• صفحه اصلی
  • حسگر دما بر اساس موجبر شکافی پلاسمونی تراهرتز تزویج‌شده به تشدیدگر

اشتراک گذاری

آدرس مقاله


کد مقاله : 1402013041936 بازدید : 1487 صفحه: 76 - 82

نوع مقاله: پژوهشی

حسگر دما بر اساس موجبر شکافی پلاسمونی تراهرتز تزویج‌شده به تشدیدگر

محورهای موضوعی : مهندسی برق و کامپیوتر

علیرضا دولت آبادی 1 *

1 - دانشكده فنی و مهندسی، دانشگاه آیت ‏الله بروجردی

تاریخ دریافت : 1402/01/30 تاریخ پذیرش : 1402/10/23 تاریخ انتشار : 1403/03/13

کلید واژه: ایندیم اَنتیموناید, پلاسمونی, تراهرتز, تشدیدگر, حسگر دما,

چکیده مقاله :

در این مقاله، عملکرد یک حسگر دما بر اساس ساختار پلاسمونی شامل یک موجبر شکافی تزویج‌شده به یک تشدیدگر بررسی شده است. نتایج بر اساس وابستگی معادله پاشندگی ساختار و در نتیجه فرکانس تشدید تشدیدگر به ضریب گذردهی الکتریکی ماده سازنده ساختار یعنی ایندیم اَنتیموناید به‏دست آمده که ضریب گذردهی یادشده هم به دمای محیط وابسته است. طراحی ساختار برای بخشی از فرکانس‏های طیف تراهرتز انجام شده و نتایج شبیه‏سازی، بیانگر رابطه‏ای تقریباً خطی بین فرکانس‏های تشدید و دمای محیط در بازه دمایی 260 تا 350 درجه کلوین است. همچنین معیاری برای بررسی حساسیت و بازه دمایی عملکردی حسگر ارائه‌‌شده بیان گردیده است. حساسیت این حسگر در بازه دمایی ذکرشده به میزان 10-10× 1 درجه کلوین بر هرتز محاسبه شده و حد تفکیک اندازه‏گیری دمای آن به حد تفکیک اندازه‏گیری فرکانس سامانه آشکارساز وابسته است. این حسگر با ساختار ساده خود می‏تواند در سامانه‏های متعدد شیمیایی و زیستی به‏کار گرفته شود.

چکیده انگلیسی:

In this paper, the performance of a temperature sensor based on plasmonic structure including a slot waveguide coupled with a stub resonator has been investigated. The results have been attained based on the dependency of dispersion equation, and so, the resonance frequency of the stub, to electric permittivity of the constructing material of the structure, InSb, which is also dependent to the ambient temperature. The design of the structure has been carried out for frequencies in terahertz spectra. The simulation results confirm an approximate linear relation between the resonance frequencies and ambient temperature, between 260-350 Kelvin. Also, a criterion has been assigned for evaluation the sensitivity and the performance temperature span of the proposed sensor. The calculated sensitivity is about 1×10-10 Kelvin per Hertz in the mentioned temperature interval. The sensor measurement resolution depends on the frequency resolution of the detection system. This simple sensor can be utilized in various chemical and bio systems.

منابع و مأخذ:

[1] P. Tassin, T. Koschny, and C. M. Soukoulis, "Graphene for terahertz applications," Science, vol. 341, no. 6146, pp. 620-621, Aug. 2013.
[2] A. Dolatabady, N. Granpayeh, and M. Abedini, "Frequency-tunable logic gates in graphene nano-waveguides," Phot. Netw. Commun., vol. 39, no. 3, pp. 187-194, Jun. 2020.
[3] J. Kitagawa, Y. Kadoya, M. Tsubota, F. Iga, and T. Takabatake, "Terahertz time-domain spectroscopy of photo-induced carriers in YTiO3," J. Magn. Magn. Mater., vol. 310, no. 2, pt 1, pp. 913-915, Mar. 2007.
[4] H. Yoshida, et al., "Terahertz sensing method for protein detection using a thin metallic mesh," Appl. Phys. Lett., vol. 91, Article ID: 253901, Dec. 2007.
[5] M. Naftaly, J. F. Molloy, G. V. Lanskii, K. A. Kokh, and Y. M. Andreev, "Terahertz time domain spectroscopy for textile identification," Appl. Opt., vol. 52, no. 19, pp. 4433-4437, Jun. 2013.
[6] T. Kleine-Ostmann and T. Nagatsuma, "A review on terahertz communications research," J. Infrared Millim. THz Wave, vol. 32, pp. 143-171, Feb. 2011.
[7] A. Dolatabady, N. Granpayeh, and M. Salehi, "Ferrite loaded graphene based plasmonic waveguide," Opt. Quant. Electron., vol. 50, Article ID: 345, 11 pp., Sept. 2018.
[8] J. Tao, B. Hu, X. Y. He, and Q. J. Wang, "Tunable subwavelength terahertz plasmonic stub waveguide filters," IEEE Trans. Nanotechnol., vol. 12, no. 6, pp. 1191-1197, Nov. 2013.
[9] J. R. Hu and J. S. Li, "Ultra-compact 1×8 channel terahertz wave power splitter," J. Infrared Millim. THz Wave, vol. 37, pp. 729-736, Aug. 2016.
[10] A. K. Sharma and D. Gupta, "Influence of temperature on the sensitivity and signal-to-noise ratio of a fiber-optic surface-plasmon resonance sensor," Appl. Opt., vol. 45, pp. 151-161, Jan. 2006.
[11] E. A. Velichko, "Evaluation of a graphene-covered dielectric microtube as a refractive-index sensor in the terahertz range," J. Opt., vol. 18, Article ID: 035008, Feb. 2016.
[12] M. Aslinezhad, "High sensivity refractive index and temperature sensor based on semiconductor metamaterial perfect absorber in the terahertz band," Opt. Commun., vol. 463, Article ID: 125411, May 2020.
[13] L. L. Xu, Y. Gong, Y. X. Fan, and Z. Y. Tao, "A high-resolution terahertz electric field sensor using a corrugated liquid crystal waveguide," Crystals, vol. 9, Artivle ID: 302, 2019.
[14] A. Dolatabady and N. Granpayeh, "Plasmonic magnetic sensor based on graphene mounted on a magneto-optic grating," IEEE Trans. Magn., vol. 54, no. 2, pp. 1-5, Feb. 2018.
[15] S. K. Ozdemir and G. T. Sayan, "Temperature effects on surface plasmon resonance: design considerations for an optical temperature sensor," J. of Lightwave. Technol., vol. 21, no. 3, pp. 805-814, Mar. 2003.
[16] J. L. Xue, L. L. Xu, T. T. Wang, Y. X. Fan, and Z. Y. Tao, "Terahertz thermal sensing by using a defect-containing periodically corrugated gold waveguide," Appl. Sci., vol. 10, Article ID: 4365, Jun. 2020.
[17] Y. Ma, et al., "Mach-Zehnder interferometer-based integrated terahertz temperature sensor," IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron, vol. 23, no. 4, Article ID: 4601607, Jul./Aug. 2017.
[18] G. Wang, T. Lang, and Z. Hong, "Metallic metamaterial terahertz sensors for simultaneous measurement of temperature and refractive index," Appl. Opt., vol. 59, no. 18, pp. 5385-5390, 2020.
[19] T. Huang, et al., "Design of highly sensitive interferometric sensros based on subwavelength grating waveguides operating at the dispersion turning point," J. Opt. Soc. Am. B, vol. 38, pp. 2680-2686, Sept. 2021.
[20] J. Feng, C. Chen, X. Sun, and H. Peng, "Implantable fiber biosensors based on carbon nanotubes," Acc. Mater. Res., vol. 2, no. 3, pp. 138-146, Jan. 2021.
[21] H. Lu, X. Liu, D. Mao, L. Wang, and Y. Gong, "Tunable band-pass plasmonic waveguide filters with nanodisk resonators," Opt. Express., vol. 18, no. 17, pp. 17922-12927, 2010.
[22] X. Zhang, "Terahertz surface plasmonic waves: a review," Adv. Photon., vol. 2, Article ID: 014001, Jan. 2020.
[23] A. Hamouleh-Alipour, A. Mir, and A. Farmani, "Analytical modeling and design of a graphene metasurface sensor for thermo-optical detection of terahertz plasmons," IEEE Sens., vol. 21, no. 4, pp. 4525-4532, 15 Feb. 2021.
[24] A. Dolatabady and N. Granpayeh, "Nanoscale temperature sensor based on plasmonic waveguides with nanocavity resonator," in Proc. 2nd Iranian Conf. of Electromagnetic Engineering, pp. 663-667, Tehran, Iran, 8-9 Jan. 2014.
[25] G. Liu, M. Han, and W. Hou, "High-resolution and fast-response fiber-optic temperature sensor using silicon Fabry-Pérot cavity," Opt. Express, vol. 23, no. 6, pp. 7237-7247, Mar. 2015.
[26] J. L. Kennedy and N. Djeu, "Operation of Yb: YAG fiber-optic temperature sensor up to 1600 °C," Sens. Actuators A: Phys., vol. 100, no. ???, pp. 187-191, Sep. 2002.
[27] Q. Rong, et al., "A miniature fiber-optic temperature sensor based on a Fabry-Perot interferometer," J. Opt., vol. 14, Article ID: 045002, Apr. 2012.
[28] Y. Lu, M. T. Wang, C. J. Hao, Z. Q. Zhao, and J. Q. Yao, "Temperature sensing using photonic crystal fiber filled with silver nanowires and liquid," IEEE Photonics J., vol. 6, Article ID: 6801307, Jun. 2014.
[29] Y. Peng, J. Hou, Z. Huang, and Q. Lu, "Temperature sensor based on surface plasmon resonance within selectively coated photonic crystal fiber," Appl. Opt., vol. 51, no. 26, pp. 6361-6367, 2012.
[30] Q. Liu, S. Li, H. Chen, J. Li, and Z. Fan, "High-sensitivity plasmonic temperature sensor based on photonic crystal fiber coated with nanoscale gold film," Appl. Phys. Express, vol. 8, Article ID: 046701, Mar. 2015.
[31] M. Aslam Mollah, S. M. Riazul Islam, M. Yousufali, L. F. Abdulrazak, M. Biplob Hossain, and I. S. Amiri, "Plasmonic temperature sensor using D-shaped photonic crystal fiber," Results Phys., vol. 16, Article ID: 102966, Mar. 2020.
[32] J. Zhu and G. Jin, "Detecting the temperature of ethanol based on Fano resonance spectra obtained using a metal-insulator-metal waveguide with SiO2 branches," Opt. Mater. Express, vol. 11, no. 9, pp. 2787-2799, 2021.
[33] J. F. Bradley, D. B. Leviton, and T. J. Madison, "Temperature-dependent refractive index of silicon and germanium," Proc. of the SPIE 6273, Optomechanical Technologies for Astronomy, 62732J, 2006.
[34] C. L. Davies, J. B. Patel, C. Q. Xia, L. M. Herz, and M. B. Johnston, "Temperature-dependent refractive index of quartz at terahertz frequencies," J. Infrared Millim. Terahertz Waves, vol. 39, no. 12, pp. 1236-1248, Dec. 2018.
[35] M. Oszwalldowski and M. Zimpel, "Temperature-dependence of intrinsic carrier concentration and density of states effective mass of heavy holes in InSb," J. Phys. Chem. Solids, vol. 49, no. 10, pp. 1179-1185, 1988.
[36] X. Dai, Y. Xiang, and S. Wen, "Thermally tunable and omnidirectional terahertz photonic bandgap in the one-dimensional photonic crystals containing semiconductor InSb," J. Appl. Phys., vol. 109, Article ID: 053104, Mar. 2011.
[37] H. Liu, G. Ren, Y. Gao, B. Zhu, B. Wu, H. Li, and S. Jian, "Tunable terahertz plasmonic perfect absorber based on T-shaped InSb array, " Plasmonics, vol. 11, no. 2, pp. 411-417, 2016.
[38] X. Luo, X. Zhai, L. Wang, Q. Lin, and J. Liu, "Tunable terahertz narrow-band plasmonic filter based on optical Tamm plasmon in dual-section InSb slot waveguide," Plasmonics, vol. 12, no. 2, pp. 509-514, Jun. 2016.
[39] F. Taflove and S. C. Hagness, Computational Electrodynamics: The Finite-difference Time-Domain Method, 3rd Ed. Artech House, Boston, MA, USA, 2005.
[40] A. Dolatabady and N. Granpayeh, "Tunable far-infrared plasmonically induced transparency in graphene based nano-structurers," J. Opt., vol. 20, Article ID: 075001, Jun. 2018.
[41] C. Manolatou, M. J. Khan, and S. Fan, "Coupling of modes analysis of resonant channel add-drop filters," IEEE J. Quantum Electron., vol. 35, no. 9, pp. 1322-1331, Sept. 1999.
[42] A. Pannipitiya, I. D. Rukhlenko, M. Premaratne, H. T. Hattori, and G. P. Agrawal, "Improved transmission model for metal-dielectric-metal plasmonic waveguides with stub structure," Opt. Express, vol. 18, no. 6, pp. 6191-6204, 2010.
[43] H. W. Huber, H. Richter, and M. Wienold, "High-resolution terahertz spectroscopy with quantum-cascade lasers," J. Appl. Phys., vol. 125, Article ID: 151401, Jun. 2019.
[44] J. M. Wheeler, et al., "The plasticity of indium antimonide: insights from variable temperature, strain rate jump micro-compression testing," Acta Materialia, vol. 106, pp. 283-289, Mar. 2016.
متن کامل:
معرفي يک روش جديد خوشه‌يابي خودکار

76                                                                                                   نشریه مهندسی برق و مهندسی کامپیوتر ایران، الف- مهندسی برق، سال 22، شماره 1، بهار 1403

مقاله پژوهشی

حسگر دما بر اساس موجبر شکافی پلاسمونی 
تراهرتز تزویج‌شده به تشدیدگر

علیرضا دولت‏آبادی

 

 

1 

چکیده: در این مقاله، عملکرد یک حسگر دما بر اساس ساختار پلاسمونی شامل یک موجبر شکافی تزویج‌شده به یک تشدیدگر بررسی شده است. نتایج بر اساس وابستگی معادله پاشندگی ساختار و در نتیجه فرکانس تشدید تشدیدگر به ضریب گذردهی الکتریکی ماده سازنده ساختار یعنی ایندیم اَنتیموناید به‏دست آمده که ضریب گذردهی یادشده هم به دمای محیط وابسته است. طراحی ساختار برای بخشی از فرکانس‏های طیف تراهرتز انجام شده و نتایج شبیه‏سازی، بیانگر رابطه‏ای تقریباً خطی بین فرکانس‏های تشدید و دمای محیط در بازه دمایی 260 تا 350 درجه کلوین است. همچنین معیاری برای بررسی حساسیت و بازه دمایی عملکردی حسگر ارائه‌‌شده بیان گردیده است. حساسیت این حسگر در بازه دمایی ذکرشده به میزان 10-10× 1 درجه کلوین بر هرتز محاسبه شده و حد تفکیک اندازه‏گیری دمای آن به حد تفکیک اندازه‏گیری فرکانس سامانه آشکارساز وابسته است. این حسگر با ساختار ساده خود می‏تواند در سامانه‏های متعدد شیمیایی و زیستی به‏کار گرفته شود.

 

کلیدواژه: ایندیم اَنتیموناید، پلاسمونی، تراهرتز، تشدیدگر، حسگر دما.

1-       مقدمه

استفاده از ساختارهای الکترومغناطیس در طیف‏های فرکانسی مختلف و در کاربردهای گوناگون از نیازهای روبه‏رشد حوزه‏های صنعتی، تجاری، و پژوهشی است. به‏کارگیری طیف فرکانسی تراهرتز که نسبت به طیف‏های مجاور خود (یعنی مایکروویو و فروسرخ) کمتر اشغال شده، طی سال‏های اخیر توجه بسیاری از پژوهش‏ها را به خود جلب کرده است [1]. این باند فرکانسی، قابلیت‏هایی را شبیه هر دو طیف مذکور ارائه می‏دهد و از طرفی به‏دلیل ویژگی‏های جذابی مانند انتشار غیریونیزان و غیرتخریبی برخط مستقیم [2]، قابلیت به‏کارگیری در کاربردهای متنوع طیف‏سنجی [3]، حسگری [4]، تشخیص پزشکی [5] و مخابراتی [6] را داراست. با رشد سریع منابع و آشکارسازهای تراهرتز، تقاضای فراوانی برای سایر ادوات و قطعات تراهرتز مانند موجبرها [7]، فیلترها [8] و مقسم‏های توان [9] صورت گرفته است. حسگرها نیز از دیگر قطعات پرتقاضا به‏شمار می‏آیند. استفاده از حسگرهای تراهرتز که کمیت فیزیکی مورد اندازه‏گیری را به یکی از ویژگی‏های موج تراهرتز تبدیل می‏کنند، می‏تواند رهیافتی مناسب برای تحقق ابزارهای پرسرعت و دقیق اندازه‏گیری کمیت‏های مختلف باشد [10]. تاکنون حسگرهای متعددی برای اندازه‏گیری ضریب شکست [11]، دما [12] و اندازه شدت میدان‏های الکتریکی [13] و مغناطیسی [14] در طیف‏ تراهرتز بررسی شده‏اند. حسگرهای دما یکی از انواع پرکاربرد حسگرها برای اندازه‏گیری دقیق تغییرات سیالات در سامانه‏های صنعتی، واکنش‏دهنده‏های شیمیایی و حسگرهای زیستی هستند [15]. تاکنون ایده‏های مختلفی برای پیاده‏سازی حسگرهای دما بر اساس ساختارهای الکترومغناطیس با بهره‏مندی از امواج تراهرتز به‏کار گرفته شده‏اند که از آن جمله می‏توان به موجبر پراشه متناوب [16]، تداخل‏سنج ماخ- زندر [17] و آرایه‏ای از حلقه‏های فلزی [18] اشاره نمود.

از دیگر سو، یکی از نیازهای سامانه‏های الکترومغناطیس، دستیابی به ادوات و حسگرهایی در ابعاد زیر طول موج است [19]. این نیاز به‏دلیل تقاضای روبه‏رشد برای تحقق ادوات قابل انطباق با مدارهای مجتمع است که کاربردهایی در سامانه‏‏های زیستی قابل کاشت در بدن موجودات زنده نیز دارند [20]. با این حال، برآورده‏سازی این نیاز بر اساس ساختارهای معمول موجبری توسط حد پراش محدود شده است. با به‏کارگیری ساختارهای پلاسمونی، ساختارهایی مبتنی بر انتشار امواج پلاسمون سطحی مقید به فصل مشترک رسانا- عایق می‏توان بر چنین محدودیتی غلبه کرد. انتشار امواج پلاسمونی بر فصل مشترک یادشده به‏صورت موجی طولی و میراشونده در راستای عمود بر آن صورت می‏گیرد [21]. تاکنون مطالعات بسیاری پیرامون این ساختارها که نامزدی مطلوب برای پیاده‏سازی مدارهای مجتمع به‌شمار می‏روند، در طیف‏های مختلف فرکانس نوری، فروسرخ و تراهرتز صورت گرفته است [22]. همچنین بر این اساس، حسگرهای تشدیدی پلاسمونی گوناگونی برای اندازه‏گیری کمیت‏های فیزیکی مختلف ارائه شده‏اند [15].

در این مقاله، یک حسگر دمای پلاسمونی در طیف فرکانسی تراهرتز ارائه می‏شود. ایده حسگری بر پایه اندازه‏گیری فرکانس تشدید ساختار طراحی نهفته است. پیشتر حسگرهای پلاسمونی گوناگونی برای اندازه‏گیری تغییرات دما [23] و [24] و همچنین حسگرهای متنوعی بر پایه ساختارهای مبتنی بر فیبر نوری برای اندازه‏گیری تغییرات دما بررسی شده‏اند. در برخی از این ساختارها از مفهوم تداخل امواج در کاواک فابری- پرو و وابستگی تداخل حاصل به دمای محیط برای آشکارسازی تغییرات دما استفاده شده است [25]. در برخی از چنین حسگرهایی با افزودن مواد خاص به درون فیبر، بازه عملکردی حسگر مورد نظر افزایش یافته [26] و نیز با به‏کارگیری ساختار با هندسه‏ای خاص، ابعاد آن کاهش و پایداری عملکردی آن بهبود یافته است [27]. از سویی، بهره‏مندی از ساختارهای بلور نوری، شامل عناصر فلزی و اثرات تشدید پلاسمون سطحی [28] تا [30] بر پایه ساختارهای متنوع از جمله فیبر بلور نوری 
D شکل [31] از دیگر رهیافت‏ها به این هدف بوده است. ایده دیگری که برای پیاده‏سازی حسگرهای دما پیشنهاد شده‏ است، استفاده از برخی مواد مانند اتانول [32]، سیلیکون، ژرمانیوم [33] و کوارتز [34] با بهره‏گیری از 

[1] این مقاله در تاریخ 30 فروردین ماه 1402 دریافت و در تاریخ 3 آذر ماه 1402 بازنگری شد.

علیرضا دولت‏آبادی (نویسنده مسئول)، دانشكده فنی و مهندسي، دانشگاه آیت‏الله بروجردی، بروجرد، ایران، (email: alireza.dolatabady@abru.ac.ir).

جدول 1: مقایسه چند حسگر دما.

 

مرجع

ساختار

ایده حسگری

ماده حساس به دما

طیف فرکانسی عملکرد

بیشینه حساسیت (درجه کلوین)

[12]

جاذب فراماده نیمه‏هادی

تشدید جذبی ساختار

ایندیوم اَنتیموناید

تراهرتز

7144 نانومتر تغییر طول موج تشدید

[15]

موجبر فلز- عایق پلاسمونی

اثر دما بر تشدید پلاسمون‏های سطحی

نقره یا طلا

نوری

-

[16]

موجبر دندانه‏دار متناوب از جنس طلا

تشدید محلی در شکاف‏های بِرَگ ایجادشده

طلا

تراهرتز

5/11 مگاهرتز تغییر فرکانس تشدید

[17]

تداخل‏سنج ماخ- زندر

تغییر رابطه پاشندگی مُد پلاسمون سطحی منتشرشونده با دما

ایندیوم اَنتیموناید

تراهرتز

9/8 گیگاهرتز تغییر فرکانس تشدید

[18]

آرایه‏ای از حلقه‏های فلزی بر زیرلایه کوارتز

تغییر در فرکانس تشدید ساختار

طلا

تراهرتز

14/7 مگاهرتز تغییر فرکانس تشدید

[23]

فراسطح گرافین بر زیرلایه 2SiO

تغییر فرکانس تشدید جاذب گرافینی

گرافین

تراهرتز (فروسرخ دور)

7/11 گیگاهرتز تغییر فرکانس تشدید

[24]

موجبر پلاسمونی دایروی

تغییر فرکانس تشدید کاواک دایروی

ماده داخل کاواک 5TeO2Bi

نوری

-

[25]

کاواک فَبری- پِرو سیلیکونی فیبر نوری

ضریب انبساط دمایی سیلیکون

سیلیکون

نوری

6/84 پیکومتر تغییر طول موج تشدید

[27]

تداخل‏سنج فَبری- پِرو فیبر نوری

الگوی تداخلی وابسته به دما

پُلی‏وینیل الکل در نوک فیبر نوری

نوری

5/173 پیکومتر تغییر طول موج تشدید

[28]

فیبر بلور نوری پرشده با نقره

تشدید پلاسمون سطحی

نقره

نوری

7/2 نانومتر تغییر طول موج تشدید

[29]

فیبر بلور نوری پرشده با یک مایع با ضریب تِرمو- اپتیک بالا

تشدید پلاسمون سطحی

مایع با ضریب 
تِرمو- اپتیک بالا

نوری

720 پیکومتر تغییر طول موج تشدید

-

حسگر پیشنهادی

تغییر در فرکانس تشدید ساختار

ایندیوم اَنتیموناید

تراهرتز

5/9 گیگاهرتز تغییر فرکانس تشدید

 

 

ضرایب گذردهی الکتریکی و یا شکست نوری وابسته به دمای آنها بوده و در این بین تفاوتی که وجود دارد، نوع وابستگی این ضرایب به دماست. چنین ساختارهایی، بیشتر شامل تشدیدگرهایی پرشده با مواد حساس به دما هستند. ماده پُرکننده تشدیدگر می‏تواند سیال و یا گاز نیز باشد که این مطلب، دشواری ساخت عملی حسگر و کالیبراسیون آن را به‏همراه دارد. تفاوت بارز حسگر پیشنهادی ما، استفاده از وابستگی ماده زمینه سازنده ساختار یعنی ایندیوم اَنتیموناید به دماست که نیاز به به‏کارگیری سایر مواد حساس به دما در ساختار را برطرف می‏نماید. ضریب گذردهی‏ الکتریکی ایندیوم اَنتیموناید در طیف فرکانسی تراهرتز از مدل شبه‌درود برای فلزات در فرکانس‏های نوری تبعیت می‏کند [35]. پیشتر در [36]، مطالعه‏ای بر رفتار وابسته به دمای تشدیدگری از جنس ایندیوم اَنتیموناید صورت گرفته که در آنجا هدف، پیاده‏سازی یک فیلتر تنظیم‏پذیر با دما بوده است. در مطالعه حاضر، حسگر دما با مقادیر حساسیت و بازه دمایی عملکردی مشخص معرفی می‏شود. همچنین در مطالعه ارائه‌شده در [36]، بیشینه طیف عبور و در مطالعه حاضر، کمینه طیف عبور اندازه‏گیری می‏شوند که هر یک می‏توانند سهولت اندازه‏گیری خاص خود را فراهم آورند.

در این مقاله ابتدا در بخش 2، ساختار موجبر پیشنهادی معرفی و عملکرد آن که رفتاری مانند فیلترهای الکترومغناطیسی دارد، به‌صورت تحلیلی بررسی می‏شود. سپس در بخش 3 نتایج شبیه‏سازی، صحت‏سنجی نتایج شبیه‏سازی بر اساس مدل معادل خط انتقال و نکاتی در پیاده‏سازی عملی ساختار مورد بررسی ارائه می‏گردند. نهایتاً در بخش 4، مقاله با بیان نتیجه‏گیری خاتمه می‏یابد.

2-       ساختار پیشنهادی و عملکرد پایه آن‌

جدول 1، چند حسگر دمای نام‌برده‌شده در بخش اول را از منظر ساختار، ایده حسگری، ماده حساس به دمای اصلی به‏کاررفته، طیف فرکانسی عملکرد و بیشینه حساسیت مقایسه می‏کند. در سطر آخر این جدول، مقادیر متناظر با حسگر پیشنهادی در این مقاله آمده است. ساختار پیشنهادی برای تحقق حسگر دما بر اساس ساختار نشان‌داده‌شده در شکل‏های 1- الف و 1- ب، شامل یک موجبر شکافی در بستر ایندیوم اَنتیموناید و تزویج‌شده از بغل با یک تشدیدگر است. پهنای موجبر و تشدیدگر با img0 و طول تشدیدگر با img0 نشان داده شده‏اند. رابطه پاشندگی مُد اصلی منتشرشونده پلاسمون سطحی در موجبر شکافی توسط رابطه زیر داده می‏شود [8]

img0        (1)

که در آن img0 ضریب شکست مؤثر موج منتشرشونده پلاسمون سطحی در موجبر و img0 عدد موج در فضای آزاد هستند که img0 ‏طول موج تابشی در فضای آزاد را نشان می‏دهد. img0 و img0 به‏ترتیب نشانگر ضرایب گذردهی الکتریکی ماده زمینه ساختار، یعنی ایندیوم اَنتیموناید و عایق داخل موجبر‏ و تشدیدگر هستند. ضریب گذردهی الکتریکی ایندیم اَنتیموناید به‏طور تقریبی با مدل ساده درود زیر قابل بیان است [36]

img0        (2)

که img0، img0 و img0 به‏ترتیب بیانگر ضریب گذردهی در فرکانس‏های بسیار بالا، فرکانس زاویه‏ای و ثابت میرایی هستند. img0 فرکانس پلاسماست که مطابق رابطه img0 به چگالی حامل‏های ذاتی img0، بار الکترون img0، ضریب گذردهی الکتریکی خلأ img0 و جرم مؤثر حامل‏های آزاد img0 وابسته است. برای ایندیوم اَنتیموناید، چگالی حامل‏های ذاتی مطابق رابطه زیر با افزایش دما img0 افزایش می‏یابد [36]

img0        (3)

img0 

(الف)

img0 

(ب)

شكل‌ 1:  نمای شماتیک ساختار پایه شامل موجبر شکافی تزویج‌شده از بغل به یک تشدیدگر. ماده زمینه ساختار ایندیوم اَنتیموناید و بخش عایقی، هوا در نظر گرفته شده است. پهنای موجبر و تشدیگر با img0 و طول تشدیدگر با img0 نشان داده شده‏اند. img0، img0 و img0 به‏ترتیب نمایانگر محل اندازه‏گیری توان‏های ورودی و خروجی و محل اعمال منبع تابشی ورودی هستند. (الف) نمای دوبعدی و (ب) نمای سه‏بعدی.

 

که در آن img0 ثابت بولتزمن را نشان می‏دهد. این رابطه بیانگر وابستگی فرکانس پلاسما و ضریب گذردهی ایندیوم اَنتیموناید و در نتیجه، ضریب شکست مؤثر و ثابت انتشار امواج پلاسمون سطحی img0 منتشرشونده در موجبر شکافی به دما است. در ساختار ارائه‌شده در شکل‏های 1- الف و 1- ب، ضمن تابش موج از منبع و انتشار در موجبر شکافی، بخشی از آن در طیف فرکانسی متناظر با فرکانس تشدید تشدیدگر جانبی به تشدیدگر تزویج می‏شود. فرکانس تشدید به‏صورت زیر به طول تشدیدگر، ضریب شکست مؤثر ماده داخل آن و در نتیجه به دما وابسته است [8]

img0        (4)

که img0 مرتبه مُد تشدید و img0 سرعت نور در فضای آزاد را نشان می‏دهد.

بخشی از موج با فرکانس تزویج‌شده به تشدیدگر از راهیابی به موجبر خروجی بازمی‏ماند و ساختار مانند یک فیلتر میان‏نگذر رفتار می‏کند. با مشاهده طیف خروجی این ساختار و بررسی چگونگی تغییرات فرکانس حذف‌شده در خروجی می‏توان تغییرات دما را به شرط ثابت‌بودن سایر عوامل مؤثر اندازه گرفت.

مطابق (1) تا (3)، رابطه پاشندگی مُد اصلی در موجبر شکافی به دما وابسته است که این وابستگی را می‏توان در شکل 2 با نمایش طیف بخش حقیقی ضریب شکست مؤثر برای دماهای مختلف مشاهده کرد. پیشتر، ساختارهای متنوعی با ویژگی‏ فرکانس گزینی شامل تشدیدگرها با شکل‏های هندسی مختلف معرفی شده‏اند. همچنین ساختارهای متنوع الکترومغناطیسی بر اساس ایندیوم اَنتیموناید بررسی و ارائه شده‏اند [36] تا [38].

img0 

شكل‌ 2:  طیف بخش حقیقی ضریب شکست مؤثر موجبر شکافی از جنس ایندیوم اَنتیموناید با پهنای 50 میکرومتر برای دماهای مختلف و بر اساس (1).

 

3-       نتایج شبیه‏سازی حسگر دما، صحت‏سنجی نتایج 
و ملاحظات عملی‌

شبیه‏سازی ساختار معرفی‌شده بر اساس روش تفاضل متناهی در حوزه زمان اجرا شده و شرایط مرزی اعمال‌شده، لایه‏های جاذب تطبیق‌شده کامل است [39] و [40]. برای صرفه‏جویی در زمان اجرای شبیه‏سازی و نیز میزان حافظه مورد نیاز، ساختار مورد نظر برای شبیه‏سازی،‏ دوبعدی در نظر گرفته شده است. این مطلب با فرض طویل‌گرفتن بعد سوم ساختار (که در شکل 1- الف نشان داده نشده است) نسبت به دو بعد دیگر، صورت می‏گیرد و از دقت خوبی برخوردار است. برای پیاده‏سازی این الگوریتم، کدی در محیط نرم‏افزار متلب نوشته شده و ابعاد مش‏بندی به‏صورت img0 انتخاب گردیده است. منبع تحریک گاوسی در محل مشخص‌شده با img0 در شکل 1- الف اِعمال شده است. در پایان از محاسبه نسبت توان خروجی به توان ورودی در حوزه فرکانس در محل‏های مشخص‌شده در شکل 1- الف، طیف انتقال توان کل ساختار به‏دست می‏آید.

برای طراحی ساختار پیشنهادی و عمل در فرکانس مرکزی 1 تراهرتز، گام‏های زیر دنبال می‏شوند:

1)        با توجه به ساختار شکل 1، ماده پایه ایندیوم اَنتیموناید برای موجبر و تشدیدگر، درنظرگرفتن هوا در بخش‏های عایقی img0 با مقدار پذیرفته‌شده 50 میکرومتر برای پهنای موجبر شکافی و تشدیدگر img0، دمای اولیه img0 280 درجه کلوین، معادله مشخصه (1) و مدل درود برای ایندیوم اَنتیموناید، ضریب شکست مؤثر موجبر شکافی محاسبه می‏شود. پارامترهای لازم در مدل معرفی‏کننده ایندیوم اَنتیموناید به‏صورت img0، img0 و img0 هستند که img0 جرم الکترون را نشان می‏دهد [36].

2)        در مرحله بعد با توجه به هدف طراحی در فرکانس مشخص بالا برای تشدید در مُد دوم، طول تشدیدگر img0 از (4) به‏میزان 300 میکرومتر محاسبه می‏گردد.

3)        سپس شبیه‏سازی عملکرد ساختار انجام می‏شود. نتیجه طیف انتقال توان در شکل 3- الف مشاهده می‏گردد که اختلافی جزئی نسبت به هدف طراحی، یعنی تشدید در فرکانس 1 تراهرتز دارد.

4)        نهایتاً از مدل معادل خط انتقال برای صحت‏سنجی نتایج برگرفته از شبیه‏سازی استفاده می‏شود که مبانی نظری آن در همین بخش معرفی می‏گردد.

img0 

(الف)

img0 

(ب)

شكل‌ 3:  (الف) طیف انتقال توان ساختار ارائه‌شده در شکل 1 بر اساس شبیه‏سازی و مدل خط انتقال و (ب) توزیع میدان مغناطیسی عرضی به‏هنجارشده حاصل از شبیه‏سازی برای انتشار موج در ساختار شکل 1- الف در دمای 280 درجه کلوین و فرکانس تحریک 928/0 تراهرتز.

 

مطابق شکل 3- الف، حسگر در فرکانس‏های اطراف 1 تراهرتز عمل ‏می‏نماید. کمینه عبور توان در حوالی فرکانس 928/0 تراهرتز دیده می‏شود که متناظر با یکی از مُدهای تشدید تشدیدگر است. این مُد بر اساس (4) و استفاده از فرکانس طراحی و ضریب شکست مؤثر محاسبه‌شده از (1)، مُد مرتبه دوم است. در این مُد که توزیع میدان الکتریکی img0 متناظرش در شکل 3- ب مشاهده می‏شود، موج تابشی به تشدیدگر تزویج می‏شود و به خروجی راه پیدا نمی‏کند. با توجه به حد پراش می‏توان گفت که امکان هدایت موج در موجبری با ابعاد کمتر از طول موج فراهم نیست؛ بنابراین مطابق این شکل، هدایت امواج، حاکی از تحریک و انتشار امواج پلاسمون سطحی است.

برای صحت‏سنجی نتایج حاصل از شبیه‏سازی شکل 3- الف می‏توان از روش‏های تحلیلی و شبه‌تحلیلی مختلفی از جمله نظریه مُدهای تزویج‌شده [41] و مدل‏سازی بر اساس خط انتقال [42] استفاده نمود. در اینجا از مدل خط انتقال برای این امر استفاده می‏شود و مدل شکل 4 برای این تحلیل به‌کار رفته است. ویژگی‏ رفتاری موجبر شکافی را می‏توان با درنظرگرفتن ثابت انتشار آن img0 و برگرفته از (1) بررسی کرد. در شرایطی که عرض موجبر شکافی کمتر از طول موج انتشاری باشد img0 (تقریب شبه‏ایستا) می‏توان مدل مداری معادل شکل 4 را برای ساختار شکل 1، یعنی موجبر شکافی تک‏مُد همراه با تشدیدگر تزویج‌شده با آن در نظر گرفت. همچنین از اثرات مربوط به میدان‏های نشتی و تحریک مُدهای مرتبه بالاتر میرا در نزدیک محل انشعاب تشدیدگر از موجبر شکافی چشم‏پوشی می‏شود. بر اساس شکل 1 و 4 می‏توان نسبت انتقال توان را در خروجی img0 به ورودی ساختار img0 به‏دست آورد. این مدار توسط اتصالی موازی از یک خط انتقال نامتناهی با امپدانس مشخصه img0 (جایگزین موجبر شکافی) و یک خط انتقال متناهی 

img0 

(الف)

img0 

(ب)

شكل‌ 4:  (الف) مدل خط انتقال معادل برای ساختار شکل 1- الف و نمایش جزئیات در مدل یادشده به‏طوری که img0 و img0 به‏ترتیب مقادیر امپدانس مشخصه خطوط انتقال معادل متناظر با موجبر شکافی و تشدیدگر هستند. img0 بازتاب امواج پلاسمون سطحی از انتهای تشدیدگر را بیان می‏کند و img0 امپدانس مؤثر تشدیدگر است [42].

 

با امپدانس مشخصه img0 (جایگزین تشدیدگر) مختوم به بار img0 تشکیل می‏شود. امپدانس img0 تغییر فاز و تضعیف ایجادشده را در اثر بازتاب موج پلاسمون سطحی از انتهای تشدیدگر به‏حساب می‏آورد. امپدانس‏های یادشده در بالا برحسب پارامترهای موجبری بیان می‏شوند. با استفاده از مشابهت در این مدل، بین میدان‏های الکتریکی و مغناطیسی عرضی در امواج پلاسمون سطحی با به‏ترتیب ولتاژ و جریان در یک خط انتقال، امپدانس مشخصه خطوط انتقال در شکل 4 به‏صورت رابطه زیر تعریف می‏شود [42]

img0        (5)

که در آن img0 پس از جا‏گذاری مقدار img0 در (1) به‏دست می‏آید. رابطه (5) با این فرض است که بخش عمده انرژی امواج پلاسمون سطحی درون عایق موجبر متمرکز شده است؛ در حالی که توزیع میدان الکترومغناطیسی عرضی در طول محور img0 به‌طور تقریبی یکنواخت است. از طرفی برای به‏دست‌آوردن مقدار img0 لازم است تا دامنه بازتاب یکسانی برای موج الکترومغناطیسی پلاسمون سطحی با مُد مغناطیسی عرضی (TM) در انتهای تشدیدگر و مدل خط انتقال در نظر گرفته شود. با فرض بازتاب عمودی از انتهای تشدیدگر و مساوی قراردادن دامنه‏ بازتاب که از نظریه فرنل نتیجه می‏شود با مقدار محاسبه‌شده از تحلیل مداری، رابطه زیر به‏دست می‏آید [42]

img0        (6)

و در نتیجه

img0        (7)

روابط (5) تا (7)، روابط معادل‏سازی موجبر شکافی شکل 1 را با مدل خط انتقال شکل 4 بیان می‏کند. طبق شکل 4- ب می‏توان امپدانس ورودی معادل img0 را به‏صورت زیر در نظر گرفت

img0        (8)

img0 

شكل 5:  طیف انتقال توان حاصل از شبیه‏سازی ساختار ارائه‌شده در شکل 1 به‌ازای تغییر در دما برای مُد دوم تشدید.

 

img0 

شكل 6:  نمایش تغییرات فرکانس تشدید تشدیدگر ساختار برحسب دما بر اساس نتایج شبیه‏سازی برای مُد دوم تشدید.

 

برای به‏دست‌آوردن نسبت توان خروجی به ورودی، مطابق تعریف شکل 4- ب درنظرگرفتن ولتاژهای معادل خط ورودی و خروجی به‏ترتیب img0 و img0 و روال ارائه‌شده در [42] خواهیم داشت

img0        (9)

که img0 طول انتشار موج پلاسمون سطحی است.

شکل 5، تغییرات طیف انتقال توان را به‌ازای تغییر در دمای محیط نشان می‏دهد. مطابق بحث بخش قبل، فرکانس تشدید (متناظر با کمینه عبور موج) وابسته به دماست. همان ‏طور که در شکل 6 دیده می‏شود، فرکانس تشدید با افزایش دما به سمت فرکانس‏های بیشتر منتقل می‏شود. در محدوده‏‏ای از دما به‏طور تقریبی بین 260 تا 350 درجه کلوین (و حتی بالاتر)، این تغییرات به‏صورت تقریباً خطی است؛ اما در دماهای پایین‏تر (به‏ویژه کمتر از 240 درجه کلوین)، تغییرات گفته‌شده از رفتار خطی خارج می‏گردد. بنابراین برای استفاده از حسگر پیشنهادی در خارج از بازه خطی گفته‌شده، لازم است تا یک جدول جستجو تهیه شود.

به‏عنوان معیاری برای بررسی عملکرد این حسگر می‏توان حساسیت را به‏صورت img0 تعریف نمود که در آن img0 میزان حد تفکیک فرکانسی طیف‏سنج همراه با حسگر را بیان می‏کند. بنابراین حساسیت عملکرد این حسگر به سامانه آشکارساز طیف‏سنج وابسته است. ضریب img0 بر اساس منحنی شکل 6 و در محدوده خطی آن، تقریباً برابر با img0 محاسبه می‏شود. با استفاده از یک سامانه طیف‏سنج مدرن با قدرت تفکیک 2 مگاهرتز که در [43] نیز گزارش شده است می‏توان به حد تفکیک دمای 0004/0 کلوین دست یافت.

از سویی، (3) که از روابط پایه حاکم بر تحلیل ساختار و اثرگذار بر رفتار حسگر به‏شمار می‏آید در دماهای بین 150 تا 300 درجه کلوین از بیشترین  میزان  دقت  برخوردار  است.  بر  این  اساس  می‏توان  حد  کمینه  دما 

img0 

شكل 7:  طیف انتقال توان حاصل از شبیه‏سازی ساختار ارائه‌شده در شکل 1 به‌ازای تغییر در دما برای مُد اول تشدید.

 

برای صحت عملکرد خطی حسگر پیشنهادی بر اساس نتایج شبیه‏سازی را 150 درجه کلوین در نظر گرفت [35]. حد بالای عملکردی حسگر نیز با توجه به دمای قابل تحمل ایندیوم اَنتیموناید تعیین می‏شود که بنا بر گزارش [44]، دمای گذار به شکنندگی این ماده تقریباً 150 درجه سلسیوس است.

اگرچه در بیان نتایج این مقاله، ماده عایق درون موجبرهای شکافی، هوا فرض شده است، اما می‏تواند هر عایق دیگری نیز باشد که در این صورت لازم است تا مطابق (1)، وابستگی معادله مشخصه موجبرها به ضریب گذردهی این عایق در نظر گرفته شود. در این حالت برای اطمینان از اعتبار نتایج شبیه‏سازی و رابطه خطی دما و فرکانس تشدید ساختار، بهتر است ضریب گذردهی عایق در نظر گرفته شده مستقل از دما باشد. همچنین این عایق نباید دارای ویژگی‏های خوردگی و یا میل ترکیبی با ماده اصلی ساختار باشد. عملکرد حسگر پیشنهادی بر اساس وابستگی فرکانس تشدید تشدیدگر موجود در ساختار به دماست که در (1) تا (4) نیز به آن اشاره شده است. برای به‏کارگیری این ساختار به‌عنوان یک حسگر، لازم است تا نوعی کالیبراسیون صورت گیرد. این امر می‏تواند با استفاده از مقایسه تطبیقی نتایج با یک حسگر دمای آزمون و تهیه یک منحنی کالیبراسیون انجام شود.

در مقایسه بین ساختار پیشنهادی و دو ساختار ارائه‌شده در [17] و [23] مطابق جدول 1، حساسیت ساختار ارائه‌شده در آنها بیشتر از ساختار پیشنهادی در این مقاله است. با این حال ساختار ارائه‌شده در این مقاله، طول کوچک‏تری در بخش تشدید در مقایسه با [17] دارد (300 میکرومتر در مقابل 1000 میکرومتر که البته میزان حساسیت هم به میزان یک‌سوم است). در مورد [23]، علی‌رغم این که ساختار بسیار کوچک است با این حال با توجه به سطح مؤثر بسیار کم، تبادل حرارتی کمی دارد که به‏کارگیری آن را در کابردهایی با سرعت عملکرد بالا محدود می‏کند. برای افزایش حساسیت ساختار پیشنهادی با حفظ آرایش فعلی آن به نظر می‏رسد استفاده از تغییرات مُد مرتبه اول تشدید بتواند حساسیت بالاتری را فراهم آورد. بر اساس ساختار شکل 1 و با استفاده (4) با همان پارامترهای ساختاری پیشین و برای عمل در فرکانس مرکزی 1 تراهرتز، طول تشدیدگر img0 به میزان 180 میکرومتر محاسبه می‏شود. نتایج شبیه‏سازی برای طیف انتقال توان به‌ازای تغییر در دما برای ساختار حسگر در مُد اول تشدید در شکل 7 مشاهده می‏شود. همانند نتایج مربوط به مُد دوم  تشدید،  مشاهده  می‏شود  که  فرکانس  تشدید  با  افزایش  دما  به  سمت 

img0 

شكل 8:  نمایش تغییرات فرکانس تشدید تشدیدگر ساختار برحسب دما بر اساس نتایج شبیه‏سازی برای مُد اول تشدید.

 

فرکانس‏های بیشتر منتقل می‏گردد. این تغییرات که در شکل 8 نیز مشاهده می‏شوند در بازه دمایی انتخابی 260 تا 350 درجه کلوین، رفتاری تقریباً خطی دارند و در مقایسه با نتایج شکل 6 شیب بیشتری دارند که خود، بیانگر افزایش حساسیت حسگر ارائه‌شده در صورت استفاده از فرکانس‏های منطبق بر مُد اول تشدید است. با این حال، همان گونه که در شکل 7 مشاهده می‏شود این افزایش حساسیت در ازای کاهش میزان حذف موج در ساختار فیلترگونه حسگر ارائه شده است. ضریب img0 بر اساس منحنی شکل 8 تقریباً برابر با img0 محاسبه می‏شود که بهبودی تقریباً 100 درصدی نسبت به حالت استفاده از مُد دوم تشدید دارد.

4-       نتیجه‏گیری

در این مقاله، یک حسگر پلاسمونی دمای ساده بر بستر فیلتری موجبری از جنس ایندیوم اَنتیموناید معرفی گردید. این ساختار شامل موجبری شکافی و تزویج‌یافته به تشدیدگر جانبی منشعب‌شده از آن است. این تزویج در فرکانس‏های متناظر با تشدید این تشدیدگر رخ می‏دهد. با توجه به وابستگی ضریب گذردهی ماده ایندیوم اَنتیموناید و در نتیجه، معادله مشخصه ساختار به دما، فرکانس تشدید یادشده نیز به دما وابسته است. بنابراین عملکرد حسگری مورد نظر به آشکارسازی تغییرات فرکانس‏های تشدید تشدیدگر موجود در ساختار حسگر وابسته است. این ساختار می‏تواند کاربردهای گسترده‏ای در فناوری و صنایع مختلف به‏ویژه در زیست‏حسگرها داشته باشد.

مراجع

[1]       P. Tassin, T. Koschny, and C. M. Soukoulis, "Graphene for terahertz applications," Science, vol. 341, no. 6146, pp. 620-621, Aug. 2013.

[2]       A. Dolatabady, N. Granpayeh, and M. Abedini, "Frequency-tunable logic gates in graphene nano-waveguides," Phot. Netw. Commun., vol. 39, no. 3, pp. 187-194, Jun. 2020.

[3]       J. Kitagawa, Y. Kadoya, M. Tsubota, F. Iga, and T. Takabatake, "Terahertz time-domain spectroscopy of photo-induced carriers in YTiO3," J. Magn. Magn. Mater., vol. 310, no. 2, pt 1, pp. 913-915, Mar. 2007.

[4]       H. Yoshida, et al., "Terahertz sensing method for protein detection using a thin metallic mesh," Appl. Phys. Lett., vol. 91, Article ID:  253901, Dec. 2007.

[5]       M. Naftaly, J. F. Molloy, G. V. Lanskii, K. A. Kokh, and Y. M. Andreev, "Terahertz time domain spectroscopy for textile identification," Appl. Opt., vol. 52, no. 19, pp. 4433-4437, Jun. 2013.

[6]       T. Kleine-Ostmann and T. Nagatsuma, "A review on terahertz communications research," J. Infrared Millim. THz Wave, vol. 32, pp. 143-171, Feb. 2011.

[7]       A. Dolatabady, N. Granpayeh, and M. Salehi, "Ferrite loaded graphene based plasmonic waveguide," Opt. Quant. Electron., vol. 50, Article ID:  345, 11 pp., Sept. 2018.

[8]       J. Tao, B. Hu, X. Y. He, and Q. J. Wang, "Tunable subwavelength terahertz plasmonic stub waveguide filters," IEEE Trans. Nanotechnol., vol. 12, no. 6, pp. 1191-1197, Nov. 2013.

[9]       J. R. Hu and J. S. Li, "Ultra-compact 1×8 channel terahertz wave power splitter," J. Infrared Millim. THz Wave, vol. 37, pp. 729-736, Aug. 2016.

[10]       A. K. Sharma and D. Gupta, "Influence of temperature on the sensitivity and signal-to-noise ratio of a fiber-optic surface-plasmon resonance sensor," Appl. Opt., vol. 45, pp. 151-161, Jan. 2006.

[11]       E. A. Velichko, "Evaluation of a graphene-covered dielectric microtube as a refractive-index sensor in the terahertz range," J. Opt., vol. 18, Article ID: 035008, Feb. 2016.

[12]       M. Aslinezhad, "High sensivity refractive index and temperature sensor based on semiconductor metamaterial perfect absorber in the terahertz band," Opt. Commun., vol. 463, Article ID: 125411, May 2020.

[13]       L. L. Xu, Y. Gong, Y. X. Fan, and Z. Y. Tao, "A high-resolution terahertz electric field sensor using a corrugated liquid crystal waveguide," Crystals, vol. 9, Artivle ID: 302, 2019.

[14]       A. Dolatabady and N. Granpayeh, "Plasmonic magnetic sensor based on graphene mounted on a magneto-optic grating," IEEE Trans. Magn., vol. 54, no. 2, pp. 1-5, Feb. 2018.

[15]       S. K. Ozdemir and G. T. Sayan, "Temperature effects on surface plasmon resonance: design considerations for an optical temperature sensor," J. of Lightwave. Technol., vol. 21, no. 3, pp. 805-814, Mar. 2003.

[16]       J. L. Xue, L. L. Xu, T. T. Wang, Y. X. Fan, and Z. Y. Tao, "Terahertz thermal sensing by using a defect-containing periodically corrugated gold waveguide," Appl. Sci., vol. 10, Article ID: 4365, Jun. 2020.

[17]       Y. Ma, et al., "Mach-Zehnder interferometer-based integrated terahertz temperature sensor," IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron, vol. 23, no. 4, Article ID: 4601607, Jul./Aug. 2017.

[18]       G. Wang, T. Lang, and Z. Hong, "Metallic metamaterial terahertz sensors for simultaneous measurement of temperature and refractive index," Appl. Opt., vol. 59, no. 18, pp. 5385-5390, 2020.

[19]       T. Huang, et al., "Design of highly sensitive interferometric sensros based on subwavelength grating waveguides operating at the dispersion turning point," J. Opt. Soc. Am. B, vol. 38, pp. 2680-2686, Sept. 2021.

[20]       J. Feng, C. Chen, X. Sun, and H. Peng, "Implantable fiber biosensors based on carbon nanotubes," Acc. Mater. Res., vol. 2, no. 3, pp. 138-146, Jan. 2021.

[21]       H. Lu, X. Liu, D. Mao, L. Wang, and Y. Gong, "Tunable band-pass plasmonic waveguide filters with nanodisk resonators," Opt. Express., vol. 18, no. 17, pp. 17922-12927, 2010.

[22]       X. Zhang, "Terahertz surface plasmonic waves: a review," Adv. Photon., vol. 2, Article ID: 014001, Jan. 2020.

[23]       A. Hamouleh-Alipour, A. Mir, and A. Farmani, "Analytical modeling and design of a graphene metasurface sensor for thermo-optical detection of terahertz plasmons," IEEE Sens., vol. 21, no. 4, pp. 4525-4532, 15 Feb. 2021.

[24]       A. Dolatabady and N. Granpayeh, "Nanoscale temperature sensor based on plasmonic waveguides with nanocavity resonator," in Proc. 2nd Iranian Conf. of Electromagnetic Engineering, pp. 663-667, Tehran, Iran, 8-9 Jan. 2014.

[25]       G. Liu, M. Han, and W. Hou, "High-resolution and fast-response fiber-optic temperature sensor using silicon Fabry-Pérot cavity," Opt. Express, vol. 23, no. 6, pp. 7237-7247, Mar. 2015.

[26]       J. L. Kennedy and N. Djeu, "Operation of Yb: YAG fiber-optic temperature sensor up to 1600 °C," Sens. Actuators A: Phys., vol. 100, no. ???, pp. 187-191, Sep. 2002.

[27]       Q. Rong, et al., "A miniature fiber-optic temperature sensor based on a Fabry-Perot interferometer," J. Opt., vol. 14, Article ID: 045002, Apr. 2012.

[28]       Y. Lu, M. T. Wang, C. J. Hao, Z. Q. Zhao, and J. Q. Yao, "Temperature sensing using photonic crystal fiber filled with silver nanowires and liquid," IEEE Photonics J., vol. 6, Article ID:  6801307, Jun. 2014.

[29]       Y. Peng, J. Hou, Z. Huang, and Q. Lu, "Temperature sensor based on surface plasmon resonance within selectively coated photonic crystal fiber," Appl. Opt., vol. 51, no. 26, pp. 6361-6367, 2012.

[30]       Q. Liu, S. Li, H. Chen, J. Li, and Z. Fan, "High-sensitivity plasmonic temperature sensor based on photonic crystal fiber coated with nanoscale gold film," Appl. Phys. Express, vol. 8, Article ID: 046701, Mar. 2015.

[31]       M. Aslam Mollah, S. M. Riazul Islam, M. Yousufali, L. F. Abdulrazak, M. Biplob Hossain, and I. S. Amiri, "Plasmonic temperature sensor using D-shaped photonic crystal fiber," Results Phys., vol. 16, Article ID: 102966, Mar. 2020.

[32]       J. Zhu and G. Jin, "Detecting the temperature of ethanol based on Fano resonance spectra obtained using a metal-insulator-metal waveguide with SiO2 branches," Opt. Mater. Express, vol. 11, no. 9, pp. 2787-2799, 2021.

[33]       J. F. Bradley, D. B. Leviton, and T. J. Madison, "Temperature-dependent refractive index of silicon and germanium," Proc. of the SPIE 6273, Optomechanical Technologies for Astronomy, 62732J, 2006.

[34]       C. L. Davies, J. B. Patel, C. Q. Xia, L. M. Herz, and M. B. Johnston, "Temperature-dependent refractive index of quartz at terahertz frequencies," J. Infrared Millim. Terahertz Waves, vol. 39, no. 12, pp. 1236-1248, Dec. 2018.

[35]       M. Oszwalldowski and M. Zimpel, "Temperature-dependence of intrinsic carrier concentration and density of states effective mass of heavy holes in InSb," J. Phys. Chem. Solids, vol. 49, no. 10, pp.  1179-1185, 1988.

[36]       X. Dai, Y. Xiang, and S. Wen, "Thermally tunable and omnidirectional terahertz photonic bandgap in the one-dimensional photonic crystals containing semiconductor InSb," J. Appl. Phys., vol. 109, Article ID: 053104, Mar. 2011.

[37]       H. Liu, G. Ren, Y. Gao, B. Zhu, B. Wu, H. Li, and S. Jian, "Tunable terahertz plasmonic perfect absorber based on T-shaped InSb array, " Plasmonics, vol. 11, no. 2, pp. 411-417, 2016.

[38]       X. Luo, X. Zhai, L. Wang, Q. Lin, and J. Liu, "Tunable terahertz narrow-band plasmonic filter based on optical Tamm plasmon in dual-section InSb slot waveguide," Plasmonics, vol. 12, no. 2, pp. 509-514, Jun. 2016.

[39]       F. Taflove and S. C. Hagness, Computational Electrodynamics: The Finite-difference Time-Domain Method, 3rd Ed. Artech House, Boston, MA, USA, 2005.

[40]       A. Dolatabady and N. Granpayeh, "Tunable far-infrared plasmonically induced transparency in graphene based nano-structurers," J. Opt., vol. 20, Article ID: 075001, Jun. 2018.

[41]       C. Manolatou, M. J. Khan, and S. Fan, "Coupling of modes analysis of resonant channel add-drop filters," IEEE J. Quantum Electron., vol. 35, no. 9, pp. 1322-1331, Sept. 1999.

[42]       A. Pannipitiya, I. D. Rukhlenko, M. Premaratne, H. T. Hattori, and G. P. Agrawal, "Improved transmission model for metal-dielectric-metal plasmonic waveguides with stub structure," Opt. Express,
vol. 18, no. 6, pp. 6191-6204, 2010.

[43]       H. W. Huber, H. Richter, and M. Wienold, "High-resolution terahertz spectroscopy with quantum-cascade lasers," J. Appl. Phys., vol. 125, Article ID: 151401, Jun. 2019.

[44]       J. M. Wheeler, et al., "The plasticity of indium antimonide: insights from variable temperature, strain rate jump micro-compression testing," Acta Materialia, vol. 106, pp. 283-289, Mar. 2016.

 

علیرضا دولت‏آبادی در سال 1388 مدرك كارشناسي مهندسي برق- الکترونیک خود را از دانشگاه علم و صنعت ایران و در سال‏های 1390 و 1397، مدارك به‏ترتیب كارشناسي ارشد و دکترای مهندسي برق- مخابرات میدان و موج خود را از دانشگاه صنعتی خواجه ‏نصیرالدین طوسی دريافت نمود. همچنین دوره کوتاه مدت فرصت مطالعاتی را در دانشگاه صنعتی آیندهون- هلند گذرانده است. وی از سال 1399 به‏عنوان استادیار دانشگاه آیت‏الله بروجردی مشغول به کار است. زمینه‏های پژوهشی مورد علاقه وی الکترومغناطیس، مخابرات نوری، فوتونیک و نانوفوتونیک است.

 

 

 

 


مقالات مرتبط

حقوق این وب‌سایت متعلق به سامانه مدیریت نشریات رایمگ است.
حق نشر © 1403-1396

صفحه اصلی| عضویت/ ورود| درباره رایمگ| تماس با ما|
[English] [العربية] [en] [ar]