بخشی از مقاله
خلاصه
در این مقاله، راهکارهای مطلوب جهت حصول پاشندگی تخت با مقدار کمینه و نزدیک به صفر در محدوده وسیعی از طولموج ارائه میشود که هدف از آن تولید طیف ابر پیوستار جهت دستیابی چندگانه با تقسیم طولموج است. نخست با ارائه یک ساختار متقارن ششوجهی از فیبر بلور فوتونی پاشندگی آن محاسبه میشود. سپس با تغییر در قطر حفرههای هوا، پروفایل پاشندگینسبتاً تخت و نزدیک به صفر حاصل خواهد شد. با توجه به پیچیدگی فرایند ساخت فیبرهای بلور فوتونی با حفرههای هوا با قطرهای متفاوت، رهیافت تزریق سیال نوری پیشنهاد و استفاده میشود. بدینصورت که حفرههای هوا در ردیف اول فیبر بلور فوتونی اولیه با سیال موجود با ضریب شکست مطلوب پر میشوند که این رهیافت معادل با کاهش قطر حفره است. درنهایت این ساختار منجر به پاشندگینسبتاً تختی با مقدار 0/4 ps/ - nm.km - در محدوده طولموج 1/25 تا 1/65 میکرومتر میشود که با پمپ نمودن پالسهای نوری با عرض 50 فمتو ثانیه، با طولموج مرکزی 1550 نانومتر و توان 5 کیلو وات در طول 0/25 متر از فیبر، گسترش طیفی 950 نانومتر حاصل میشود.
کلمات کلیدی: تولید ابر پیوستار، دستیابی چندگانه با تقسیم طولموج، فیبر بلور فوتونی، تزریق سیال، مهندسی پاشندگی.
.1 مقدمه
فیبرهای بلور فوتونی توسط محققان بهصورت گستردهای موردمطالعه و بررسی قرارگرفتهاند .[3-1] این دسته از فیبرها ویژگیهای منحصربهفردی نسبت به سایر موجبرهای نوری شامل فیبرهای معمولی دارند که باعث شده با استفاده از ساختارهای هندسی متنوع، برای کاربردهای مختلف استفاده شوند. ازجمله ویژگیهای این فیبرها کنترل پاشندگی، ضریب غیرخطی و نفوذ متمرکز منبع نوری در هسته فیبر است. یکی از ویژگیهای منحصربهفرد فیبرهای بلور فوتونی در مقایسه با فیبرهای معمولی پروفایل پاشندگی کنترلپذیر این دسته از فیبرها است. طراحی این نوع فیبرها بر اساس اندازه هسته فیبر، فاصله مرکز تا مرکز حفرههای هوا - ثابت شبکه - و اندازه قطر حفرههای هوا است؛ بنابراین، با تغییر هرکدام از این پارامترها، منحنی پاشندگی این نوع فیبرها برحسب طولموج تغییرات بسیار مشهودی خواهد داشت. تاکنون تحقیقات متنوعی جهت حصول پاشندگی تخت با مقدار کمینه نزدیک به صفر انجامشده است [5 , 4]
که در تعدادی از تحقیقات انجامشده، محققان سعی در ایجاد پاشندگی صفر در طولموج 1550 نانومتر نمودند تا با توجه به تلفات کمینه در این طولموج بتوان پالسهای نوری را با کمترین در همتنیدگی برای مسافتهای طولانی انتقال داد .[8-6] یک مصالحه بین فیبرهای بلور فوتونی با فیبرهای متداول وجود دارد و آن بیشتر بودن تلفات ساختارهای بلور فوتونی نسبت به ساختارهای معمولی است؛ زیرا بخشی از منبع نوری وارد حفرههای هوا خواهد شد؛ که دلیل آن سطح مقطع مؤثر کوچک این دسته از فیبرها است؛ البته برای برطرف نمودن این مشکل افزایش قطر هسته با کاهش قطر حفرههای هوا در ردیفهای نزدیک به هسته پیشنهاد میشود .[9] البته کاهش قطر حفرههای هوا در ردیفهای نزدیک به هسته سطح مقطع مؤثر را افزایش میدهد که این افزایش منجر به کاهش ضریب غیرخطی خواهد شد. مونات و همکاران در مرجع [10] رهیافت تزریق سیال نوری را پیشنهاد دادند که با استفاده از آن با تزریق سیال با ضریب شکست بهینه درون حفرههای هوا در موجبرهای بلور فوتونی، بتوان پاشندگی تخت با مقدار نزدیک به صفر در محدوده وسیعی از طولموج به دست آورد .[12 ,11]
در این تحقیق روشهای مطلوب جهت حصول پاشندگی تخت با مقدار کمینه و نزدیک به صفر در محدوده وسیعی از طولموج ارائه میشود . نخست با ارائه یک ساختار متقارن ششوجهی از فیبر بلور فوتونی پاشندگی آن محاسبه میشود. سپس با تغییر در قطر حفرههای هوا،پروفایل پاشندگی نسبتاً تخت و نزدیک به صفر حاصل میشود. با توجه به پیچیدگی فرایند ساخت فیبرهای بلور فوتونی با حفرههای هوا با قطرهای متفاوت، از رهیافت تزریق سیال نوری استفاده میشود. بدینصورت که حفرههای هوا در ردیف اول فیبر بلور فوتونی اولیه با سیال موجود با ضریب شکست 1/33 پر میشوند که این رهیافت معادل با کاهش قطر حفره است. درنهایتاین ساختار منجر به پاشندگی نسبتاً تختی با مقدار ps/ - nm.km - -0/4 در محدوده طولموج 1/25 تا 1/65 میکرومتر میشود که از آن بهعنوان محیط غیرخطی جهت تولید طیف ابر پیوستار استفاده خواهد شد.
.2 بررسی ساختار فیبرهای بلور فوتونی
ساختار پیشنهادی فیبر مورداستفاده در این تحقیق مطابق شکل 1 ارائه میشود که از سیلیکا بهعنوان ماده اصلی تشکیلدهنده فیبر استفادهشده است. این ساختار را Fiber A نامگذاری میکنیم. حفرههای هوا بارنگ خاکستری اطراف هسته در پنج ردیف در ساختار ششوجهی قرارگرفتهاند. فیبرهای بلور فوتونی معمولی از حفرههای هوا با قطرهای یکسان تشکیلشدهاند. ساخت این دسته از ساختارهای بلور فوتونی نسبتاً سادهاست ولی الزاماً از پروفایل مطلوب پاشندگی برخوردار نیستند؛ بنابراین استفاده از ساختارهای نامتقارن پیشنهاد میشود که در آن قطر حفرهای هوا در هر ردیف ممکن است با سایر ردیفها متفاوت باشد.
پاشندگی این نوع فیبرها در شبیهسازی عددی بهآسانی با تغییر در قطر حفرههای هوا و ثابت شبکه میتواند کنترل و مهندسی شود اما از دیدگاه پیادهسازی امری نسبتاً دشوار است. در فیبرهای بلور فوتونی اعم از متقارن یا نامتقارن، اولین ردیف از حفرههای هوای اطراف هسته بر پاشندگی بیشترین تأثیر را دارد هرچند سایر ردیفها نیز تأثیرگذار هستند. نتایج شبیهسازیهای عددی در این تحقیق در ادامه نشان میدهند اگر پاشندگینسبتاً تختی در محدوده وسیعی از طولموج موردنظر باشد از فیبرهای بلور فوتونی با ساختار نامتقارن استفاده میشود. در این بخش به محاسبات عددی مربوط به پروفایل پاشندگی پرداخته میشود. همانطور که بیان شد هسته فیبر از جنس سیلیکا که ضریب شکست آن تابع طولموج است و با استفاده از رابطه Sellmeier مطابق زیر معرفی میشود .[13]
نرمافزارهای متنوع مبتنی بر روشهای عددی جهت محاسبه ضریب شکست مؤثر neff برای ساختارهای پیشنهادی وجود دارند که برخی از آنها مبتنی بر روش عددی اجزا محدود مشابه Comsol و برخی بر اساس روش عددی تفاضلی محدود در حوزه زمان مشابه Rsoft و Lumerical هستند. در این تحقیق از روش عددی تفاضلی محدود در حوزه زمان استفاده میشود و در آخرین ردیف از حفرههای هوا از یکلایه تطبیقپذیر کامل بهصورت غیر همسانگرد استفادهشده است که هدف از این روش جلوگیری از فرار پرتوهای نور منبع ورودی به خارج از فیبر همچنین عدم بازتاب به داخل هسته و درنهایت کاهش تلفات ساختار است. نرمافزار شبیهسازی استفادهشده در این بخش از تحقیق نیز Mode Solution است که در آن ابتدا روابط متناظر با ضریب شکست ماده موردنظر توسط رابطه - 1 - به نرمافزار معرفی میگردد. در این شبیهسازیها سعی شده در بازه طولموج موردنظر تعداد نقاط تا حد امکان زیاد انتخاب شوند تا بتوان مطابق رابطه زیر پاشندگی رنگی مطلوب را محاسبه نمود. اثر پاشندگی، ناشی از وابستگی ضریب شکست محیط دیالکتریک به فرکانس است که رابطه آن مطابق زیر ارائه میشود .[13]
هدف از این تحقیق، ارائه ساختاری با پاشندگی تخت و نزدیک به صفر در محدوده وسیعی از طولموج است؛ بنابراین با تغییر قطر حفرههای هوا همچنین افزایش تعداد ردیفهای حفرهها سعی در حصول این هدفداریم. روش بهینهسازی بدینصورت است که ابتدا یک فیبر بلور فوتونی شامل پنج ردیف از حفرههای هوا مطابق شکل 1 در نظر گرفته شد سپس پروفایل پاشندگی آن را محاسبه نمودیم که در شکل 3 با عنوان Fiber A رسم شده است. با تغییر قطر حفرههای هوا در ردیف اول این فیبر و ثابت فرض نمودن قطر سایر ردیفها، ساختاری که منجر به کمترین و تختترین پروفایل پاشندگی میشد را در نظر گرفتیم و آن را ساختار با قطر بهینه اول نامگذاری نمودیم. سپس برای آن مقدار بهینه بهدستآمده از قطر حفرههای هوا در ردیف اول، به تغییر در اندازه قطر حفرههای هوا در ردیف دوم پرداختیم و این بار ساختاری که منجر به کمترین و تختترین پروفایل پاشندگی میشد را ساختار با قطر بهینه اول-دوم نامگذاری نمودیم.
