بخشی از مقاله
چکیده- تزویج کننده هاي جهتی با ایجاد دو موجبر خطی موازي در بلورهاي فوتونی دو بعدي قابل طراحی هستند و به عنوان یکی از عناصر اصلی سیستمهاي مخابرات نوري می توانند در ساخت مالتی پلکسرها، سوئیچهاي نوري، فیلترهاي جداساز کانال و مدولاتورها مورد استفاده قرار گیرند. در این مقاله یک تزویج کننده جهتی در یک بلور فوتونی دو بعدي شامل یک دي الکتریک سوراخ دار با آرایش مثلثی طراحی میشود و به عنوان یک فیلتر جداساز کانال مورد بررسی قرار میگیرد.
با توجه به طول موجهاي مورد استفاده در سیستماي مخابرات نوري طراحی به منظور جداسازي طول موج 1/5μm صورت میپذیرد. چون براي جداسازي دو دسته طول موج معمولا از زانوي موجبري استفاده می شود، با در نظر گرفتن روشهاي مطرح در زمینه افزایش کارایی زانوهاي موجبري بلور فوتونی، در ساختار تزویج کننده جهتی تغییراتی را پیشنهاد می دهیم که از این طریق کارایی آن از نظر توان خروجی کانال جداسازي شده در حدود %15 افزایش مییابد.
-1 مقدمه
در سالهاي اخیر بلورهاي فوتونی به منظور ساخت قطعات نوري خصوصا مدارهاي مجتمع نوري مورد توجه زیادي قرار گرفته اند. وجود نقص در بلور فوتونی امکان کنترل و هدایت نور را در آن ایجاد می کند که منجر به ایجاد موجبر و یا حفره تشدید می گردد .[1] یکی از اجزاء مخابراتی قابل ساخت با بلورفوتونی، تزویج کننده جهتی موجبري می باشد. این قطعه با ایجاد دو عیب خطی موازي در ساختار بلور فوتونی دو بعدي بوجود میآید. بر اثر همسایگی دو موجبر، مودهاي موجبري تغییر یافته و سوپر مودهاي موجبري ایجاد میشوند. برحسب صفحه تقارن بین دو موجبر، این سوپر مودها میتوانند فرد یا زوج باشند.
در صورت اختلاف بین ثابت انتشار دو سوپر مود در محدوده فرکانسی خاص مشترك بین آنها امکان تزویج بوجود میآید. در حقیقت در مکانهایی که اختلاف فاز بین دو سوپر مود مضرب فردي از π باشد، انتقال انرژي از موجبر اول به موجبر دوم در فرکانس ارضاء کننده این شرط صورت میپذیرد. معمولاً این اتفاق بعد از عبور موج به اندازه طول خاصی از ابتداي موجبر که طول تزویج نام دارد، رخ می دهد.[2]
تحقیقات در زمینه مکانیزم تزویج در موجبرهاي بلورهاي فوتونی از حدود سالهاي 2001 آغاز شده است. البته ایده اولیه این موضوع در سال 1998 توسط وروبیچیک و همکارانش ارائه و تأثیر متناوب بودن فضاي بین دو موجبر به صورت تئوري بررسی شد .[3] بر اساس این ایده طراحی تزویج کننده جهتی در بلورهاي فوتونی با شبکه میلهاي مربعی در چندین مقاله مورد بررسی قرار گرفت [4]،.[5] مارتینز و همکارانش یک ساختار میلهاي با آرایش مثلثی را براي ایجاد تزویجکننده جهتی در نظرگرفتند و این ساختار را براي رسیدن به طول تزویج کمتر و یا به عبارتی ضریب تزویج بالاتر مورد بررسی قرار دادند .[5]
با توجه به کاربرد بلورهاي فوتونی براي ساخت مدارهاي مجتمع نوري، نوع سوراخ دار بلورهاي فوتونی که داراي آرایش مثلثی میباشند براي این منظور مناسبتر هستند. در این ساختار بلور فوتونی با سوراخ کردن ورقه ديالکتریک بوجود می آید و ایجاد نقص در ساختار با پرکردن سوراخها امکانپذیر است. در این راستا زیمرمان و همکارانش بلور فوتونی سوراخ دار با آرایش مثلثی را به منظور ایجاد تزویج کننده جهتی مورد استفاده قرار دادند و تزویج دو موجبر همسایه با فاصله دو ردیف سوراخ را بررسی کردند .
[6] در این تحقیق با ایجاد یک زانوي 60 درجه در موجبر دوم، طولموج 1/55 میکرومتر از کل طیف انتشاري جدا شده و به جهتی دیگر هدایت میشود. ادیبی و همکارانش تأثیر شعاع ردیفهاي بین دو موجبر را در تغییرات فرکانسی و تغییر طول تزویج بررسی کردند .[7] همچنین یک نمونه تزویج کننده جهتی در ساختار میله اي مربعی با رشد نانو میله هاي InAlGaAs براي جداسازي طول موجهاي 1/3μm و 1/5μm توسط چیچنگ و همکارانش ساخته و جداسازي این دو دسته طول موج در اسپکترومتر نشان داده شد .[8]
در اکثر تحقیقات صورت گرفته براي جداسازي طول موج تزویج شده از یک زانوي موجبري استفاده می شود. در این مقاله اثر زانوي موجبري مورد نظر در افزایش بهره تزویج کننده جهتی، به عنوان یک فیلتر جداساز کانال1 بررسی و ایده مناسبی به منظور افزایش بهره ارائه میشود. به این منظور در بخش بعد یک نمونه کلی تزویج کننده جهتی بلور فوتونی معرفی خواهد شد. سپس به ارائه نتایج شبیه سازیهاي صورت گرفته خواهیم پرداخت.
-2 تزویج کننده موجبري بلور فوتونی
بلور فوتونی مورد بحث در این مقاله داراي ساختار دو بعدي سوراخدار با آرایش مثلثی از جنس GaAs میباشد که داراي ضریب شکست 3/4 است. شعاع سوراخها در مقدار متداول 0/3a انتخاب شده است که a ثابت شبکه می باشد. چنین ساختاري براي قطبشهاي TE داراي شکاف باند نسبتًا بزرگی است. در صورت ایجاد یک موجبر خطی در این بلور فوتونی دو مود موجبري یکی زوج و یکی فرد در شکاف باند ظاهر خواهند شد. نمودار باندهاي موجبري با استفاده از روش بسط موج صفحه اي2 استخراج و در شکل 1 نشان داده شده است.
با در نظر گرفتن مود زوج به منظور تحریک ساختار میتوان گفت انتشار این مود در طیف فرکانسیاش ناشی از دو مکانیزم هدایت شکاف باندي3 و هدایت ضریب شکستی4 است. ناحیه فرکانسی بین - c/a - 0/218-0/23 بیشتر متأثر از هدایت شکاف باندي است و ناحیه فرکانسی بالاتر از 0/23 - c/a - متأثر از هدایت ضریب شکستی است که ضمناً منحنی پاشیدگی در ناحیه اخیر نسبتاً خطی است .[9] در صورتی که موجبر دیگري در همسایگی این موجبر با فاصله دو ردیف در نظر گرفته شود هر مود به دو سوپر مود تقسیم میشود که این سوپرمودها نسبت به صفحه تقارن بین دو موج به صورت زوج یا فرد هستند .[6] این موضوع در شکل 2 دیده می شود.
در بخشهایی که نور بر اساس هدایت ضریب شکستی منتشر میشود، در منحنی پاشیدگی مودها تغییري بوجود نمیآید و تزویجی نیز صورت نخواهد پذیرفت. در بخشهایی که انتشار بر اساس شکاف باند صورت می گیرد، هر مود با تجزیه به دو یا چند مود امکان تزویج را بوجود میآورد. اگر اختلاف فاز دو سوپر مود ضریب فردي از π شود با در نظر گرفتن جمع آثار توزیعهاي زوج و فرد، توان از یک موجبر به موجبر دیگر منتقل میشود. با توجه به اینکه فاز هر مود برابر با حاصلضرب ثابت انتشار آن مود در طول مسیر پیموده شده است، میتوان نتیجه گرفت که سیگنال عبوري از موجبر اول بعد از طول مسیري که این حاصلضرب را برابر با π کند، به موجبر دوم منتقل میشود. به این طول، طول تزویج میگویند و مقدار آن از رابطه - 1 - حاصل میشود.
بر اساس تعاریف ارائه شده، دو سوپر مود حاصل از مود اول در شکل -3الف نشان داده شده اند. در صورتی که دو موجبر موازي با طول مشخصی ایجاد کنیم، در فرکانسی که اختلاف ثابتهاي انتشار سبب ایجاد اختلاف فاز π بین دو سوپر مود گردد، تزویج صورت میگیرد. بنابراین منحنی اختلاف فاز دو سوپر مود بر حسب فرکانس مهمترین مشخصه براي طراحی میباشد. با در نظر گرفتن طولی به میزان 6a اختلاف فاز دو سوپر مود بر حسب فرکانس در شکل -3ب براي ساختار مورد بررسی آورده شده است. با توجه به شکل -3ب در فرکانسی معادل با 0/226 - c/a - تزویج صورت میپذیرد. بعد از طی طولی برابر با 6a نیاز است براي جلوگیري از تزویج مجدد از موجبر دوم به موجبر اول، فرکانس تزویج شده تغییر جهت داده و جدا شود.
ایجاد یک زانوي موجبري براي این منظور مناسب ترین روش میباشد که در ساختار مورد بحث زانوي مورد استفاده 60 درجه است - شکل . - 4 در صورتی که ثابت شبکه براي این ساختار 333 نانومتر باشد، طول تزویج کننده برابر با 2μm خواهد بود. در این حالت در طول موج نزدیک به 1/5μm تزویج صورت می گیرد. طیف سیگنالهاي عبوري از دو موجبر که بر اساس روش FDTD5 استخراج شده است در شکل 5 دیده میشود. با 5 Finite Difference Time Domain دربرنامه FDTD مورد نظر که در محیط MATLAB پیاده شده است، یک شبکه بلور فوتونی30× 30 در نظر گرفته شده که ابعاد هر سلول واحد آن 15 ×13 است. در ضمن تعداد تکرارها 120000 بوده و از شرط مرزي PML استفاده شده است.
