تحلیل کوپلرهای پلاسمونی فلز-عایق-فلز با درنظرگرفتن اثر غیرخطی کر

علم میکروالکترونیک برپایه نیمه رساناها برای کاربردهایی همچون پردازش و انتقال اطلاعات پیشرفت زیادی کرده است، هرچند که انتقال اطلاعات توسط عملکرد اجزای الکترونیکی محدود می شود. در سال های اخیر نشان داده شده است که با استفاده پلاسمونیک ها می توان بر مصالحه بین ظرفیت و اندازه فایق آمد. نکته کلیدی این است که موج الکترومغناطیسی می تواند در سطح فلز به صورت مد پلاریتون پلاسمون سطحی انتشار یابد. بنابراین میدان ها می توانند در سطح فلز با ابعاد جانبی بسیار کوچکتر از طول موج متمرکز شوند. نانوساختارهای فلزی یکی از اجزای کلیدی مدارهای اپتوالکترونیکی به شمار می روند. در این رساله، پلاسمون های سطحی معرفی و ویژگی های آنها مرور و کارهای انجام شده در زمینه شبیه سازی و تحلیل غیرخطی ساختارهای پلاسمونی بیان خواهد شد. مقدمه ای بر نور غیرخطی ارائه و روش تحلیل عددی و تحلیلی کوپلرهای پلاسمونی شرح داده خواهد شد. برای تحلیل ساختارهای پاشنده و غیرخطی، یکی از مناسب ترین روش ها، روش تفاضل محدود در حوزه زمان است. در این رساله با توجه به محیط پلاسمایی فلز، از مدل درود برای شبیه سازی محیط استفاده شده است. ابتدا معادله های روش fdtd در یک محیط خطی، هم سانگرد و غیرپاشنده پیاده سازی شده و سپس با در نظر گرفتن مدل درود معادله های نهایی شامل اثر پاشندگی ارائه می شوند. عایق ساختار با اثر غیرخطی کر درنظر گرفته می شود. بنابراین در انتها معادله های fdtd برای شبیه سازی محیط های پاشنده و غیرخطی بیان می شوند. در این رساله یک سو ئیچ تمام نوری با استفاده از کوپلر جهتی پلاسمونی و براساس اثر غیرخطی کر بررسی می شود. ابتدا عمل کرد خطی کوپلر جهتی پلاسمونی تاشده و کوپلرهای جهتی پلاسمونی با خم های موج بری 45 و 90 درجه تحلیل و شبیه سازی شده، مقسم توان با نسبت توان خروجی دلخواه و مالتی-دی مالتی پلکسر پلاسمونی به عنوان کاربردهای کوپلر جهتی مطرح می شوند. تئوری کوپلینگ مد برای دو موج بر کوپل شده ارائه شده و براساس آن مدل نیمه تحلیلی کوپلر جهتی تاشده بدست می آید. با مقایسه نتایج حاصل از مدل نیمه تحلیلی و شبیه سازی عددی مشخص می شود که مدل نیمه تحلیلی مدل دقیقی برای طراحی کوپلر جهتی تاشده است. سپس به تحلیل غیرخطی کوپلرهای پلاسمونی تاشده و کوپلرهای جهتی پلاسمونی با خم های موج بری 45 و 90 می پردازیم. عملکرد سوئیچ های کوپلری با خم های موج بری 45 و 90 درجه را با هم مقایسه کرده و به این نتیجه می رسیم که توان لازم برای سوئیچینگ در سوئیچ های 90 درجه، حدود 21% کمتر از سوئیچ های 45 درجه است. همچنین اثر مدولاسیون فاز متقابل برروی توان سوئیچینگ کوپلر جهتی پلاسمونی را بررسی کرده و مشاهده می کنیم که در این حالت توان سیگنال و پمپ لازم برای سوئیچینگ بسیار کمتر از توان سیگنال در حالتی است که اثر مدولاسیون خودفاز در نظر گرفته می شود. زمان سوئیچینگ کوپلرهای 45 و 90 درجه به ترتیب 26fs و 23fs بدست آمده است. به دلیل زمان سوئیچینگ بسیارکم این ادوات به عنوان سوئیچ های تمام نوری بسیار سریع در مدارهای مجتمع نوری قابل استفاده هستند. اکثر شبیه سازی ها در پنجره سوم مخابراتی، یعنی طول موج 1550 نانومتر و با استفاده از کدهای نوشته شده در نرم افزارهای ++c و matlab انجام شده است.