انتشار امواج پلاسمون پلاریتون سطحی در ساختارهای چند لایه نیم رسانا و فروالکتریک
Abstract
پلاسمون پلاریتون های سطحی (spps) امواجی هستند که در امتداد سطح هادی و محصور به آن منتشر می شوند. این امواج نوری چون با الکترون های آزاد در سطح هادی بر هم کنش می کنند، در سطح هادی به دام افتاده اند. مزیت عمده این امواج متمرکز بودن انرژی آنها در فاصله بسیار نزدیکی از سطح هادی و تشدید میدان آن ها در سطح فلز در فرکانس های نوری می باشد. از این رو این امواج کاربردهای فراوانی در حسگرها، مدارهای فوتونیکی ، تقویت پروسه های نوری ماهیتاً ضعیف و ... یافته اند. اما در کنار این مزیت ها مشکل عمده این امواج که کارایی آن ها را محدود می کند، میرایی شدید آن ها به دلیل تلفات اهمی فلز می باشد. در سالهای اخیر تلاش های زیادی برای کم کردن این تلفات، با معرفی اشکال گوناگونی از موجبرهای پلاسمون پلاریتونی و یا جبران این تلفات، با استفاده از محیط های فعال انجام شده است. محلول های رنگی، نیم رساناها، چاهای چندلایه کوانتومی و ... از جمله محیط های فعالی هستند که بدین منظور استفاده می شوند. در این پایان نامه نیز محیط های فعال بابهره برای افزایش طول انتشار امواج پلاسمون پلاریتونی سطحی به کار رفته اند و نیم رسانای گالیم آرسناید، با در نظر گرفتن بهره ی مورد نیاز و جنبه های مربوط به سادگی امکان ساخت به عنوان محیط فعال انتخاب شده است. درتحلیلهای انجام شده در مورد موجبرهای پلاسمونی فعال عمدتاً از مدل های ساده و مقادیر متوسط به جای کمیت های متغیّر ساختار استفاده شده است. گر چه این روش ها برای معرفی کلّی رفتار موجبر و نوع محیط اکتیو مورد نیاز مفید می باشند اما برای تحلیل دقیق و بررسی تئوری برخی پدیده های فیزیکی نظیر اشباع بهره در اثر افزایش شدت میدان الکترومغناطیسی کارایی ندارند. لذا در این پایان نامه با معرفی و استفاده از یک مدل جامع، مبتنی بر معادلات کوانتومی بهره و معادلات نرخ نیمه هادی که در برگیرنده اثراتِ تغییر فرکانس، دما، شدت میدان و میزان تحریک می باشد، موجبر اکتیو پلاسمون پلاریتونی بررسی می گردد. هم چنین دو ساختار عملی برای چنین موجبری پیشنهاد می گردندکه یک ساختار از نوع نیم رسانا-فلز-عایق ودیگری از نوع فلز- نیم رسانا -فلز می باشد. هر دو ساختار در یک رنج فرکانس نوری با ابعاد مختلف، با تغییر میزان بایاس محیط بهره مورد بررسی قرار گرفته و پدیده اشباع بهره نیز در نتایج شبیه سازی مشاهده و تحلیل شده است. نشان داده شده است که هر چه میدان مود spp در داخل لایه gaas متمرکزتر باشد، به دلیل اینکه میزان برهم کنش آن با محیط بابهره بیشتر می باشد تأثیر بهره gaas بر افزایش طول انتشار آن مود بیشتر می شود. هم چنین در بخش جداگانه ای به بررسی موجبر اکتیو دو الکترودیspp با استفاده از یک لایه فروالکتریک پرداخته شده. گر چه از مواد فروالکتریک عمدتاً در مدولاتورها و سوئیچ های اپتیکی استفاده می گردد، ما نشان داده ایم که می توان از این مواد به عنوان محیط اکتیو برای افزایش طول انتشار امواج spp نیز استفاده کرد. در این موجبر سه حالت مختلف بر مبنای راستای محور اپتیکی نسبت به جهت انتشار و راستای میدان بایاس الکتریکی، معرفی و نحوه ی بدست آوردن روابط پاشندگی برای آن ها شرح داده شده است. مشاهده می شودکه بهترین حالت برای افزایش طول انتشار امواج spp حالتی است که در آن محور اپتیکی در راستای جهت انتشار و عمود بر میدان الکتریکی بایاس می باشد.