بخشی از مقاله
خلاصه
در این مقاله یک ایزولاتور تمام نوری با تزریق سیال نوری غیرخطی در ساختار بلور فوتونی خطی طراحی و شبیه سازی شده است. بلور فوتونی متشکل از حفرههای هوا با آرایه شبکه شش ضلعی در ماده سیلیکون خطی است که سیال غیرخطی با ضرایب شکست متفاوت در مکانهای متفاوت در آن تزریق شده است. برای ایجاد گذردهی نامتقارن - ایزولاتور نوری - به کمک ساختارهای غیرخطی میبایست تقارن ساختار شکسته شود. این امر در ساختار بلور فوتونی کریستالی طراحی شده برای اولین بار با تزریق سیال غیرخطی در حفرههای هوا که دارای مسیر موجبری نامتقارن مکانی است ایجاد شد.
غیر خطیت این سیال ها از نوع غیر خطیت کر است. نتایج نشان داد که با استفاده از این ساختارغیرفعال ساده که قابلیت مجتمع سازی را در مدارهای مجتمع نوری دارد، میتوان به اختلاف نرخ گذردهی بسیار مطلوب برابر با 27/92 dB در طول موج پنجره C مخابرات نوری یعنی 1550/38 nm دستیافت. از مزیتهای این ساختار غیرفعال مجتمع این است که میزان انتقال نور در مسیر برگشت در طول موج مذکور برابر با -12/58dB است که برای ساختارهای غیرفعال مقدار بسیار خوبی است.
.1مقدمه
طراحی افزارههای نوری1 با قابلیت مجتمع شدن از چالشهای اساسی برای توسعه صنعت مخابرات نوری و مدارات مجتمع نوری2 است. ایزولاتور نوری یک افزاره با انتشار گذردهی نامتقارن3 تعریف میشود که طراحی و ساخت آن بر اساس ساختارهای ساده تمام نوری با قابلیت مجتمع سازی میتواند مسیر روشنی برای دست یافتن به مدارهای پرسرعت را رقم بزند. مفهوم گذردهی نامتقارن یا به تعبیر دیگر وارون ناپذیری4، انتشار یک طرفه نور در یک ساختار مشخص است.
تا به امروز برای تحقق انتشار یک طرفه نور روشهای متفاوتی پیشنهاد شده است که میتوان به استفاده از روش مگنتو-اپتیک - اثر فارادی2] - 5،[1 به عنوان یک روش بنیادین و قدیمی اشاره کرد. این روش اگرچه منجر به اختلاف گذردهی بالا میشود، اما ساختارهای موجود بر اساس این روش ساختارهایی بسیار بزرگ هستند که قابلیت مجتمع شدن را ندارند.
همچنین وجود میدان مغناطیسی قوی موجب میشود که عملکرد افزارههای مجاور دیگر هم تحت تاثیر قرار گیرند و باعث اختلال شود 3]،.[4 روشهای دیگری همچون استفاده از مواد غیرخطی 6]،[5 استفاده از اثرات اپتو-اکوستیک[7] 1 و استفاده از دیسک-های فعال [8] را میتوان دیگر راههای طراحی ساختارهای با گذردهی نامتقارن نام برد که پیچیدگی این ساختارها، خود چالش آفرین بوده و هزینه ساخت را بالا می برد. اساس استفاده از روشهای غیرخطی برای تحقق ایزولاتور نوری شکستن تقارن مکانی است، که یکی از ساختارهای پیشنهادی برای شکستن تقارن مکانی استفاده از ساختار بلورهای فوتونی2 است.
ساختارهای متفاوت بر اساس ساختار بلور فوتونی پیشنهاد شده است 10]،[9 که مشکلات این ساختارها، استفاده از نقصهای پیچیده و وابستگی زیاد به کوچکترین تغییر در ساختار میباشد که اطمینان پذیری به ساختار را کاهش میدهد. از ساختارهای دیگری که برای شکستن تقارن ارائه شدند میتوان ساختارهای ناهمگون3 بلور فوتونی که دارای فصل مشترک هستند [11 -13] و یا از چیدمان نامتقارن میلهها [14]، را نام برد که هنوز چالش مجتمع سازی این افزارهها به طور کامل از بین نرفته است.
همچنین این ساختارها اگرچه دارای انتقال وارون ناپذیر هستند اما بعضی از آنها مشخصه نور عبوری را تغییر میدهند. به عنوان مثال مد نور تابیده شده با مد نور خروجی متفاوت است .[12] اخیرا طراحیهای دیگری در بستر بلورفوتونی با استفاده از کاواک5 های با حجم مود کم و اثر غیر خطیت [15 ] انجام شده که در مقایسه با طراحی پیشنهادی در این پژوهش، دارای اختلاف نرخ گذردهی کمتر هستند.
در این تحقیق با استفاده از یک ساختار ساده بلورفوتونی با شبکه شش ضلعی4 حفرههای هوا در بستر سیلیکون و به کمک تزریق دو سیال 5 غیرخطی در حفرههای انتخابی، ایزولاتوری تمام نوری طراحی کردیم. این ایزولاتور اختلاف نرخ گذردهی مطلوبی برابر با 27/92dB دارد که اگرچه در مقایسه با مقاله مرجع [10] اختلاف نرخ گذردهی به میزان تقریبا 7 dB کمتر شده است، اما علاوه بر طراحی و قابلیت ساخت بسیار ساده، نرخ گذردهی بهتری نیز دارد. همچنین این ساختار در پنجره C تعریف شده در مخابرات نوری 1530 - nm - 1570 - ، که دارای تلفات کمتری است، عمل میکند.
نکته جالب که در نتایج مشاهده شد، ایجاد پدیده تشدید فانو[ 16] 6 در محل طول موج تشدید است. این پدیده موجب شد یک گذردهی نامتقارن7 به دلیل تداخلهای سازنده و غیرسازنده ناشی از عبور موج از مسیرهای متفاوت حول طول موج تشدید شده، مشاهده شود.در شبیه سازی این تحقیق، برای یافتن مدهای قابل انتشار در ساختار از روش بسط موج تخت8 و برای محاسبه میزان گذردهی و انتشار از روش تفاضل محدود در حوزه فرکانس9 استفاده شده است.
.2طراحی ساختار و روشها
ساختار بلور فوتونی با شبکه شش ضلعی از حفرههای هوا در بستری از جنس سیلیکون خطی را در نظر بگیرید که ضریب شکست موثر سیلیکون برابر2/89، ثابت شبکه و شعاع حفرهها برای این ساختار به ترتیب برابر با a = 420nm و r =0/3 a است. برای ایجاد یک مسیر موجبری تعدادی از حفرهها از مرکز ساختار کامل شش ضلعی بلور فوتونی شرح داده شده، برداشته شده است تا نور اجازه انتشار در مسیرهای رفت و برگشت برای فرکانسهای محدوده باند توقف10 را داشته باشد.
برای ایجاد خاصیت ایزولاتوری، تزریق سیال های غیرخطی در حفرههای انتخابی صورت گرفته که مانند نقص1 غیرخطی عمل میکنند. این نکته لازم بر تاکید است که علاوه بر ضرورت عدم تقارن مکانی ساختار، غیرخطیت نیز لازمه ایجاد انتقال نامتقارن است. بدین منظور از اثر خاصیت غیرخطی کر در سیالهای نوری بهره گرفته شد که ضریب شکست سیالها تابعی از شدت نور میشود و از رابطهn= n0 + n2 |I|× بدست میآید; که در آن ×n0 ضریب شکست اولیه بستر، ×n2ضریب غیرخطی کر و×I شدت نور گذرنده از ساختار است. . ضریب غیر خطی کر برای این سیالها برابر 2×10-11 esu است.
شکل -1 ساختار ایزولاتور نوری با دو درگاه راست و چپ در بستر بلورفوتونی سیلیکونی متشکل از حفرههای هوا با شبکه شش ضلعی با ثابت شبکه a =420nm و شعاع . r =0/3a دایرههای سبز و دایرههای نارنجی به ترتیب از سیال غیرخطی با ضریب شکست 1/95 و 1/75 پرشدهاند. شکل1 ساختار ایزولاتور نوری مورد نظر ما را نشان میدهد. این ساختار متشکل از دو درگاه چپ و راست است که در مرکز ساختار با حذف حفرههای هوا که موجبر ساختار را شکل میدهند طراحی شده است. در مسیر موجبر دو کاواک از چپ به راست با قرار دادن چند حفره ایجاد می کنیم. که کاواک اولی با حذف یک حفره و کاواک دوم با حذف دو حفره، به ترتیب ایجاد گردید.
حال با تزریق سیال غیرخطی به حفرههای اطراف مطابق شکل با ضرایب شکست 1/95 و 1/75 که به ترتیب با رنگهای سبز و نارنجی نشان داده شده است ساختار را در مسیر رفت و برگشت به صورت نامتقارن طراحی میکنیم. این امر همانطور که در بخش نتایج خواهیم دید سبب می شود که به دلیل عدم تشابه مسیر رفت با برگشت به خاطر خاصیت غیرخطی کر رفتار گذردهی نامتقارن ایجاد گردد. شکل 2 منحنی پاشندگی را برای ساختار بلور فوتونی شکل 1، درحالت× - الف - شبکه کامل ×و - ب - با حضور نقص خطی، برای موج الکترومغناطیسی با قطبیدگی الکتریکی عرضی - TE - 1 نشان میدهد،که با استفاده از روش PWE شبیه سازی شده است.
