بخشی از مقاله
چکیده –
در این نوشتار، ساختار یک فیبر نوري کنار- ساییده با پوشش نازك فلزي بررسی میشود. خواص مدهاي متفاوت این فیبرها مطالعه میشود و نشان داده میشود که برخی مدهاي خاص میتوانند به امواج پلاسمون سطحی تبدیل شوند. همچنین نشان داده میشود که با استفاده از تفاوت ضریب افت مدهاي درون فیبر، می توان پلاریزور و جداکننده مد ساخت.
-1 مقدمه
کنترل قطبش در مخابرات نوري و حسگرهاي تداخلی، ژایروسکوپهاي نوري، بخشی از موضوعات مهم مورد بحث براي جلوگیري از محو شدگی سیگنالهاي آشکار شده است. به صورت کلی، براي افزایش دقت همیشه سعی میشود که نور در آشکارساز داراي یک پلاریزاسیون باشد .از آنجا که استفاده از قطبشگرهاي خارج از فیبر همیشه اتلاف زیادي را در سیستم هاي فیبري در بر دارد، تلاش بر این بوده است تا این المان اپتیکی به نحوي بر روي فیبر نوري ایجاد شود
در اینجا با استفاده از اثر پلاسمون سطحی روي یک فیلم فلزي، که بر روي سطح جانبی فیبر لایه نشانی میشود، قسمتی از انرژي منتشر شده در فیبر به صورت پلاسمون سطحی بر روي فیلم فلزي تزویج میشود. بدین منظور میبایست به مد میرا شونده در داخل فیبر دسترسی پیدا کرد. این کار از طریق سایش سطح جانبی فیبر و نزدیک شدن به ناحیه مغزي فیبر صورت میگیرد.
این تکنیک امروزه در ساختار بسیاري از المانهاي اپتیکی تک-مد، تزویجگرهاي جهتی فیبري، پلاریزورها، مدولاتورها، سوئیچها، تقویت کنندها و فیلترها مورد استفاده قرار میگیرد.در پیادهسازي سایش جانبی فاصله سطح سایش خورده از مغزي فیبر پارامتري است که باید تحت کنترل باشد. این ناحیه از فیبر مانند یک تیغه موجبر عمل میکند که از دو طرف به فیبر کوپل شده است.
پلاسمون سطحی یک موج الکترومغناطیسی است که در طول سطح مشترك دو ماده که یکی ثابت ديالکتریک منفی دارد منتشر میشود. این امواج که ناشی از نوسان الکترونها هستند در سطوحی که الکترونهاي آزاد وجود داشته باشد منتشر میشوند. هنگامی که یک میدان الکتریکی خارجی به سطح مشترك یک ديالکتریک و یک فلز اعمال شود، در الکترونهاي آزاد سطح فلز پلاسما ایجاد میشود. ثابت انتشار این موج پلاسمایی به ثابت ديالکتریک و رسانندگی فلز بستگی دارد.
-2 اصول نظري
براي بررسی انتشار امواج پلاسمونیک سطحی، سطح یک فلز و یک ديالکتریک را مطابق شکل 1 در نظر میگریم. در این شکل ناحیه I فلز - - Re[I - - ] 0 و ناحیه II ديالکتریک بدون جذب ذاتی - II - - حقیقی و مثبت - در نظر گرفته شده است.
شکل :1 سطح تماس فلز و ديالکتریک
در واقع امواج پلاسمونیک سطحی امواجی هستند که در امتداد صفحه تماس فلز- ديالکتریک منتشر میشوند و در جهت عمود بر آن به صورت نمایی افت میکنند.با کمک معادلات ماکسول می توان امواج با قطبش S و 1P را بررسی کرد. با توجه به شکل، می توان نشان داد که قطبش P با مولفه هاي Ex ، Ez و H y و قطبش S با مولفههاي H x ، Hz و Ey به طور کامل مشخص میشوند
به دنبال امواجی هستیم که در سطح تماس فلز- ديالکتریک محدود شدهاند، بنابراین در قطبش P که j=1,2 شاخص محیط و A دامنه موج میباشد
بنابر بحث ارایه شده، سطح تماس فلز و ديالکتریک نسبت به قطبش S و P متفاوت است. از این خاصیت میتوان در ساخت ادوات مختلف نوري استفاده کرد.
-3 محاسبات عددي
براي بررسی مدهاي واقعی منتشر شده در فیبر کنار-ساییده لازم است معادلات ماکسول با توجه به شرایط مرزي و شکل هندسی حل شوند. این معادلات در حالت TM درون فیبر عبارتند از:
در معادلات فوق جهت انتشار نور در جهت z فرض شده است. معادلات - 6 - و - 8 - مربوط به ديالکتریک و - 7 - و - 9 - مربوط به محیط فلز است. این معادلات و شرایط مرزي را فقط در حالتهاي ساده میتوان به صورت تحلیلی حل کرد. در اکثر موارد مورد نیاز، لازم است معادلات به صورت عددي حل شوند.
روشهاي عددي زیادي وجود دارد. در اینجا از روش - Finite elemnt method - FEM براي حل معادلات استفاده میشود. معادلات - 6 - و - 7 - براي دو فیبر کنار ساییده مختلف حل شدهاند و مدهاي پایه حاصل در شکل 2 آمده است. بخش موهومی ضریب شکست موثر هر مد نشانگر میزان افت است. در شکل 3 و 4، بخش حقیقی و موهومی ضریب شکست موثر مد بر حسب طول ساییدگی آمده است. همانطور که مشخص است، با افزایش میزان ساییدگی، افت مدها به طور کلی بیشتر میشود.
شکل :2 توزیع توان مدهاي TM پایه در دو فیبر کنار-ساییده. الف - ساییدگی به اندازه 2 میکرون ب - ساییدگی 15 میکرون. پیکان ها میدان الکتریکی را نشان میدهد. چگالی انرزي در ناحیه سطح فلز-دي-الکتریک بیشتر است.
شکل :3 بخش موهومی ضریب شکست موثر بر حسب طول ساییدگی.
