش رابطه پاشندگی[۱۳] پلاسمون­های سطحی را بدست آورد. او این کار را برای پرتو فرودی با قطبش موازی [۱۴]انجام داده بود درحالی که بیگلهل برای هر دو قطبش موازی و عمودی[۱۵] انجام داد [۱].
بعد از تحقیقات دهه ۱۹۶۰ بود که جذابیت امواج پلاسمون سطحی برای محققان بیشتر شد. آنها مشاهده کردند که شدت این امواج که در نزدیکی سطح فلز ایجاد می­شود می ­تواند بر اثر تغییر محیط تغییر کند. لذا می­توانند برای شناسایی تغییرات اندک ثابت دی­الکتریکی ناشی از لایه­نشانی مولکولی روی سطح بکار رود. این امواج همچنین به عنوان عامل اصلی بهبود در پراکندگی رامان[۱۶] شناخته شده ­اند که امروزه دانشمندان برای یافتن ساختار­های شیمیایی مواد حتی در ابعاد تک مولکولی از آن استفاده می­ کنند[۴].
در دهه­های ۱۹۸۰ و ۱۹۹۰ پیشرفت­هایی که در زمینه پلاسمونیک انجام می­شد مربوط به بحث­های بنیادی بود. از جمله این بحث­ها کار روی بهبود سطحی پراکندگی رامان[۱۷] بود. علاوه­براین، با پیشرفت­هایی که برای ابزار های تشخیص ساختار (مانند Scanning Electron And Atomic Force Microscopy) و تکنیک­های ساخت (مانند لیتوگرافی بیم-الکترونی و بیم-یونی[۱۸] و تصویر برداری نانومتری با نور[۱۹]) انجام شد، زمینه تحقیقات گسترده­تر و از فراوانی بالایی برخوردار شد. در نزدیکی سال ۲۰۰۱ حجم تحقیقات نسبت به سال ۱۹۹۰ پنج برابر شد این درحالی است که تعدادمقالات ارائه شده در سال ۲۰۱۱نیز پنج برابر آمار دهه قبل از آن بود. درسال­های اخیر نیز پلاسمونیک از زمینه ­های پرطرفدار و با تحقیقات گسترده در اپتیک شده است.
درمقایسه با پلاسمونیک، از دیگر زمینه ­های پرتحقیق در اپتیک مباحث مربوط به فوتونیک کرستال[۲۰] است. نمودار شکل (‏۱-۱)تعداد مقالات مبحث پلاسمون[۲۱] و مقالات فوتونیک کریستال را نشان می دهد. این آمار و نمودار توسط مجله نیچر[۲۲] در سال ۲۰۱۲ ارائه شده است. این نمودار عرصه وسیع تحقیقات در زمینه پلاسمونیک با وجود معایب در دست تحقیق آن را نشان می­دهد.
 
۱ Momentum
[۲] Resolution
[۳] Diffraction Limit
[۴] Surface Plasmon Polariton
[۵] R. H. Raetcher
[۶] Scanning Near Field Optical Microscopy
[۷] Hybrid
[۸] Insulator-mMetal-Insulator Brag Reflector
[۹] Zenneck
[۱۰] Fano
[۱۱] Sommerfeld
[۱۲] Beaglehole
[۱۳] Dispersion Relation
[۱۴] P-Polaraized
[۱۵] S-Polarized
[۱۶] Raman Scattering
[۱۷] Surface-Enhanced Raman Scattering
[۱۸] Electron-Beam And Ion-Beam Lithography
[۱۹] Near-Field Scanning Microscopy
[۲۰] Photonic Crystal
[۲۱] Plasmon
[۲۲] Nature Journal
***ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل و با فرمت ورد موجود است***

متن کامل را می توانید دانلود نمائید

99