بخشی از مقاله
چکیده -
در این مقاله، کاربرد بره بلور فوتونیک در لیزر مورد بررسی قرار میگیرد. با توجه به خصوصیات فیزیکی کاواکهای بلور فوتونیک از قبیل شدت و فاکتور کیفیت، به بررسی لیزینگ بهینه در ساختار نانولیزر بلور فوتونیک میپردازیم. علاوه بر آن، عوامل موثر بر لیزینگ را بهطور نظری بررسی میکنیم. بر اساس روش المان متناهی، یک بره بلور فوتونیک برای استفاده در لیزر طراحی و خواص اپتیکی آن بررسی میشود. کاواک موجود در این شبکه با داشتن فاکتور کیفیت بالا، کاندیدای خوبی برای تشدیدگر لیزری میباشد.
-1 مقدمه
در دو دهه اخیر، مطالعات گستردهای بر روی ابزارهای نوری در الکترواپتیک انجام شده است. در این ابزارها، فوتون، بهعنوان کوانتای امواج الکترومغناطیسی، نقش اساسی دارد. از جمله این ابزارهای نوری، بلورهای فوتونیک میباشند. این بلورها، ساختارهایی از مواد با تابع دیالکتریک فضایی تناوبی میباشند و بر اساس دوره تناوب فضایی - ثابت شبکه - ، ثابت دیالکتریک مواد سازنده و ابعاد عناصر تشکیل دهنده شبکه شناخته میشوند
با ایجاد نقص نقطهای و خطی در این ساختارها و از بین بردن تناوب فضایی، میتوان ابزارهای مختلفی را بهدست آورد. هم اکنون از این بلورها در ساخت موجبرها، فیلترهای طول موج، حسگرها، تار نوری، لیزرها و ...استفاده میشود.
با انتخاب پارامترهای مشخصه مناسب، میتوان گاف نواری ممنوعه را ایجاد کرد. این نوار ممنوعه، محدودهای از بسامدها را نشان میدهد که به ازای آنها، فوتون امکان انتشار در ساختار بلوری ندارد. در لیزر، این گافها مانند آینههای لیزری جهت ایجاد بازخورد بیشتر عمل میکنند.
کاواکهای نقص نقطهای، با جایگزیده کردن نور در نقطهای از شبکه، سرعت گسیل خودبه-خودی را افزایش داده و میتوانند بهعنوان تشدیدگر در ساختار لیزر بهکار روند.
این کاواکها با ایجاد تجمع مدهای اپتیکی در یک نقطه و ایجاد برهمکنش موثر بین فوتون با ماده، نقش کلیدی در افزایش گسیل خودبه-خودی و بازخورد لیزری خواهند داشت. از این جهت، امروزه ساخت لیزر با استفاده از فناوری بلور فوتونیک، در برابر لیزرهای ماده همگن رایج، بسیار مورد توجه قرار گرفته است
در این مقاله، بهصورت نظری، عوامل مهم جهت ایجاد لیزینگ بهینه در ساختار لیزر بلور فوتونیک، بررسی میگردد. سپس با استفاده از روش المان متناهی، یک بره بلور فوتونیک جهت کاربرد در لیزر نیمهرسانا طراحی کرده و به مطالعه خواص آنها میپردازیم.
-2 لیزر بره بلور فوتونیک
بلورهای فوتونیک با تناوب دوبعدی و ضخامت معین را بره بلور فوتونیک گویند. این ساختارها دارای تقارن انتقالی گسسته در صفحه x-y هستند. لذا بردار موج آنها در صفحه x-y ثابت بوده و در راستای محور z متغیر می- باشد. مد اپتیکی در صفحه دوبعدی توسط بلور فوتونیک و در راستای محور z، توسط فرآیند بازتاب کلی درونی به درون بره محدود میشود.
با ایجاد نقص نقطهای در این ساختارها، میتوان مد جایگزیده را به دام انداخته و تشدید ایجاد کرد. لیزر از جمله ابزارهایی است که مدهای اپتیکی را در یک نقطه جمع کرده، در حالیکه همچنان اتلاف مد اپتیکی را پایین نگه میدارد. ایجاد بازخورد بیشتر با در اختیار داشتن کاواکی با شدت بالاتر تحقق مییابد. لذا ساخت کاواکی با فاکتور کیفیت بالا و حجم مد پایین در دستور کار قرار میگیرد. این گونه کاواکها میتوانند زمینه را جهت لیزینگ سطحی تک مد با آستانه پایین فراهم کنند1]و.[5 فاکتور کیفیت Q تعداد نوسان-های لازم برای میرایی کامل میدانهای متمرکز در کاواک است. این کمیت را میتوان از رابطه زیر بهدست آورد:
با ایجاد شدتهای بیشتر میدان در کاواک، فاکتور کیفیت بالاتری برای کاواک بهدست میآید5]و.[6 علاوه بر Q ، ساخت کاواکی با حجم مد پایین، در ایجاد لیزینگ بهینه و کاهش اتلاف مدهای اپتیکی نقش اساسی دارد. بررسی مدهای تشدیدی کاواک نشان میدهد که سرعت گسیل خودبه-خودی با حجم مد اپتیکی - رابطه - 3 نسبت عکس دارد.
رابطه 3، بیانگر حجم مد موثر در ناحیه همپوشانی بین مد اپتیکی و ماده فعال است. نیمهرساناها بهدلیل کنترل مناسبتر گسیل خودبهخودی و افزایش بهره اپتیکی، کاندیدای مناسبی جهت ماده فعال لیزری میباشند. معادلات مربوط به ماده فعال لیزری بهصورت زیر است:
در این روابط N چگالی حاملین، P توان پمپاژ، G بهره اپتیکی، Am سطح موثر مد، S چگالی فوتون، sp طول عمر گسیل خودبهخودی، E توزیع میدان الکتریکی مد لیزری، c طول عمر حاملین، ph طول عمر فوتون و z و xy فاکتور محدودیت میدان در راستای z و صفحه xy است. مطابق روابط بالا، چگالی حاملین متناسب با توان پمپاژ بوده و تعداد حاملین با افزایش حجم مد کاهش مییابد.
علاوه بر آن، چگالی فوتونها متناسب با بهره اپتیکی است. بهره نیز خود با فاکتور کیفیت کاواک متناسب است. علاوه بر آن طبق رابطه 5، با افزایش سرعت گسیل خودبهخودی، چگالی فوتونها افزایش می-یابد که این امر منجر به کاهش آستانه لیزینگ میشود7] .[ساختارهای جفتشده متشکل از GaInAsP/InP دارای سرعت بازترکیب سطحی کمتری نسبت به GaAs بوده و فرآیندهای غیر تابشی در آنها کاهش مییابد. پس از آنها بهعنوان ماده فعال لیزری استفاده میشود.
-3 شبیهسازی
برای مدلسازی بره بلور فوتونیک، از روش المان متناهی استفاده میکنیم. این روش، خواص فیزیکی مواد مختلف و اشکال هندسی را ترکیب کرده و با استفاده از شرایط مرزی مناسب، جواب معادلات ماکسول را برای انتشار فوتون در شبکه، بهدست میآورد. در اینجا با استفاده از روش المان متناهی، یک بره بلور فوتونیک را با ایجاد آرایهای مربعی از حفرههای هوا در GaInAsP ایجاد کرده و کاواک را از طریق حذف یکی از حفرههای هوا در مرکز بلور، ایجاد میکنیم. شکل1، یک المان معین از این ساختار و تشدید رخ داده در آن را نشان میدهد.
برای این ساختار سازه پرشدگی 0/31 انتخاب شدهاست. میدان الکتریکی با دامنه 1 V/m را بهصورت موج تخت به این شبکه اعمال میکنیم.
شکل-2 الف - نمای کلی از لیزر بره بلور فوتونیک- لایه قرمز رنگ، بره بلور فوتونیک است. ب - توزیع نرم میدان الکتریکی خروجی از کاواک بسامدی که به ازای آن شاهد بیشترین شدت تابش در کاواک خواهیم بود، مناسبترین گزینه برای افزایش میزان گسیل خودبهخودی و شروع لیزینگ است. نمودار شکل 3، شدت میدان در کاواک را برای بسامدهای مختلف موج ورودی نشان میدهد:
شکل-3 نمودار شدت موج الکترومغناطیسی تابشی در کاواک بر اساس بسامدهای مختلف موج ورودی به شبکه
