موج‌بر نواری فلز-عایق-فلز عمودی مبتنی بر ساختار سیلیکون بر روی عایق

فناوری های نوین مهندسی برق در سیستم انرژی سبز

دوره 2، شماره 2 - شماره پیاپی 6، شهریور 1402، صفحه 17-25   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.30486/teeges.2023.1972274.1048

نویسندگان

وحید صادق زاده مرقی¹؛ محمود نیکو فرد^{* 2}؛ مهدی اسلامی¹؛ سید حسین پیشگر کومله¹

¹دانشکده مهندسی برق، واحد تهران غرب، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران

²دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر، دانشگاه کاشان، کاشان، ایران

چکیده

این مقاله یک موج‌بر پلاسمونیک نواری بسیار فشرده جدید فلز-عایق-فلز (MIM) بر روی ساختار سیلیکون بر روی عایق (SOI)  پیشنهاد می‌کند. ساختار موج‌بر می‌تواند به‌طور مؤثر پلاریتون پلاسمون­های سطحی (SPPs) را در یک ‌لایه نازک SiO₂ با ضریب شکست کم در پنجره طول‌موج نوری 1550 نانومتر منتشر کند. پارامترهای اصلی شامل، ضریب شکست مؤثر، طول انتشار، ضریب تحدید و ناحیه حالت مؤثر برای موج‌بر پیشنهادی با پهناهای مختلف موج‌بر محاسبه شده است. نتایج شبیه‌سازی با موج‌بر پلاسمونیک MIM افقی قابل‌مقایسه می­باشد. ساختار پیشنهادی می‌تواند به‌صورت یکپارچه با ادوات مبتنی برSOI  عایقی مرسوم و پلاسمونیکی ترکیبی مجتمع سازی شده و پتانسیل متمرکز کردن نور، در ابعاد نانو را دارد.

کلیدواژه‌ها

تمرکز در ابعاد نانو؛ پلاسمونیک؛ مدارهای یکپارچه فوتونیک؛ خواص انتشار؛ موج‌بر نواری فلز-عایق-فلز (MIM) عمودی؛ سیلیکون بر روی عایق (SOI)

مراجع

[1]        S. A. Maier and H. A. Atwater, “Plasmonics: Localization and guiding of electromagnetic energy in metal/dielectric structures,” J. Appl. Phys., vol. 98, no. 1, p. 10, 2005, doi: 10.1063/1.1951057.

[2]        S. A. Maier et al., “Local detection of electromagnetic energy transport below the diffraction limit in metal nanoparticle plasmon waveguides,” Nat. Mater., vol. 2, no. 4, pp. 229–232, 2003, doi: 10.1038/nmat852.

[3]        E. Feigenbaum and M. Orenstein, "Modeling of complementary (void) plasmon waveguiding," J. Light. Technol., vol. 25, no. 9, pp. 2547-2562, 2007, doi: 10.1109/JLT.2007.903558.

[4]        M. S. Tame, K. R. Mcenery, Ş. K. Özdemir, J. Lee, S. A. Maier, and M. S. Kim, “quantum plasmonics” Nat. Phys., vol. 9, no. 6, pp. 1–55, 2013.

[5]        S. A. Maier et al., “Plasmonics—a route to nanoscale optical devices,” Adv. Mater., vol. 13, no. 19, pp. 1501–1505, 2001, doi: 10.1002/adma.200390134.

[6]        H. Yan et al., "Tunable infrared plasmonic devices using graphene/insulator stacks,” Nat. Nanotechnol., vol. 7, no. 5, pp. 330-334, 2012, doi: 10.1038/NNANO.2012.59.

[7]        I. Malkiel et al., “Deep learning for the design of photonic structures,” Nat. Photonics, pp. 1–14, 2020, doi: 10.1038/s41566-020-0685-y.

[8]        H. Mathuriya, R. Zafar, and G. Singh, "Plasmonic Grating-Based Refractive Index Sensor with High Sensitivity, ” IETE J. Res., no. May, pp. 1–7, 2021, doi: 10.1080/03772063.2021.1925600.

[9]        M. Khorshidi, G. Dadashzadeh, and S. Zafari, "Periodic Metallic Stepped Slits for Entire Transmission of Optical Wave and Efficient Transmission of Terahertz Wave, ” IETE J.Res., vol. 68, no. 3, pp. 1–10, 2019, doi: 10.1080/03772063.2019.1689187.

[10]      R. Zia, M. D. Selker, P. B. Catrysse, and M. L. Brongersma, "Geometries and materials for subwavelength surface plasmon modes," JOSA A, vol. 21, no. 12, pp. 2442-2446, 2004.

[11]      V. Shaidiuk, S. G. Menabde, and N. Park, "Effect of structural asymmetry on three layer plasmonic waveguide properties," JOSA B, vol. 33, no. 5, pp. 963-970, 2016, doi: 10.1364/JOSAB.33.000963.

[12]      P. Lalanne, S. Coudert, G. Duchateau, S. Dilhaire, and K. Vynck, "Structural slow waves: parallels between photonic crystals and plasmonic waveguides," ACS photonics, vol. 6, no. 1, pp. 4-17, 2018, doi: 10.1021/acsphotonics.8b01337.

[13]      Q. Li and M. Qiu, "Structurally-tolerant vertical directional coupling between metal-insulator-metal plasmonic waveguide and silicon dielectric waveguide," Opt. Express,, vol. 18, no. 15, pp. 15531-15543, 2010, doi: 10.1364/oe.18.015531

[14]      M. Nikoufard, M. K. Alamouti, and S. Pourgholi, "Multimode interference power-splitter using InP-based deeply etched hybrid plasmonic waveguide," IEEE Trans. Nanotechnol., vol. 16, no. 3, pp. 477-483, 2017, doi: 10.1109/TNANO.2017.2688397.

[15]      J. A. Dionne, L. A. Sweatlock, H. A. Atwater, and A. Polman, "Plasmon slot waveguides: Towards chip-scale propagation with subwavelength-scale localization," Physical Review B, vol. 73, no. 3, p. 035407, 2006, , doi: 10.1103/PhysRevB.73.035407.

[16]      N.-N. Feng, M. L. Brongersma, and L. Dal Negro, "Metal–dielectric slot-waveguide structures for the propagation of surface plasmon polaritons at 1550nm," IEEE J. Quantum Electron, vol. 43, no. 6, pp. 479-485, 2007, doi: 10.1109/JQE.2007.897913.

[17]      G. Veronis and S. Fan, "Modes of subwavelength plasmonic slot waveguides," J. Light. Technol., vol. 25, no. 9, pp. 2511-2521, 2007, doi: 10.1109/JLT.2007.903544.

[18]      L. Chen, J. Shakya, and M. Lipson, "Subwavelength confinement in an integrated metal slot waveguide on silicon," Optics letters, vol. 31, no. 14, pp. 2133-2135, 2006, doi: 0146-9592/06/142133-3.

[19]      M. L. Brongersma et al., “Metal-dielectric-metal plasmonic waveguide devices for manipulating light at the nanoscale,” Chinese Opt. Lett., vol. 7, no. 4, pp. 302–308, 2009, doi: 10.3788/COL20090704. 0302.1

[20]      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, no. 7083, pp. 508-511, 2006, doi: 10.1038/nature04594.

[21]      Y. Fu, X. Hu, C. Lu, S. Yue, H. Yang, and Q. Gong, "All-optical logic gates based on nanoscale plasmonic slot waveguides," Nano lett., vol. 12, no. 11, pp. 5784-5790, 2012, doi: 10.1021/nl303095s.

[22]      I. D. Rukhlenko, A. Pannipitiya, and M. Premaratne, "Dispersion relation for surface plasmon polaritons in metal/nonlinear-dielectric/metal slot waveguides," Optics letters, vol. 36, no. 17, pp. 3374-3376, 2011, doi: 10.1364/ol.36.003374.

[23]      J. A. Dionne, H. J. Lezec, and H. A. Atwater, "Highly confined photon transport in subwavelength metallic slot waveguides," Nano lett., vol. 6, no. 9, pp. 1928-1932, 2006, doi: 10.1021/nl0610477.

[24]      H. Choo et al., "Nanofocusing in a metal–insulator–metal gap plasmon waveguide with a three-dimensional linear taper," Nat. Photonics, vol. 6, no. 12, pp. 838-844, 2012, doi: 10.1038/NPHOTON.2012.277.

[25]      K. Wongpanya, T. Kasaya, H. T. Miyazaki, H. Oosato, Y. Sugimoto, and W. Pijitrojana, "Mass-productive fabrication of a metal–insulator–metal plasmon waveguide with a linear taper for nanofocusing," Appl. Phys B, vol. 122, no. 9, pp. 1-7, 2016, doi: 10.1007/s00340-016-6515-8.

[26]      M. Saad-Bin-Alam, M. I. Khalil, A. Rahman, and A. M. Chowdhury, "Hybrid plasmonic waveguide fed broadband nanoantenna for nanophotonic applications," IEEE Photonics Technol Lett., vol. 27, no. 10, pp. 1092-1095, 2015, doi: 10.1109/LPT.2015.2407867.

[27]      M. Nikoufard, A. Nourmohammadi, and S. Esmaeili, "Hybrid plasmonic nanoantenna with the capability of monolithic integration with laser and photodetector on InP substrate," IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 66, no. 1, pp. 3-8, 2018, doi: 10.1109/TAP.2017.2767623.

[28]      C. Koos, L. Jacome, and C. Poulton, "Nonlinear silicon-on-insulator waveguides for all-optical signal processing," Opt. Express, vol. 15, no. 10, pp. 5976–5990, 2007.

[29]      J. T. Robinson, K. Preston, O. Painter, and M. Lipson, "First-principle derivation of gain in high-index-contrast waveguides," Opt. Express,, vol. 16, no. 21, pp. 16659-16669, 2008.