پایان نامه بررسی و تحلیل ساختار های انعکاس دهنده برگ در حوزه پلاسمونیک برای کاربرد قطعات پسیو

فهرست:

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

عنوان

صفحه

        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

عنوان

صفحه

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

عنوان

صفحه

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

منبع:

[1]       A. Arca, "The design and optimisation of nanophotonic devices using the Finite Element Method," University of Nottingham, 2010.

[2]       J. Zenneck, "Über die Fortpflanzung ebener elektromagnetischer Wellen längs einer ebenen Leiterfläche und ihre Beziehung zur drahtlosen Telegraphie," Annalen der Physik, vol. 328, pp. 846-866, 1907.

[3]       R. Fuchs and K. Kliewer, "Surface plasmon in a semi-infinite free-electron gas," Physical Review B, vol. 3, p. 2270, 1971.

[4]       K. Kneipp, M. Moskovits, and H. Kneipp, "Surface-enhanced Raman scattering," Physics Today, vol. 60, p. 40, 2007.

[5]       J. Hopfield, "Theory of the contribution of excitons to the complex dielectric constant of crystals," Physical Review, vol. 112, p. 1555, 1958.

[6]       D. Mills and E. Burstein, "Polaritons: the electromagnetic modes of media," Reports on Progress in Physics, vol. 37, p. 817, 1974.

[7]       S. I. Bozhevolnyi, "Plasmonic nano-guides and circuits," in Plasmonics and Metamaterials, 2008.

[8]       S. A. Maier, Plasmonics: fundamentals and applications: Springer, 2007.

[9]       J. D. Jackson and R. F. Fox, "Classical electrodynamics," American Journal of Physics, vol. 67, p. 841, 1999.

[10]     P. B. Johnson and R.-W. Christy, "Optical constants of the noble metals," Physical Review B, vol. 6, p. 4370, 1972.

[11]     N. W. Ashcroft and N. D. Mermin, "Solid State Physics (Holt," Rinehart and Winston, New York, vol. 19761, 1976.

[12]     T. Kashiwa and I. Fukai, "A treatment by the FD‐TD method of the dispersive characteristics associated with electronic polarization," Microwave and Optical Technology Letters, vol. 3, pp. 203-205, 1990.

[13]     H. Raether, "Surface plasmons on gratings," Surface Plasmons on Smooth and Rough Surfaces and on Gratings, pp. 91-116, 1988.

[14]     D. Sarid, "Long-range surface-plasma waves on very thin metal films," Physical Review Letters, vol. 47, p. 1927, 1981.

[15]     B. Prade, J. Vinet, and A. Mysyrowicz, "Guided optical waves in planar heterostructures with negative dielectric constant," Phys. Rev. B, vol. 44, pp. 13556-13572, 1991.

[16]     E. Economou, "Surface plasmons in thin films," Physical Review, vol. 182, p. 539, 1969.

[17]     J. Burke, G. Stegeman, and T. Tamir, "Surface-polariton-like waves guided by thin, lossy metal films," Physical Review B, vol. 33, p. 5186, 1986.

[18]     V. M. Shalaev and S. Kawata, Nanophotonics with surface plasmons: Elsevier, 2006.

[19]     M. P. Nezhad, K. Tetz, and Y. Fainman, "Gain assisted propagation of surface plasmon polaritons on planar metallic waveguides," Opt. Express, vol. 12, pp. 4072-4079, 2004.

[20]     M. Z. Alam, J. Meier, J. Aitchison, and M. Mojahedi, "Gain assisted surface plasmon polariton in quantum wells structures," Opt. Express, vol. 15, pp. 176-182, 2007.

[21]     R. F. Oulton, V. J. Sorger, T. Zentgraf, R.-M. Ma, C. Gladden, L. Dai, et al., "Plasmon lasers at deep subwavelength scale," Nature, vol. 461, pp. 629-632, 2009.

[22]     A. Boltasseva, T. Nikolajsen, K. Leosson, K. Kjaer, M. S. Larsen, and S. I. Bozhevolnyi, "Integrated optical components utilizing long-range surface plasmon polaritons," Lightwave Technology, Journal of, vol. 23, pp. 413-422, 2005.

[23]     P. Berini, "Long-range surface plasmon polaritons," Advances in Optics and Photonics, vol. 1, pp. 484-588, 2009.

[24]     R. F. Oulton, V. J. Sorger, D. Genov, D. Pile, and X. Zhang, "A hybrid plasmonic waveguide for subwavelength confinement and long-range propagation," Nature Photonics, vol. 2, pp. 496-500, 2008.

[25]     I. G. Breukelaar, "Surface plasmon-polaritons in thin metal strips and slabs: Waveguiding and mode cutoff," University of Ottawa, 2004.

[26]     I. Avrutsky, R. Soref, and W. Buchwald, "Sub-wavelength plasmonic modes in a conductor-gap-dielectric system with a nanoscale gap," Opt. Express, vol. 18, pp. 348-363, 2010.

[27]     D. Dai, Y. Shi, S. He, L. Wosinski, and L. Thylen, "Silicon hybrid plasmonic submicron-donut resonator with pure dielectric access waveguides," Optics express, vol. 19, pp. 23671-23682, 2011.

[28]     P. D. Flammer, J. M. Banks, T. E. Furtak, C. G. Durfee, R. E. Hollingsworth, and R. T. Collins, "Hybrid plasmon/dielectric waveguide for integrated silicon-on-insulator optical elements," Optics express, vol. 18, pp. 21013-21023, 2010.

[29]     Y. Bian, Z. Zheng, Y. Liu, J. Liu, J. Zhu, and T. Zhou, "Hybrid wedge plasmon polariton waveguide with good fabrication-error-tolerance for ultra-deep-subwavelength mode confinement," Optics Express, vol. 19, pp. 22417-22422, 2011.

[30]     Y. Kou, F. Ye, and X. Chen, "Low-loss hybrid plasmonic waveguide for compact and high-efficient photonic integration," Opt Express, vol. 19, pp. 11746-52, 2011.

[31]     R. Buckley and P. Berini, "Figures of merit for 2D surface plasmon waveguides and application to metal stripes," Opt. Express, vol. 15, pp. 12174-12182, 2007.

[32]     S. I. Bozhevolnyi, V. S. Volkov, E. Devaux, J.-Y. Laluet, and T. W. Ebbesen, "Channel plasmon subwavelength waveguide components including interferometers and ring resonators," Nature, vol. 440, pp. 508-511, 2006.

[33]     T. Holmgaard, J. Gosciniak, and S. I. Bozhevolnyi, "Long-range dielectric-loaded surface plasmon-polariton waveguides," Optics express, vol. 18, pp. 23009-23015, 2010.

[34]     Z. Pan, J. Guo, R. Soref, W. Buchwald, and G. Sun, "Mode properties of flat-top silver nanoridge surface plasmon waveguides," JOSA B, vol. 29, pp. 340-345, 2012.

[35]     E. D. Palik, Handbook of Optical Constants of Solids: Index vol. 3: Access Online via Elsevier, 1998.

[36]     M. Z. Alam, "Hybrid Plasmonic Waveguides: Theory and Applications," University of Toronto, 2012.

[37]     L. Gilles and P. Tran, "Optical switching in nonlinear chiral distributed Bragg reflectors with defect layers," JOSA B, vol. 19, pp. 630-639, 2002.

[38]     G. Morthier, B. Moeyersoon, and R. Baets, "A/spl lambda//4-shifted sampled or superstructure grating widely tunable twin-guide laser," Photonics Technology Letters, IEEE, vol. 13, pp. 1052-1054, 2001.

[39]     L. A. Coldren, G. Fish, Y. Akulova, J. Barton, L. Johansson, and C. Coldren, "Tunable semiconductor lasers: A tutorial," Journal of Lightwave Technology, vol. 22, p. 193, 2004.

[40]     S. Jetté-Charbonneau, R. Charbonneau, N. Lahoud, G. Mattiussi, and P. Berini, "Demonstration of Bragg gratings based on long-ranging surface plasmon polariton waveguides," Optics express, vol. 13, pp. 4674-4682, 2005.

[41]     Y. Liu, "Plasmonic Bragg reflector and its application on optical switching," 2009.

[42]     M. Yamada and K. Sakuda, "Analysis of almost-periodic distributed feedback slab waveguides via a fundamental matrix approach," Appl. Opt, vol. 26, pp. 3474-3478, 1987.

[43]     A. Hosseini and Y. Massoud, "A low-loss metal-insulator-metal plasmonic bragg reflector," Optics express, vol. 14, pp. 11318-11323, 2006.

[44]     P. Xu, Q. Huang, and Y. Shi, "Silicon hybrid plasmonic Bragg grating reflectors and high Q-factor micro-cavities," Optics Communications, 2012.

[45]     J. Park, H. Kim, and B. Lee, "High order plasmonic Bragg reflection in the metal-insulator-metal waveguide Bragg grating," Optics Express, vol. 16, pp. 413-425, 2008.

[46]     A. Boltasseva, S. I. Bozhevolnyi, T. Nikolajsen, and K. Leosson, "Compact Bragg gratings for long-range surface plasmon polaritons," Journal of lightwave technology, vol. 24, p. 912, 2006.

[47]     A. Hosseini and Y. Massoud, "Subwavelength plasmonic Bragg reflector structures for on-chip optoelectronic applications," in Circuits and Systems, 2007. ISCAS 2007. IEEE International Symposium on, 2007, pp. 2283-2286.

[48]     P. Neutens, L. Lagae, G. Borghs, and P. Van Dorpe, "Plasmon filters and resonators in metal-insulator-metal waveguides," Optics Express, vol. 20, pp. 3408-3423, 2012.

[49]     P. Yeh, Optical waves in layered media vol. 95: Wiley New York, 1988.

[50]     R. Zia, M. D. Selker, and M. L. Brongersma, "Leaky and bound modes of surface plasmon waveguides," Physical Review B, vol. 71, p. 165431, 2005.

[51]     Y. Suzaki and A. Tachibana, "Measurement of the µm sized radius of Gaussian laser beam using the scanning knife-edge," Applied Optics, vol. 14, pp. 2809-2810, 1975.

[52]     H. Jamid and S. Al-Bader, "Reflection and transmission of surface plasmon mode at a step discontinuity," Photonics Technology Letters, IEEE, vol. 9, pp. 220-222, 1997.

[53]     R. Zia, M. D. Selker, P. B. Catrysse, and M. L. Brongersma, "Geometries and materials for subwavelength surface plasmon modes," JOSA A, vol. 21, pp. 2442-2446, 2004.

[54]     A. K. Sharma and B. D. Gupta, "Influence of temperature on the sensitivity and signal-to-noise ratio of a fiber-optic surface-plasmon resonance sensor," Applied optics, vol. 45, pp. 151-161, 2006.

[55]     A. Z. Elsherbeni and V. Demir, The Finite Difference Time Domain Method for Electromagnetics: With MATLAB Simulations: Scitech, 2009.

[56]     S. D. Gedney, "An anisotropic perfectly matched layer-absorbing medium for the truncation of FDTD lattices," Antennas and Propagation, IEEE Transactions on, vol. 44, pp. 1630-1639, 1996.

[57]     H. Karimi-Alavijeh, G.-M. Parsanasab, M.-A. Baghban, and A. Gharavi, "Two-dimensional photonic crystal for optical channel separation in azo polymers," Applied optics, vol. 48, pp. 3250-3254, 2009.

[58]     Y. Liu, Y. Liu, and J. Kim, "Characteristics of plasmonic Bragg reflectors with insulator width modulated in sawtooth profiles," Optics Express, vol. 18, pp. 11589-11598, 2010.

[59]     J. Shibayama, A. Nomura, R. Ando, J. Yamauchi, and H. Nakano, "A frequency-dependent LOD-FDTD method and its application to the analyses of plasmonic waveguide devices," Quantum Electronics, IEEE Journal of, vol. 46, pp. 40-49, 2010.