بخشی از مقاله
چکیده -
با بهکارگیری رهیافت تزریق سال نوری در حفرههای منتخب بلور فوتونی ومهندسی پاشندگی در ناحیه نور کند,یک مدولاتور تمام نوری بسیار کوتاه و کممصرف از نوع ماخ-زندر تعبیه شده در بلور فوتونی - PhC-MZM - طراحی کردهایم. بهکار گیری موجبرهای بدون پاشندگی در بازوهای این ماخ-زندر آثارغیر خطی درون موج برها را چنان افزایش داده است, که امکان طراحی یک PhC-MZM 22 میکرومتری را که آستانه ورودی 11 mW/ P سوییچ میکند را میسر ساخته است.
-1 مقدمه
در سالهای اخیر علاقه روزافزونی به ساختارهای نور کند در بلور فوتونی دیده میشود.[1] از این ساختارها معمولا برای طراحی ساختارهای تمام نوری بسیار کوچک یا به طور کلی افزایش آثار غیرخطی استفاده میشود.[1- 4] به بیان دیگر می توان گفت از آنجاییکه آثار غیرخطی ناشی از برهمکنش نور و ماد ه است، با کندشدن سرعت نور مدت زمان این برهمکنش طولانیتر شده و درنتیجه آثار غیرخطی افزایش مییابد. بنابراین هرچه سرعت عبور نور در محیط کاهش یابد, آثار غیرخطی با توان ورودی کمتر و در طول مسیر کوتاهتر بروز میکند.
شرط لازم برای سوییچ کردن یک افزارهی نوری ایجاد تغییر طول مسیر نوری برابر با نصف طول موج - δL=λ/2 - یا جابجایی در فاز برابر با ϕ=π است. بنابراین اندازهی لازم برای تغییر در ضریب شکست در مسیری بهطول L برابر با δn=λ/2L است. این اندازه معادل تغییری در فرکانس مد اصلی داخل گاف فوتونی برابر با δω - k - /ω=−σ - δn/n - ایجاد میکند.
در این رابطه k عدد موج و σ بیانگر بخشی از انرژی ذخیره شده در مد اصلی نسبت به کل انرژی درفضایی است که تغییرات δn در آن ایجاد شدهاست. با توجه به این روابط هرچه سرعت گروه - vG=dω/dk - کوچکتر باشد جابهجایی در فاز ناشی از تغییر ضریب شکست نیز بیشتر خواهد بود. بنابراین برای ایجاد جابهجایی مورد نیاز در فاز برای سوییچ کردن باید رابطه زیر برقرار باشد:
با توجه به رابطه - 1 - میتوان گفت که طول افزاره با سرعت گروه رابطه خطی دارد. بنابراین، سوییچ کردن در طولهای کوتاه و با توان آستانه ورودی پایین میسر میشود 5]و.[3 از طرفی نور کند همیشه همراه با پاشندگی - - GVD زیاد همراه است که باعث خرابی پالس میشود.[5] برای غلبه بر این معزل باید از ساختارهای نور کندی استفاده کرد که در آنها مهندسی پاشندگی انجام شده باشد. موجبرهای نور کند متعددی برای این منظور معرفی شدهاند .[6-7] دراین مقاله برای مهندسی پاشندگی در ناحیه نور کند از رهیافت تزریق تزریق سیال نوری در حفرههای منتخب بلور فوتونی [8] بهره گرفتهایم. یکی از کاربردهای موجبرهای نور کند با پاشندگی مهندسی شده,به منظور تشدید آثار غیرخطی, د که از آن می توان بهدر طراحی مدولاتورهی تمام نوری ماخ-زندر است
شکل:1 نمایی از موجبر W09 که در دو ردیف نزدیک موجبر سیال نوری تزریق شدهاست
سیال نوری حوزهی جدیدی است که با تلفیق فوتونیک و سیالهها تنظیم پذیریخواص نوری ساختارهای فوتونی را میسر کرده است . امکان تزریق سیال نوری در شبکههای بلور فوتونی حفرهدار تنظیمپذیری خواص نوری اینگونه بلورها را ممکن ساخته است .[10] توسعهی فناوریهای نوین در راستای تزریق سیال نوری امکان تغییر الگو و یا جابهجایی سیال در حفرههای منتخب بلور فوتونی را فراهم و طراحیمدارهای نوری با قابلیت ساختاربندی دوباره را ممکن ساختهاست . از طرف دیگر بهدلیل بزرگ بودن n/n ناشی از تغییرات غیرخطی در سیالهای نوری نسبت به مواد نوری دیگر - حدود100 برابر - نیز این سیالها را برای بهکارگیری در ساختارهای نورغیرخطی گزینهای مناسب میسازد
دراین مقاله، شبیهسازی سوییچ نوری با استفاده از روش موج تخت - - PWE و - FDTD - در یک شبکه بلور فوتونی انجام شدهاست . ثابت شبکه ملثیa=420 nm وشعاع حفرههای هوای برابر با 3aر.r= در نظر گرفته شدهاست.
-2 مهندسی پاشندگی در موجبر بلور فوتونی
در ساختار معرفی شده در[8] از موجبرهای W09 که عرض آنها برابر با 9ر. عرض موجبر معمولی است استفاده شدهاست. در این ساختار که در شکل 1 نشان داده شدهاست دو ردیف دوطرف موجبر با ضرایب شکست بین
شکل:2 نمودار ضریب گروه - - ng و پاشندگی - - GVD برای مد اصلی موجبر W09 به طوریکه در دو ردیف اطراف موجبر سیال با ضرایب شکست 1/75، 1/85 و 1/95 تزریق شدهاست.
1/75≤nf≤1/95 تزریق شدهاست. در شکل 2 مقادیر ضریب گروه - ng - و پاشندگی - - GVD برای سه مقدار نمونه 1/85 ،nf=1/75 و 1/95 نشان داده شدهاست. لازم به ذکر است که معیار ارزیابی ساختارهای نورکند حاصلضرب ng BW است. به این معنا که باید ضریب شکستی را انتخاب کرد که در کنار ng بالا پهنای باند کاری زیادی را نیز در اختیار قرار دهد.
-3 طراحی مدولاتور
در این بخش هدف ما بهرهگیری از ساختر نورکند با پاشندگی مهندسی شده است که در بخش قبل توضیح دادهشد. در اینجا از این ساختار برای طراحی یک MZM با ابعاد بسیار کوچک استفاده میشود. از آنجاییکه جابهجایی فاز مورد نیاز برای سوییچ کردن در بازوهای ماخ-زندر ایجاد می شود در ابتدا باید مقادیر لازم برای ایجاد این جابهجایی فاز را بدست آورد. بنابراین در طراحی این مدولاتور طول بازوها و ضریب شکستی که برای ایجاد ناحیه نور کند استفاده می شوند نقش اساسی دارند. همانطور که در بخش قبل نیز اشاره شد با توجه به مرجع[8] ضریب شکستی که بیشترین مقدار ng× BW را در اختیار ما قرار می دهد nf=1/85 است. بدلیل آثار غیرخطی بالای سیالهای نوری با بهره گیری از این مواد می توان به طول بازوی کوتاهتر، توان ورودی کمتر و تلفات توان پایینتری دست یافت. دو مزیت اول بدلیل بالا بودن آثار غیرخطی سیال نوری و بیشتر شدن آن با استفاده از ساختار نور کند بدست میآید درحالیکه مزیت آخر نتیجه مهندسی کردن پاشندگی در این ساختار است. شکل 3 نمایی ازیک MZM را نشان می دهد. در این شکل برای طراحی ماخ-زندر از موجبرهای W09 در بازوها استفاده شدهاست به طوریکه در دو ردیف اطراف این موجبرها سیالی به طور انتخابی تزریق شدهاست. در اینجا ضریب شکل سیال برای بازوی پایین nfL=1/85 و با ضریب غیرخطی بالا[8]و برای دیگر بخشها nfU=1/95 و با ضریب غیرخطی قابل صرف نظر در نظر گرفته شدهاست.
شکل:3 نمایی از سوییچ ماخ-زندر. تمامی موجبرها در این ساختار W09 هستند. بازوی پایین با ضریب شکست 1/85 و دیگر قسمتها با ضریب شکست 1/95 پر شدهاست.
بنابراین بازوی پایین نقش ایجاد جابهجایی فاز مورد نیاز برای سوییچ را بازی میکند. با توجه به موارد گفته شده جابهجایی فازی که در یک بازو با طول L اجاد میشود از رابطه زیر بدست می آید.
k و kʹ در اینجا اعداد موج نرمالیزه شده مد اصلی بازوی پایین به ترتیب در دو رژیم خطی و غیرخطی هستند. برای محاسبه کوچکتریتن طول لازم برای ایجاد جابهجایی فازی برابر با ϕ=π باید این اعداد موج را در موجبر W09 که در دو ردیف نزدیک آن ضریب شکست nf=1/85 تزریق شدهاست را بدست آورد. شکل 4 نمودار اعداد فرکانس نرمالیزه شده مد اصلی موجبر را در حضور و غیاب اثر غیرخطی بر حسب عدد موج به ترتیب با خط نقطه چین و تیره نشان می دهد. برای بدست آوردن این نمودار از روش PWE استفاده شد هاست
