بخشی از مقاله
خلاصه
در این مقاله ساختاری برای فیلترهای بلور فوتونی با در نظر گرفتن اثر غیر خطی کر پیشنهاد دادهایم. طیف خروجی فیلتر به ازای شعاعهای متفاوت از میله مرکزی حلقه تشدیدگر بدست آورده شد. نتایج نشان می دهد که به ازای افزایش شعاع میله مرکزی تشدیدگر از مقدار 125 نانومتر تا 0,5 میکرومتر، یک طول موج تشدید از مقدار 1,5027 میکرومتر به 1,5373 میکرومتر افزایش مییابد. در این وضعیت، ضریب کیفیت مربوطه تقریبا ثابت است. طول موج تشدید دیگر از 1/5999 به 1/6226 و ضریب کیفیت مربوطه از 2666/5 به 235/15 کاهش مییابد. شبیهسازی با روش بسط موج تخت و تفاضل متناهی در حوزه زمان انجام شده است.
.1 مقدمه
بلورهای فوتونی در سالهای اخیر به دلیل انعطاف پذیریشان در مدارهای مجتمع نوری ، خصوصا توانایی منحصر به فردشان در کنترل انتشار، نور مورد توجه فراوان قرار گرفتهاند. فیلترهای نوری مبتنی بر بلورهای فوتونی به عنوان مهمترین جز از مدارات مجتمع نوری شناخته میشوند. در این سیستمها چندین کانال نوری با طول موجهای مختلف درون یک فیبر نوری ارسال می شود و فیلترهای نوری برای جداسازی این کانال بکار میرود.
یکی از طرحهای مناسب برای یک فیلتر بلوری نوری، استفاده از تشدیدگرهای حلقوی در ساختار آن است. در این فیلترها عمل گزینش طول موج توسط یک حلقه تشدیدکننده انجام میشود که بین موجبر ورودی و خروجی قرار گرفتهاست. از مزایای این روش نسبت به روشهای دیگر میتوان به قابلیت تغییر در پارامترها مثل شعاع میلهها، فاصله بین میلهها و ضریب شکست آنها برای انتخابپذیری طیفی بالا اشاره کرد
در سال های گذشته تحقیقات مختلفی در زمینه انواع فیلترهای بلورفوتونی صورت گرفته است که از جمله آنها به فیلترهای یک بعدیSi/Sio2 برای کاربردهای ترموفوتوولتائیک، طراحی فیلترهای انتخابگر کریستال فوتونی یک بعدی با استفاده از روش های آنالیز بهینه سازی، فیلترهای دراپ کانال تنظیم پذیر با استفاده ازحلقههای تشدیدگر بلورفوتونی شش گوشه و بررسی اثر تغییر ثابت دی الکتریک میله های ساختار بر خروجی آن، فیلترهای قابل تنظیم با شدت نور ورودی و نیز فیلترهای بلورفوتونی قابل تنظیم باریک باند تراهرتزکه درآن فرکانس انتقالی و پهنای باند عبوری فیلتر تحت کنترل یک میدان مغناطیسی خارجی قابل تنظیم است، میتوان اشاره کرد .
اساس فیلترهای بلور نوری بر پایهی نقصهای ایجاد شده در ساختار منظم آنهاست که منجر به بهدام افتادن نور در این مکانها میشود که در کنترل نور نقش مهمی دارد؛ولی این امر باعث میشود که اثرات غیرخطی - اثرکر - نمود بیشتری داشتهباشند و اثرات نامطلوبی را در پاسخ خروجی ایجاد کنند.
در این مقاله، تغییر شعاع میله مرکزی تشدیدگر حلقوی و تاثیر آن بر مشخصات خروجی فیلتر ساختار پیشنهاد شده در حالت غیرخطی مورد هدف است. برای شبیهسازی، از نرم افزار Rsoft و برای بدست آوردن باند ممنوعه و مدهای تشدیدگر حلقوی، از روش قدرتمند بسط امواج تخت - PWE - و به منظور محاسبات مربوط به طیف خروجی فیلتر و خصوصیات انتقال امواج در بلور فوتونی از روش تفاضل متناهی در حوزه زمان - FDTD - استفاده میکنیم. تابع تحریک استفادهشده پالسهای الکترومغناطیس با پوش گوسی هستند که به ورودی ساختار اعمال میشود.
.2 اثر غیرخطی کر
یک ماده دی الکتریک خطی توسط یک رابطهی خطی بین چگالی قطبش و میدان الکتریکی تعریف می شود، به طوری که داریم:
در این رابطه گذردهی خلأ و پذیرفتاری الکتریکی ماده است. اما در یک ماده دیالکتریک غیرخطی و رابطه غیرخطی دارند.
با توجه به این که ماده سازنده در بیشتر فیلترهای بلور فوتونی که تا کنون ارائه شده، سیلیکون است، اثرات غیرخطی مرتبه دوم با توجه به همسانگرد بودن این ماده حذف میشود و اثرات غیرخطی مرتبه سوم نمود پیدا می کنند که ضریب شکست وابسته به شدت نور یا ضریب شکست غیرخطی موسوم به اثر کر میباشد و قابلیت انتشار درون گاف نوری را دارد. در این قسمت به طورخلاصه به بررسی این اثر غیرخطی خواهیم پرداخت. در مواد غیرخطی مرتبه سوم، رابطه زیر برقرار است
که در آن جابجایی الکتریکی، شدت میدان الکتریکی، گذردهی الکتریکی و - 3 - پذیرفتاری غیرخطی مرتبه سوم است .ضریب شکست وابسته به شدت نور را میتوان با استفاده از رابطهی زیر توصیف کرد
در رابطه 3، I شدت میدان نوری است و نشانگر ضریب شکست خطی و 2 ضریب کر است. رابطه بین و به - صورت زیر است که در آن سرعت نور در خلأ است.
.3 طرح فیلتر پیشنهادی
در این بررسی، فیلتر شکل زیر - شکل - 1را در نظر میگیریم. همانگونه که در شکل مشاهده میشود، این فیلتر دارای یک ورودی و سه خروجی است. در این ساختار میلهها از جنس سلیسیوم با ضریب شکست خطی 3,47 و شعاع R=0.125ʽm میباشند که در بستر هوا قرار گرفتهاند و میله مرکزی تشدیدگر از جنس شیشه با ضریب شکست خطی 1,4 و ضریب شکست غیر خطی 1.5*10-5 ʽm2/W میباشد و شعاع آن 4R است. ثابت شبکه ساختار 622 نانومتر میباشد. میلههای زرد رنگ در داخل حلقه تشدیدگر ،میلههای جابه جا شده از محل اولیه خود هستند که جهت کاهش بازتاب از گوشههای تشدیدگر و عملکرد بهتر فیلتر در مرکز مربع فرضی، تشکیل شده از چهار میله مجاور قرار گرفتهاند.
شکل - 1 ساختار فیلتر بلور فوتونی پیشنهادی
.3 نتایج شبیهسازی و توضیحات
