بخشی از مقاله
چکیده -
در این مقاله ما بلورهای فوتونیکی شامل مواد راستگرد غیرخطی و مواد چپگرد - متامواد - خطی را در نظر می گیریم که بر اساس دنبالهی شبهمتناوب فیبوناچی چیده شدهاند و با مطالعهی تراگسیل غیرخطی مرتبههای مختلف این ساختار نشان میدهیم که بر اثر وجود لایههای غیرخطی در این ساختارها، تراگسیل غیرخطی آنها برحسب شدت نورفرودی رفتار دوپایایی از خود نشان میدهد و به دلیل نامتقارن بودن ساختار، آستانهی دوپایایی برای نور فرودی از سمت راست و چپ متفاوت است که میتوان از این رفتار برای انتشار یکسویهی نور استفاده کرد.
کلید واژه- ابزارهای یکسوساز، دوپایایی، شبه متناوب، متاماده ، مواد اپتیکی. کد 160.0160 - PACSو190.0190 و 230.0230و 270.0250
-1 مقدمه
یکی از مهمترین چالشهای بشر در دنیای امروز افزایش سرعت انتقال اطلاعات و پردازش دادهها میباشد. در راستای تحقق این اهداف، طراحی ابزارهای نوری فشرده و مجتمع کاملا ضروری میباشد .[1] گسترش مدارهای مجتمع فوتونیکی برای پردازش سریع نور نیازمند عناصر تمام نوری میباشد از آنجا که کنترل فوتونها به مراتب سختتر از الکترونهاست بنابراین طراحی و ساخت یکسوسازهای نوری با استفاده از بلورهای فوتونیکی گام مهمی در کنترل فوتونها محسوب میشود و عملی شدن ساخت آنها قطعا منجر به یک انقلاب واقعی در صنعت ارتباطات خواهد شد2]و.[3 همان طور که میدانیم یکسوساز یا دیود نوری وسیلهای است که در مشابهت با دیودهای الکترونیکی، نور را در یک جهت از خود عبور میدهند و در جهت دیگر از عبور آن جلوگیری میکنند. و پیشبینی میشود که در صورت تحقق آن استفاده های گستردهای در صنعت ارتباطات و همچنین سیستمهای ایزولهی نوری داشته باشد.
به دلیل اهمیت آن، در سالهای اخیر گروههای مختلفی در نقاط مختلف دنیا سعی در طراحی این قطعه به صورت نظری و عملی دارند.[2-8] در اینجا ما از بلورهای فوتونیکی شبه متناوب فیبوناچی متشکل از لایه های چپگرد و راستگرد در طراحی یکسوساز نوری استفاده میکنیم. متامواد - مواد چپگرد - موادی هستند که در آنها هم تراوایی مغناطیسی و هم گذردهی الکتریکی منفی بوده و در نتیجه ضریب شکست آنها نیز منفی می باشد .[9] تولید مواد چپگرد باعث جذب محققان از سراسر جهان برای تحقیق در این زمینه شد. بهطوریکه محققان اخیرا متاموادی در مقیاس نانو طراحی کردهاند [10] که با توجه به خواص منحصر به فرد این مواد، از آنها می توان در طراحی میکروساختارهای نوری استفاده کرد. یکی از کاربردهای بسیار جالب توجه متامواد استفاده از آنها در ساختن بلورهای فوتونیکی میباشد.
-2 توزیع میدان در داخل ساختار
شکل 1 توزیع شدت میدان الکتریکی را در داخل مرتبهی هشتم ساختار شبه متناوب فیبوناچی نشان میدهد. برای محاسبه ی میدان الکتریکی در نقطه ی z از روش ماتریس انتقال استفاده شده است[13] مشاهده میکنیم که اندازهی میدان جایگزیده درهر مکان باتوجه به جهت انتشار متفاوت است. با توجه به اینکه در لایههای غیر خطی ضریب شکست به شدت میدان الکتریکی وابسته است در نتیجه ما ساختاری با ضریب شکست وابسته به جهت انتشار نور خواهیم داشت و میتوان انتظار داشت که از این ساختار بتوان در طراحی یکسوسازهای نوری استفاده کرد. برای بررسی اثر لایه ی متامادهی استفاده شده در ساختار، میدان الکتریکی را در داخل ساختار یکبار در حضور متاماده - شکل - 1 - الف - - - و بار دیگر با استفاد از مواد معمولی - شکل - 1 - ب - - - رسم می کنیم. لازم به ذکر است که در این دو شکل همهی پارامترها به جز علامت A و A یکسان انتخاب شدهاند. ملاحظه میکنیم که قدرت میدان موضعی در ساختار شامل متاماده، بیشتر است. همانطور که میدانیم به دلیل وابسته بودن ضریب شکست مواد غیرخطی به شدت میدان موضعی، قدرت بالای میدان موضعی باعث افزایش اثرغیرخطیت میشود و بالا بودن میزان غیرخطیت، عامل مهمی در یکسوسازی امواج الکترومغناطیسی محسوب میشود.
-3 تراگسیل غیرخطی در ساختار شبه متناوب فیبوناچی شامل متاماده
در شکل 2 تراگسیل غیر خطی مرتبهی هشتم و نهم ساختار شبه متناوب فیبوناچی را بررسی میکنیم. ملاحظه میکنیم که در مرتبه ی هشتم ساختار فیبوناچی تراگسیل نور فرودی از سمت راست در شدت به مقدار0/83 سوئیچ میشود در حالی که تراگسیل نور فرودی از سمت چپ هنوز در شاخهی پایینی یعنی قبل از آستانهی دوپایایی قرار دارد در نتیجه در ناحیه ی بین آستانهی دوپایایی برای فرود از دو سمت، خاصیت یکسوسازی از خود به نمایش میگذارد. برای تعیین میزان کارایی ساختار مورد نظر بهعنوان یکسوساز نوری، کمیت کنتراست تراگسیل به صورت TRight - / - TLeft TRight - C - TLeft تعریف میشود .[14] بیشینهی کنتراست تراگسیل برای این ساختار 69.0 Cmax میباشد که مقدار بسیار مطلوبی محسوب میشود .
با توجه به اُفت سریع شاخهی بالایی دوپایایی برای نور فرودی از راست، کنتراست تراگسیل بدست آمده در شدت های بالاتر در ناحیهی انجام عمل دیودی، کاهش مییابد. در مرتبهی نهم ساختار موردنظر نورفرودی از سمت چپ، در شدت 68.5MW / cm2 و نور فرودی از چپ در شدت 133.5MW / cm2 به آستانهی دوپایایی میرسند. در این ساختار در ناحیهای که عمل دیودی به طور موثر - ناحیهی بین آستانهی دوپایایی موج پیشرونده و پسرونده - در آن انجام میشود؛ بیشینهی تراگسیل یکسویهی موج پیشرونده 0/904 و کمینهی آن که درشدت آستانهی دوپایایی موج پسرونده است 0/73 میباشند.
که نشان دهندهی افت نسبتا کند شاخهی بالایی موج پیشرونده می باشد و با توجه به اینک تراگسیل در شاخهی پایینی موج پسرونده در این ناحیه از 0/0085 تا 0/017 تغییر می کند در نتیجه در تمام ناحیهی موردنظر کنتراست تراگسیل بسیار مطلوبی خواهیم داشت یعنی کنتراست تراگسیل در حالت بیشینه ./981 و در کمترین حالت0/95 خواهد بود. همچنین با توجه به اینکه در این ناحیه، تراگسیل یکسویهی ساختار مقدار بالایی دارد؛ میتوانیم نتیجه بگیریم که مرتبهی نهم ساختار شبه متناوب فیبوناچی شامل متاماده، عملکرد مطلوبی در یکسوسازی امواج الکترومغناطیسی دارد. شکل 3 نیز تراگسیل غیرخطی مرتبهی دهم و یازدهم ساختارهای شبه متناوب فیبوناچی را نشان میدهد. بیشینهی کنتراست تراگسیل در این ساختارها نیز به ترتیب 0/919 و 0/98 است که تقریبا در شدتهایb34MW / cm2 و 9.8MW / cm2 اتفاق میاُفتند. لازم به ذکر است که در اینجا تفاوت در طولموجها و ضخامت لایههای مورد استفاده برای مرتبه های مختلف ساختار، برای نمایش بهتر کارایی هر یک از ساختارها در انجام عمل یکسوسازی میباشد.
