بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله، تنظیم پذیري فیلتر نوري در ساختار فوتونی ناهمسانگرد یک بعدي بر پایه مواد الکترواپتیکی بررسی شده است. تنظیم پذیري فیلتر نوري ارائه شده می تواند بوسیله جدائی مد نقص در حضور میدان الکتریکی خارجی بدست آید. جهت بررسی خواص تراگسیلی فیلتر نوري از روش ماتریس انتقال 4×4 استفاده شده است. نشان داده شده است که با اعمال میدان الکتریکی خارجی مد نقص به دو مد جدا شده و درداخل باند گاف متناسب با میدان الکتریکی اعمالی جابجا می شوند.
نتایج محاسبات نشان می دهد که با اعمال میدان الکتریکی خارجی به ساختار ارایه شده ، براي یک موج فرودي قطبیده P یا S امکان تبدیل هر دو نوع قطبشP و S به صورت همزمان در تراگسیل و انعکاس وجود دارد. بنابراین، تاثیر شدت میدان الکتریکی اعمالی خارجی روي خواص فیلتر نوري از جمله تعداد، جدائی و تبدیل قطبش مد نقص مطالعه شده است. کنترل پذیري خارجی مد نقص در بلور فوتونی ناهمسانگرد، می تواند در طراحی فیلترهاي نوري تنظیم پذیر مفید باشد.
.1 مقدمه
بلور فوتونی آرایهایی متناوب از دو یا چند ماده با ثابتهاي الکتریکی و یا مغناطیسی متفاوت است که در سال-هاي اخیر توجه زیادي از محققین را، به خاطر داشتن خواص الکترومغناطیسی خاص و توانایی در کنترل انتشار امواج الکترومغناطیسی، به خود جلب کرده است .[2-1] مهمترین ویژگی یک بلور فوتونی گاف باند فوتونی میباشد. گاف باند به نواحی از فرکانسها گفته میشود که امواج الکترومغناطیسی فرودي نمیتواند از ساختار منتشر شود.
تا به امروز، کاربردهاي عملی متنوعی با به کارگیري بلورهاي فوتونی از جمله: فیبرها، موجبرها، تاخیراندازهاي فازي و فیلترهاي نوري ارائه شدهاست .[4-3] از طرفی دیگر، اگر تناوب ساختار بلور فوتونی به هم بریزد - براي مثال، لایه-ي ديالکتریکی با مشخصات فیزیکی یا نوري متفاوت به ساختار اضافه شود - ، یک باند باریک در داخل گاف باند ظاهر میشود که مد نقص نامیده میشود. از ویژگی مد نقص در طراحی فیلتر نوري1 استفاده میشود.
[6-5] در سالهاي اخیر، یکی از اهدافی که علیرغم پیشرفتهاي خوبی که در راستاي مطالعات نظري و امکان به کارگیري بلورهاي فوتونی صورت گرفته، دنبال میشود کنترل پذیر بودن خواص نوري ساختار بلور فوتونی است. با توجه به این که خواص نوري یک ساختار به مواد استفاده شده، نوع آرایش و پارامترهاي فیزیکی بستگی دارد. از این رو، براي هر نوع استفاده باید ساختار مختص آن ساخته شود. چون ساخت بلور فوتونی فرایند وقتگیر و گاهی پرهزینهایی است، لذا مردم دنبال این هستند که از یک ساختار بلور فوتونی ساخته شده براي چند منظور استفاده کنند. بعد از ساخته شدن ساختار، امکان جایگزین کردن مواد دیگري وجود ندارد.
از این رو، تنظیم پذیري 2 به تغییر گذردهی الکتریکی و یا تراوایی مغناطیسی و حتی ویژگیهاي فیزیکی مواد تشکیل دهنده ساختار بلور فوتونی توسط یک عامل خارجی مانند میدانهاي الکتریکی، مغناطیسی، گرما، فشار و ... دلالت دارد. مکانیزمهاي تنظیم پذیري مختلفی براي کاربردهاي متنوع و خاص میتوانند مورد استفاده قرار گیرند. ولی تنظیم پذیري از طریق اعمال میدان الکتریکی، به خاطر تنوع مواد و شفاف بودن آنها در طیف مرئی توجه زیادي را به سوي خود جلب کرده است .
[11-7] در این میان مواد الکترو اپتیکی جزوء مواد ناهمسانگرد بوده و خواص اپتیکی این مواد طبق اثر پاکلز به راحتی توسط میدان الکتریکی خارجی در راستاهاي مختلف نسبت به جهت میدان اعمالی تغییر می کند. بنابراین، ضریب شکست این مواد می تواند توسط میدان الکتریکی خارجی تنظیم شود. انتظار می رود شاخص تنظیم پذیري در بلور فوتونی با استفاده از مواد الکترواپتیکی محقق شود در این مقاله،جهت بررسی تنظیم پذیري فیلتر نوري در ساختار بلور فوتونی شامل مواد ناهمسانگرد الکترواپتیکی به صورت تئوري از روش ماتریس انتقال4×4 استفاده شده است.
نشان داده شده است که اعمال میدان الکتریکی خارجی به ماده ناهمسانگرد الکترواپتیکی، باعث ایجاد مولفه هاي غیر قطري در ماتریس گذردهی الکتریکی شده و این مولفه ها شدیدا به شدت میدان الکتریکی اعمالی خارجی وابسته می باشند. وجود مولفه هاي غیر قطري در مانریس گذردهی الکتریکی مواد ناهمسانگرد، تاثیر زیادي درجدایی مد نقص و تبدیل قطبش موج الکترومغناطیسی عبوري خواهد داشت.
کنترل پذیري خارجی گذردهی الکتریکی مواد ناهمسانگرد توسط میدان الکتریکی ، تنظیم پذیري فیلتر نوري را بدون تغییر فیزیکی ساختار فوتونی فراهم می سازد. بنابراین ، اثر شدت میدان الکتریکی خارجی روي ویژگی فیلتر نوري، از جمله تعداد، جدایی و موقعیت فرکانسی در ساختار ارایه شده بررسی شده است. بنابراین، ساختار ارایه شده بیشترین تنظیم پذیري را روي فیلتر نوري با کنترل پذیري خارجی خواص اپتیکی مواد ارایه می کند.
.2 مدل و تئوري
ساختار بلور فوتونی یک بعدي پیشنهادي جهت طراحی فیلتر نوري تنظیم پذیر به صورت - BA - mC - AB - m می-باشد که در آن m تعداد تناوب، A و B نشان دهنده لایههاي ديالکتریک همسانگرد، به ترتیب با گذردهی الکتریک A ، B و ضخامتهاي d1 ، d 2 و لایه C ماده ناهمسانگرد الکترواپتیکی با محور نوري دلخواه است. شکل-1، طرحواره ساختار فوق را براي حالت m 7 نشان میدهد که لایههاي ساختار در صفحه x-y قرار گرفته و تناوب بلور در راستاي محور z می باشد.
که در آن زاویه بین محور نوري و راستاي محور x - شکل- - 1، x و y ثابت گذردهی الکتریکی در راستاي محور x و y بعد از اعمال میدان الکتریکی میباشند. شدت میدان الکتریکی اعمالی با رابطه E V / D داده می شود که در آن D فاصله بین دو الکترود در راستاي محور x است. بوده و در راستاي محور x به لایه نقص اعمال شدهاست. براي شدت میدانهاي کم، در لایه نقص که از ماده ناهمسانگرد الکترواپتیکی است اثر پاکلز مشاهده خواهد شد. البته این امر به نوع ماده به کار رفته در لایه نقص نیز بستگی دارد. براي این منظور، بلور ناهمسانگرد BaTiO3 به عنوان ماده لایه نقص انتخاب شدهاست. با اعمال میدان الکتریکی در راستاي محور x ، ضریب شکست بلور در راستاهاي مختلف به این صورت داده میشوند .[13]
