بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله طراحی جدیدی ازفیلتر کانال فرود نوری مبتنی بر تشدیدگر حلقوی بلورهای فوتونی دوبعدی شبکه مربعی ارائه شده است. میله های ساختار از جنس سیلیکون با ضریب شکستnsi=3/46 ومحیط اطراف میله ها هوا با ضریب شکست nair = 1 می باشد. ضریب پرشدگی برای این ساختار 0/17 انتخاب شده است. طیف انتقالی این فیلتر با استفاده از روش تفاضل محدود در حوزه زمان دوبعدی 2D-FDTD شبیه سازی شده است.
بازده فرود %100 و فاکتور کیفیت مناسب در طول موج 1607/5 nmاین فیلتر بدست آمده است. در این مقاله، پارامتر موثر بر روی طیف انتقالی و طول موج تشدیدکننده فیلتر، از جمله ضریب شکست کل میله ها، مورد بررسی قرار گرفته شده است. ساختار پیشنهادی کوچک و ابعاد کلی ساختار حدود 36 μm×12/36μm 12/که برای کاربرد در مدارات مجتمع نوری و سیستم های مخابرات نوری مناسب است.
-1 مقدمه
در طول صد سال اخیر، دانشمندان در تلاش بر کنترل خواص الکتریکی مواد بودند. پیشرفت در زمینه نیمه-هادیها، باعث سازماندهی خواص رسانایی مواد مشخصی شد که با انقلاب ترانزیستور در زمینه الکترونیک آغاز شد. در دهه اخیر، هدف بر روی کنترل خواص نوری مواد قرار گرفته است.
امروزه با پیشرفت مخابرات سرعت بالا، تقاضا برای انتقال و پردازش دادهها با سرعتهای بالاتر و تکنولوژی مجتمعسازی افزارهها استفاده از افزارههای تمامنوری در بیشتر زمینههای الکترونیک و مخابرات اجتناب ناپذیر شده است. با توجه به ضعفهای مدارهای مجتمع الکترونیک، مثل سرعت پردازش و انتقال دادهها، اندازه و افزایش فرکانس کاری، دانشمندان این حوزه علمی به فکر جایگزینی مدارات مجتمع نوری به جای مدارات مجتمع الکترونیکی هستند. در مدارهای مجتمع نوری از فوتون به عنوان حامل داده استفاده میشود. به دلایل مختلفی ترجیح میدهیم از مدارات مجتمع نوری به جای مدارات مجتمع الکترونی استفاده کنیم، این دلایل عبارتند از : سرعت پردازش و انتقال بالاتر دادهها، مدارات بسیار کوچکتر، بازه فرکانس کاری بسیار بالاتر و نویز پذیری بسیار کمتر دادهها و...
ایده مدارهای مجتمع نوری در اوایل دهه 1970 بوجود آمد که از نتایج موفق مدارهای مجتمع الکترونیکی الهام گرفته بود. مجتمعسازی میتواند موجب کاهش هزینه بستهبندی، افزایش بودجه توان، توسط کمکردن تلفات تزویج نوری و کاهش توان مصرفی شود. مدارهای مجتمع نوری شامل یکپارچگی انواع مختلفی از افزارهها هستند در حالیکه مدارهای الکترونیکی شامل پیوند چندین ترانزیستور شبیه هم است.
افزاره های الکترونیک نوری برای کاربرد ارتباطات نوری معمولا یک وظیفه خاص را فراهم میکنند مثلا منبع نور - لیزر - ، مولد سیگنال - مدولاتور - ، آشکارساز سیگنال - دیود نوری - و غیره. مدار مجتمع نوری بصورت یکپارچه چندین وظیفه را بر روی تراشه الکترونیک نوری یکسان مجتمعسازی میکند که میتواند منجر به مدار الکترونیک نوری پیچیده شود.[2] مدارهای مجتمع الکترونیک نوری نوید استفاده در شبکههای مخابرات نوری را بدلیل اندازه فشرده، هزینه کمتر، قابلیت اطمینان و مشخصات رفتاری خوبشان دادهاند.
ظرفیت بالای شبکههای نوری به فرستنده، گیرنده و خط ارتباطی بستگی دارد. در این میان شبکههای ارتباطی فیبر نوری به احتمال زیاد تنها راه حل برای پاسخ به این امر مهم خواهند بود. استفاده از فیبرهای نوری بهعنوان محیط ارتباطی، اساسا به توان بالقوه آنها در فراهم آوردن پهنایباند عظیم مربوط میشود. سه پنجره یا باند طول-موج برای طیف انتقال فیبرهای نوری را میتوان درنظر گرفت: پنجره اول - محدوده - 800a900nm که دهه 1970 و اوایل 1980 بعنوان پنجره مخابراتی استفاده میشد، پنجره دوم - با طولموج مرکزی - 1310nm در نیمهی دهه 1980 استفاده میشد و پنجره سوم - محدوده - 1510a1600nm که از اواخر دهه 1990 تا اکنون بعنوان محدوده کاری تمام سیستمهای جدید مخابراتی استفاده میشود. باند طولموج که توسط یک سیستم استفاده میشود
بطور خیلی مهم مشخصات آن سیستم نوری را تعریف میکند .[4] از این سه پنجره، میتوان دو پنجره را بهعنوان پنجرههایی کمهدر برای انتقال دادههای نوری در نظر گرفت: ناحیه اول با پهنایی حدود 200nm، با طولموج مرکزی 1300nm افتی در حدود 0/4 - dB/km - را فراهم میآورد. ناحیه دوم با پهنایی حدود 200nm، با طولموج مرکزی 1550nm کمترین میزان افت، در حد 0/26dB/km را ایجاد میکند. امروزه ناحیه دوم - پنجره سوم مخابراتی - بدلیل صفر بودن پاشیدگی فیبر - تک مد - بیشتر مورد استفاده قرار می-گیرد. همچنین تقویتکنندههای نوری برای کار در این ناحیه در دسترس هستند.[4] به پنجره دوم، باندs و به پنجره سوم باندc میگویند.
در سالهای اخیر، ساختارهای بلور فوتونی برای استفاده در سیستمهای مخابرات نوری و مدارهای مجتمع در ابعاد نانو بسیار مورد توجه قرار گرفتهاند. بلورهای فوتونی نانو ساختارهای متناوب متشکل از دو یا چند ماده با ثابت دی الکتریک مختلف هستند[5,6] که در نتیجه این تناوب دارای نوار باند ممنوعه ،جایی که انتقال نور در محدوه معینی از فرکانس ها مطلقا صفر است، می باشند
بسته به ساختار ، بلورهای فوتونی می توانند به سه دسته یک بعدی ، دو بعدی و سه بعدی تقسیم بندی شوند. بلورهای فوتونی دوبعدی با توجه به نوار باند ممنوعه کامل، سهولت در طراحی وساخت بیشترین توجه را نسبت به بلورهای فوتونی یک بعدی و سه بعدی به خود جلب کرده است .[8] در سال 1996 توماس کراوس - Thomas Krauss - اولین بلور فوتونی دوبعدی را برای طول موجهای نزدیک مادون قرمز ساخت .[9] این موضوع راه بلورهای فوتونی را برای ساخته شدن در مواد نیمه رسانا ، با اقتباس از روش استفاده شده در صنعت نیمه رساناها باز و هموار کرد.
با ظهور بلورهای فوتونی، تحول وسیعی در عرصه و ساخت قطعات نوری در ابعاد نانومتری ایجاد شد . از جمله ادوات نوری که در سال های اخیر بر پایه بلورهای فوتونی، ساخته شدهاند میتوان به به مالتی پلکسرها[10]، دی مالتی پلکسرها[11]، جداکنند های پرتو قطبش[12]،تریپلکسرها [13]، سوئیچ ها [ 14]، اتصال دهنده های جهتی[15]، فیلترهای میان گذر[16-18]، فیلترهای فرود و فزون نوری/فیلترهای کانال فرود[19-33] و غیره اشاره کرد.
استفاده از سامانههای مالتی پلکس تقسیم طول موج نوری - که گاهی به آنها سامانههای انتقال با چندین طول موج هم گفته میشود - دارای رشد بسیار سریعی است بنابر این تقاضا برای فیلترهای فرود/فزون باند باریک و بسیار فشرده را در این سامانهها افزایش داده است. با استفاده از یک فیلتر کانال فرود، میتوان یک کانال با پهنای خط بسیار باریک را انتخاب کرد، بدون اینکه اثری بر روی سایر کانالهای عبوری گذاشت. از فیلتر کانال فرود نیز برای افزودن یک کانال طولموج به جریان مالتیپلکس شده اطلاعات، بدون گذاشتن تاثیر بر روی سایر کانالهای عبوری، استفاده میشود. دو فیلتر فوق المانهای اساسی تحقق بخشهای مالتیپلکسر و دیمالتیپلکسر - - WDM به شمار میروند.
تشدیدگرهای حلقوی در مقایسه با نقص های خطی ونقطه ای ، به دلایلی چون مقیلس پذیری در اندازه ساختار و پارامترهای زیاد طراحی از جمله شعاع پرا کننده کننده ها ،فاصله میله ها و ضریب شکست ساختار ، انعطاف پذیری و سازگاری بهتری را در طراحی ساختار ارائه می دهند
تشدیدگرهای حلقوی بلور فوتونی متداول ترین ساختار برای طراحی فیلترهای کانال فرود هستند.تشدیدگرهای حلقوی همچنین می توانند برای تحقق بخشیدن سویچ های نوری ، سنسورهای نوری ،دی مالتی پلکسرها وغیره استفاده شوند
در سالهای اخیر فیلترهای کانال فرود و فیلترهای فرود -فزون نوری مبتنی بر تشدیدگرهای حلقوی بلور فوتونی - - PCRR ارائه شده است. اولین PCRR در ساختارهای بلور فوتونی در کاواک لیزر در شبکه ششگوش توسط کیم وهمکارانش معرفی شد. که طراحی مد انعطافپذیر و تزویج موثر در آن به بررسی پرداخته شد.[34] بعد از آن مشخصه طیفی PCRR تزویج شده به دو موجبر در شبکه مربعی در ساختار بلور فوتونی بررسی شد.[35] که یک PCRR شبه مربعی بعنوان یک افزاره انتخابگر فرکانس معرفی شد.[35 ]تاکنون چندین PCRR در ساختارهای بلور فوتونی نشان داده شدهاند37]،36،30،.[23 اخیرا دونوع ساختار متفاوت برای طراحی فیلترهای کانال فرود با استفاده از تشدید گرهای حلقوی توسط محمود وهمکارانش ارائه شده است
استفاده از موجبرهایی که به PCRRها تزویج شدهاند، ساختارهایی خیلی مفید برای پیادهسازی عملیات فیلترهای فرود-فزون نوری یا فیلترهای کانال فرود در مدارهای مجتمع فوتونی است. این ساختارها شامل یک PCRR هستند که به یک جفت موجبر کوپل شده است. به گونهای که در حالت تشدید، توان انتقالی در یک موجبر از طریق PCRR میتواند بطور کامل به موجبر دیگر منتقل شود.
دراین مقاله، طراحی جدیدی از فیلترکانال فرود نوری مبتنی بر تشدیدگرهای حلقوی بلور فوتونی ارائه شده است. محاسبات مربوطه با استفاده از روش های عددی مرسوم در بلورهای فوتونی دوبعدی بیان شده است. تشدیدگر حلقوی معرفی شده در این مطالعه می تواند به عنوان عنصر اساسی برای دیگر ادوات نوری نیز استفاده شود. در محاسبات ساختار باند از روش سریع وقدرتمند بسط امواج تخت - PWE - و برای طول موج های پاسخ تشدیدگر حلقوی از روش تفاضل محدود در حوزه زمان دوبعدی - 2D-FDTD - استفاده شده است.در بخش دوم مقاله حاضر محاسبات ساختار باند ، نحوه طراحی ساختار بیان شده است در بخش سوم نتایج شبیه سازی و همچنین اثرتغییر ضریب شکست میله ها ساختارومیله های داخلی تشدیدگرحلقوی بر روی طول موج خروجی و طیف انتقال از فیلتر آورده شده است ودر نهایت به عنوان آخرین بخش ، نتیجه گیری مقاله بیان شده است.
طراحی ساختار
از آنجاکه امروزه خواص نوری سیلیکون ونیز تکنولوژی ساخت ادوات مجتمع نوری بر پایه آن کاملاشناخته شده است ماده مورد استفاده در مقاله حاضر نیز سیلیکون انتخاب شده است. ساختار فیلتر کانال فرود نوری پیشنهادی ،از نوع بلور فوتونی دوبعدی با شبکه مربعی انتخاب شده است.میله های این ساختار از جنس سیلیکون با ضریب شکستnsi =3 /46و محیط اطراف آن از جنس هوا - با ضریب شکست - nair =1 انتخاب شده است همچنین تعداد میله ها در صفحه x-z برابر21× 21 انتخاب شده است. شعاع میله های ساختار r= 0/17 a ،که a ثابت شبکه - فاصله بین مرکز دو میله مجاور - می باشد. شکل 1، ساختار نواری فرکانسی بلور فوتونی که محاسبات آن با استفاده از روش بسط امواج تخت - - PWE وبرای مد قطبش TM انجام شده ، را نشان می دهد.
