Skip to main content
SUPERVISOR
امیر برجی (استاد راهنما) امیرحامد ماجدی (استاد مشاور)
 
STUDENT
Naimeh Ghafarian
نعیمه غفاریان

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1387
Surface plasmon polaritons () are electromagnetic waves, coupled to free electron oscillations, that propagate along the interface between a dielectric and a conductor with a negative real part of permittivity. The most attractive feature of surface plasmons is their enhanced and spatially confined electromagnetic fields at conductor-dielectric interfaces. Because of this, have been exploited in many applications such as chemo- and bio- sensors, integrated photonic circuits and enhancement of weak optical processes. However, practical applications of are hindered by their short propagation length, resulting from the power dissipation in the metal. Recently, considerable efforts have been devoted to increase the propagation length by introducing novel structures for waveguides or compensating the loss by using active mediums such as dyes, semiconductors, multiple quantum wells (MQWs), quantum dots, etc. In this thesis, a GaAs semiconductor layer is used as the gain medium which provides enough gain and is simple to fabricate. Studies carried on active plasmonic waveguides so far, have generally used simplistice models for the gain medium. Although these methods can be useful to obtain the general behavior of the active waveguide, they do not provide accurate results and can not account for some physical phenomena such as gain saturation due to increase in optical intensity. In this thesis a more comprehensive model, based on both rate and quantum mechanical gain equations, that covers the effects of frequency, temperature, field's intensity and bias value is used in order to analyze two proposed active semiconductor waveguides. One of these waveguides is a semiconductor/metal/dielectric structure and the other one is a metal/semiconductor/metal structure. Both waveguides are studied in an optical frequency range for different dimensions by applying several different values of electrical pumps. For wave amplification, saturation of the gain due to increase in the field intensity is theoretically analyzed and validated by simulations. It is also shown that when a sufficient proportion of the field is distributed within the GaAs layer, which ensures robust coupling between semiconductor gain medium and wave there is a profound impact on the propagation of the wave. In the latter part of this thesis, a double electrode waveguide incorporating a ferroelectric layer is proposed that can be used to control and increase the propagation length of the supported mode. For ferroelectric waveguide three cases based on the direction of Keywords: Surface plasmon polariton waveguide, active semiconductor medium, quantum mechanical gain equations, rate equations, ferroelectric.
پلاسمون پلاریتون های سطحی () 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 هم‌کنش 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 آن‌ها در سطح فلز در فرکانس‌های نوری می‌باشد. از این رو این امواج کاربردهای فراوانی در حسگرها، مدارهای فوتونیکی ، تقویت پروسه‌های نوری ماهیتاً ضعیف و ... یافته اند. اما در کنار این مزیت‌ها مشکل عمده این امواج که کارایی آن‌ها را محدود می کند، میرایی شدید آن‌ها به دلیل تلفات اهمی فلز می‌باشد. در سالهای اخیر تلاش‌های زیادی برای کم کردن این تلفات، با معرفی اشکال گوناگونی از موجبرهای پلاسمون پلاریتونی و یا جبران این تلفات، با استفاده از محیط‌های فعال انجام شده است. محلول‌های رنگی، نیم‌رساناها، چاهای چندلایه کوانتومی و ... از جمله محیط‌های فعالی هستند که بدین منظور استفاده می‌شوند. در این پایان‌نامه نیز محیط‌های فعال بابهره برای افزایش طول انتشار امواج پلاسمون پلاریتونی سطحی به کار رفته‌اند و نیم‌رسانای گالیم آرسناید، با در نظر گرفتن بهره‌ی مورد نیاز و جنبه‌های مربوط به سادگی امکان ساخت به عنوان محیط فعال انتخاب شده است. درتحلیلهای انجام شده در مورد موجبرهای پلاسمونی فعال عمدتاً از مدل‌های ساده و مقادیر متوسط به جای کمیت‌های متغیّر ساختار استفاده شده است. گر چه این روش‌ها برای معرفی کلّی رفتار موجبر و نوع محیط اکتیو مورد نیاز مفید می‌باشند اما برای تحلیل دقیق‌ و بررسی تئوری برخی پدیده‌های 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 نیمه‌هادی که در برگیرنده اثراتِ تغییر فرکانس، دما، شدت میدان و میزان تحریک می باشد، موجبر اکتیو پلاسمون پلاریتونی بررسی می گردد. هم‌چنین دو ساختار عملی برای چنین موجبری پیشنهاد می گردندکه یک ساختار از نوع نیم‌رسانا-فلز-عایق ودیگری از نوع فلز- نیم‌رسانا -فلز می‌باشد. 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 شبیه‌سازی مشاهده و تحلیل شده است. نشان داده شده است که هر چه میدان مود در داخل لایه GaAs متمرکزتر باشد، به دلیل اینکه میزان برهم‌کنش آن با محیط بابهره بیشتر می‌باشد تأثیر بهره GaAs بر افزایش طول انتشار آن مود بیشتر می‌شود. هم‌چنین در بخش جداگانه ای به بررسی موجبر اکتیو دو الکترودی با استفاده از یک لایه فروالکتریک پرداخته شده. گر چه از مواد فروالکتریک عمدتاً در مدولاتورها و سوئیچ‌های اپتیکی استفاده می گردد، ما نشان داده ایم که می‌توان از این مواد به عنوان محیط اکتیو برای افزایش طول انتشار امواج 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 نحوه‌ی بدست آوردن روابط پاشندگی برای آن‌ها شرح داده شده است. کلمات کلیدی: موجبر پلاسمون پلاریتون سطحی، محیط اکتیو، معادلات کوانتومی بهره، معادلات نرخ نیمه‌رسانا، فروالکتریک.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی