عنوان

تحلیل و طراحی نانو ادوات مبتنی بر موجبر پلاسمونیکی در طیف مادون قرمز نزدیک

شماره

‭۱۸۶۸۴پ‬

زبان متن نوشتاري يا گفتاري و مانند آن

per

عنوان اصلي

تحلیل و طراحی نانو ادوات مبتنی بر موجبر پلاسمونیکی در طیف مادون قرمز نزدیک

نام نخستين پديدآور

/توفیق نورمحمدی

نام ناشر، پخش کننده و غيره

: مهندسی برق و کامپیوتر

تاریخ نشرو بخش و غیره

، ‮‭۱۳۹۶‬

نام توليد کننده

، میرزائی

متن يادداشت

چاپی

متن يادداشت

فاقد کلید واژه

جزئيات پايان نامه و نوع درجه آن

دکتری

نظم درجات

مهندسی برق الکترونیک-طراحی مدارات مجتمع نوری

زمان اعطا مدرک

‮‭۱۳۹۶/۱۱/۰۱‬

کسي که مدرک را اعطا کرده

تبریز

متن يادداشت

با جهت گیری فناوری مدرن به سمت مجتمع سازی مدارات الکترونیک نوری، مشکلات نظیر حد پراش و ادامه روند قانون مر باعث شد تا استفاده از ادوات پلاسمونیکی مورد بررسی و استفاده قرار گیرد .این نانو ساختارها متشکل از فلز و دی‌صالکتریک می‌صباشد که ابعاد آنها زیر حد پراش نور قرار دارد .امواج پلاسمونیک بر اساس برهم کنش بین امواج الکترومغناطیسی و الکترون‌صهای هدایت در فلزات در ابعاد نانو است .در این پایان نامه در مرحله اول بر اساس پلاریتون‌صهای پلاسمونی سطح، یک سوئیچ پلاسمونیک تمام اپتیکی مبتنی برموجبر نانوپلاسمونیک فلز-عایق-فلز ‮‭(MIM)‬ با یک حلقه‌صی غیر خطی ‮‭Kerr‬ معرفی و مورد مطالعه قرار گرفته است .شبیه سازی‌صهای دو بعدی با استفاده از الگوریتم مکانی زمانی دامنه محدود ‮‭(FDTD)‬ برای نشان دادن دوپایداری سیستم و همچنین مکانیسم عملکرد سوییچ انجام شد .بگونه‌صای که با تغییر سیگنال کنترل گذر سیگنال در شرایط فعال بودن = ‮‭۹/۲۱ T(ON / OFF)‬ :و در شرایط خاموش بودن ( = ‮‭(۹/۲۴ T(ON / OFF)‬:محاسبه شد .همچنین زمان سوئیچینگ ‮‭۹۰‬ فمتو ثانیه عملکرد فوق سریع سوئیچ را نشان می دهد .بعلاوه شفافیت القایی فوق سریع مبتنی برموجبر نانوپلاسمونیک فلز-عایق-فلز ‮‭(MIM)‬ با دو حلقه‌صی غیر خطی ‮‭Kerr‬ معرفی و مورد مطالعه قرار گرفت .در اینجا نیز دوپایداری قابل قبول برای سیستم و همچنین عملکرد فوق سریع سوییچ تایید شد .در ادامه، دی مالتی پلکسر بر اساس رزوناتورهای حلقه‌صای مبتنی بر موجبر ‮‭MIM‬ در طیف مادون قرمز نزدیک =‮‭(nm ۱۳۱۰‬ و (=‮‭nm ۱۵۵۰‬ پیشنهاد و شبیه سازی شد .ساختار پیشنهادی از ‮‭۲SiO‬ به عنوان عایق و نقره به عنوان فلز تشکیل شد .با استفاده از ساختار پیشنهادی با پارامترهای هندسی مناسب برای شکاف ها و حلقه های ، عملکرد دی مالتی پلکسینگ مابین طول موج های =‮‭nm ۱۳۱۰‬ و =‮‭nm ۱۵۵۰‬ مورد تایید قرار گرفت .شبیه سازی سه بعدی، با استفاده از الگوریتم‮‭FDTD‬ ، برای به دست آوردن نسبت ‮‭Mean(|EPort B|۲)/ Mean(|EPort A|۲)‬ در طول موج ‮‭۱۳۱۰‬ نانومتر برای منبع انجام و این نسبت برابر ‮‭۵۹/۹‬ شد .همچنین در طول موج ‮‭۱۵۵۰‬ نانومتر برای منبع عددی که برای نسبت ‮‭Mean(|EPort A|۲)/ Mean(|EPort B|۲)‬ برابر با ‮‭۶۳/۳۶‬محاسبه شد . علاوه بر این، اندازه دستگاه در محدوده صد نانومتر به عنوان مزیت اصلی آن برای رسیدن به مدارهای مجتمع پلاسمونیک جامع است .در مرحله دوم، بر اساس رزونانس پلاسمون سطحی موضعی، موجبر پلاسمونیک در طیف مادون قرمز نزدیک، =‮‭nm ۱۳۱۰‬ و =‮‭nm ۱۵۵۰‬ نانومتر مبتنی بر آرایه های نانو ذرات طلا ی حلقوی بیضوی شکل پیشنهاد و شبیه سازی شد .تغییر طول موج رزونانس پلاسمون سطحی موضعی به طول موج مورد نظر، با تغییر ویژگی های هندسی نانو ذرات طلای حلقوی بیضوی میسر است .دراینجا نیز با استفاده از الگوریتم شبیه سازی‮‭FDTD‬ ، مجموعه ای از پارامترهای هندسی نانو ذرات طلای حلقوی بیضوی برای رزونانس پلاسمون سطحی موضعی در ‮‭۱۳۱۰‬ و ‮‭۱۵۵۰‬ نانومتر بدست آمد .بابهره گیری از پیکربندی های مختلف آرایه های نانو ذرات طلای حلقوی بیضوی ، موجبر پلاسمونیکی طراحی شد و پارامتر های موجبر شامل افت ‮‭dB ۳‬ و سرعت گروه در مدهای طولی و عرضی بدست آمد که در مقایسه با نانو ذرات طلای حلقوی دایره ای، نانو حلقه های بیضوی دارای خصوصیات بهتر مانند افزایش میدان الکتریکی و بهینه شدن تلفات گذر می باشند .در ادامه، طراحی و شبیه سازی موجبر پلاسمونیکی با استفاده از نانو ذرات طلای دمبلی شکل پیشنهاد داده شد .با استفاده از ‮‭FDTD‬ سه بعدی پارامترهای هندسی نانوذرات دمبلی شکل برای رزونانس در طول موجهای ‮‭۱۳۱۰‬ و ‮‭۱۵۵۰‬ نانومتر بدست آمد .در اینجا نیز با استفاده از پیکربندی های مختلف آرایه های نانوذرات، موجبر پلاسمونیکی و همچنین در زنجیره های ‮‭V‬ شکل دی مالتی پلکسر پلاسمونیکی پیشنهاد گردید .نانوذرات پیشنهاد شده دارای ‮‭FWHM‬ ، برابر با ‮‭nm ۱۶۸‬ برای طول موج =‮‭nm ۱۳۱۰‬ منبع و ‮‭nm ۲۰۴‬ برای طول موج =‮‭nm ۱۵۵۰‬ منبع است که این امر، تیز تر شدن تشدید در مقایسه با نانو ذرات حلقوی دایره ای را نشان می دهد .شبیه سازی های عددی نشان داد که آرایه های خطی نانوذرات طلای دمبلی شکل می توانند انرژی الکترومغناطیسی را در طول موج ‮‭۱۳۱۰‬ نانومتر با تلفات گذر ‮‭nm ۴۵۲/dB ۳‬ برای مد طولی و ‮‭nm ۴۴۶/dB ۳‬ برای مد عرضی منتقل کنند .در طول موج ‮‭۱۵۵۰‬ تلفات گذر ‮‭nm ۴۹۰/dB ۳‬ برای مد طولی و ‮‭nm ۶۰۴/dB ۳‬ برای مد عرضی محاسبه شد .همچنین سرعت گروه برای موجبر در طول موج ‮‭۱۳۱۰‬ نانومتر در مد طولی ‮‭C۰ ۳۳۶/۰=vgL‬ و در مد عرضی ‮‭C۰ ۲۵۶/۰=vgT‬ و در طول موج ‮‭۱۵۵۰‬ نانومتر سرعت گروه برای مد طولی ‮‭C۰ ۳۸۲/۰=vgL‬ و برای مد عرضی ‮‭C۰ ۲۶۰/۰=vgT‬ بدست آمد .در نهایت برای آرایه های ‮‭V‬ شکل عملکرد دی مالتی‌صپلکسینگ تایید گردید

متن يادداشت

‮‭Todays, miniaturization of optical integrated devices is one of major purposes that has been inspected and improved recently. One of the essential elements in integration technology of optical devices is plasmon waveguides. By developing technologies and Moore's law plasmon waveguides have the most promising applications in the highly integrated optical circuits and devices due to their overcoming of diffraction limit. In this dissertation, at first based on surface plasmon polaritons, an all-optical plasmonic switch based on metalinsulatormetal (MIM) nanoplasmonic waveguide with a Kerr nonlinear ring resonator is introduced and investigated. Two-dimensional simulations utilizing the finite-difference time-domain algorithm are used to demonstrate an apparent optical bistability and significant switching mechanisms (in enabled-low condition: T (ON/OFF) =۲۱.۹ and in enabled-high condition: T (ON/OFF) =۲۴.۹) of the signal light arisen by altering the pump-light intensity. The proposed all-optical switching demonstrates femtosecond-scale feedback time (۹۰ fs) and then ultra-fast switching can be achieved. Furthermore, an ultra-fast all-optical plasmonic induced transparency based on metal-insulator-metal (MIM) nanoplasmonic waveguide with two Kerr nonlinear ring resonators is studied. Also, in this case, an obvious optical bistability and significant switching mechanisms of the signal light take place by varying the pump-light intensity. The proposed all-optical switching based on plasmon electromagnetically induced transparency demonstrates femtosecond-scale feedback time (۹۰ fs) and then ultra-fast switching can be achieved. Moreover, a proposal is investigated and simulated for a demultiplexer based on plasmonic metalinsulatormetal (MIM) waveguide-coupled ring resonators working in the near-infrared region ( = ۱۳۱۰ and = ۱۵۵۰). The proposed structure is made up of SiO۲ as insulator embedded in silver as the metal layer. It is possible to realize demultiplexing function between desired wavelengths using the proposed structure with appropriate geometrical parameters for slits and ring resonators. Three-dimensional simulations, utilizing the finite-difference time domain algorithm, are used to obtain demultiplexing function with minimum ratio equals to ۹.۵۹ ([Mean|EPort B|۲]/[Mean|EPort A|۲] = ۹.۵۹ for source is on at = ۱۳۱۰ and [Mean|EPort A|۲]/[Mean|EPort B|۲] = ۳۸.۶۳ for source is on at = ۱۵۵۰). Furthermore, the size of the device is in the range of hundred nanometers as its major advantage to realize compact plasmonic integrated circuits. Secondly, based on localized surface plasmon resonance, we investigated plasmonic waveguide in near infra-red spectrum especially at original ( = ۱۳۱۰ nm) and also communication bands ( = ۱۵۵۰ nm) using gold nano-elliptic rings. It is possible to shift localized surface plasmon resonance, by appropriate geometrical properties, to the desired wavelength. Also, here, three-dimensional simulations utilizing the finite-difference time-domain algorithm are used to determine the set of geometrical parameters of Au nano-elliptic rings for exciting localized surface plasmon resonance at ۱۳۱۰ and ۱۵۵۰ nm. Employing different configuration of gold nano-elliptic rings chains, waveguides are designed, with -۳dB transmission loss coefficients and group velocities calculations for different modes. In comparison with circular nanorings, elliptic rings showed better characteristics, such as high electric field enhancements and low loss transmission coefficients. As well as nano-elliptic rings, we investigated plasmonic waveguides in near infra-red spectrum using dumbbell-shaped gold nanoparticles. It is possible to shift localized surface plasmon resonance (LSPR) to the desired wavelength with proper geometrical properties. ۳-D FDTD simulations are used to determine the set of geometrical parameters of nanoparticles to obtain LSPR at ۱۳۱۰ and ۱۵۵۰ nm. Employing different configuration of nanoparticles chains, we not only can design waveguides with better optical characteristics but also achieve the demultiplexing function in V-form arrays. The proposed nanoparticles show sharp resonance peak, ۱۶۸ FWHM bandwidth for =۱۳۱۰, and ۲۰۴ nm for =۱۵۵۰ nm. Linear chains of particles can transport the electromagnetic energy at =۱۳۱۰ nm, with transmission losses L=۳dB/۴۵۲ and T=۳dB/۴۴۶ nm and group velocities vgL=۰.۳۳۶C۰ and vgT=۰.۲۵۶C۰ for longitudinal and transverse polarizations, respectively, where C۰ is the speed of light in the vacuum. At =۱۵۵۰ nm, L=۳dB/۴۹۰, T=۳dB/۶۰۴, vgL=۰.۳۸۲C۰ and vgT=۰.۲۶۰C۰. Moreover, we attained ۸.۱۳ as minimum ratio of averaged electric field intensity and ۳۶.۸ as minimum ratio of the averaged Poynting vector as a function of position between two ports in demultiplexing function. The offered all-optical switches and waveguides may recognize potential significant applications in integrated optical circuits‬

مستند نام اشخاص تاييد نشده

نورمحمدی، توفیق

مستند نام اشخاص تاييد نشده

یدی پور، رضا، استاد راهنما

مستند نام اشخاص تاييد نشده

عباسیان، کریم، استاد راهنما

مستند نام اشخاص تاييد نشده

باغبان، حامد، استاد مشاور

يادداشت عمومي

سیاه و سفید

وضعیت فهرست نویسی

نمایه‌سازی قبلی