طراحی و تحلیل عددی آشکارساز بلور فوتونی نقطه کوانتومی مادون قرمز با اثر پلاسمونی
چکیده
در این رساله به بررسی و تحلیل رفتار جذبی نقطه کوانتومی¬های inas/gaas تحت خواص بلور فوتونی، آرایه¬ها و شبکه¬های متناوب فلزی که منجر به تولید امواج پلاسمون سطحی می¬شود، می¬پردازیم. نقاط کوانتومی به عنوان ناحیه فعال آشکارساز در شرایطی که بلور فوتونی بعنوان آینه براگ و یا کاواک با مودهای تشدیدی خاص مورد استفاده قرار گرفته است، بکار می¬رود. تابع دی¬الکتریک لایه نقطه کوانتومی از طریق مدل ماکسول-گارنت اصلاح شده با درنظر گرفتن توزیع اندازه و درصد حجمی نقطه کوانتومی محاسبه می-شود. اثرات بلور فوتونی یک بعدی با حل معادلات ماکسول بررسی می¬شود و پاسخ طیف جذب تحت تاثیر پارامتر¬های ساختاری مانند تعداد، جنس و ضخامت لایه¬ها، در دو نوع ساختار بلور فوتونی نقص¬دار و ساختار بلور فوتونی چرپ¬¬شده مورد بررسی قرارمی¬گیرد. با استفاده از روش ماتریس انتقال (tmm) اثر لبه باند بلور فوتونی روی طیف جذب آشکار¬ساز مادون قرمز بررسی و افزایش ضریب جذب تا 96% برای ساختاربلور فوتونی نقص¬دار بدست می¬آید. همچنین محل بیشینه طول موج جذب در ساختار بلور فوتونی چرپ شده با دقت 48 نانومتر تنظیم می¬شود و مقدارپهنای کامل در نیم بیشینه به مقدار 60 نانومتر کاهش می¬یابد. در نهایت با استفاده از بلور فوتونی چرپ¬شده ساختاری برای آشکار¬ساز مادون قرمز چند¬رنگ کوک¬پذیر طراحی می¬شود. لایه جاذب حاوی نقطه کوانتومی در کاواک بلور فوتونی که تیغه دو بعدی بلور فوتونی است قرار می¬گیرد. ساختار نوار بلور فوتونی با روش تفاضل متناهی در حوزه زمان (fdtd) محاسبه شده و مقدار پارامترها برای جذب در طول موج مادون قرمز میانی مورد نظر تنظیم می¬شود. سپس جذب افرایش یافته¬ای برای این ساختار تا مقدار 8 برابر نسبت به سایر طول موج¬ها بدست می¬آید. برای بررسی اثرات امواج پلاسمونی، آشکار-ساز نقطه کوانتومی مبتنی بر بلور فوتونی فلزی بررسی می¬شود. قرار گرفتن تیغه مشبک فلزی با ضخامت معین روی ساختار امواج سطحی پلاسمونی را تحریک می¬کند که جذب را در طول موج¬هایی مشخصی تا چند برابر دیگر طول موج¬ها افزایش می¬دهند. در ادامه از نانو نوارهای فلزی برای طراحی آشکار¬سازی با ضریب جذب افزایش یافته استفاده می¬شود. در این ساختار ضریب جذب با روش تفاضل متناهی در حوزه فرکانس (fdfd) محاسبه شده و تا حدود 66% افزایش می¬یابد. برای بهبود کارایی افزاره ساختارهایی مانند آینه¬های براگ و لایه گریتینگ با اختلاف ضریب شکست بالا طراحی و در ساختار قرار می¬گیرد تا ضریب جذب به حدود 88% می¬رسد که 2 برابر نسبت به حالت مرجع افزایش یافته¬است. در نهایت با تنظیم پارامترهای ساختاری نانو نوارها، آشکارساز چند رنگ که قابلیت جذب چندین طول موج در محدوده مادون قرمز را داشته باشد طراحی شده و جریان نوری آن محاسبه می¬شود. در این بخش با استفاده از روش fdfd سه بعدی، شبیه¬سازی آشکارساز مبتنی بر بلور فوتونی فلزی تکمیل می¬شود. نتایج با روش fdtd و آزمایش مقایسه می¬شود و در نهایت مقدار ضریب آشکارسازی و جریان نوری برای این ساختار محاسبه می¬شود. نتایج نشان می¬دهد ضریب جذب در طول موج¬های پلاسمونی حداقل تا 2/8 برابر به نسبت طول موج¬های کناری افزایش می¬یابد.