عنوان

طراحی و شبیه سازی نانولیزرهای پلاسمونیکی زیرطول موجی

‭۱۸۳۵۰پ‬

per

طراحی و شبیه سازی نانولیزرهای پلاسمونیکی زیرطول موجی

/محمد ایوبی

: مهندسی فناوریهای نوین

، ‮‭۱۳۹۶‬

، راشدی

چاپی

کارشناسی ارشد

مهندسی نانوفناورری گرایش مهندسی نانوالکترونیک

‮‭۱۳۹۶/۰۶/۱۹‬

تبریز

با توجه به این که درلیزرهای معمولی، محدوده‌ی پراش مد نوری در بازه نصف طول موج نور می‌باشد، متراکم سازی اندازه‌ی ابعاد لیزر با چالش‌های اساسی مواجه می‌شود .باید دنبال راه کاری بود که بتوان لیزرهایی متراکم با میدان‌های نوری همدوس در مقیاس نانومتری در بازه‌ای بسیار کوچک‌تر از محدوده‌ی پراش لیزرهای معمولی طراحی کرد .پلاسمون‌های سطحی ‮‭(sp)‬راه حلی برای شکستن این محدوده‌ی پراش از طریق انتقال انرژی نوری ذخیره شده به مجموعه الکترون‌های آزاد نوسان کننده در فصل مشترک عایق-فلز هستند .نانولیزرهای پلاسمون سطحی اخیرا به خاطر توانایی بی‌نظیرشان در تولید منابع نور همدوس و اندرکنش نور- ماده‌ی شدید، توجه زیادی را به خود جلب کرده‌اند .لیزینگ ‮‭sp‬ شامل پلاسمون سطحی موضعی‮‭(LSP)‬ و پلاسمون-پلاریتون سطحی انتشاری ‮‭(PSPP)‬است که در ساختارهایی همانند نانوکره‌صهای فلزی، نانو رزوناتور های با پوشش فلزی، نانوموجبرهای عایق-فلز و کریستال‌های پلاسمونیکی تزویج شده و ...پدید می‌صآید .لیزر موجبری پلاسمونیکی پیوندی با حبس انرژی الکترومغناطیسی داخل لایه‌صی عایق با ابعاد خیلی کم‌تر از طول موج و حاوی‮‭spp‬ های انتشاری، کاربرد مهمی در اطلاعات کوانتومی و بیوفتونیک دارد که اندرکنش شدید نور- ماده، ذخیره سازی انرژی بالا، تلفات پراکندگی پایین و فاکتور کیفیت نسبی بالایی را ارائه می‌دهد .در این پایان‌نامه ابتدا مرور کلی بر انواع نانولیزرهای پلاسمونیکی داشته‌ایم، ساختار نانو لیزرهای موجبری پلاسمونیکی پیوندی زیرطول‌موجی معینی را مدل سازی و روابط حاکم بر عملکرد آن‌ها را تحلیل کرده‌ایم .نوع ساختارهای موجبری مورد نظر در این پایان‌نامه فلز-عایق-نیمه‌هادی ‮‭(MIS)‬می‌باشد که با استفاده از تغییراتی در بستر و ماده‌ی بهره یا جنس کاواک و یا اعمال تغییراتی در ابعاد ساختار افزاره و در نتیجه مقایسه‌ی طراحی‌های مختلف سعی بر آن شده‌است تا نتایج شبیه‌سازی و پارامترهای اساسی موردنظر بهبود یابد .در این تحقیق، ابتدا ساختار ‮‭ZnO/SiO۲/Ag‬ را بررسی کردیم و با تغییر در ابعاد ساختار و همچنین، خواص نوری آن نسبت به پژوهش‌صهای قبل، پارامترهای اساسی از جمله فاکتور محصوریت و بهره شفافیت بهبود یافتند و شاهد افت بهره شفافیت از ‮‭۱۷۰‬ به ‮‭۱۲۸‬ و افزایش فاکتور محصوریت از ‮‭۲.۵‬ به ‮‭۳.۱۹‬ در ضخامت‮‭۵‬ نانومتر لایه عایق بودیم .سپس، ساختار ‮‭GaAs/SiO۲/Ag‬ را طراحی کردیم، که در بازه‌صی مرئی لیزینگ انجام می‌صدهد و فاکتور محصوریت و بازده کوپلینگ خیلی بالایی را نتیجه می‌صدهد .ساختار طراحی شده‌صی بعدی، ‮‭ZnO/LiF/Ag‬است که در این ساختار، ماده‌صی جداکننده‌صی عایق نسبت به ساختار اول تغییر یافته و ماده‌صی بهره همان نانوسیم روی مونو-اکساید ‮‭(ZnO)‬است .ماده‌صی عایق لیتیم فلوراید ‮‭(LiF)‬در مقایسه با سیلیکون دی-اکسید ‮‭(SiO۲)‬در بازه-ی طول موج فرابنفش و مرئی‮‭۶۰۰) -(۲۰۰‬قوی‌صتر عمل می‌صکند و ضریب شکست مؤثر و در نتیجه حبس بالایی را نتیجه می‌صدهد .به طوری که برای ضخامت لایه عایق‮‭۵‬ نانومتر، شاهد فاکتور محصوریت بهبود یافته ‮‭۵.۲۹۸‬ و بهره شفافیت مناسب ‮‭۱۵۱‬ هستیم .برای این ساختار مشخصه‌صهای مد پلاسمون-پلاریتون سطحی و همچنین، بهره و توان آستانه محاسبه شده است .سرانجام، ساختار نانولیزر پلاسمونیکی ‮‭ZnSe/LiF/Ag‬ را طراحی و توزیع مد پلاسمون-پلاریتون سطحی آن را برای دو ضخامت لایه عایق ‮‭۲‬ و ‮‭۵‬ نانومتر شبیه سازی کردیم .مشاهده شد که مواد نیمه هادی گروه‮‭۲‬ - ‮‭۶‬جدول تناوبی به دلیل ضریب جذب بالا و در نتیجه اندرکنش شدید، بهترین بازده را دارند

As regards, in the conventional lasers diffraction-limit of the optical mode is within half of the wavelength of light, so, compacting the physical size of laser is faced with fundamental challenges. Once should find the solution that able to design ultra-compacted lasers with restricted coherent optical fields at the nano- scale, far beyond the diffraction limit. Surface plasmon polaritons are the key to breaking down the diffraction limit of conventional optics because they allow the compact storage of optical energy in free-electrons oscillations at the interfaces of metals and dielectrics. SP nanolaser has recently attracted considerable interest due to its unprecedented capability of generating intense coherent light sources and in the deepsubwavelength regime and strong light-matter interaction. The lasing of SP, including localized surface plasmon (LSP) and propagating surface plasmon polariton (SPP), has been demonstrated in metal nanosphere cavities, metal-cladding nanoresonators metal-dielectric nanowaveguides and coupled plasmonic crystal and so on. The hybrid plasmonic waveguide laser device, through confining electromagnetic energy into a deep-subwavelength insulator layer with propagating SPP, exhibits particular important applications in quantum information and biophotonics for straightforward propagating route, low dissipation loss and relatively high Quality factor. In this thesis, the first we have had the general review to the tapes of plasmonic nanolasers, we design the specific deep sub-wavelength hybrid plasmonic waveguide nanolaser and analyzed the relations that governing their performance.the type of waveguide structures in this thesis is metal-insulator-semiconductor(MIS), that with Changing in substrate and material gain or kind of cavity or in the dimensions of the structure of the device, and as a result of the comparison of different designs, tried to improve the simulation results and the basic parameters. In this paper, the first we analized the ZnO/SiO2/Ag structure and changing in the size of structure and its optical properties compared with before researches, were improved the basic parameters such as confinement factor and transparency gain and fell down transparency gain from 170 to 128 and rose confinement factor from 2.5 to3.19 for 5nm thickness of insulator layer. Then, we design the GaAs/SiO2/Ag structure that does lasing in the visible wavelength and results very high confinement fector and coopling efficiency. Next designed structure is ZnO/LiF/Ag that in it has been changed gap insulator layer rather than the first structure but the same gain material. The LiF layer acts beter than SiO2 layer in the visible and ultraviolet wavelength (200-600) and resulting high effective index and confinement. Therefore, for 5nm thickness of insulator layer, we achieved the enhanced confinement factor and transparency gain respectively, about 5.298 and 151. Also, for this structure, was computed the surface plasmon-polariton mode characteristics and threshold gain and power. Finally, we designed the ZnSe/LiF/Ag nanolaser structure and simulated surface plasmon-polariton mode profile for two thickness of 2,5nm insulator layer. Hence, the semiconductor materials of 2-6 alternative table group due to high absorbtion cofficient, so intense reaction have the best efficiency

ایوبی، محمد

گل محمدی، سعید، استاد راهنما

کیانی، غلامرضا، استاد راهنما

دکتر حامد باغبان، استاد مشاور

سیاه و سفید

نمایه‌سازی قبلی