Σχεδιασμος Και Προσομοιωση Ολοκληρωμενης Διαταξης Ωτονικωνκρυσταλλων Πυριτιου Για Ανιχνευση Αεριων Μεσω Φασματοσκοπικης Απορροφησης

Abstract

Στην παρούσα εργασία σχεδιάζουμε μέσω προσομοίωσης έναν κυματοδηγό σχισμής φωτονικού κρυστάλλου χρησιμοποιώντας τεχνολογία πυριτίου πάνω σε μονωτικό. Η δομή αυτή μας δίνει την δυνατότητα να κατασκευάσουμε τον φωτονικό κρύσταλλο πάνω σε μία αιωρούμενη δομή πυριτίου, αφού είναι τεχνολογικά εφικτό να απομακρύνουμε επιλεκτικά το μονωτικό στρώμα που βρίσκεται ακριβώς κάτω απο αυτό το στρώμα του πυριτίου που γίνεται η κυματοδήγηση. Αυτή η τεχνική αποσκοπεί στο να διευκολύνει ένα αέριο που υπάρχει στον περιβάλλοντα χώρο να εισέλθει στη διάταξή μας και να αλληλεπιδράσει με το πεδίο αφού μελλοντικός στόχος είναι η χρήση της διατάξης ως αισθητήρα πτητικών ενώσεων. Εστιάζουμε την μελέτη στο μήκος κύματος των 1550 nm που έχει ιδιαίτερο ενδιαφέρον αφού χρησιμοποιείται ευρέως στις τηλεπικοινωνίες και συνεπώς οι τεχνολογικές διατάξης που είναι προσαρμοσμένες σε αυτό είναι πολυ αναπτυγμένες και οικονομικές. Ωστόσο επιθυμούμε η διάταξή μας να μπορεί να λειτουργεί και σε ένα εύρος κοντά στα 1550 nm κρατώντας τις βασικές της ιδιότητες όπως είναι η δημιουργία αργού φωτός. Αυτή την ιδιότητα την επιτυγχάνουμε βασιζόμενοι στη θεωρία των ατελειών (defects) σε περιοδικές δομές όπως είναι οι φωτονικοί κρύσταλλοι οι οποίοι παρουσιάζουν συχνοτικό χάσμα. Βάση αυτής της θεωρίας μία παρέμβαση στον φωτονικό κρύσταλλο ‘’σπάει’’ την περιοδικότητα της διάταξης και έχει ως αποτέλεσμα την εισαγωγή νέων καταστάσεων μέσα στο συχνοτικό χάσμα της σχέσης διασποράς. Στην περιπτωσή μας χρησιμοποιούμε μια γραμμική ατέλεια (line defect) που αποτελείται απο την απουσία μια σειράς οπών του εξαγωνικού πλέγματος στην οποία και κυματοδηγείται το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο. Στην συνέχεια αντικαθιστούμε την γραμμική ατέλεια με μία σχισμή αέρα η οποία εμφανίζει μια νέα κατασταση μέσα στο χάσμα. Aυτή η νέα κατάσταση επιτρέπει την κυματοδηγηση του πεδίου για μήκος κύματος 1550 nm και επιτυγχάνει το φαινόμενο του αργού φωτός για τη συχνότητα αυτή. Η σχεδίαση της διάταξης γίνεται με τη μέθοδο Finite Difference Time Domain (FDTD) ή αλλιώς τη μέθοδο πεπερασμένων διαφορών στο πεδίο του χρόνου. Αρχικά ξεκινήσαμε την σχεδίαση σε μια δισδιάστατη διάταξη καθώς αυτό επιταχύνει της προσομοιώσεις μας και στην συνέχeια προχωρήσαμε σε τρισδιάστατες προσομοιώσεις. Η ανίχνευση αερίου στηρίζεται στην φασματοσκοπία απορρόφησης στην ιδιότητα δηλ. πτητικές ενώσεις όπως το διοξείδιο του άνθρακα, το μεθάνιο ή η αμμωνία να απορροφούν