عنوان

آشکارساز نوری پلاسمونیکی با پاسخ‌دهی و پهنای باند بالا

شماره

پ۲۵۰۱۵

زبان متن نوشتاري يا گفتاري و مانند آن

per

عنوان اصلي

آشکارساز نوری پلاسمونیکی با پاسخ‌دهی و پهنای باند بالا

نام نخستين پديدآور

اسماء عطاری آباد

نام ناشر، پخش کننده و غيره

مهندسی برق و کامپیوتر

تاریخ نشرو بخش و غیره

۱۴۰۰

نام خاص و کميت اثر

۱۰۶ص.

مواد همراه اثر

سی دی

جزئيات پايان نامه و نوع درجه آن

کارشناسی ارشد

نظم درجات

برق - مخابرات گرایش: مخابرات نوری

زمان اعطا مدرک

۱۴۰۰/۰۶/۲۲

متن يادداشت

گرافن کاندیدای مناسبی برای آشکارسازهای نوری با سرعت بالا و پهنای باند وسیع است. با این وجود، مقدار جذب نوری ضعیف گرافن، عملکرد آشکارسازهای نوری گرافنی را محدود می‌سازد. در این پایان نامه، بکارگیری آشکارساز نوری گرافنی با متاسرفیس پلاسمونیکی، متشکل از نانوآنتن‌های امگا شکل تغییریافته، به صورت تئوری و تحلیلی بررسی می‌شود. استفاده از نانوآنتن‌‌های پلاسمونیکی نه تنها برهمکنش مابین گرافن و نور را بهبود می‌بخشد، بلکه جذب نوری ساختار را به میزان قابل ملاحظه‌ای افزایش می‌دهد. این بهبود ناشی از تحریک تشدیدهای پلاسمون سطحی محلی (LSPRs) است که منجر به محصورسازی شدید میدان‌های الکترومغناطیسی راه-نزدیک در نانوشکاف‌ها و لبه‌های تیز نانو‌آنتن می‌شود. آشکارساز نوری گرافنی پیشنهادی فضای کمی اشغال کرده و طیف جذب و پهن‌باند آن با تغییر پارامترهای هندسی ساختار و پتانسیل شیمیایی گرافن قابل تغییر است. مقدار جذب 99% با پهنا در نصف مقدار بیشنه (FWHM) برابر با 343 نانومتر در طول‌موج مخابراتی 1550 نانومتر است. همچنین در طول‌موج تشدید، توان جذب شده در لایه گرافن به میزان 66% ارتقاء یافته و بهبود میدان الکتریکی بسیار قوی 11023 در شکاف‌های نانوآنتن در محل لایه گرافن، و مقدار 7652، یک نانومتر بالاتر از لایه گرافن به دست آمد. علاوه بر ناحیه نانوشکاف، در قسمت لبه‌ها و نقاط تیز نانوآنتن و قسمت‌هایی از بخش حلقه نانوآنتن که به صورت موازی با میدان الکتریکی تابشی (Ex) قرار گرفته‌اند، بهبود میدان الکتریکی بسیار بالا مشاهده می‌شود. بررسی توزیع میدان مغناطیسی (Hz) ساختار در طول ‌موج تشدید نشانگر ایجاد یک دو قطبی الکتریکی عمودی و چهار قطبی الکتریکی است. تشدید مغناطیسی ایجاد شده با توزیع چگالی جریان الکتریکی چرخشی روی نانوآنتن طلا و صفحه زمین زیر آن همراه است. طیف جذب آشکارساز نوری پیشنهادی با تغییرات در پارامترهای هندسی ساختار قابل تنظیم است. با تغییر شعاع بیرونی نانوآنتن از 150 نانومتر تا 290 نانومتر، نقطه اوج طیف جذب از طول‌موج 1510 نانومتر به طول‌موج 2835 نانومتر شیفت پیدا کرده و مقدار FWHM دارای افزایش قابل ملاحظه از 328 نانومتر به 774 نانومتر خواهد بود. همچنین با افزایش پتانسیل شیمیایی گرافن، نقطه اوج طیف جذب به سمت طول‌موج‌های بلندتر شیفت یافته و همچنین تلفات گرافن و در نتیجه میزان جذب کاهش می‌یابد. برای ساختار با آرایه 1×1 در VDS=3 V، پاسخ‌دهی در حدود 0.98 A/W، بازده کوانتومی خارجی 79%، توان معادل نویز ، آشکارکنندگی ویژه و پهنای باند 420 گیگا هرتز است. برای ساختار با آرایه 3×3 در VDS=2 V، پاسخ‌دهی در حدود 1.13A/W، بازده کوانتومی خارجی 92%، توان معادل نویز و آشکارکنندگی ویژه به دست می‌آید. به علاوه، پهنای باند در ولتاژ VDS=0.6 V برابر با 490 گیگا هرتز است. پاسخ نوری و الکتریکی آشکارساز نوری گرافنی پیشنهادی با استفاده از دو روش FDTD و FEM بررسی شده است. ساختار آشکارساز نوری پیشنهادی، می‌تواند در زمینه‌های حسگرهای زیستی در ابعاد نانو، تصویربرداری، نظارت پزشکی و سیستم‎‌های مخابرات نوری به کار رود.

متن يادداشت

Graphene is an appealing candidate for photodetectors with high-speed and broad bandwidth. However, the low optical absorption of graphene restricts the performance of graphene photodetectors. In this thesis, the integration of a graphene photodetector with plasmonic metasurface based on modified omega-shaped gold nanoantennas, is theoretically and analytically investigated. By using plasmonic nanoantennas not only the graphene-light interaction is enhanced but also the optical absorption of the structure is increased considerably. This enhancement is due to the excitation of localized surface plasmon resonances (LSPRs) which leads to the strongly confined electromagnetic fields in near-field zone in the nanogaps and sharp tips and edges of the nanoantennas. The proposed graphene photodetector has a compact footprint and its absorption spectrum is tunable with geometric parameters and graphene chemical potential. The absorption value is 99% with full-width at half-maximum (FWHM) of 343 nm at the telecommunication wavelength of 1550 nm. In addition, at the resonance wavelength, the optical absorption in the graphene layer increases to 66% and an ultrahigh electric field enhancement of 11023 and 7652 is achieved in the position of graphene layer and 1 nm above it, respectively. Moreover, electric field is highly enhanced in sharp tips and edges, and also in the ring sections of the nanoantenna which are placed parallel to the incident electric field (Ex). Magnetic field distribution (Hz) indicates the creation of an electric quadrupole and vertical dipole plasmon oscillations. The obtained magnetic resonance is accompanied by a circular current density distribution on the gold nanoantenna and the bottom gold layer under the nanoantenna.By changing the outer radius of the nanoantenna from 150 nm to 290 nm, absorption peak redshifts from 1510 nm to 2835 nm, respectively and the FWHM value increases from 328 nm to 774 nm, correspondingly. Furthermore, increasing the chemical potential of graphene, shifts the absorption spectrum to the longer wavelengths and also decreases the loss of graphene and the absorption value. For the graphene photodetector with 1×1 array with VDS=3 V, the responsivity is 0.98 A/W with external quantum efficiency of 79% and noise equivalent power of , specific detectivity of and f3dB= 420 GHz. It should be noted that the responsivity increases as the drain-source voltage increases. However, higher bias voltage leads to an increased dark current. For the structure with 3×3 array with VDS=2 V, the responsivity is 1.13 A/W with external quantum efficiency of 92% and noise equivalent power of and specific detectivity of . For a bias voltage of VDS=0.6 V the 3 dB bandwidth is found to be 490 GHz. The proposed photodetector can have possible applications in the nano-biosensing, imaging, biomedical monitoring and optical communication systems.

عنوان گونه گون

A Plasmonic Photodetector with High Responsivity and Broad Bandwidth

عنصر شناسه اي

عطاری آباد،

ساير عناصر نام

‏ اسماء

کد نقش

تهيه کننده

عنصر شناسه اي

پورزیاد،

عنصر شناسه اي

بمانی،

ساير عناصر نام

‏ علی

ساير عناصر نام

محمد

تاريخ

استاد راهنما

تاريخ

استاد راهنما

عنصر شناسه اي

‏ تبریز