بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله یک بلور فوتونی سه بعدی با ساختار افراز چوبی وارون با محیط زمینه - هوا - شبیه سازی شد. برای شبیه سازی از روش بسط موج تخت برای محاسبه گاف نواری استفاده شده است و مشاهده شد که با تغییر ضریب دیالکتریک محیط میتوان گاف نواری را کنترل کرد. ساختار برای داشتن گاف نواری بسامدی پهن در ناحیه1 m- 780 nm بهینهسازی گردید. بیشینه گاف نواری با توجه به ضرایب دیالکتریک مورد نظر در r=0,37a رخ داده است. در پایان با توجه به پارامترهای مورد بررسی شده ، ویژگی ساختار بلور فوتونی افراز چوبی که به صورت ساختار لایه-لایهای میباشد ، شبیهسازی شد.
مقدمه
پیشرفتهای جدید در حوزههای ارتباطات و پردازش دادهها، با جایگزینی فوتون به جای الکترون صورت گرفته است. در همین راستا طراحی ساختارهای جدید که بر مبنای انتشار فوتون انجام گرفت. بلورهای فوتونی مواد اپتیکی مصنوعی هستند که امکان کنترل نور را در محدودههایی از مرتبه طول موج فراهم میکنند. در واقع ساختار آنها از دو یا چند ماده با ضریب دی الکتریک متفاوت تشکیل شده که این تغییرات ضریب دی الکتریک میتواند در یک، دو یا سه بعد تکرار شوند.
این بلورها میتوانند در نواحی خاصی از طول موج به نور اجازه انتشار ندهند و مانند یک عایق اپتیکی نور را بدون اتلاف محبوس کنند.[4-1] اولین نظریه پردازانی هو، چن و سوکولیس بودند که به درستی پیشبینی کردند که یک بلور فوتونی سه بعدی خاصی میتوان داشت که یک گاف نواری کامل داشته باشد. بلور مورد اشاره که یک شبکهی الماسی از کرهها بود.[1]
بلور فوتونی افراز چوبی، ساختاری با گاف نواری کامل در مقیاس میکرومتری میباشد . اولین بار در سال 1994 به وسیله هو و همکارانش طراحی و ساخته شد. ساختار افراز چوبی بهصورت منافذ استونهای پشت سر هم و لایهای روی هم قرار گرفتهاند. امروزه این ساختار به دلیل توانمندی گسترده و حتی متفاوت در مقایسه با مواد معمولی اپتیکی که در کنترل گسیل و انتشار نور با استفاده از گاف نواری دارند، در سیستمهای نوری نوین نقش مهمی را ایفا میکنند. این ساختار در صنایع اپتیک و دفاعی به عنوان مثال در سنسورهای اپتیکی، فیلترها، تفکیککنندهها و همچنین سلولهای خورشیدی کاربرد دارد. .[4]
لازم به یادآوری میباشد که خواص نوری این بلور به پارامترهای فیزیکی - مثل ضخامت، پارامترهای شبکه و شعاع - و خواص نوری مثل - ضریب دی الکتریک - لایههای تشکیلدهنده بستگی دارد. در این مقاله، با توجه به ضریب دیالکتریک متفاوت دو محیط و شعاع مختلف به بررسی ساختار بلور فوتونی افراز چوبی پرداخته میشود و پارامترهای وابسته تحلیل و شبیهسازی میگردد.
مبانی نظری
به منظور دستیابی به ساختار نواری، محیطهای متناوب با ضریب دیالکتریک مختلف بررسی میشود. برای بدست آوردن ساختار نواری در محیطهای متناوب روشهای مختلفی ارائه شده است که متداولترین آن روشی است که در آن میدان مغناطیسی با استفاده از تئوری بلاخ برحسب امواج تخت بسط داده شده و با بسط ثابت دی الکتریک در فضای شبکه وارون، معادله موج حاصل از معادلات ماکسول در فضای فرکانس - - و فضای بردار موج - k - بدست میآید. در پایان معادله حاصل به روشهای عددی حل شده و به این ترتیب بستگی به k بدست میآید.[5]
طراحی وشبیه سازی
افرازهای چوبی وارون که دارای ساختاری با منافذ استوانهای به صورت لایه-لایه - این ساختار در صفحه x-z قرار گرفته و صفحه y نامتناهی میباشد - هستند، مورد بررسی قرار گرفته است.[7] سپس به بررسی جزئیات این ساختار و همچنین تاثیر عواملی همچون تغییر شعاع سطح مقطع ساختار استوانه و کنتراست ضریب دیالکتریک بین ماده و محیط برای داشتن گاف نواری کامل در تمامی نواحی بسامدی میپردازیم - در این مقاله به منظور شبیه سازی از نرم افزار RSOft برای محاسبه ساختاری نواری استفاده شده است - .
با انجام شبیهسازی و محاسبات انجام شده برای شعاعهای مختلف و ضریب دیالکتریک متفاوت برای ساختار افراز چوبی نمودار گاف نواری رسم شدهاست و همانگونه که از شکل 3 مشاهده میگردد به ازای ضریب دی الکتریک مختلف تنها برای شعاعهای بین0/32a تا 0/4a در 6 ناحیه فرکانسی - برحسب - D/ گاف نواری داریم - a دوره تناوب شبکه است - . بنابراین اساس طراحی و شبیه-سازی را برای شعاع بهینه 0/37a قرار دادهایم. همانگونه که در شکل 3 نشان داده شده است پهنای گاف نواری برای ضرایب دی- الکتریک مختلف، متفاوت خواهد بود.
با دریافت تحلیلی از نمودارها، برای ساختار گاف نواری کامل، اختلاف ضرایب دی-الکتریک محیطها بسیار حائز اهمیت میباشد و با افزایش اختلاف ضرایب دیالکتریک بین ساختار و محیط پس زمینه ساختار گاف نواری کامل به وجود خواهد آمد - تعداد نواحی بسامدی با افزایش اختلاف ضریب دیالکتریک دو محیط افزایش مییابد - لذا برای مشاهده گاف نواری کامل در تمامی نواحی باید ضریب دی-الکتریکها بدرستی انتخاب گردد.
بنابه نتایج شکل 4 پهن ترین گاف نواری مربوط به اختلاف ضریب دیالکتریک بالاتر با تغییرات اندازه گاف - %26,5 نسبت پهنای گاف به فرکانس مرکز گاف - میباشد. اختلاف ضریب 0دیالکتریک دو محیط نقش مهمی در تعیین مکان و پهنای گاف نواری دارد. همواره با افزایش اختلاف ضریب دیالکتریک دومحیط، اندازه گاف افزایش مییابد که طبق اصل وردشی قابل توجیه میباشد.
