بخشی از مقاله
چکیده -
تقویت کنندهي نوري نیمههادي - SOA - در شبکههاي مخابراتی نوري کاربرد فراوان دارد. از این قطعه بهعنوان واحد بهرهي اصلی در شبکه هاي مخابراتی نوري استفاده می شود. SOA به قطبش سیگنال نور ورودي حساس است و عامل اصلی این حساسیت ، وابستگی بهره و فاز تقویتکننده به قطبش عرضی مغناطیسی و الکتریکی نور است. این وابستگی در اثر شماري از عوامل همچون ابعاد ، ساختار موجبري ناحیه فعال، پوششهاي ضد انعکاسی ناحیه فعال و فرآیندهاي غیرخطی در افزاره ایجاد میشود.
در این مقاله اثر قطبش نور ورودي بر بهره و فاز SOA و همچنین تاثیر فرآیندهاي غیرخطی بر شکل پالس خروجی بررسی شده است. ابعاد قطعه در رنج میکرومتر فرض شده و شبیه سازي ها کمک نرم افزار MATLAB انجام شده است. نتایج نهایی توسط حل معادلات انتشار پالس - معادلات نرخ - به کمک روشهاي حل عددي بدست آمده اند.
- 1 مقدمه
فناوريهاي نوري محور تحققبخشی به شبکههاي پیشرفتهي مخابراتی در آینده هستند. با ظهور تقویتکنندههاي نوري پیشرفتهاي بسیار زیادي در ارتباطات نوري میسر خواهد شد. تقویتکننده هاي نوري نیمههادي گونهاي از تقویتکنندههاي نوري هستند که براي تقویت نور بطور مستقیم و بدون تبدیل آن به سیگنال الکتریکی عمل خواهد کرد. بستر این افزاره از چند لایه نیمه هادي تشکیل شده و عمل تقویت بر اساس باز ترکیب الکترون- حفره در لایه فعال انجام می شود. در شکل - - 1 شماتیکی از ساختار ناحیه فعال این افزاره نشان داده شده که در این مقاله مورد مطالعه قرار گرفته است.
شکل - - 1 ساختار ناحیه فعال تقویت کننده نوري نیمه هادي
تقویتکنندههاي نوري نیمههادي یا SOAها به قطبش نور ورودي حساس هستند و نحوه عملکرد آنها تحت تأثیر پدیدههایی همچون ابعاد ، ساختار موجبري ناحیه فعال، پوششهاي ضدانعکاسی ناحیه فعال و فرآیندهاي غیرخطی در افزاره است. باتوجه به اینکه منابع مورد استفاده در مخابرات نوري از نوع دیودهاي نوري و لیزري است و این منابع نوري مدهاي مختلف قطبش را دارا هستند، لذا بررسی اثر قطبش نور ورودي بر چگونگی عملکرد تقویتکننده نوري نیمههادي لازم و ضروري خواهد بود.
همچنین باتوجه به اینکه در حال حاضر تقویتکنندههاي نوري نیمه هادي با ابعاد حجیم - Bulk - ساخته می شوند لذا بررسی اثر قطبش نور بر رفتار تقویت کننده با این ابعاد بسیار کاربردي به نظر می رسد. بر این اساس که مخابرات نوري ایران بر پایه منابع LED است و این منبع نوري نیز هر دو مد نوري TE و TM را تولید خواهد کرد، بنابراین بررسی اثر مدهاي قطبش امري به جا خواهد بود.
در این مقاله سعی خواهیم داشت که به بررسی چگونگی عبور پالس نوري با قطبش هاي مختلف از SOA و تاثیر آن یر بهره و فاز سیگنال نوري را بررسی کنیم. همچنین در پایان تاثیر فرآیندهاي غیرخطی SOA بر شکل پالس خروجی نشان داده خواهد شد.
به منظور بررسی دقیق اثر قطبش و اثر فرآیندهاي غیرخطی بر نور خروجی، از معادلات تعمیم یافته انتشار پالس در تقویت کننده هاي نوري نیمه هادي استفاده شده است که ترکیبی از معادلات نرخ تقویت کننده و معادلات حاکم بر انتشار پالس هاي فوق باریک در فیبر هاي نوري و موجبر هاي نوري است. روش حل معادلات بر اساس روش گسسته سازي و تفاضل محدود می باشد.
– 3 مدلسازي و مقادیر عددي
در تحقیقی که پیشتر توسط یانگ و همکارانش صورت گرفته ، هر سیگنال الکترومغناطیسی دلخواهی به مولفه هاي x و y تجزیه شده است.
این دو مولفه بیانگر مدهاي قطبش در طول محورهاي اصلی - x,y - هستند که انتشار یک پالس نوري قطبیده شده را در تقویتکننده نوري نیمههادي مدل میکنند. این مدل به ما کمک خواهد کرد تا درك بهتري از تاثیر قطبش پالسهاي نوري در تقویتکنندهيهاي نوري نیمههادي داشته باشیم
نتایج مورد انتظار این پژوهش را نیز می توان با استفاده از این مدل جستجو کرد تا تاثیر دو مولفه TE و TM در تقویت-کنندهيهاي نوري نیمههادي و همچنین فرآیندهاي غیرخطی بر شکل پالس خروجی بررسی شود. به جهت بررسی چگونگی تاثیر این دو مولفه بر میزان بهره و فاز تقویتکننده توسط مدل گفته شده، معادلات مربوط به آن در بخش 3 بیان شدهاند که با استفاده از روش هاي عددي نیز قابل حل هستند.
-2 فرآیندهاي غیرخطی در تقویت کننده نوري نیمه هادي
در این پژوهش فرآیندهاي غیرخطی SOA که در شبیه سازي، بر نحوه انتشار پالس نوري با عرض چند پیکوثانیه تاثیرگذار هستند به شرح ذیل است. این فرآیندها شامل اثرات غیرخطی بین باندي ومیان باندي دریک تقویت کننده نوري نیمه هادي است
اشباع بهره - GS -
مدولاسیون خود به خودي فاز - SPM - جذب دوفوتونی - TPA -
جذب حاملهاي آزاد - FCA -
سوختگی طیفی حفره - SHB - داغ شدگی حامل - CH -
معادلات مربوط به چگالی فوتون هاي ورودي و چگالی حاملهاي تزریقی به همراه معادلات بهره و فاز در SOA بشرح ذیل می باشد
همچنین مقادیر عددي ضرایب و سایر پارامترهاي ثابت که در معادلات بکار رفته است در جدول 1 نشان داده می شود.
جدول .1 پارامترها و مقادیر آنها[2]
-4 نتایج شبیه سازي
شبیه سازي افزاره SOA با مشخصات ذیل انجام شده است:
- طول ناحیه فعال 250 SOA میکرومتر
- حجم مؤثر ناحیه فعال افزاره50 میکرومترمربع
- نور ورودي به شکل تک پالس گوسین
- عرض پالس ورودي 2 پیکوثانیه
- بایاس افزاره با جریان 120 میلی آمپر
- مد هاي قطبش نور ورودي: TE و TM
- ماده ناحیه فعالInGaAlP
همانطور که از منحنی شکل 2 پیداست نتایج شبیه سازي نشان می دهد که بهرهي کل SOA با افزایش انرژي پالس ورودي در حال کاهش است. واضح است که عملکرد SOA تا مقدار 1 فمتوژول از انرژي پالس ورودي در محدوده خطی و بعد از آن وارد محدوده غیرخطی - اشباع - می شود. با افزایش انرژي پالس ورودي ریزش حاملها در ناحیه فعال افزایش می یابد و این ناحیه از وجود حاملهاي آزاد تخلیه میشود و درنتیجه بهره SOA وارد ناحیه اشباع می شودو لذا تقویت کمتري صورت میگیرد.
همچنین از شکل پیداست که مدهاي TE و TM هر دو در SOA تقویت شده اند و البته بهره مد TE بزرگتر از مد TM است. - فر آیند اشباع بهره - GS
شکل .2 تغییر بهره خالص SOA نسبت به انرژي پالس ورودي براي دو مد TE و . TM پالس ورودي بصورت خطی در امتداد محورهاي قطبش TE و TM قطبیده شدهاست.
منحنی شکل 3 بیانگر زمان بازیابی بهره SOA به حالت اولیه است. به عبارت دیگر زمانی که طول می کشد تا حاملهاي بازترکیب شده در ناحیه فعال بدلیل ورورد پالس نوري، دوباره توسط منبع بایاس جایگزین شوند. همچنین در این شکل مشاهده میشود اختلاف واضحی بین منحنی بازیابی بهره در مدهاي TE و TM بوجود آمده است. بعبارت دیگر پالس ورودي به SOA با مد TE داراي افت بهره کمتري نسبت به مد TM است.
شکل .3 منحنی بازیابی زمانی بهره SOA براي دو مد TE و TM
