بخشی از مقاله
چکیده
برای شکاف نوری بین کانالهای خروجی روشهای متعددی وجود دارد، بسیاری از آنها بر اساس بلورهای فوتونی ارائه شده است در این مطالعه به بررسی شکافندههای نوری 1 × 2 اتصال Y، با استفاده از بلورهای فوتونی دوبعدی تیغهای پرداخته شده است، در طراحی با استفاده جستن از حفرههای اضافی و نقصها در خمشهای 60° و اتصال 120° میتواند پرتوهای نوری ورودی را نسبت به تحقیقات انجام شده قبلی بهصورت مساوی و با تلفات کمتر، بین دوشاخه در شاخههای خروجیها تقسیم کرد. مقدار توان انتقالی در هر شاخه خروجی برابر 49% میباشد.
حفرههای هوایی به کار گرفته شده در ساختار بین 40 nm تا 180 nm میباشد که با تغییر ناحیه مورد استفاده، تغییر میکنند. ساختار طراحی شده میتواند بهعنوان شکافنده تداخلسنجها - ویبرومتری - ، شبکههای فیبر نوری پیشرفته و مالتی پلکسر / دیمالتی پلکسرهای نوری مورد استفاده قرار گیرد. برای شبیهسازی ساختار طراحی شده، از روش اختلاف محدود در حوزه زمان - FDTD - استفاده شده است.
مقدمه
در دهههای اخیر مباحث الکترونیک نوری از جایگاه و اهمیت ویژهای برخوردار شده است و مطالعات و تحقیقات پژوهشگران در این زمینه رو به فزونی است. الکترونیک نوری به دلیل سرعت بالای انتقال، امنیت بالا، محدودهی کاری وسیع و ... در حوزهی نور، موجب توجه قرار گرفته است. یکی از مباحث مهم و کاربردی در الکترونیک نوری استفاده از بلورهای فوتونی میباشد.
بلورهای فوتونی دارای ساختار دیالکتریک با ضریب شکت نیم موج دورهای با شاخص مقیاس طولموج نور هستند .[1-2] آنها به گونهای طراحیشدهاند که حرکت فوتونها را تحت تأثیر قرار دهند. انتشار فوتونها داخل این ساختارها به طولموج آنها بستگی دارد. بلورهای فوتونی در اشکال و مدلهای مختلف، طراحی و ساخته شده است .[1] دلیل اهمیت بلورهای فوتونی ازآنجا ناشی میشود که در این ساختارها، ساختار باندی برای فوتون در بیش از یکجهت وجود دارد؛ این ساختار باندی از تناوب فضایی پراکندهسازیهای دیالکتریک که سازندهی بلورهای فوتونی است ناشی میشود .
[3-4] بلورهای فوتونی کلاس جدیدی از رسانههای نوری را تشکیل دادهاند که با توجه به عملکرد و تنوعشان، اهمیت ویژهای در تحقیقات علمی در مدارت مجتمع نوری پیداکرده است .[5] به طولموجهایی که اجازه انتشار پیدا میکنند، مد گفته میشود. مجموعهای از مدهای انتشار یافته تشکیل باند میدهند. باندهای غیرمجاز بلورهای فوتونیک را، باند گپ یا همان باند ممنوعهی نوری مینامند.
محققان با برنامههای کاربردی مهم و مختلف مثل کنترل انتشار نور، پخش امواج و به دام انداختن فوتونها باندهای ممنوعهی نوری را کشف کردند. خواص جالب توجه بلورهای فوتونی باعث شده تا ساختارهای پریودیک و شبه پریودیک ساخته شود که برای طراحی المانهای نوری مورد استفاده قرار میگیرد. یکی از کاربردهای بلورهای فوتونی که امروزه از اهمیت خاصی برخوردار است شکافندههای پرتوهای نوری میباشد. شکافنده پرتو نوری مؤلفههای ضروری در مدارات فتوالکتریک هستند و از مدلهای آنها میتوان به اتصال Y، اتصال T، اثر تداخل چندگانه و اثرات کوپلینگ جهتی اشاره کرد .[6-11]
از کاربردهای شکافندههای پرتو میتوان به استفاده در بخش شکافنده تداخلسنجها، شبکههای فیبر نوری و مالتی پلکسر/ دیمالتی پلکسر ها اشاره کرد. دو قسمت اصلی در ساختار شکافندههای پرتو، پورت ورودی و پورتهای خروجی است که بسته به نوع کاربرد و طراحی میتواند تعداد متفاوتی داشته باشد. شکافنده پرتو در حالت ایده آل، باید توان ورودی را بهصورت برابر در پورتهای خروجی بدون هیچ انعکاس و تلفات تابشی تقسیم کند.
در سالهای اخیر روشهایی برای شکافندههای پرتوهای نوری پیشنهاد و طراحی شده است. در برخی از طراحیها انتقال قابل توجه از کانال ورودی به کانالهای خروجیها به دست آمده است .[12] علاوه بر این مورد، تحقیقاتی برای شکافندههای نوری اتصال Y صورت گرفته است. با این وجود چالشهایی مانند - عدم تطبیق مد و اتلاف خمش - وجود دارد که برای کاربردهای عملی به آسانی قابل توجیه نیستند.
ما در این تحقیق برای مقابله با چالش مطرح شده، شکافندههای نوری مبتنی بر بلور فوتونی دوبعدی تیغهای را مورد بررسی قرار خواهیم داد که یکی از نویدبخشترین و جالبترین مباحث بلورهای فوتونی میباشد. آنها دارای تناوب دوبعدی - صفحهای - ، ارتفاع نامحدود و قابلیت مقایسه با طولموج نور را دارند. مزیت و علت توجه به بلورهای فوتونی تیغهای دوبعدی در مقایسه با بلورهای فوتونی سهبعدی، سادگی ساخت و ادغام آنها در سطح چیپ میباشد .[13] در تحقیقات قبلی، محققان برای شکافندههای پرتوهای نوری اتصال Y توانستهاند %94 از توان ورودی را به خروجی منتقل کنند، که طول دستگاه طراحی شده 21μ بوده است .[14] در طرحی دیگر، با افزودن میلههای شیشهای در خمش ها به توان انتقالی %84/2 دست یافتهاند .[15]
طراحی و شبیهسازی ساختار
برای شبیهسازی ساختار مورد نظر با جایگزینی تفاضلهای جزئی در معادلات ماکسول 1 تا 4 و با تفاوتهای محدود مرکزی، میدان الکترومغناطیسی در هر گام زمانی، توسط تکرار معادلهی جبری محاسبه میشود. با شبیهسازی FDTD انجام شده، میتوان اطلاعات کاملی دربارهی پخش موجهای الکترومغناطیسی در ساختارهای دیالکتریک با هندسه دلخواه را به دست آورد.
یک شبکهی اضافی ضروری برای به دست آوردن نتایج شبیهسازی و کاهش پراکندگی عددی لازم است. در مطالعات ما، اندازه شبکه d انتخاب شده، d < λ⁄20n میباشد و λ طولموج مینیمم طیف منبع و شاخص انکساری تیغهای است. این پیکربندی، همگرایی و دقت بالای محاسبات را تضمین میکند. فاکتور ثبات S به صورت S = dcΔt تعریف میشود؛ که c سرعت نور در خلأ و t گام زمانی میباشد. در شبیهسازی مقسم اتصال Y، برای ارضای شرط پایداری شبیهسازیهای FDTD سهبعدی، S بر روی 0/99 تنظیم شده است.
ساختار اتصال Y
ساختار شکافنده نوری اتصال Y، توسط تقاطع سه موجبر بلور فوتونی در 120° ایجاد شده است. کانالهای خروجی یک خمش 60° دارند که با کانال ورودی موازی میباشد .[16] به دلیل اتصال Y و خمش 60° عملکرد مد واحد ممکن است سبب ایجاد تلفات انتقال و انعکاس شود. برای غلبه بر این مشکلات اتصال و خمش باید به دقت طراحی شود.
در صورتی که تطابق مد بین موجبرهای ورودی و خروجی، خمش 60 و اتصال 120 در شکافنده نوری اتصال Y بر قرار نشود، تلفات زیادی را خواهیم داشت. برای غلبه بر تلفات انتقال، موجبر شاخههای ورودی، خروجی و محل اتصال موجبرها را با ایجاد نقصهایی طراحی کردهایم، سپس در ناحیه اتصال 120 با حذف سه حفره در هر دو طرف اتصال و جایگزینی پنج حفرهی مرزی با حفرههای بزرگتر در ساختار اصلاح کردیم.
