بخشی از مقاله
چکیده
با توجه به اینکه امروزه لیزر کاربردهای بیشماری دارد که همه زمینه های مختلف علمی و فنی فیزیک-شیمی-زیست شناسی - الکترونیک و پزشکی را شامل می شود. همه این کاربردها نتیجه مستقیم همان ویژگی های خاص نور لیزر است. در این مقاله به شبیه سازی لیزر SG-DBR و تنظیم طول موج آن با تغییر در ابعاد توری ها پرداخته شده است. یک لیزر SG-DBR با طول موج قابل تنظیم در این کار معرفی شده است. با استفاده از نرم افزار متلب کدهای مربوط به روش ماتریس انتقال برای محاسبهی مشخصات خروجی و طراحی این لیزرها نوشته شده است. طراحی آینهها با استفاده از ساختارهای توری نمونه برداری شده صورت گرفته و انعکاس برای آنها محاسبه گردیده است. با استفاده از این نرمافزار انعکاس آینهها و محاسبه طول موج لیزش بدست آمده و شرایط لازم برای تنظیمپذیری طولموج لیزش معرفی گردیده است. به عنوان مثال برای طولموجهای 1/52 و 1/55 میکرومتر ساختار لیزر معرفی شده و تنظیمپذیر بودن آن در این طولموج نشان داده شده است.
کلید واژه: توری نمونه برداری شده، لیزر، SG-DBR ، الکترونیک نوری
-1 مقدمه
در بخش ابتدایی یک لینک مخابرات نوری باید سیگنال الکتریکی به سیگنال نوری تبدیل شود تا امکان انتقال آن از طریق فیبر فراهم شود این وظیفه توسط منابع نوری به انجام می رسد. [1]منابع نوری نیمه هادی که در مخابرات نوری به کار می روند به دو دسته اصلی تقسیم میشوند:[2]الف - دیودهای نور گسیل ب - لیزرهالیزرها نیز در یک تقسیم بندی به دو دسته ی کلی تقسیم می شوند: الف - لیزرهای با طول موج ثابت ب - لیزرهای با چندین طول موج توسعه روزافزون سیستمهای مخابرات نوری با مالتی پلکس تقسیم طول موج به منظور پاسخ به نیاز فزاینده به ظرفیتهای انتقال بیشتر همراه با پیشرفت شبکه های مخابراتی تمام نوری و لزوم طراحی انعطاف پذیر این شبکه ها، اهمیت استفاده از منابع طول موج تنظیم پذیر در فرستنده و گیرنده های شبکه نوری را مشخص می سازد. استفاده از لیزرهای تنظیم پذیر مزایایی نظیر تسهیل طراحی شبکههای مخابراتی، تهیه طول موج های مختلف به صورت دینامیکی و ساده شدن نرم افزارهای کنترل شبکه را در پی خواهد داشت. به همین منظور مدارهای مجتمع اپتوالکترونیکی مختلفی نظیر لیزرهای DBR تنظیم پذیر دو و سه قسمتی، لیزرهای DFB چندقسمتی و به تازگی لیزرهای تنظیم پذیر با توری نمونه برداری شده مطرح شده اند . مدار مجتمع اپتوالکترونیکی شامل قسمتهای بهره، فاز و توری است که در جهت طولی با یکدیگر مجتمع شده اند. ناحیه بهره تلفات کل کاواک را جبران می کند. توری بهعنوان فیلتر انتخاب کننده یک مد خاص از میان مدهای نوسان کننده داخل کاواک عمل میکند و قسمت فاز برای جابهجایی مد های طولی لیزر به کار میرود. هم زمان با توسعه لیزرهای کوک پذیر،تحلیل این نوع ساختارها و توجیه سازوکار فیزیکی حاکم بر نحوه کوک طول موج مطرح بوده است.[3] شکل - 1 - طرح یک نمونه از لیزر DBR که مد نظر ما در این تحقیق است نشان داده شده .
-2 لیزرهای SG-DBR و خواص منحصر به فرد آنها
لیزرهای SG-DBR تنها لیزرهایی هستند که مشخصات اصلی مورد نظر در شبکه های DWDM یعنی شامل توان خروجی زیاد، تنطیم پذیری سریع طول موج، مدولاسیون مستقیم و قابلیت اطمینان بالا را شامل می شوند. این نوع لیزرها از چهار قسمت یعنی آینه¬ی جلویی، آینه¬ی عقبی، قسمت بهره و قسمت فاز تشکیل شده است. به دلیل ساختار آینه هاست که به این لیزرها عنوان توری نمونه برداری شده اطلاق می گردد. توری نمونه برداری شده تغییر یافته ی توری پیوسته است به این ترتیب که قسمت هایی از توری متناوب در امتداد طول آن حذف می شود به عبارت دیگر از توری نمونه برداری می شود.[4] با نمونه برداری چندین قله در طیف انعکاس ظاهر می شود. فاصله ی این قله ها با از یکدیگر با دوره تناوب نمونه برداری نسبت معکوس دارد.آینه های جلویی و عقبی مقداری متفاوت طراحی می شوند به طوری که فقط یکی از پیک ها برهم منطبق شوند. این ویژگی به عنوان اثر ورینر شناخته می شود.
این نوع لیزرها امتیاز زیادی در مقایسه با لیزرهای نوع دیگر دارد. از مزایای این ساختارها امکان مجتمع کردن آنها با دیگر قطعات نوری می باشد . این نوع لیزرها توسط جریانی که از چهار بخش مختلف تزریق می شود عمل می کنند. سطح توان خروجی توسط جریان بخش بهره کنترل می شود. کنترل طول موج توسط جریان های اعمالی به آینه های جلویی و عقبی صورت می گیرد و برای کنترل دقیق جریان چهارم در بخش فازی مورد استفاده قرار می گیرد. در شکل - 2 - ساختار کلی این نوع لیزرها نشان داده شده است. برای تنظیمپذیری به ترتیب کانال مورد نظر را میتوان با تنظیم دو آینه به طوری که نزدیکترین پیک در کانال مورد نظر به هم منطبق شوند. در شکل - 3 - یک نمونه از خروجی آینهها نمایش داده شده است.
-1-2 معادلات نرخ در لیزرهای SG-DBR
بازده کل لیزر عبارت است از نسبت توان خروجی به توان ورودی لیزر. در بیشتر موارد بهره دمیده شده و یا تحریک شده ماده کاملا کوچک است به طوری که تقویت نور عبوری با یک بار عبور از ماده حداقل است.اما شرایط خاصی وجود دارد که تقویت خوبی می توان به دست آورد. در بیشتر حالات تقویت کلی با قرار دادن آیینه های با درصد انعکاس بالا در هر انتهای ماده افزایش می یابد.پرتوی نوری بیش از حدود یکصد بار بین دو آیینه رفت و برگشت می کنند و بدین طریق طول مؤثر ماده را افزایش می دهد.آیینه ها تشکیل یک کاواک نوری یا تشدید کننده را می دهند. در بخورد با آینه انتهایی اکثر انرژی به داخل کاواک بر می گردد. این نور تقویت شده مجددا در برخورد با آینه دیگر نیزتقویت می شود و این فرآیند تکرار می شود. تعداد معدودی رابطه وجود دارند که میتوانند برای طراحی اولیه مفید باشند اگر چه آنها توصیف کاملی از متغیرهای شرکت کننده در دستگاه را به ما نمیدهند، مدل کردن جامع فیزیکی برای این تصمیمات حیاتی میباشد. به این ترتیب طراحی بهتر و جامع تری صورت میگیرد و قیمت تمام شده پایین میآید. البته ساخت مدل عملی اجتناب ناپذیر است تا پارامترهای ورودی مواد و ساختار از لحاظ مقدار و دسترسی بدست آیند. معادلات نرخ چگالی حاملها و فوتونها در واقع معادلات اساسی برای بیان عملکرد یک لیزر نیمه-هادی هستند.برای تجزیه و تحلیل مدهای لیزر، ما TMM را با معادلات نرخ چند حالته ترکیب میکنیم. در اینجا ما مدهای اصلی را با زیر نویس m و مدهای قوی کناری را با زیر نویس s نمایش میدهیم.
-3 شبکههای توری براگ
شبکه های توری براگ طی سالهای گذشته در صنعت مخابرات برای چندگانهسازی مورد استفاده قرارگرفتهاست. یکی از مهمترین کاربردهای آنها در طراحی آینهها برای لیزرهاست. آینهها شرایط لازم برای وقوع لیزش را مهیا میکنند. در گسیل القایی با گسیل فوتونها، نیاز داریم که فوتونهای بیشتر گسیل شوند. این کار با استفاده از آینه هایی که در دو طرف منبع لیزر تعبیه شده موجب تابش فوتون-های بیشتر و بیشتر از ماده فعال و تقویت نور میگردد یعنی لیزر تولید میشود. ضریب انعکاسی آینههای محفظه کاواک کمتر از خیلی زیاد میباشد. همین امر باعث میگردد این آینه بخش عمدهای از نور لیزر را منعکس و درصد کمی از آن را از خود عبور دهد. در شکل - 4 - تفاوت توری نمونه برداری شده با توری کامل نمایش داده شده است. همان طور که گفتیم توری نمونه برداری شده شامل یک قسمت توری و یک قسمت بدون توری میباشد همچنین این شکل توان بازتابشی را برای دو نوع مختلف نمایش میدهد. مشخص است که توری نمونه برداری شده توان بازتابشی متفاوتتری نسبت به توری کامل دارد.
در شکل - 5 - یک نمونه از کاربرد آینههای DBR در طراحی لیزرها آورده شده است. همان طور که میدانیم لیزر وسیله ای برای تولید پرتوی باریک و متراکم است. دستگاه لیزریک جریان الکتریکی را از ماده ای که می تواند جامد, مایع یا گاز باشد عبور می دهد. بعضی از اتم های ماده انرژی جذب می کنند و ساختار کوانتومی آن موجب می شود که الکترونهای در تراز بالایی نیز ساطع شوند. این پرتوهای گسیل شده بین آینه هایی به عقب و جلو منعکس می شود و نهایتا بصورت نوری با یک طول موج واحد شلیک می شوند وقتی که نور در دستگاه لیزر توسط ساختار کوانتومی تولید شد با رفت و برگشت بین آینه ها متمرکز تر می شود. بررسی ها نشان داد لیزرهای با توری نمونه برداری شده1 از زمرهی لیزرهای تنظیم پذیر هستندلیزرهای SG-DBR تنها لیزرهایی هستند که مشخصات اصلی مورد نظر در شبکههایDWDM2 یعنی شامل توان خروجی زیاد، تنطیمپذیری سریع طول موج، مدولاسیون مستقیم و قابلیت اطمینان بالا را شامل میشوند.
1؛-3 انواع توریها و نحوه کاربرد آنها در اپتیک
در برخی از ادوات اپتیکی، خواه در کاربردهای مخابراتی یا در سنسورها، بخشی به نام توری یا توری وجود دارد. رایجترین سنسور فیبر نوری، سنسور فیبری توری براگ است. بهطوریکه سنسورهای تنش بر اساس فیبر توری براگ است. فیبر توری براگ از یک قطعهی فیبر ساخته شده که در آن ساختار تناوبی ایجاد کردهایم. از آنجایی-که این نوع سنسورها در دنیای نوین امروزی کاربرد بسیار دارد، جایگاه ویژهای در دنیای علم وفنآوری بهدست آوردهاند. پژوهشگران براین باورند که پیشرفت روزافزون و نیز اقتصادیتر بودن این سنسورها در مقایسه با سایر سنسورها، کاربرد این فنآوری را با استقبال بیشتری مواجه خواهدکرد. مزیت اصلی شبکههای براگ فیبر نوری این است که این ابزارها تبدیل مستقیم پارامتر حس شده را به
