تحلیل و طراحی سوئیچ‏ پلاسمونیک با استفاده از نانونوارهای گرافنی در طول‏ موج‏ های مادون‏ قرمز میانی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی کامل

نویسندگان

1 گروه الکترونیک، دانشکده برق، دانشگاه تربیت دبیر شهید رجایی، تهران، ایران

2 گروه الکترونیک، دانشکده مهندسی برق، دانشگاه تربیت دبیر شهید رجائی، تهران

3 دانشکده برق و کامپیوتر، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران

چکیده

در این مقاله عملکرد سوئیچ‏ پلاسمونیکی در طول‏موج‏های مادون‏قرمز میانی با استفاده از نانو نوارهای گرافنی تک‏لایه و چندلایه تحلیل و طراحی شده است. از تغییر پتانسیل شیمیایی (μ_c ) برای تغییر رسانایی سطحی در گرافن استفاده شده است. با تغییر جزئی در پتانسیل شیمیایی گرافن، جابجایی عمده‏ای در فرکانس تشدید (∆λ) و عمق مدولاسیون (MD) حاصل شده است. شبیه‏سازی عددی با روش المان محدود نشان داده است که سوئیچ طراحی‏شده از بروم نیتراید شش‏وجهی (hBN) و آرایه‏ متناوب از نانو نوارهای گرافنی دارای عمق مدولاسیون dB14، جابجایی طول‏موج µm2.8 با تعداد لایه‏های 6=N، با تغییر پتانسیل شیمیایی از eV0.3 تا eV0.4 می‏باشد. ساختار پیشنهادی می‏تواند در ادوات فوتونیکی مجتمع و کوک‏پذیر در طول‏موج‏های مادون‏قرمز میانی برای تحقق سیستم‏های الکترونیک نوری CMOS روی تراشه استفاده شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Design and Analysis of Plasmonic Switch at mid-IR Wavelengths with Graphene Nano-Ribbons

نویسندگان [English]

  • Fatemeh Moradiani 1
  • Mahmood Seifouri 2
  • Kambiz Abedi 3
1 Department of Electronic, Faculty of Electrical Engineering, Shahid Rajaee Teacher Training University, Tehran, Iran
2 Dept. of Electronic Eng., Faculty of Electrical Eng., Shahid Rajaee Teacher Training University, Tehran, Iran
3 Departement of Electronic, Faculty of Electrical and computer Engineering, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran
چکیده [English]

Taking advantage of chemical potential (μ_c) one layer and multi layers graphene nano ribbons, we designed and analyzed performance of plasmonic switches at mid-IR wavelengths. By slight varying the chemical potential of graphene, significant resonance shifts (∆λ) and modulation depth (MD) achieved. Finite element method numerical simulation show that plasmonic switch made of hexagonal boron nitride (hBN)/Graphene suffering relatively large MD and wavelength shifts with N=6, and varying μ_c from 0.3eV- 0.4eV, 14 dB and 2.8 µm, respectively. The proposed structure could be useful for research in compact and largely tunable mid-infrared photonic devices to realize on-chip CMOS optoelectronic systems.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Chemical potential
  • Graphene nano-ribbon
  • plasmonic
  • Modulation depth
  • Wavelength shift
  • Switch
[1] V.W. Brar, M.S. Jang, M. Sherrott, J.J. Lopez, H.A. Atwater, Highly Confined Tunable Mid-Infrared Plasmonics in Graphene Nanoresonators, Nano Letters 13 (2013), 2541–2547.

[2] S. Türker-Kaya, C.W. Huck, A Review of Mid-Infrared and Near-Infrared Imaging: Principles, Concepts and Applications in Plant Tissue Analysis, Molecules 22 (2017) 168-188.

[3] R. Shankar, M. Lončar, Silicon photonic devices for mid-infrared Applications, Nanophotonics 3 (2014) 329–341.

[4] N.A. Macleod, F. Molero, D. Weidmann, Broadband standoff detection of large molecules by mid-infrared active coherent laser spectrometry, Optics Express 912 (2015) 912-929.

 [5] D. Wasserman, R.n Singh, T. Akalin, Special issue on mid-infrared and THz Photonics, Journal of Optics16 (2014) 090201-090203.

[6] J.M. Marmolejo-Tejada, n.J. Velasco-Medina, Review on graphene nanoribbon devices for logic applications, Microelectronics Journal 48 (2016) 18–38.

[7] F.H.L. Koppens, D.E. Chang, F.J.G. de Abajo, Graphene Plasmonics: A Platform for Strong Light-Matter Interactions, Nano Letters 11 (2011) 3370–3377.

[8]. J.S. Shin, J.T. Kim, Broadband silicon optical modulator using a graphene-integrated hybrid plasmonic waveguide, Nanotechnology 26(2015) 365201-365209.

[9] W. Gao, J. Shu, C. Qiu, Q. Xu, Excitation of Plasmonic Waves in Graphene by Guided-Mode Resonances, American Chemical Society 6 (2012) 7806–7813.

[10] H.S. Chu, Ch.H. Gan, Active plasmonic switching at mid-infrared wavelengths with graphene ribbon arrays, Applied Physics Letters 102 (2013) 231107-2311011.

[11] N. Li, L. Wang, X. Zhai, Tunable graphene-based mid infrared plasmonic wide-angle narrowband perfect absorber, Nature Science report 6 (2016) 36651-36658.

[12] H.J. Li, L.L. Wang, H. Zhang and et., Graphene-based mid-infrared, tunable, electrically controlled plasmonic filter, Applied Physics Express 7 (2014). 24301-24306.