بخشی از مقاله
1 چکیده
در این مقاله ما با استفاده از کریستالهای فوتونی دو بعدی Slab، یک دی مالتی پلکسر چهار کاناله برای استفاده درسیستم های مخابراتی WDM طراحی کردیم. با بدست آوردن طیف عبوری دی مالتی پلکسر توانستیم تمامی مشخصات این دی مالتی پلکسر را محاسبه کرده و مورد بررسی قرار دهیم. مزیت این طراحی نسبت به طراحی های مشابه کاهش ابعاد و همچنین به حداقل رساندن هم شنوایی در کانال های خروجی است.
کلیدواژهها: کریستال فوتونی، دی مالتی پلکسر، باند ممنوعه فوتونی، نقص نقطهای، روش تفاضل محدود در حوزه زمان FDTD کس
-1مقدمه
نظریه مخابرات نوری در قرن نـوزدهم مـورد تاییـد دانشـمندان بزرگی همچون ماکسول، هرتز و ... قرار گرفت. ولـی یـک قـرن زمان برد تا تکنولوژی استفاده از این روش توسعه پیدا کرد و به حد مطلوب رسید. پس از انتقال نور در فیبرهای نوری و ساخت منبع نوری لیزری مناسب جهت تولیـد سـیگنال نـوری مدولـه شده، مسئله استفاده حداکثری از پهنای باند طیف نوری مطرح شد. از پیش می دانیم که یکـی از روش هـای افـزایش توانـایی ارسال اطلاعـات در یـک سیسـتم مخـابراتی اسـتفاده بهینـه از تمامی پهنای باند در دسترس می باشد که این امـردر سیسـتم هــای مخــابرات نــوری در اواخــر دهــه1980 بــا اســتفاده از تکنولوژی WDM امکان پذیر شد. استفاده از تکنولـوژیWDM بر مبنای دو کانال پهن باند در طـول مـوج هـای1310 و1550 نانومتر آغـاز شـد. ایـن تکنولـوژی بـا نـام WDM بانـد وسـیع شناخته می شود. با ادامه مطالعـات سیسـتم هـایWDM بـا 8 کانال در پنجره 1550نانومتر بوجود آمد که WDM باریک بانـد نام گرفـت. بـرای اسـتفاده از تکنولـوژیWDM بایـد اطلاعـات موجود در طول موج های مختلف بر روی یک موج مدوله شـده
یکتا کنار هم جمع شوند تا بتوان آنها را بطور همزمان در بسـتر فیبر نوری منتقل کرد پس از انتقال اطلاعات توسط فیبر نـوری بر روی یک موج مدوله شده یکتا این اطلاعات در سمت گیرنده باید از هم جداسازی شوند تا قابـل پـردازش و کسـب اطلاعـات باشند. این وظیفه بسیار مهم توسط دی مالتی پلکسر انجام می شود. یکی از راه های پیشنهادشده برای حل مشکل جداسـازی طول مـوجی نـوری اسـتفاده ازکریسـتال هـای فوتـونی اسـت. کریستال های فوتونی ساختارهای متناوب یـا شـبه متنـاوب از مواد دی الکتریک یا فلزی می باشند که از انتشـار نـور در بـازه فرکانسی خاصی و در جهت مشخصی جلوگیری میکننـد. ایـن بازه فرکانسی محدود و کراندار به عنوان باند ممنوعه فوتونی یـا گاف باند شناخته می شود. کریستال های فوتونی به سه دسـته کریستال های یک بعدی ، دو بعدی و سـه بعـدی تقسـیم مـی شوند. کریستال هـای فوتـونی دو بعـدی در راسـتای دو محـور متناوب و در راستای محور سوم همگن هستند. به ایـن آرایـش بــه صــورت عمــومی Slab گفتــه مــی شــود. بســته بــه آرایــش قرارگرفتن میله ها در Slab کریستال های فوتونی دوبعـدی بـه دو دسته مثلثی و مستطیلی تقسیم می شوند. بـه راحتـی مـی توان در ساختارکریستالهای فوتونی دو بعدی ایجاد نقص کـرد
زذتل خغ1سکطغکطکسغپه
شههم شAلع ,لاهلاکغهعطکل y,هق ذصستص
که این نقصها باعث بوجود آمدن مدهای محلـی در اطـراف آن ها در باند ممنوعه فوتونیکی می شوند. میتوان از ایـن مـدهای محلی برای طراحی فیلترها نوری، دی مالتیپلکسر طول موجی ، سوئیچ های نوری، گیت های منطقی، سنسورها و دیگر ادوات نوری استفاده کرد.
-2شبیه سازی نرم افزاری
اولــین مرحلــه در طراحــی مــالتی پلکســر بــا اســتفاده از کریستال های فوتونی بررسی ساختار باند ممنوعه می باشـد. بـا انتخاب مناسب پارامترهایی مانند ضریب شکست میله ها ، ثابت شبکه و شعاع میلهها باند ممنوعه را در محـدوده طـول مـوجی مورد نظر قرار داد. بر همین اصل ساختار پایه به کار رفته بـرای طراحــی دی مــالتی پلکســر پیشــنهادی یــک شــبکه مربعــی
از میله های دی اکتریک در بستر هـوا اسـت. ضـریب شکست میله های دی الکتریک 3,37 و شـعاع میلـه هـای دی الکتریک 132,5 nm وثابت شبکه ساختار 530 nm مـی باشـد. در این مقاله ما برای محاسبه ساختا ر باند از روش بسـط مـوج های تخت PWE استفاده کرده ایم. در روش بسط امواج تخـت مدهای ویژه فرکانسی ساختارهای متناوب یـا شـبه متنـاوب در حوزه تبدیل فرکانس با حل عددی معادلات ماکسـول بـه روش محاسبه در مرزها محاسبه می شود. با ترسیم این مدهای ویـژه در نمودار دو بعدی برحسب بردارهای پایه شبکه، سـاختار بانـد فوتونی بدست می آید.
شکل :1 کریستال فوتونی پایه مورد استفاده در شبیه سازی
برای محاسبه و ترسیم ساختار باند کریستال طراحـی شـده از
ماژول BandSOLVE نـرم افـزار RSoft Photonics CAD کـه
یک نرم افزار مرجع است استفاده نمودهایم. برای شـبیه سـازی ابتدا سلول واحد کریستال فوتـونی را بـه گونـه ای انتخـاب مـی کنیم که از هر چهار میله همسایگی قسـمتی در سـلول وجـود داشته باشد.
ساختار باند کریستال فوتونی مورد بحث با مقادیر معرفی شده برای ضریب شکست دیالکتریک، شعاع میلهها و ثابت شبکه به صورت شکل 2 برای مد TE و TM بدست می آید.
شکل :2 ساختار باند کریستال فوتونی برای مد TE و TM
با توجه به شکل 2 مشخص است که این کریستال فوتونی بانـد ممنوعه برای مد TM (قرمز رنگ) ندارد و تمامی امواج در ایـن مد در کریستال انتشار می یابند و میرا می شوند. مطابق شکل2 ساختار شبیهسازی شده داری دو بانـد ممنوعـه فوتـونی مـد TEاست. باند ممنوعه دوم با اینکه گاف باند مناسبی به نظر می رسد، اما طول موج های متناظر آن در ناحیه مخـابراتی دلخـواه ما قرار ندارد. به همین منظور ما فقط در مورد باند ممنوعـه اول بحث خواهیم کرد. باند ممنوعه در محدوده طول موجی متناظر 1468 nm تا 2072 nm است. همانگونه که از طول مـوج هـای کران باند ممنوعه مشخص است، طول موج مخابراتی 1550 nm در بازه باند ممنوعه وجود دارد، اما بسیار نزدیک به کران پـایین طول موجی است. چون که عملا طول موج دلخواه در میانه باند ممنوعه قرار ندارد، پس با استفاده از نقص های نقطـه ای نمـی توان در این طول موج انتخاب و عبـور بـا بـازده بـالا را انتظـار داشت. به همین منظور باید از کـاواک هـای حلقـه ای انتخـاب مدی و طول موجی اسـتفاده کـرد. سـاختار دی مـالتی پلکسـر
