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

دانلود متن کامل پایان نامه مقطع کارشناسی ارشد رشته مهندسی برق گرایش برق-مخابرات

با عنوان :بررسی و تحلیل ساختارهای  انعکاس دهنده برگ در حوزه پلاسمونیک برای کاربرد قطعات پسیو

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده درج نمی شود

پایان­نامه­ی کارشناسی ارشد در رشته­ی مهندسی برق- گرایش 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 1392

تکه هایی از متن به عنوان نمونه :

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 می­کند. پلاسمون پلاریتون­های سطحی که در سطح مشترک فلز و دی الکتریک انتشار می­یابند بر این محدودیت غلبه می­کنند. 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 اندازه­گیری 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 می­تواند 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 می­کند. همچنین نشان داده می­شود توری سینوسی که می­تواند 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 استفاده 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:                مقدمه…………………………………………………………………………………………………………………………2

1-1         مقدمه و اهمیت موضوع………………………………………………………………………………………2

1-2         مروری بر تاریخچه……………………………………………………………………………………………..5

1-3         پلاریتون و پلاسمون پلاریتون سطحی……………………………………………………………..7

1-4           پلاسمونیک و اصصل عدم قطعیت (حد پراش)………………………………………………9

فصل دوم:                                                     مبانی نظری ساختارهای پلاسمون پلاریتون سطحی………………………………………14

2-1           معادلات ماکسول و انتشار امواج الکترومغناطیسی……………………………………..14

2-2           تابع دی‌الکتریک مدل گاز الکترون آزاد فلزات…………………………………………….19

2-3           مقایسه تابع دی‌الکتریک فلزات واقعی با تابع دی‌الکتریک مدل پلاسما….23

2-4           بررسی پلاسمون پلاریتون‌های سطحی در مرز فلز-عایق………………………….27

2-4-1    معادله موج………………………………………………………………………………………………..27

عنوانصفحه

2-5             رابطه پاشندگی پلاسمون پلاریتون‌های سطحی…………………………………………32

2-6           گسترش فضایی امواج SPPs………………………………………………………………………38

2-6-1           عمق نفوذ پلاسمون‌های سطحی…………………………………………………………..40

2-6-2             طول انتشار پلاسمون­های سطحی……………………………………………………..41

2-7             بررسی خواص SPPs در سیستم‌های چند لایه………………………………………..43

2-8             تحریک امواج پلاسمون سطحی در مرزهای مسطح…………………………………51

2-8-1             تزویج به کمک منشور(یا به روش بازتابش تضعیف شده کامل (ATR))………………………………………………………………………………………………………………………………………52

2-8-2            تزویج با استفاده از توری…………………………………………………………………..58

2-8-3               تحریک با استفاده از پرتوهای به شدت کانونی شده………………………61

2-8-4               تحریک بوسیله میدان نزدیک………………………………………………………….63

2-8-5             روش‌های تزویج کردن مناسب پلاسمونها برای مدارات مجتمع از ادوات پلاسمونیکی و فوتونیکی …………………………………………………………………………………………………65

2-9             ساختارهای هایبرید پلاسمونیک……………………………………………………………….67

2-9-1             موجبرهای هایبریدپلاسمونیک: ترکیبی از موجبر دی­الکتریک و موجبرپلاسمونیک……………………………………………………………………………………………………………………. 69

2-9-2             تحلیل نظری موجبرهای هایبرید پلاسمونیک………………………………..71

2-9-2-1               توضیح ساختار و روش آنالیز ساختار یک بعدی…………………..72

2-9-2-2               تحلیل موجبر دو بعدی هایبرید پلاسمونیک……………………….78

2-9-2-3               روش آنالیز و چند تعریف مهم………………………………………….81

عنوانصفحه

2-9-2-4               اثر تغییرات برخی پارامترها بر روی میزان بهبود موجبر هایبرید پلاسمونیک…………………………………………………………………………………………………………82

2-10           بازتابشکننده یا فیلتر برگ در کاربردهای پلاسمونیک……………………….86

2-10-1           ساختار فیلترهای برگ IMI……………………………………………………….89

2-10-2           ساختار فیلترهای برگ MIM……………………………………………………94

2-10-3           ساختار فیلترهای برگ هایبرید پلاسمونیک……………………………..97

فصل سوم: ساخت موجبرهای پلاسمونیکی و ایده­ای برای اندازه­گیری طول انتشار پلاسمون­ها…………………………………………………………………………………………………. 107

3-1             شبیه سازی ساختار موجبر IMIصفحه ای………………………………………..101

3-2             ساخت موجبر صفحهای IMI (هوا –نقره-سیلیکا)……………………………106

3-2-1             تحریک پلاسمون­های سطحی در موجبر صفحه­ای…………………107

3-3             ساخت موجبر کانالی و تحریک پلاسمون های سطحی در آنها……….111

3-3-1               ساخت موجبر کانالی پلاسمون سطحی (سیلیکا-نقره-هوا)…112

3-3-2               تحریک پلاسمون ها بر روی موجبر کانالی و مشاهده زاویه تزویج……………………………………………………………………………………………………………………………………116

3-4             طراحی روشی برای اندازهگیری طول انتشار در ساختارهای IMI پلاسمونیک………………………………………………………………………………………………………………………………117

3-4-1                 روش و چیدمان اندازه گیری کننده کمره بیم تحریک کننده پلاسمونهای سطحی (بیم رسیده به قاعده منشور)…………………………………………………………..119

3-4-2                 ساختار پیشنهادی برای اندازهگیری طول انتشار پلاسمون­های

عنوانصفحه

سطحی………………………………………………………………………………………………………………………….121

3-4-3                 تزویج نور به موجبر پلیمری به کمک منشور(بدون لایه نشانی).127

3-4-4                 بحث و بررسی داده­ها و نتایج آزمایش……………………………………..130

3-4-5                 راهکارهای افزایش دقت در روش پیشنهادی اندازه­گیری طول انتشار………………………………………………………………………………………………………………………………………..131

فصل چهارم: شبیه­سازی انعکاس­دهنده برگ هایبرید پلاسمونیک……………………………….134

4-1           شبیه سازی انعکاس­دهنده برگ هایبرید پلاسمونیک با پروفایل مستطیلی138

4-2           شبیه سازی انعکاس­دهنده برگ هایبرید پلاسمونیک با پروفایل سینوسی.140

4-3           شبیه سازی انعکاس­دهنده برگ هایبرید پلاسمونیک با پروفایل دندانه اره­ای………………………………………………………………………………………………………………………………………………….145

4-4           شبیه سازی کاهش اعوجاج در انعکاس­دهنده برگ هایبرید پلاسمونیک با پروفایل دندانه اره­ای…………………………………………………………………………………………………………………….149

فصل پنجم: نتیجه­گیری و پیشنهادات…………………………………………………………………………………153

مراجع…………………………………………………………………………………………………………………………………………..155

 

 

 

 

فهرست جدول­ها

 

 

عنوان وشمارهصفحه

 

جدول ‏2‑1: اثرات تغییر در ابعاد مختلف موجبر بر روی مشخصه­های آن……………………………………84

جدول ‏3‑1: مشخصات محیط­های ساختار کرشمن در شبیه­سازی……………………………………………102

جدول ‏3‑2: مقادیر زاویه­های تزویج و طول انتشار اندازه­گیری شده در آنها………………………………131

جدول ‏4‑1: مقادیر محاسبه شده قسمت حقیقی ضریب شکست موثر برای مد هایبرید ساختار، براساس ضخامت لایه گپ و ارتفاع لایه سیلیکن…………………………………………………………………………136

 

 

 

 

 

 

 

 

 

فهرست شکل­ها

 

 

شماره و عنوانصفحه

 

شکل ‏1‑1: نمودار فراوانی تعداد مقالات چاپ شده در مجله NATURE در مباحث پلاسمون و فوتونیک کریستال…………………………………………………………………………………………………………………………….7

شکل ‏1‑2: سطح عدد موج برای (a)یک امواج اپتیکی سه بعدی (b) امواج اپتیکی دو بعدی……..10

شکل ‏1‑3: نمونه­ای از امواج اپتیکی دو بعدی……………………………………………………………………………….11

شکل ‏2‑1: تابع دی الکتریک (2-26)گاز الکترون آزاد (منحنی پیوسته) و نتایج حاصل از اندازه­گیری­های جانسون و کریستی(منحنی­های نقطه چین).گذار های بین باندی اعتبار مدل درود را در فرکانس­های مرئی و بالاتر محدود می­کند[8]………………………………………………………………………………..24

شکل ‏2‑2: قسمت حقیقی(نمودار سمت چپ) و قسمت موهومی(نمودار سمت راست) مربوط به فلز طلا متناظر با معادله (2-26)……………………………………………………………………………………………………25

شکل ‏2‑3: 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[8]…..25

شکل ‏2‑4: ساختار یک موجبر مسطح که در آن موج در دستگاه مستطیلی در راستای x منتشر می شود…………………………………………………………………………………………………………………………………………..29

شماره و عنوانصفحه

شکل ‏2‑5: مرز مشترک بین یک فلز و یک دی­الکتریک ساده­ترین ساختار برای انتشار SPPs است…………………………………………………………………………………………………………………………………………………33

شکل ‏2‑6: 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)………………..37

شکل ‏2‑7: رابطه پاشندگی SPPs در مرز نقره-هوا (منحنی خاکستری رنگ) و نقره-سیلیکا (منحنی سیاه رنگ)، با درنظر گرفتن قسمت موهومی تابع دی­الکتریک نقره[8]……………………….42

شکل ‏2‑8: ساختار یک سیستم سه لایه که در آن یک لایه نازک(محیط ) بین دو لایه ضخیم(محیط و محیط ) قرار گرفته است……………………………………………………………………………………43

شکل ‏2‑9: نمایش مولفه x میدان الکتریکی برای مدهای زوج و فرد…………………………………………47

شکل ‏2‑10: منحنی پاشندگی مدهای فرد و زوج برای ساختار سه لایه هوا-نقره-هوا با ضخامت لایه فلزی 100nm (منحنی نقطه چین خاکستری رنگ) و با ضخامت 50nm (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 است…………………………………………..48

شکل ‏2‑11: منحنی پاشندگی برای مد تزویج شده اصلی در ساختار سه لایه نقره-هوا-نقره با ضخامت لایه هوا میانی 100 nm (منحنی نقطه چین خاکستری رنگ) و 50 nm (منحنی نقطه چین سیاه رنگ) و 25 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…………………………………………………………………………………….50

شکل ‏2‑12: بازتاب کامل نور در داخل منشور. منشور یک محیط عایق یا تابع دیالکتریک است که اطراف آن هوا یا خلا با تابع دیالکتریک است……………………………………………………………………..53

شکل ‏2‑13: (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…………………………………………………………………….54

شکل ‏2‑14: (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 کند………………………………………………………………………………………………………………………………………………….55

شکل ‏2‑15: دیاگرام برداری فرایند تزویج نور روی سطح فلز به کمک توری …..60

شکل ‏2‑16: دیاگرام برداری فرایند دکوپلینگ نور از سطح فلز به کمک توری………………………….60

شکل ‏2‑17: ساختاری برای تحریک پلاسمون¬های سطحی با استفاده از میکروسکوپ شیء و آشکار کردن آن از طریق امواج نشتی…………………………………………………………………………………………….62

شکل ‏2‑18: (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 است………………………………………………………………….63

شکل ‏2‑19: تحریک پلاسمون­های سطحی با استفاده از میدان­های نزدیک یک روزنه با ابعاد کوچکتر از طول موج……………………………………………………………………………………………………………………….64

شکل ‏2‑20: یک چیدمان معمول برای اعمال یا اندازه گیری میدان نزدیک یک روزنه با ابعاد کوچکتر از طول موج که برای تحریک و اندازه­گیری 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 نقره………………………………………………………………………………………………………………………………………………….65

شکل ‏2‑21: تحریک پلاسمون­های سطحی منتشر شده بر روی سطح موجبر پلاسم.نیک با استفاده از روش Fiber Taper. شدت توان انتقالی از فیبر در طول موج 1590 nm به شدت

شماره و عنوانصفحه

کاهش یافته که ناشی از تحریک پلاسمون­ها است………………………………………………………………………..67

شکل ‏2‑22: (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 1550nm است…………………………………………………………………………………………………………………………………………………70

شکل ‏2‑23: 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 1550nm می­باشد……………………………………………..72

شکل ‏2‑24: مقایسه توزیع چگالی توان نرمالیزه شده برای مد هایبرید و مد پلاسمون سطحی با تلف انتشاری یکسان……………………………………………………………………………………………………………………….73

شکل ‏2‑25: ساختار پایه موجبر هایبرید پلاسمونیک…………………………………………………………………77

شکل ‏2‑26: (a)ساختار موجبر هایبرید پلاسمونیک دو بعدی. (b)چگالی توان نرمالیزه شده در موجبر………………………………………………………………………………………………………………………………………………79

شکل ‏2‑27: ساختارهای گوناگون هایبرید پلاسمونیک که در سال­های اخیر معرفی شده­اند…….80

شکل ‏2‑28: اثرات تغییرات عرض موجبر و ارتفاع لایه گپ برای . (a) قسمت حقیقی ضریب شکست موثر (b) طول انتشار بر حسب میکرومتر (c) اندازه مد………………………………………83

شکل ‏2‑29: اثرات تغییرات عرض موجبر و ارتفاع لایه گپ برای . (a) قسمت حقیقی ضریب شکست موثر (b) طول انتشار بر حسب میکرومتر (c) اندازه مد………………………….83

شکل ‏2‑30: تغییرات (a) اندازه مدی (b)طول انتشار و قسمت حقیقی ضریب شکست موثر بر حسب تغییر طول موج برای موجبر هایبرید پلاسمونیک با ابعاد …………………………………………………………………………………85

شکل ‏2‑31: نمایی از ساختار و عملکرد فیلتر برگ در طول موج­های باند عبور و باند قطع……..86

شماره و عنوانصفحه

شکل ‏2‑32: گستره طیفی بازتابشی یک فیلتر برگ برحسب طول­موج و نوار گاف مرکزی آن…..88

شکل ‏2‑33: گستره طیفی بازتابشی یک فیلتر برگ با یک نقص در مرکز آن برحسب طول­موج و تشکیل یک حفره تشدید در مرکز نوار گاف آن……………………………………………………………………………..89

شکل ‏2‑34: ساختارهای فیلتر برگ IMI (a)توری گاف فلزی. (b) توری عرض پله ای نوار فلزی و (c) تعریف مشخصات دوره تناوب آن……………………………………………………………………………………………..90

شکل ‏2‑35: پاسخ طیفی فیلتر برگ IMI گاف فلزی در طول توری­های مختلف (a)منحنی انتقال (b)منحنی بازتابش………………………………………………………………………………………………………………………….92

شکل ‏2‑36: پاسخ طیفی فیلتر برگ IMI عرض پله ای نوار فلزی در طول توری­های مختلف (a)منجنی انتقال (b)منحنی بازتابش…………………………………………………………………………………………….93

شکل ‏2‑37: دو ساختار معمول فیلتر برگ MIM. (a) ساختار توری گاف دی­الکتریک (b) ساختار توری پله­ای نوار دی­الکتریک…………………………………………………………………………………………………………..94

شکل ‏2‑38: (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 MIM………………………………………………………………………………………………………………………………………………96

شکل ‏2‑39: ساختار فیلتر برگ هایبرید پلاسمونیک همراه با نمایش یک دوره تناوب آن………98

شکل ‏2‑40: نمودار طیف انتقال برحسب طولموج فیلتر برگ هایبرید پلاسمونیک در سه مقدار متفاوت ……………………………………………………………………………………………………………………………………..99

شکل ‏3‑1: نمودار طول انتشار بر حسب طول موج تحریک برای فلزات نجیب. داده ها بر اساس ضریب شکست­های ارائه شده توسط پالیک[11, 35] و جانسون-کریستی [10] می­باشد….103

شکل ‏3‑2: ساختار کرشمن پیاده­سازی شده در نرم افزار همراه با لایه PML در اطراف آن…104

شکل ‏3‑3: مولفه z میدان مغناطیسی (a)ساختار کرشمن بدون مرز PMC (b) همراه با مرزPMC و بهبود نمایش میدان ………………………………………………………………………………………………………………..106

شکل ‏3‑4: چیدمان آزمایشگاهی تحریک پلاسمون­های سطحی با ساختار کرشمن……………..109

شماره و عنوانصفحه

شکل ‏3‑5: شدت بازتابش از سطح موجبر صفحه ای برحسب تغییر زاویه ی تابش………………111

شکل ‏3‑6: 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 8 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…………………………………………………………………………………………………………………………………………………113

شکل ‏3‑7: دستگاه لایه نشانی چرخشی و محل قرار گرفتن زیرلایه……………………………………..114

شکل ‏3‑8: چیدمان موجبر نویس با استفاده از تابش مستقیم بیم باریک شده لیزر……………..114

شکل ‏3‑9: تصویر موجبر پلاسمونیکی با پهنای 8 میکرومتر و ضخامت 40نانومتر که در شکل به صورت نوار روشن قابل رویت است……………………………………………………………………………………………..115

شکل ‏3‑10: شدت بازتابش از سطح موجبر کانالی با پهنای 8 میکرومتر برحسب تغییر زاویه تابش و مشاهده زاویه تزویج…………………………………………………………………………………………………………116

شکل ‏3‑11: چیدمان آزمایشگاهی لازم برای اندازه­گیری کمره بیم تابیده شده به قاعده منشور……………………………………………………………………………………………………………………………………………119

شکل ‏3‑12: نمودار شدت بیم رسیده به آشکارساز بر حسب تفییر فاصله زاویه قائم منشور از محل تابش بیم به قاعده آن…………………………………………………………………………………………………………………120

شکل ‏3‑13: منشور قائم الزاویه SF6 که کروم و نقره بر روی قاعده آن لایه نشانی شده است…121

شکل ‏3‑14: چیدمان آزمایشگاهی اندازه­گیری زاویه های تزویج با ساختار اتو در موجبر (منشور-نقره-پلیمر)…………………………………………………………………………………………………………………………………..122

شکل ‏3‑15: نمودار شدت پرتو بازتابش شده ار قاعده منشور و رسیده به آشکار­ساز در چیدمان شکل (3-14)، برحسب زاویه­های تابش نور به منشور……………………………………………………………..123

شکل ‏3‑16: تصویر مادون قرمز مد نوری انتشاری در موجبر پلیمری که توسط پلاسمون­های سطحی تحریک شده است…………………………………………………………………………………………………………124

شماره و عنوانصفحه

شکل ‏3‑17: چیدمان اندازه­گیری شدت مد نوری ناشی از پراکندگی SPPs……………………………..125

شکل ‏3‑18: تصویر چیدمان شکل (3-17) در آزمایشگاه………………………………………………………….126

شکل ‏3‑19: نمودار تغییرات شدت بیم رسیده به آشکارساز در چیدمان شکل (3-17) برحسب فاصله محل تحریک پلاسمون­ها از نقطه ناپیوستگی در زاویه تزویج 32 درجه……………………….126

شکل ‏3‑20: نمودار تغییرات شدت بیم رسیده به آشکارساز در چیدمان شکل (3-17) برحسب فاصله محل تحریک پلاسمونها از نقطه ناپیوستگی در زاویه تزویج 35 درجه…………………………..127

شکل ‏3‑21: نمودار شدت پرتو بازتابش شده ار قاعده منشور و رسیده به آشکارساز در چیدمان شکل ((3-14)که منشور بدون لایه­نشانی فلزی باشد)، برحسب زاویه­های تابش نور به منشور..128

شکل ‏3‑22: نمودار شدت نور خروجی از موجبر پلیمری برحسب فاصله بین زاویه قائم منشور و محل ایجاد بازتابش داخلی کامل، در زاویه تزویج 34 درجه…………………………………………………….129

شکل ‏3‑23: نمودار شدت نور خروجی از موجبر پلیمری برحسب فاصله بین زاویه قائم منشور و محل ایجاد بازتابش داخلی کامل، در زاویه¬ تزویج 36 درجه…………………………………………………..130

شکل ‏4‑1: فیلتر برگ هایبرید پلاسمونیک با پروفایل مستطیلی. (a) مشخصات یک دوره تناوب توری (b)ساختار توری برگ با 18 دوره تناوب……………………………………………………………………………134

شکل ‏4‑2: نمودار زمانی تابع موج تابش شده به ساختار فیلتر برگ هایبرید پلاسمونیک………137

شکل ‏4‑3: نمودار طیف انتقال فیلتر برگ هایبرید پلاسمونیک با پروفایل مستطیلی برای سه حالت مختلف …………………………………………………………………………………………………………………………..139

شکل ‏4‑4: فیلتر برگ هایبرید پلاسمونیک با پروفایل سینوسی. (a) مشخصات یک دوره تناوب توری (b)ساختار توری برگ با 18 دوره تناوب…………………………………………………………………………..140

شکل ‏4‑5: مقایسه طیف انتقال مربوط به ساختار HPBR با پروفایل سینوسی با ساختار با پروفایل مستطیلی (a) (b) (c) …………………………………..142

شکل ‏4‑6: 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

…………………………………………………………………………………………………………..143

شکل ‏4‑7: توزیع اندازه بردار پوینتینگ درجهت انتشاری Z در طول­موج­های تابش شده (a) 1480nm (b) 1550nm (c) 1720nm در ساختار با پروفایل سینوسی……………………………………144

شکل ‏4‑8: فیلتر برگ هایبرید پلاسمونیک با پروفایل دندانه اره­ای. (a) مشخصات یک دوره تناوب توری (b)ساختار توری برگ با 18 دوره تناوب……………………………………………………………………………145

شکل ‏4‑9: مقایسه طیف انتقال مربوط به ساختار HPBR با پروفایل دندانه اره­ای با ساختارهای با پروفایل مستطیلی و سینوسی (a) (b) (c) ………………..147

شکل ‏4‑10: 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، …………………………………………………………………………………………………..148

شکل ‏4‑11: توزیع اندازه بردار پوینتینگ درجهت انتشاری Z در طول­موج­های تابش­شده (a)1480nm (b) 1550nm (c) 1720nm در ساختار با پروفایل دندانه اره­ای…………………………..149

شکل ‏4‑12: ساختار فیلتر برگ هایبرید پلاسمونیک دندانه اره­ای با عملیات آپودیزشن……150

شکل ‏4‑13: نمودار طیف انتقال ساختار دندانه ارهای و ساختار دندانه اره­ای آپودایز شده در حالت …………………………………………………………………………151

 

 

 

 

 

 

 

 

فصل اول

 

مقدمه

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1                    مقدمه

1-1                 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[1]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[2] مشاهده اشیا، حد پراش[3] نام­گذاری شد.

پلاسمون­های سطحی (مباحث نظری آن در فصل­های آتی بیان می شود) که با نام کامل پلاسمون پلاریتون­های سطحی[4] (SSP) تعریف شده­اند، امواج الکترومغناطیسی سطحی هستند که به موازات سطح مشترک فلز-دی الکتریک منتشر می­شوند. تعریف کامل این امواج اولین بار در سال 1957 میلادی( ذکر سال­ها در متن همگی به میلادی است) توسط آقای ریتچر[5] به­طور کامل با کاربرد اپتیکی معرفی شدند. این امواج در دهه­های اخیر کاندیدای کاهش ابعاد اپتیک به دو بعد شده­اند به­طوری که توانایی گذشتن از حد پراش (که در ادامه توضیح داده خواهد شد) را دارند [1].

برتری­های ساخت ادوات نوری با ابعاد میکرومتری و نانومتری همراه با پشرفت تکنولوژی­های نمایش مانند نمایش میدان نزدیک اپتیکی[6](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 می­کند. ولی همچنان مشکل حد پراش مانع اصلی در کوچک­سازی مدارها می­باشد.

پلاسمونیک پهنای باند اپتیکی را با ابعاد کمتر از حد پراش معرفی می­کند. بنابراین می­تواند 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 می­کند. 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 استفاده از خواص مواد در تقویت امواج و ساختار­های هایبرید[7] شروع شده­است. اندازه­گیری­ها نیز در علم پلاسمونیک پیچیدگی زیادی به خود گرفته است. به همین خاطر بخشی از تحقیقات نیز صرف ساده سازی اندازه­گیری­ها از طریق ویژگی­های ذاتی این امواج در مشاهده پلاسمون­ها و اندازه­گیری 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 مروری 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[8] بود که با توجه به محدودیت زمانی تا مرحله ساخت موجبر IMI برای اولین بار در کشور ومعرفی روشی جدید اندازه­گیری طول انتشار پیشرفت حاصل شد. در فصل سوم آزمایش­های انجام شده درباره تحریک پلاسمون­ها و ایده روشی جدید در اندازه­گیری طول انتشار آنها ذکر می­شود. در فصل چهارم نیز شبیه­سازی فیلتر های برگ هایبرید پلاسمونیک تشریح می­شود.

1-2                 مروری 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[9] درسال 1909 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[2]. چنین موج مشابه­ای با تزویج پرتو الکترومغناطیسی به چگالی بارهای نوسانی در فلزات می­تواند 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[3].

فانو[10] در سال 1941 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[11] در سال 1909معرفی شده بودند. تئوری فانو به صورت کامل همراه با روش های آزمایشگاهی در سال 1967 توسط ریچر و بعد از آن توسط بیگلهل[12] 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[13] پلاسمون­های سطحی را بدست آورد. او این کار را برای پرتو فرودی با قطبش موازی [14]انجام داده بود درحالی که بیگلهل برای هر دو قطبش موازی و عمودی[15] انجام داد [1].

بعد از تحقیقات دهه 1960 بود که جذابیت امواج پلاسمون سطحی برای محققان بیشتر شد. آنها مشاهده کردند که شدت این امواج که در نزدیکی سطح فلز ایجاد می­شود می­تواند 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[16] شناخته شده­اند که امروزه دانشمندان برای یافتن ساختار­های شیمیایی مواد حتی در ابعاد تک مولکولی از آن استفاده می­کنند[4].

در دهه­های 1980 و 1990 پیشرفت­هایی که در زمینه پلاسمونیک انجام می­شد مربوط به بحث­های بنیادی بود. از جمله این بحث­ها کار روی بهبود سطحی پراکندگی رامان[17] 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[18] و تصویر برداری نانومتری با نور[19]) انجام شد، زمینه تحقیقات گسترده­تر و از فراوانی بالایی برخوردار شد. در نزدیکی سال 2001 حجم تحقیقات نسبت به سال 1990 پنج برابر شد این درحالی است که تعدادمقالات ارائه شده در سال 2011نیز پنج برابر آمار دهه قبل از آن بود. درسال­های اخیر نیز پلاسمونیک از زمینه­های پرطرفدار و با تحقیقات گسترده در اپتیک شده است.

درمقایسه با پلاسمونیک، از دیگر زمینه­های پرتحقیق در اپتیک مباحث مربوط به فوتونیک کرستال[20] است. نمودار شکل (‏1-1)تعداد مقالات مبحث پلاسمون[21] و مقالات فوتونیک کریستال را نشان می دهد. این آمار و نمودار توسط مجله نیچر[22] در سال 2012 ارائه شده است. این نمودار عرصه وسیع تحقیقات در زمینه پلاسمونیک با وجود معایب در دست تحقیق آن را نشان می­دهد.

 

1 Momentum

[2] Resolution

[3] Diffraction Limit

[4] Surface Plasmon Polariton

[5] R. H. Raetcher

[6] Scanning Near Field Optical Microscopy

[7] Hybrid

[8] Insulator-mMetal-Insulator Brag Reflector

[9] Zenneck

[10] Fano

[11] Sommerfeld

[12] Beaglehole

[13] Dispersion Relation

[14] P-Polaraized

[15] S-Polarized

[16] Raman Scattering

[17] Surface-Enhanced Raman Scattering

[18] Electron-Beam And Ion-Beam Lithography

[19] Near-Field Scanning Microscopy

[20] Photonic Crystal

[21] Plasmon

[22] 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

چون فقط تکه هایی از متن پایان نامه در این صفحه درج شده (به طور نمونه)

ولی در فایل دانلودی متن کامل پایان نامه

 با فرمت ورد word که قابل ویرایش و کپی کردن می باشند

موجود است

تعداد صفحه :210

قیمت : چهارده هزار تومان

بلافاصله پس از پرداخت ، لینک دانلود به شما نشان داده می شود

و به ایمیل شما ارسال می شود.

پشتیبانی سایت :        09124404335        info@arshadha.ir

در صورتی که مشکلی با پرداخت آنلاین دارید می توانید مبلغ مورد نظر برای هر فایل را کارت به کارت کرده و فایل درخواستی و اطلاعات واریز را به ایمیل ما ارسال کنید تا فایل را از طریق ایمیل دریافت کنید.

شماره کارت :  6037997263131360 بانک ملی به نام محمد علی رودسرابی

11

مطالب مشابه را هم ببینید

فایل مورد نظر خودتان را پیدا نکردید ؟ نگران نباشید . این صفحه را نبندید ! سایت ما حاوی حجم عظیمی از پایان نامه های دانشگاهی است. مطالب مشابه را هم ببینید. برای یافتن فایل مورد نظر کافیست از قسمت جستجو استفاده کنید. یا از منوی بالای سایت رشته مورد نظر خود را انتخاب کنید و همه فایل های رشته خودتان را ببینید