عنوان

تحقق شفافيت القايي پلاسموني با طراحي يك نانوساختار هيبريدي گرافن-فلز براي كاربرد مدارات مجتمع نانوفتونيكي

Number

پ۲۸۱۹۶

.Language of Text, Soundtrack etc

per

Title Proper

تحقق شفافيت القايي پلاسموني با طراحي يك نانوساختار هيبريدي گرافن-فلز براي كاربرد مدارات مجتمع نانوفتونيكي

First Statement of Responsibility

مهشید زند مشایخی

Name of Publisher, Distributor, etc.

مهندسی برق و کامپیوتر

Date of Publication, Distribution, etc.

۱۴۰۱

Specific Material Designation and Extent of Item

۱۳۴

Accompanying Material

سی دی

Dissertation or thesis details and type of degree

دکتری

Discipline of degree

مهندسی برق – الكترونيك-طراحي مدارات مجتمع نوري

Date of degree

۱۴۰۱/۱۱/۱۴

Text of Note

شفافیت القایی پلاسمونیکی (PIT) مشابه کلاسیکی شفافیت القایی الکترومغناطیسی (EIT) است. EIT به‌عنوان یک پدیده کوانتوم مکانیکی، به‌وسیله تداخل مخرب بین مسیر‌های نوری متفاوت در یک سيستم اتمي تحریک شده، شکل می‌گیرد و در نتیجه منجر‌به از بین بردن جذب در يك پنجره فرکانسی به‌نام EIT می‌شود. شفافیت القایی پلاسمونیکی به‌عنوان یک اثر کلاسیکی در ساختار‌های مبتنی بر فراماده‌ها تحقق می‌یابد، که به‌دلیل انجام پذیر‌بودن در دمای اتاق و احتیاج نداشتن به سیگنال پمپ، در کاربرد‌های عملی نانوفتونیک بسیار مورد توجه می‌باشد. در کاربرد‌های عملی، مدولاسیون اکتیو PIT و در نتیجه تأخیر گروه که به‌خوبی از طریق عامل خارجی کنترل شود، بسیار مورد توجه است. یکی از بهترین روش‌ها جهت تنظیم پنجره شفافیت، استفاده از گرافن در ساختار مورد نظر است. شفافیت القایی پلاسمونیکی ناشی از بر همکنش میدان نزدیک دو رزوناتور است، که به‌ناچار منجر‌به از دست دادن تنظیم پذیری سیستم می‌شود. تنظیم پذیری بر اساس تغییر در پارامتر‌های هندسی ساختار و همچنین تغییر نوع ماده به‌طور وسیعی در کار‌های قبلی نشان داده شده ‌است. به‌دلیل این‌که این روش تنظیم پذیری، برای یک نمونه ساخته شده امکان‌پذیر نمی‌باشد، در کاربرد‌های عملی این روش مطلوب نمی‌باشد. از طرفی، ادوات پلاسمونیکی اکتیو، با پاسخ قابل کنترل از طریق عامل خارجی، برای تحقق مدار‌های پلاسمونیکی حیاتی هستند. در این رساله، هدف ایجاد یک پنجره شفافیت تنظیم پذیر فعال می‌باشد؛ که‌ بتوان از آن، در طراحی ادوات نوری تنظیم پذیر از جمله مدولاتورهای نوری، سوییچ‌های نوری و ادوات کاهش سرعت نور استفاده نمود.در این کار، شبیه‌سازی‌های سه‌بعدی انجام شده توسط روش عددی FDTD صورت گرفته؛ ابتدا یک ساختار فراماده هیبریدی فلز-گرافن دو لایه به‌منظور طراحی مدولاتور دامنه در باند c و o مخابراتی، با کمک اثر شفافیت القایی مورد بررسی قرار گرفت. رزوناتور‌های فلزی در این کار ازجنس طلا هستند. با قراردادن یک صفحه گرافن دو لایه در زیر رزوناتور‌های فلزی روشن و همچنین یک صفحه گرافن دو لایه دیگر در بالای رزوناتور‌های تاریک در فراماده فلزی، می‌توان به‌صورت دینامیکی طیف گذر و همچنین تأخیر گروه ساختار مورد نظر را در ناحیه مادون قرمز نزدیک کنترل نمود. توسط این ساختار توانسته‌ایم به ماکزیمم عمق مدولاسیون 90% در طول موج مخابراتی nm 1554 و ماکزیمم عمق مدولاسیون 85% در طول موج nm 1307 به‌طور هم‌زمان دست پیدا کنیم. این متامتریال هیبریدی با داشتن پاسخ قابل کنترل توسط ولتاژ گیت، می‌تواند کاربرد وسیعی در طراحی افزار‌های نوری از جمله سوییچ‌ها، دیوایس‌های کاهش‌دهنده سرعت نور و مدولاتور‌های اکتیو داشته باشد. ساختار دیگر مورد بررسی در این رساله، ساختار فراماده مسطح هیبریدی متشکل از دو رینگ مستطیلی و یک رینگ دایروی از جنس طلا می‌باشد که بر روی آن یک صفحه گرافن 4 لایه قرار داده شده است. در این کار نیز توانستیم با کمک اثر شفافیت القا‌ شده پلاسمونیکی تنظیم پذیر با تغییر انرژی فرمی گرافن 4 لایه، به ماکزیمم عمق مدولاسیون 43% و ماکزیمم عمق مدولاسیون خطی 33% در طول موج nm 1550 دست پیدا کنیم.ساختار فراماده بعدی به‌منظور طراحی مدولاتور تنظیم‌پذیر در ناحیه مادون قرمز میانه، بر اساس رزوناتور‌های گرافنی طراحی شد. در این کار ابتدا ساختاری متشکل از یک رزوناتور گرافنی مورد بررسی قرار گرفت، که در این ساختار تحقق مدولاسیون مثبت و منفی دامنه در یک طول موج، مورد بحث قرار‌ گرفتند. سپس با استفاده از دو رزوناتور گرافنی با ابعاد هندسی مختلف، اثر شفافیت القایی ایجاد شد. در این حالت نیز، عمق مدولاسیون و همچنین مدولاسیون مثبت و منفی در دو طول موج مختلف و برای پلاریزاسیون‌های s و p مورد بررسی قرار‌ گرفت. با استفاده از این فراماده‌‌ی متشکل از دو رزوناتور گرافنی، برای پلاریزاسیون s، در طول موج μm 15.48 به ماکزیمم عمق مدولاسیون 74% و به ماکزیمم عمق مدولاسیون خطی 65% و همچنین در طول موج μm 13.7 به ماکزیمم عمق مدولاسیون 33% و ماکزیمم عمق مدولاسیون خطی 29% توانستیم برسیم. در این ساختار مد‌نظر، برای پلاریزاسیون p، در طول موج μm 14.81 به ماکزیمم عمق مدولاسیون 67% و ماکزیمم عمق مدولاسیون خطی 60% و همچنین در طول موج μm 16 به ماکزیمم عمق مدولاسیون 57% و ماکزیمم عمق مدولاسیون خطی 48% دست پیدا کردیم. همچنین با استفاده از ایجاد پنجره شفافیت القایی در این ساختار، تحقق کاهش سرعت نور به اندازه ps 0.2 در پنجره PIT، امکان پذیر خواهد ‌‌بود.

Text of Note

AbstractElectromagnetic induced transparency is a quantum mechanical phenomenon and as its name implies, it means creating transparency in a narrow band of the absorption spectrum of the atomic system. EIT is formed at atomic levels by destructive interference between different optical paths of an excited atomic system, and as a result, it leads to the elimination of absorption in a frequency window called EIT.One of the effects of EIT is the reduction of light absorption in the atomic system and the modifiction of dispersion over a frequency range. The classical effect similar to EIT, which has been performed on structures based on metamaterials, is called plasmonic induced transparency, which is much more interesting than the EIT phenomenon in practical applications because it can be performed at room temperature and does not require a pump signal. Contrary to the EIT phenomenon in the three-level atomic system where the transparency window can be controlled by an external beam, the induced plasmonic transparency is caused by the near field interaction, which inevitably leads to the loss of tunability of the system. Adjustability based on the change in the geometrical parameters of the structure as well as the change of the type of material has been widely shown in previous works, but this method for a manufactured sample is not possible.On the other hand, active plasmonic devices, with controllable response through an external agent, are vital for the realization of plasmonic circuits, so the research for the strategy of adjusting the plasmonic transparency window is very important. So far, different strategies have been proposed for EIT-like Active adjustability in metamaterial structures. Among these, one of the best ways to adjust the transparency window is to use graphene in the desired structure.In this thesis, the goal is to create an active adjustable transparency window that can be used in the design of adjustable optical devices, including optical modulators, optical switches, and light speed reduction devices.The first, a graphene-metal metamaterial structure is proposed to create an active tunable near-IR transparency window. In the proposed two-layer structure, the metal bars act as bright resonators in the upper layer. In the lower layer, the metal nanoribbons act as dark resonators and two sets of bilayer graphene are placed separately below the bright resonators and above the dark resonators. At first, the optimal induced transparency window is obtained by modifying the metal metamaterial’s geometrical parameters. Then, the properties of the generated induced window can be modified by varying the Fermi energies of the used graphene sheets in the hybrid metal-graphene metamaterial. The Fermi energies of the graphene sheets are adjusted by applying a voltage that causes the PIT phenomenon to be actively tunable. The proposed structure can be used as an active modulator in o and c communication bands. The designed modulator allows for 85% and 90% amplitude modulation depths (MD) at about 1307 nm and 1554 nm wavelengths.In the second proposed structure, a plasmonic induced transparency utilizing one circular and two rectangular gold rings in silicon substrate covered by a 4-layer graphene sheets is investigated numerically and theoretically in the near infra-red spectrum. Three-dimensional finite difference time domain (3D FDTD) simulations are employed to extract the set of geometrical parameters to achieve a transparency window. By sweeping the Fermi level of the graphene, we study transmissions, phase shifts, and group delays of the proposed structure. It showed the capability of slow light applications. Moreover, the linear modulation depth of 33% and nonlinear modulation depth of 43% were achieved at λ = 1550 nm for 4-layer graphene-metal hybrid structure. The results offered that the plasmonic induced transparency (PIT) effect may be used in the slow-light devices and active plasmonic modulation in the communication wavelength.In the third proposed structure, Tunable modulators based on single and double graphene-based resonator systems are studied numerically in the mid-infrared spectrum. The research discusses negative and positive amplitude modulation for the first time. Furthermore, plasmon induced transparency (PIT) windows are revealed for double resonator systems, and modulation depth as well as the negative and positive amplitude modulation are examined for two different wavelengths. By using this metamaterial consisting of two graphene resonators, we were able to achieve the maximum modulation depth of 74% and the maximum linear modulation depth of 65% for s polarization at a wavelength of 15.48 μm and also the maximum modulation depth of 33% and the maximum linear modulation depth of 29% at a wavelength of 13.7 μm. In this considered structure, for p polarization, at the wavelength of 14.81 μm, we achieved the maximum modulation depth of 67% and the maximum linear modulation depth of 60%, and also at the wavelength of 16 μm, we achieved the maximum modulation depth of 57% and the maximum linear modulation depth of 48%. Moreover, for double resonator systems, a slow light capability is realized. The maximum tg equals 0.2 ps which coincides with 60 μm of light traveling in a vacuum.

Variant Title

Realization of plasmonic induced transparency by designing a graphene-metal hybrid nanostructure for the application of nanophotonic integrated circuits

Entry Element

‏زند مشایخی،

Part of Name Other than Entry Element

مهشید ‏

Relator Code

تهیه کننده

Entry Element

عباسیان‏،

Entry Element

نورمحمدی،

Part of Name Other than Entry Element

کریم ‏

Part of Name Other than Entry Element

توفیق ‏

Dates

استاد راهنما

Dates

استاد مشاور

Entry Element

‏تبریز