شماره ركورد
25692
شماره راهنما
PHY2 826
عنوان
افزايش حساسيت در آشكارسازهاي نوري نيمرساناي تك فوتوني: اثر برهمكنش پلاسموني
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
رشته تحصيلي
فوتونيك- فيزيك
دانشكده
فيزيك
تاريخ دفاع
11/11/1404
صفحه شمار
58 ص.
استاد راهنما
حميدرضا محمدي خشوئي
كليدواژه فارسي
آشكارساز , پلاسمونيك , تك فوتون , آشكارسازهاي نيم رسانا , آشكارسازهاي پلاسموني
چكيده فارسي
آشكارسازهاي نوري بهعنوان عناصر كليدي در سامانههاي اپتوالكترونيكي، نقش اساسي در تبديل انرژي نور به سيگنال الكتريكي ايفا ميكنند و پيشرفت آنها بهطور مستقيم با تحول علم نور و فناوري نيمرساناها درهمتنيده است. تكامل اين آشكارسازها از نمونههاي گرمايي اوليه تا نسل پيشرفته آشكارسازهاي تكفوتون، نشاندهنده مسير گستردهاي از توسعه دانش و فناوري است. در دهههاي اخير، ظهور مواد نيمرسانا، توسعه ديود نوري PIN، آشكارسازهاي بهمني و در ادامه فناوريهاي نويني چون آشكارسازهاي نانوسيمي ابررسانا (SNSPD) پيشرفتهاي چشمگيري در حوزه سرعت، حساسيت و دقت آشكارسازي ايجاد كردهاند. دركنار اين تحولات، پلاسمونيك بهعنوان رويكردي نوين براي تمركز و تقويت ميدانهاي نوري در مقياس نانو، چشماندازي گسترده براي بهبود عملكرد آشكارسازها فراهم كرده است. پلاسمونها كه نوسانات جمعي الكترونها در فلزات هستند، امكان محدودسازي نور فراتر از حد پراش، افزايش شدت ميدان و بهبود جذب در ساختارهاي نيمرسانا را ايجاد ميكنند. ادغام آنتنهاي پلاسموني، نانوذرات فلزي و موجبرها با آشكارسازهاي تكفوتون منجر به افزايش بازده كوانتومي، پاسخدهي سريع شده است. اين پيشرفتها مسير توسعه سامانههاي پلاسموني–كوانتومي را براي كاربردهايي همچون ليدار تكفوتون، مخابرات كوانتومي و تصويربرداري فوقحساس هموار كردهاند.
در اين پاياننامه، ابتدا مباني نظري آشكارسازهاي نوري و تكفوتوني مرور شده و نقش فناوري پلاسموني در افزايش كارايي آنها تبيين ميشود. سپس، نظريه پلاسموني شامل مدهاي پلاسمون-پلاريتون سطحي، نانوذرات فلزي و روشهاي تحريك آنها بررسي شده و اهميت آنها در كنترل نور در ابعاد نانومتري تحليل ميگردد.
در بخش عملي، براي بهبود عملكرد ديود نوري PIN، ايدهاي مبتني بر ادغام ساختارهاي پلاسموني پيشنهاد و با استفاده از نرمافزار COMSOL Multiphysics شبيهسازي شده است. نتايج نشان ميدهد كه اعمال ساختار پلاسموني سبب افزايش جذب نوري در لايه فعال، بهبود ميدان الكتريكي موضعي و افزايش پاسخدهي و بازده كوانتومي ديود نوري ميشود. در نهايت، تحليل نتايج شبيهسازي، مزايا و محدوديتهاي طرح پيشنهادي تشريح شده و پيشنهاداتي براي ادامه پژوهش در طراحي آشكارسازهاي مجتمع با فناوري CMOS و سامانههاي فوتونيك كوانتومي ارائه شده است.
تاريخ نمايه سازي
1405/02/02
نام نمايه ساز
محبوبه ربيعي
كليدواژه لاتين
photodetector , plasmonic , single-photon , photodector semiconductor , photodector plasmonic
عنوان لاتين
Sensitivity enhancement of semi-condutor single-photon detector:effects of plasmonic interaction
گروه آموزشي
فيزيك
چكيده لاتين
Optical detectors are fundamental components in optoelectronic systems, responsible for converting incident optical energy into electrical signals. The development of these devices is closely tied to advances in the understanding of light–matter interaction and semiconductor technology. Over several decades, optical detectors have evolved from early thermal sensors to highly sensitive single-photon detectors. The advent of semiconductor materials, the development of PIN photodiodes, avalanche photodiodes (APDs), and, more recently, superconducting nanowire single-photon detectors (SNSPDs), has significantly improved the speed, sensitivity, and precision of modern detection systems.
In recent years, plasmonics has emerged as a powerful platform for enhancing optical detection by enabling the confinement and amplification of electromagnetic fields at the nanoscale. Plasmons—collective oscillations of free electrons in metals—allow light to be concentrated beyond the diffraction limit, thereby increasing field intensity and absorption in semiconductor structures. The integration of plasmonic antennas, metallic nanoparticles, and SPP waveguides with single-photon detectors has demonstrated remarkable improvements in quantum efficiency, polarization contrast, and device miniaturization. These advancements have opened new pathways for plasmonic–quantum technologies in applications such as single-photon LiDAR, quantum-secure communications, and ultra-sensitive biomedical imaging.
This thesis first reviews the fundamentals of optical detectors and single-photon detection mechanisms, followed by an introduction to plasmonic theory—including surface plasmon polaritons, localized surface plasmons, and excitation techniques. The role of plasmonic structures in controlling and enhancing light–matter interactions on the nanoscale is analyzed in detail.
In the practical section, a plasmon-enhanced PIN photodiode structure is proposed and simulated using COMSOL Multiphysics. The simulation results indicate that incorporating plasmonic elements significantly increases optical absorption in the active layer, enhances the local electric field, and improves both responsivity and quantum efficiency. Finally, the thesis discusses the advantages and limitations of the proposed design and provides recommendations for future research, particularly toward CMOS-compatible integrated photonic and quantum detection systems.
تعداد فصل ها
5
استاد مشاور خارج از دانشگاه
زهرا قاسمي
فهرست مطالب pdf
157222
نويسنده