بخشی از مقاله
چکیده -
ساختارهای مجتمع نوری بر پایه فوتونیک کریستال ها، عموما به عنوان یکی از ساختارهای نویدبخش برای تحقق مدارات مجتمع فوتونیکی فشرده و بسیار کاربردی در نظر گرفته می شوند. در این کارسوئیچ نوری با به کار بردن اثر خودموازی سازی در فوتونیک کریستال های دو بعدی ارائه شده است. طراحی و شبیه سازی قطعه ارائه شده با استفاده از روش تفاضل محدود در حوزه زمان - FDTD - انجام شده است.
ساختار سوئیچ نوری با معرفی لوله های نقص خطی در فوتونیک کریستال متناوب کامل که پارامترهای آن با استفاده از نقشه شکاف باند انتخاب شده اند، ایجاد شده است. در این تحقیق ما نشان می دهیم که نقص های خطی باعث شکافتن پرتوهای خودموازی ساز در فوتونیک کریستال های دو بعدی می شوند. قطعه ارائه شده می تواند به عنوان سوئیچ نوری عمل کند. نتایج این تحقیق بوسیله شبیه سازی های محاسباتی که توزیع های میدان انتشار نور را در ساختارها فراهم می کند، ثابت شده اند. قطعه ارائه شده دارای ساختار هندسی ساده و عملکرد واضح است که می تواند کاندیدای خوبی برای مدارات مجتمع فوتونیکی آینده باشد.
-1 مقدمه
اخیرا، با توسعه تحقیقات فوتونیک کریستال ها، توجه بسیار زیادی به فوتونیک کریستال ها به خاطر ویژگی های پراکندگی غیرمعمول آن ها مانند ضریب شکست منفی، ابر منشور، خود موازی سازی و غیره، جلب شده اند. اپتیک غیرخطی از محدودیت های اساسی مشخصی مانند مصرف توان رنج می برد اما پدیده خود موازی سازی از شدت نور مستقل است. بنابراین در این پایان نامه ساختار مبتنی بر فوتونیک کریستال دو بعدی را برای عمل سوئیچینگ نوری ارائه می دهیم.
-2 شکاف باند فوتونیکی، ثابت شبکه و شعاع
در این تحقیق نامه به طراحی و شبیه سازی اداوت نوری مبتنی پدیده خود موازی سازی در ساختارهای فوتونیک کریستال پرداخته می شود. از ساختارهای دو بعدی فوتونیک کریستالی با ساختار شبکه ای مربعی برای طراحی ادوات استفاده خواهد شد. در شکل 1ساختار شبکه ای مربعی فوتونیک کریستال دوبعدی استفاده شده در این تحقیق نشان داده شده است. دایره های آبی نمایانگر لوله های سیلیکونی و فضاهای سفید نمایانگر هوا هستند. ضریب شکست سیلیکون 3/46 در نظر گرفته شده است.
شکل :1 ساختار شبکه ای مربعی فوتونیک کریستال دوبعدی.
دوتا پارامتر کلیدی در ساختارهای فوتونیک کریستال شعاع - r - و ثابت شبکه - a - مطابق شکل 2 هستند که با تغییر مقدار آن ها نتایج مورد نظر بدست می آیند.
فوتونیک کریستال ها پدیده خاصی را نشان می دهند که آن وجود شکاف های باند نوری در فرکانس های مشخصی از نور است. با استفاده از این ویژگی منحصربفرد ساختارهای فوتونیک کریستالی، هدایت نور در ادوات نوری مورد نظر امکان پذیر است. برای فهمیدن اینکه کدام طول موج ها شکاف باندی را در شبکه خاصی نشان می دهند از نمودار رابطه پراکندگی استفاده می شود. نمودار رابطه پراکندگی وابستگی فرکانس های رزونانسی را بر روی بردار موج پرتو عبوری از داخل فوتونیک کریستال را نشان می دهد.
با محاسبه نمودار پراکندگی ساختار فوق با روش PWE، ساختار باند آن طبق شکل 4 بدست آمد.
شکل :2 نشان دادن شعاع و ثابت شبکه در میله های قرار گرفته در هوا.
نمودار پراکندگی با روش PWE محاسبه می شود. یکی دیگر از مکانیزم های گیراندازی امواج نوری در فوتونیک کریستال ها، اثر خودموازی سازی است. این اثر از ویژگی های پراکندگی فضایی امواج بلاخ - - Bloch برای دست یافتن به موج الکترومغناطیسی بدون پراش استفاده می کنند. شکل سطح پراکندگی فوتونیک کریستالی یک ویژگی حیاتی برای مشخص کردن خود موازی سازی است که می تواند با تقارن شبکه، پارامترهای ماده و شکل هندسی مواد متشکله بهینه و دستکاری شود. پرتوهای خود موازی ساز نور می توانند با پراش کمتر منتشر شوند.
در شکل 3 پروفایل ساختار فوتونیک کریستال ارائه شده با شبکه مربعی از لوله های دی الکتریک سیلیکونی با ضریب شکست 3/46 ، شعاع 0/35 میکرومتر و ثابت شبکه مربعی نیز 1 میکرومتر برای بدست آوردن نمودار پراکندگی ساختار فوتونیک کریستالی در نرم افزار Opti-FDTD نشان داده شده است.
شکل 4 نمودار پراکندگی ساختار فوتونیک کریستالی دو بعدی با شبکه مربعی ارائه شده را نشان می دهد. با بهینه کردن اندازه ثابت شبکه - a - و نسبت شعاع به ثابت شبکه، باند ممنوعه شبکه فوتونیک کریستالی ارائه شده و ناحیه خود موازی سازی در شبکه برای مد - TMمیدان مغناطیسی موازی محور لوله های سیلیکونی - بدست آمد. مقدار ثابت شبکه برابر 1 میکرومتر و همان طور که در شکل 4 نشان داده شده است بازه فرکانس نرمالیزه ساختار برای شکاف باندهای ممنوعه - رنگ آبی - و ناحیه خودموازی سازی بدست آمده است.
شکل :3 پروفایل ساختار فوتونیک کریستال ارائه شده با شبکه مربعی در نرم افزار Opti-FDTD
شکل:4 ساختار باند شبکه کامل فوتونیک کریستالی ارائه شده برای مد. TM
جهت انتشار نور در فوتونیک کریستال ها برابر سرعت گروه است که با معادله زیر داده می شود:
که در اینجا - K - فرکانس نوری در بردار موج K است.
بنابراین طول موج پرتو خودموازی ساز برای شبکه فوق برابر 5/15 میکرومتر است.
-1-2 طراحی و شبیه سازی ساختار سوئیچ نوری
ساختار فوتونیک کریستال دو بعدی ارائه شده با شبکه مربعی از لوله های دی الکتریک سیلیکونی با ضریب شکست 3/46 و شعاع 0/35 میکرومتر تشکیل شده است. ثابت شبکه مربعی نیز 1 میکرومتر در نظر گرفته شده است. از لایه های جاذب کامل PML در تمام مرزهای ساختار برای جلوگیری از بازتاب های نور در مرزها، به عنوان شرایط مرزی استفاده شده است. در شکل 5 پروفایل ساختار فوتونیک کریستالی ارائه شده در نرم افزار لومریکال نشان داده شده است.
پرتو نور گوسیبا طول موج مرکزی 5/15 میکرومتر که ویژگی آن در شکل 6 نشان داده شده است، از سمت چپ به ساختار فوتونیک کریستالی ارائه شده تابیده می شود.
شکل :5 پروفایل ساختار فوتونیک کریستالی ارائه شده، الف - در دو بعد xy و ب - در سه بعد
به خاطر آنکه طول موج پرتو خودموازی ساز برای شبکه فوتونیک کریستالی ارائه شده طبق نمودار ساختار باند شکل 4-4 برابر 5/15 میکرومتر است، بنابراین طول موج مرکزی پرتو نور ورودی به ساختار فوق را طبق شکل 6-4 برابر 5/15 میکرومتر انتخاب کردیم. پروفایل توان عبوری نور ورودی در شکل 7-4 نشان داده شده است.
به خاطر آنکه طول موج پرتو خودموازی ساز برای شبکه فوتونیک کریستالی ارائه شده طبق نمودار ساختار باند شکل 4-4 برابر 5/15 میکرومتر است، بنابراین طول موج مرکزی پرتو نور ورودی به ساختار فوق را طبق شکل 6-4 برابر 5/15 میکرومتر انتخاب کردیم. پروفایل توان عبوری نور ورودی در شکل 7-4 نشان داده شده است.
شکل :6 پروفایل پرتو نور گوسی تابیده شده به ساختار فوتونیک کریستالی ارائه شده، الف - برحسب طول موج، ب - برحسب فرکانس و ج - برحسب زمان.
شکل :7 پروفایل توزیع توان نوری در طول ساختار فوتونیک کریستال ارائه شده برای نور ورودی با طول موج 5/15 میکرومتر.
همان طور که در شکل 7 نشان داده شده است، نور ورودی با طول موج 5/15 میکرومتر تقریبا بدون هیچ پراشی در طول ساختار فوتونیک کریستال ارائه شده منتشر می شود و موید شکل 4 است. به عبارت دیگر پرتو ورودی با طول موج 5/15 میکرومتر پرتو خودموازی ساز برای ساختار ارائه شده است. در ادامه طبق شکل 4طول موجی را از ناحیه شکاف باند ممنوعه انتخاب کردیم.
