بخشی از مقاله
خلاصه
در این مقاله ابتدا یک فیبر بلور فوتونی که ماده بستر آن شیشه نرم PBG-08 با تغییر در ساختار آن پیشنهاد کردهایم. حفرهها را بیضی شکل در نظر گرفتیم و نشان دادیم شیب پاشندگی با کاهش نسبت قطر کوچک به بزرگ بیضی کاهش مییابد و در نسبت قطرهای 0/25 به شیب پاشندگی 0/002 ps/nm2.km در طول موج 2 ʽm دست یافتیم. از ساختار شبکه مربعی استفاده کردیم و نشان دادیم شیب پاشندگی در این ساختار نسبت به ساختار شش گوش با شرایط یکسان کمتر است. در شبیهسازیهای عددی از روش تفاضل متناهی در حوزه زمان استفاده شده است.
.1 مقدمه
انتقال داده ها و اطلاعات مبتنی بر فیبرهای نوری به دلیل پهنای باند زیاد، تلفات کم، امنیت اطلاعاتی و سهولت ارتباطات در سال های اخیر توجه محققان را بسیار به خود جلب کرده است و به یک موضوع مهم کاربردی برای آنها تبدیل شده است. فیبرهای بلور فوتونی - PCFs - از فیبرهای نسل جدید هستند که کمتر از30سال از معرفی آنها میگذرد .[1] فیبرهای بلور فوتونی برای مقابله با محدودیتهای فیبرهای نوری متداول مطرح شدند و تاکنون کاربردهای گستردهای از آنها در لیزرهای فیبری، تقویت کنندههای نوری، خطوط انتقال توان بالا، حسگرهای گازی بسیارحساس و افزارههای غیرخطی گزارش شده است
ساختار فیبر بلور فوتونی از دو بخش اصلی هسته و غلاف تشکیل میشود و غلاف آنها آرایهای دو بعدی است که تارهای نازک توخالی با شبکههای مربعی و شش ضلعی، به موازات محور فیبر در آن کشیده میشوند. همچنین هسته می تواند به صورت توخالی و توپر باشد. به دلیل وجود حفرههای هوا در ساختار فیبر بلور فوتونی، کنترل خواص خطی وغیرخطی در آنها به راحتی امکان پذیراست
پاشندگی یک ویژگی خطی در فیبرهای نوری می باشد که منجر به گستردگی پالس نوری در حوزه زمان شده و در اثر تداخل، دریافت سیگنال نوری را با مشکل روبرو میسازد. از این رو در موارد گوناگون بایستی مقدار آن را مینیمم کرد و یا آن را تحت کنترل درآورد.
تاکنون از طراحیهای مختلف فیبر بلور فوتونی جهت بهینهسازی پاشندگی در کاربردهای خطی و غیرخطی استفاده شده است. از جمله آن ها میتوان به فیبر بلور فوتونی دو هسته ای برای کاربردهای جبرانسازی پاشندگی5] و [6، ساختارهای فیبر بلور فوتونی سه غلافه برای جبرانسازی پاشندگی [7]، فیبر بلور فوتونی با میله های سیلیکای تغلیظ شده با فلورین %2 بجای حفرههای هوا [8]، روش تزریق سیال در حفرههای غلاف9] و [10، ساختارهای ترکیبی11] و [12، شبکه مربعی بجای شبکه شش ضلعی غلاف فیبر بلور فوتونی 13] تا [15 اشاره کرد.
در مطالعات اخیر، شیشههای مناسب دیگری جهت ساخت فیبر بلور فوتونی پیشنهاد شدهاند که از جمله آنها شیشه [2] PBG -08، شیشه بوروسیلیکات [14]، شیشههای چلکوجناید 15] و [16، شیشههای غیرخطی ترکیبی[17] و شیشه تلوریت 18] و [19 هستند.
دراین میان شیشه PBG-08 دارای پنجره عبور نور در بازه 0/4 تا 5 میکرومتر است که از شیشه سیلیکا وسیعتر بوده و تابش های مرئی، فروسرخ و فروسرخ میانه را از خود عبور میدهد. ضریب شکست این شیشه 1/938 است. ضریب شکست غیرخطی این شیشه در مقایسه با ضریب شکست غیرخطی شیشه سیلیکا بسیار بزرگتر است و امکان استفاده از این شیشه را برای کاربردهای غیرخطی مانند تولید طیف ابرپیوستار فراهم میکند.[
با توجه به دلایل فوق، در این مقاله از شیشه PBG-08 بعنوان شیشه بستر فیبر استفاده شده است. چون تغییرات هندسی درساختارفیبر بلور فوتونی منجر به تغییر در سطح مقطع موثر و در نهایت کنترل پاشندگی میشود، با تغییر شکل حفرههای هوا و طرز چینش آنها در ساختار به کنترل و مهندسی پاشندگی پرداختهایم. به این منظور از روش تفاضل متناهی در حوزه زمان - FDTD - جهت شبیهسازیها استفاده شده است.
.2 اثر تغییر شکل حفرههای هوا به صورت بیضی
دراین مرحله قصد داریم با تغییر شکل حفرههای هوا اثر آن را بر پاشندگی فیبر بررسی کنیم. سطح مقطع این ساختار در شکل 1 آورده شده است.
شکل -1 تغییر شکل حفره های هوا بصورت بیضی بجای حفره های مدور
دراین مرحله شکل حفرههای هوا از حالت مدور به حالت بیضی تغییر شکل داده شده است. سه ساختار با حفرههای هوای بیضی شکل با نسبت ابعاد b/a متفاوت b/a=0/75 - ،b/a=0/5 ، - b/a=0/25 پیشنهاد شدهاند که در تمام آنها ماده بستر فیبر، شیشه PBG-08 و ثابت شبکه برابر 2/15 ʽm است. ابعاد برای این ساختارها طوری انتخابشده که نسبت سطح مقطع حفرهها به فیبر تقریبا برابر 0/2 شود. نتایج پاشندگی حاصل از این سه ساختار در منحنی شکل 2 ترسیم شدهاند و با وضعیت اولیه که حفرههای هوا بصورت مدور بودند - با ثابت شبکه یکسان وماده زمینه یکسان - مقایسه شدهاند.
شکل -2 تغییرات پاشندگی برای ساختار با حفرههای هوای بیضی شکل با نسبت های b/a مختلف
با تغییرشکل حفرههای هوا بصورت بیضی در مقایسه با حفرههای هوای مدور، پاشندگی تختتر شده است. در مجاورت طول موج 2 ʽm برای حالتی که b/a= 0/75 است، شیب پاشندگی برابر 0/094 ps/nm2.km و برای b/a= 0/5 برابر 0/051 ps/nm2.km و برای b/a= 0/25 برابر 0/002 ps/nm2.km شده است.
به طور کلی در ساختارهای با حفرههای هوای بیضی شکل، هرچه نسبت b/a کاهش مییابد پاشندگی تختتر و به صفر نزدیکتر میشود. طول موج پاشندگی صفر - - ZDW برای این ساختارها در جدول 1 نشان داده شده است. همانطور که مشاهده میشود با بیضی شدن حفره های هوا وکاهش نسبت b/a، طول موج پاشندگی صفر - - ZDW بطرف طول موجهای بلندتر شیفت پیدا کرده است. برای حالت b/a= 0/25 علاوه بر اینکه پاشندگی بسیار مینیمم و تخت شده است، در دو طول موج، پاشندگی صفر شده است.
