تحلیل موجبرهای نوری سه لایه شامل پلاسمون- پلاریتون های سطحی در حضور اثرات مگنتواپتیک
چکیده
در این رساله موجبرهای پلاسمونیک سه لایه در حضور اثرات مگنتواپتیک مورد بررسی و ارزیابی قرارگرفته اند. مروری کوتاه بر کارهای انجام شده در بررسی اثرات مگنتواپتیک و استفاده از ویژ گی های آن در انتشار spp ها صورت گرفته است. نظریه پلاسمون های سطحی مطرح و رابطه ها ی پاشندگی برای مد tm یک سطح مشترک مسطح بین یک دی الکتریک و یک فلز و موجبرهای لایه ای سه لایه یادآوری و چگونگی و شرط تحریک پلاسمون های سطحی معرفی شده اند. با توجه به ساختارهای درونی مواد، مدل های مختلفی برای تشریح رفتار فرکانسی محیط های پاشنده مورد بررسی قرار گرفته اند، که بدلیل تطابق مناسب، کاهش حجم محاسبات و افزایش سرعت پردازش، از مدل درود برای شبیه سازی رفتار فلزات در طول موج های بلندتر از طول موج قرمز استفاده شده است. همچنین تانسور دی الکتریک مواد مگنتواپتیک و چگونگی ارتباط آن با میدان مغناطیسی بایاس کننده در دو ساختار با بایاس عرضی و طولی نشان داده شده است. روش های عددی مناسب برای حل معادله مشخصه موجبرهای پلاسمونیک مگنتواپتیک و بررسی بعضی از پارامترهای انتشاری معرفی شده اند. از روش دو قسمتی برای تأیید نقاط حدس و محاسبه دقیق تر ریشه های مختلط معادله مشخصه استفاده شده، که در ترکیب با یک الگوریتم ساده و ابتکاری، سرعت و دقت محاسبات را تا چندین برابر افزایش داده است. با انتخاب روش عددی تفاضل محدود در حوزه زمان و ترکیب با تبدیل z و استخراج رابطه های حاکم بر ساختارهای ناهمسانگرد مورد مطالعه، الگوریتم لازم برای محاسبه مولفه های میدان های الکترومغناطیسی تهیه شده است. به منظور تحلیل موجبرهای لایه ای پلاسمونیک در حضور اثرات مگنتواپتیک، رابطه های پاشندگی حاکم بر موجبر لایه ای برای دو ساختار با بایاس عرضی و طولی و با در نظر گرفتن اثر مگنتواپتیک در ترکیب های مختلف لایه ای، محاسبه شده است. پس از تعریف مدهای زوج و فرد پلاسمونیک، به کمک روش های عددی معرفی شده، شرط وجود و انتشار آنها بررسی و نشان داده شده است که در موجبرهای imi، هر دو مد زوج و فرد منتشر می شوند و در موجبرهای mim که در این رساله تحلیل می شوند، با توجه به ابعاد و طول موج کار تنها مد زوج منتشر می شود. ثابت انتشار ساختارهای مختلف imi و mim با بایاس های عرضی و طولی و ترکیب های مختلف لایه ای مورد بررسی قرار گرفته اند و نشان داده شده است که در موجبرهای نامتقارن پلاسمونیک با بایاس عرضی، ثابت های انتشار در دو جهت رفت و برگشت مقادیر متفاوت دارند که خاصیت غیرمتقابل ایجاد می شود و در موجبرهای پلاسمونیک با بایاس طولی، به دلیل تزویج مولفه های y و z میدان های الکتریکی و ، کلیه مولفه های میدان های الکتریکی و مغناطیسی وجود دارند بنابراین مد tm خالص وجود ندارد. به منظور تغییر در ساختار متقارن موجبر برای ایجاد اختلاف در ثابت انتشار در دو حالت رفت و برگشت، می توان در لایه های کناری از مواد متفاوت استفاده کرد، همچنین استفاده از مواد مگنتواپتیک با میدان مغناطیسی بایاس کننده در جهت های متفاوت در ایجاد عدم تقارن ساختار موجبری موثر است. مدهای spp زوج در موجبرهای imi در لایه های عایقی گسترش می یابند و کمتر تلف می شوند و مدهای فرد imi و مدهای زوج mim به دلیل گسترش بیشتر در لایه های فلزی، طول انتشار کمتر دارند و استفاده از فلزات با جذب بالا مانند کبالت، به شدت طول انتشار را کاهش می دهد. با استفاده از ویژگی های منحصربفرد موجبرهای پلاسمونیک در کاهش ابعاد ادوات نوری در کنار قابلیت های مواد مگنتواپتیک، ادوات جدید و بهینه نوری پیشنهاد شده اند. با استفاده از یک موجبر mim مگنتواپتیک با بایاس طولی که قابلیت تمرکز بالای موج در بخش مرکزی موجبر را دارد، یک مبدل tm به te پیشنهاد شده و پارامترهای انتشاری آن مورد ارزیابی قرار گرفته است. یک سوییچ پلاسمون سطحی مگنتواپتیک با ابعاد کوچک و سرعت بالا پیشنهاد، طراحی و بررسی شده است. به منظور تحلیل رفتار انتشاری، رابطه ی پاشندگی حاکم بر آن محاسبه شده است و با استفاده از مدل روارد توسعه یافته که امکان محاسبه ضریب بازتاب را از پشته فیلم های نازک با تلف فراهم می کند، شرایط تحریک سوییچ بررسی شده است. شرایط قطع مدهای پلاسمونیک در موجبرهای imi تحلیل شده و نشان داده شده است که مدهای زوج و فرد در موجبرهای imi با ساختارلایه ای متقارن همانند مدهای فرد موجبرهای imi با ساختارلایه ای نامتقارن، همواره منتشر می شوند و شرایط قطعی برای آنها وجود ندارد، ولی برای مدهای زوج در ساختار نامتقارن می توان با ایجاد اختلاف در ضریب شکست لایه ها امکان قطع مد را فراهم کرد که می تواند مبنای طراحی ادوات پلاسمونیک جدید باشد. امکان سنجی طراحی ایزولاتور پلاسمونیک مگنتواپتیک با استفاده از موجبرهای سه لایه ی imi و mim انجام و نشان داده شده است که طول انتشار عامل محدود کننده برای دستیابی به ایزولاسیون بالا است و برای موجبر mim بدون اندیشیدن تمهیدات جدید غیرممکن است.