بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله، مقسم های توان نوری بلورهای فوتونی دو بعدی 1× 2 ، 1× 4 و 1× 8 با ساختار T بررسی و طراحی شده اند. در ساختارهای ارائه شده، ابتدا برای هر مقسم یک ساختار مشابه حرف T در بلور فوتونی ایجاد شده است. پایه T ایجاد شده در هر ساختار، بعنوان موجبر ورودی عمل کرده و پرتو ورودی از آنجا وارد ساختار می شود. سپس پرتو وارد شده به ساختار، برای تقسیم شدن به پرتوهای خروجی، به پورت های خروجی در مقسم های مذکور هدایت می شود. در مقسم های ارائه شده، شاخه های بالا و پایین، کاملامشابه هم بوده و در آنها تقارن ساختاری کاملاً حفظ شده است.
با دقت در طراحی مقسم ها تا حدودی بر مشکلات تلفات خمیدگی زاویه 90˚ ، فائق آمده و بازده قابل قبول با حدقل تلفات بدست آمده است. این ساختارها میتوانند در شبکههای فیبر نوری پیشرفته و مالتی پلکسر و دمالتی پلکسر های نوری مورد استفاده قرار گیرند. همچنین مدلسازی نوری ساختار های پیشنهادی، با شبیه سازی روش اختلاف محدود در حوزه زمان - FDTD - بررسی گردیده است.
مقدمه
بلور های فوتونی دسته جدیدی از محیط های نوری هستند که وجه مشخصه ی آنها ساختارهای طبیعی یا مصنوعی هستند، که ضریب شکست آنها به صورت متناوب تغییر می کنند.[ 1] ساختارهای بلور فوتونی برای تعداد زیادی از کاربردهای نوری مناسب هستند. زیرا خواص خطی و غیر خطی مخصوص به خود را دارند و ضریب دی الکتریک آنها بطور پریودیک در سراسر طول موج تغییر می کند.
این خواص از ویژه گی های با ارزش این مواد به شمار می روند.[ 2] همچنین بلورهای فوتونی توانایی کنترل مسیر پراکندگی نور، برای مهیا کردن قطعات نوری کاملا فشرده و مدارات مجتمع نوری را درند. در واقع آنها طراحی شده اند که حرکت فوتون ها را تحت تاثیر قرار دهند. با استفاده از این خواص تکلونوژی ساختن افزارههای بسیار فشرده از قبیل مقسم های توان نوری امکان پذیرمی شود [ 3] تا .[ 4 ]
شناخت خواص بلورهای فوتونی، یک راه خوب برای درک، مقسم های توان نوری تلقی می شود.[ 2] همچنین مقسم های توان نوری مولفه ای ضروری، برای مدارات مجتمع به حساب می آیند از این رو، این دو فرآیند مورد تحقیق و بررسی تعداد کثیری از محققان، در سراسر جهان قرار گرفته است.[ 6-5] مقسم ها در زمینه فشردهسازی و بهینه سازی نور، نقش کلیدی در ارتباط با بلوکهای ساختاری مختلف در تراشههای یکپارچه نوری ایفا می کنند. بنابراین بررسی انواع مقسم های توان بلورهای فوتونی، و رسیدن به مقسم هایی با تلفات کمتر و بازده بیشتر، از اهمیت خاصی برخوردار است[ 6] تا .[ 9 ]
با تمام ویژه گی×های ذکر شده در بالا، عملکرد مقسم های توان بلورهای های فوتونی بدون تنظیم ساختاری، با یک ساختار پیوند شاخه ای Y, T انتقال ضعیفی دارد، که ناشی از حالت عدم تطابق پیوند - Y,T تلفات خمیدگی90˚ ، 60˚ ، . - 120˚می باشد. پس باید برای پیشبرد اهداف، تنظیماتی دقیق روی ساختارهای آنها انجام داد، تا تلفات را به حدقل رساند.
روش های مختلفی برای رسیدن به مقسم های توان، داخل ساختار بلورهای فوتونی وجود دارد، از قبیل استفاده از میله خطی، موجبرهای بلور نوری، موجبرهای بلورهای نوری محفظه ای تزویج شده و تزویج جهت دار موجبر - با استفاده از دو موجبر موازی - و فیلترهای نوری و شبکه های مکعبی و غیره، که مقسم ها بر این اساس طراحی می شوند[ 1] و .[ 7] در میان این روشها، روش های ساده ولی قابل اطمینان برای طراحی مقسم های جدید هنوز هم ارزشمنداند.
با ادغام ایده ها می توان مدارات مجتمع بسیار فشرده را ایجاد کرد تا بتوان هر چه بیشتر بر مشکلات غلبه کرد و به مداراتی با بازده و بهره وری بالا و تلفات کم دست یافت[ 1] و [2 ] و [10]در این مقاله، مقسم های توان نوری بلورهای فوتونی دو بعدی 1× 2 ، 1× 4 و 1× 8 با ساختار T، متشکل از میله های دی الکتریک، روی ساختارهای شبکه ای مربعه ای که به وسیله هوا احاطه شده اند، ارائه گردیده است. بافت دو بعدی مقسم های توان نوری با ساختارT که به طور متقارن و دقیق طراحی شده اند، باعث می شوند تا توانهای ورودی به موجبر به شکل کاملا برابر به پورت های خروجی هدایت و تقسیم شوند.
با افزایش پیوند شاخه ای T در مقسم ها، توان خروجی مقسم ها نیز کاهش می یابد. این موضوع نشان دهنده تقسیم توان ورودی به صورت برابر ما بین پورت های خروجی و افزایش تلفات به دلیل افزایش پیوند شاخه ای - T عدم تطبیق مد و اتلاف خمش در ساختارهای فوق که مشکل ساختارهای T× ،Y محسوب می شود - می باشد. در این تحقیق برای طراحی و شبیهسازی مقسم های توان نوری طراحی شده، از روش اختلاف محدود در حوزه زمان - FDTD - استفاده شده است.
بررسی ساختاری˓ مقسم های بلورهای فوتونی دو بعدی
از آنجایی که بسیاری از ادوات نوری بر اساس بلورهای فوتونی ارائه می شوند. لذا نیاز به تحقیق و بررسی از خصوصیات بلورهای فوتونی همواره مورد توجه محققان و گروه های تحقیق بوده است. بطور کلی طراحی مقسم های توان مبتنی بر بلورهای فوتونی دو بعدی، که در این مقاله ساختارها بر اساس آن ایجاد شده اند، به دو روش زیر انجام شده است.
الف- بدست آوردن باند ممنوعه بلور فوتونیکی
ب- بررسی رفتاری امواج نوری داخل ساختارهای طراحی شده بر مبنای باند ممنوعه بلور فوتونیکی بدست آمده برای بدست آوردن باند ممنوعه فوتونیکی بلورهای فوتونی، با استفاده از تولباکس BandSolve روش بسط امواج مسطح - PWE - رایج است. همچنین در بررسی رفتار امواج نوری درون ساختاری نیز از تولباکس FULL WAVE و از روش اختلاف محدود در حوزه زمان - FDTD - استفاده می شود. لازم به یادآوری است که در حال حاضر نیازی به حل دستی معادلات فوق برای بدست آوردن باند ممنوعه فوتونیکی و امواج نوری داخل ساختار نیست و با استفاده از نرم افزارهای شبیه سازی - مانند - RSoft، ساختار باند فوتونیکی و شبیه سازی های لازمه برای امواج نوری درون ساختار به سادگی قابل محاسبه و استخراج می باشد.
طراحی و شبیه سازی
برای طراحی مقسم های توان نوری، از بلورهای متشکل از میله های دیالکتریک استفاده شده است. مشخصات ساختاری مقسم ها مشابه ساختار بکار رفته برای طراحی موجبر میباشد. لذا ساختار باند و محدوده باند ممنوعه برای تمامی مقسم ها برابر است. برای ایجاد موجبر نوری از یک بلور پایه 20×11 که متشکل از میله های دیالکتریک در بستر هوا است، استفاده شده است.
