بخشی از مقاله
چکیده
بلورهای فوتونی یک پیشرفت فوق العاده در تکلونوژی الکترونیک نوری به حساب می آیند، که توجه همگان را به خود معطوف ساخته اند. در این مقاله، مقسم کوک پذیر توان نوری با ساختار T، مبتنی بر بلور فوتونی دو بعدی 1×2 طراحی و شبیه سازی شده است. در مقسم مذکور، یک سلول با سطح مقطع مربع ای، در ابتداء هر شاخه از موجبر T، به عنوان تنظیم کننده توان ورودی به موجبر در نظر گرفته شده است. تنظیم کننده های مذکور بدون وابسته بودن به محیط اطراف قابلیت تنظیم، توان های ورودی به هر شاخه از موجبر را به میزان نیاز دارا می باشند.
نتایج شبیه سازی های انجام گرفته شده در روش اختلاف محدود در حوزه زمان - FDTD - ، نشان دهنده خروجی های قابل قبول، برای این مقسم در حالتهای مختلف می باشد. هدف از طراحی مقسم مذکور، عدم وابستگی به محیط اطراف و تسهیل در تنظیم نمودن توان ورودی به موجبرها می باشد. این طرح توانایی به کار گیری در کنترل کردن توانهای ورودی به هر شاخه از موجبر، در تمامی مقسمهای با ساختار T,Y را دارا می باشد. همچنین با دقت در طراحی این مقسم تا حدودی بر مشکلات خمیدگی فائق آمده و حدقل تلفات بدست آمده است.
مقدمه
تحقیق پردازش فوق سریع اطلاعات و محاسبات منطقی تمام نوری بر پایه ادوات فوتونی یکپارچه در مقیاس های میکرو - نانو متری یکی از اهداف توسعه فناوری فوتونی یک پارچه می باشد. مواد فوتونی میکرو ساختار، با داشتن توانایی مدولاسیون مدهای انتشاری فوتون ها، برای توسعه فناوری فوتونی یکپارچه بسیار اساسی می باشد. ظهور بلورهای فوتونی منجر به امیدواری بسیاری برای پیاده سازی اهداف صدرالاشاره شده است.[1]
بلورهای فوتونی مجموعه متناوبی از المانهای دی الکتریکی یا فلزی هستند که به علت مشخصات ساختاری شان، به ما اجازه کنترل عبور نور در گافهای فوتونی و نوارهای عبوری را می دهند.[2] بر اساس شکل هندسی، ساختار بلورهای فوتونی معمولا به سه دسته عمده بلورهای فوتونی یک بعدی، دو بعدی و سه بعدی تقسیم بندی می شوند.[3]
مدولاسیون متناوب ضریب دی الکتریک، برای بلورهای فوتونی دو بعدی در دو بعد اتفاق می افتد.[1] بلورهای فوتونی دو بعدی معمولا با ساختار شبکه مربعی یا هگزاگونال، و با سطح مقطع های دایره ای، مربعی، هگزاگون، که به صورت متناوب تکرار می شوند، نشان داده می شوند. همچنین بلورهای فوتونی دو بعدی به دو صورت میله های دی الکتریک احاطه شده در هوا، و سوراخ های هوا که در محیط دی الکتریک ایجاد شده اند، چیده می شوند. [4-5 ]
ساختارهای بلور های فوتونی به دلیل اینکه امکان هدایت و دستکاری نور را، در مقیاس میکرو- نانوا دارا می باشند، باعث تغییر و گسترش مدار مجتمع نوری شده اند. شناخت خواص بلورهای فوتونی، یک راه خوب برای درک، مقسم های توان نوری تلقی می شود. با استفاده از این خواص تکلونوژی ساختن افزارههای بسیار فشرده از قبیل مقسم های توان نوری امکان پذیرمی شود، مقسم ها اجزائی مهم برای طراحی مدارات فوتونی هستند. نیاز روز افزون به کنترل بیشتر نور ، محققان را بر آن می دارد، تحقیق هایشان را هر چه بیشتر، در زمینه کنترل نور در افزاره ها ی مختلف، از قبیل مقسم های توان نوری معطوف سازند. [6-7]
در سالهای گذشته مدلهای زیادی برای مقسمهای کوک پذیر، توان نوری پیشنهاد و طراحی شده اند. در برخی از این طرحها خروجی های قابل توجه ای از ورودی ها بدست آمده اند. تیئانچای و همکاران در سال - 2114 - ، یک مقسم توان نوری با ساختارY، مبتنی بر بلورهای فوتونی دو بعدی 1×2 ، که از تابش اشعه نانو به میله های کار گذاشته شده در موجبرهای مقسم، کار می کرد، را طراحی کرده اند. با انتخاب یک دمای مناسب، یک تغییر ضریب شکست و افزایش شعاع، در مقسم مورد نظر، آنها توانست اند، خروجی های مقسم را به درصد های 41-61 , 51-51 - و - 67-33 با طول موج µm 1557 برسانند..[8 ]
در این مقاله، مقسم کوک پذیر توان نوری با ساختار T، مبتنی بر بلور فوتونی دو بعدی 1×2 متشکل از میله های دی الکتریک، روی ساختارهای شبکه ای مربعه ای که به وسیله هوا احاطه شده اند، ارائه گردیده است. در مقسم مذکور، یک سلول با سطح مقطع مربع ای، در ابتداء هر شاخه از موجبر T، به عنوان تنظیم کننده توان ورودی به موجبر در نظر گرفته شده است.
تنظیم کننده های مذکور بدون وابسته بودن به محیط اطراف قابلیت تنظیم، توان های ورودی به هر شاخه از موجبر را به میزان نیاز دارا می باشند. همچنین بافت دو بعدی مقسم توان نوری با ساختارT که به طور متقارن و دقیق طراحی شده است، باعث می شود تا توانهای ورودی به موجبر در حالت نرمال به شکل کاملا برابر به پورت های خروجی هدایت و تقسیم شده و تلفات خمیدگی به حدقل برسد.[9] در این تحقیق برای طراحی و شبیهسازی مقسم های توان نوری طراحی شده، از روش اختلاف محدود در حوزه زمان - FDTD - استفاده شده است.
محاسبه ساختار باند در بلورهای فوتونی دو بعدی
وقتی انتشار نور در یک بلور فوتونی دو بعدی که شامل میله هایی در امتداد محورZ است بررسی می شود.با توجه به نوع قطبش، دو شکل مختلف معادله ماکسول کاهش یافته می تواند در نظر گرفته شود. اگر میدان برداری دارای مولفه ای عمود بر صفحه بلور فوتونی باشد، تابش را می توان به قطبش های TE وTM - به ترتیب H و - E تفکیک نمود.در تابش TE یا قطبش H، مولفه های , و غیر صفر هستند و معادلات ماکسول به فرم زیر ساده می شوند.
در معادلات فوق ॥ یک بردار دو بعدی در فضای مختصات است که در صفحه بلور فوتونی دو بعدی که در اینجا صفحه x-y می باشد، قرار ی گیرد. در این حالت به خاطر داریم که ثابت دی الکتریک در جهت Z مانند میدان الکترومغناطیسی تغییر نمی کند. در فرایند محاسبه ساختار باند ابتدا توابع موج را به صورت امواج بلاخ نمایش داده و آنها را بر روی بردارهای شبکه وارون بسط فوریه می دهیم. سپس بسط فوریه تابع دی الکتریک معکوس را هم به دست می آوریم. با جایگزینی این عبارت در معادله هلمهولتز فوق، معادلات ویژه مقدار، برای ضرایب بسط فوریه به صورت عبارت زیر بدست می آیند.[1]
