بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش طراحی و سپس ساخت فیلتر اپتیکی نوار گذر جهت ایجاد طول موج مرکزی 1550nm با روش لایه نشانی تبخیر حرارتی در خلاء بر روی زیر لایه از جنس شیشه ، گزارش شده است. برای ساخت این فیلتر از دو ماده کادمیوم تلوراید - با ضریب شکست اپتیکی - 2/916 و هگزافلوروآلومینات سدیم با نام علمی کرایولیت - با ضریب شکست اپتیکی - 1/350 استفاده شد.
ساختار بلوری توسط پراش اشعه ایکس بررسی و مشخص گردید که در ساختار بلوری ایجاد شده بیشترین شدت پراش مربوط به زاویه 2Θ برابر با 23/8 درجه بوده و جهتگیری ارجح بلوری ایجاد شده در راستای صفحه [111] می باشد. سپس طیف عبوری فیلتر مورد بررسی قرار گرفت. میزان عبور در طول موج مورد نظر در حدود %95 اندازهگیری شده است.
مقدمه
فیلتر نوارگذر فیلتری است که نوار تراگسیل آن درگستره محدودی از طول موج باشد و این نوار از دوطرف با ناحیههای طرد - ناحیه بازتاب بالا - محدود شود.یکی از روشهای پرکاربرد ساخت فیلترهای نوارگذرباریک، بکار بردن فیلتر فابری پرو1 لایه نازک است.این فیلتر به دو گونه فلز-دی الکتریک و تمام دی-الکتریک دسته بندی میشوند. در بسیاری از کاربردهای مخابراتی، به منظور کاهش اثر تلفات در تارهای نوری، ناحیهی فروسرخ انتخاب میشود. در این ناحیه نیز به طور معمول، از طول موج 1550nm استفاده میشود که کمترین تلفات را دارد.
پارامترهای مهم در مشخصه طیفی یک فیلتر نوری لایه نازک، تعداد لایهها، ضخامت لایهها، و ضرایب شکست آنها میباشند.
همچنین نوع پلاریزاسیون، زاویه تابش نور تابیده، ضرایب شکست محیط و زیرلایه، و نیز ضرایب جذب مواد به کار رفته، در مشخصه فیلتر تأثیر میگذارند. چون بیشتر موادی که در ساخت فیلترهای نوری لایه نازک به کار میروند تلفات کمی دارند و ضخامت لایههای ساخته شده از آنها نیز کم است، معمولاً از ضریب جذب این فیلترها صرفنظر میشود. بنابراین، مسأله طراحی فیلتر در واقع تعیین تعداد لایهها، ضخامت آنها، و نوع موادی است که باید به کار برده شوند تا منحنی مشخصه مورد نظر به دست آید. روشهای مختلفی برای طراحی فیلترهای نوری لایه نازک مورد استفاده قرار گرفته است.
یکی از این روشها استفاده از ساختارهای کلاسیک، نظیر پشته2 لایههای ربع طول موج که از مواد با ضریب شکست کم و زیاد تشکیل شده است، میباشد. با استفاده از این ساختارها میتوان فیلترهای خاصی را به دست آورد. اما، طراحی فیلتری با منحنی مشخصه طیفی دلخواه، مسأله پیچیده- تری است. حل این مسأله معمولاً نیاز به محاسباتِ عددی مفصلی دارد. معهذا، با پیشرفتهای حاصل شده در کامپیوترهای موجود، انجام محاسبات فوق کاملاً عملی میباشد
در صورتیکه در یک فیلتر فابری پرو، سطوح بازتابنده فلزی با آیینههای دیالکتریک ربع طول موجی چندلایهای و لایه فاصل نیز با یک لایه دیالکتریک با ضخامت اپتیکی نصف طول موج جایگزین گردد، یک فیلتر نوارگذر باریک تمام دیالکتریک به دست میآید. شکل 1 این ساختار را نشان میدهد.
شکل:1 ساختار یک فیلتر فابری پرو با بازتابندههای تمام دیالکتریک[3]
برای لایه وسط دو انتخاب وجود دارد: لایهای با ضریب شکست پایین یا لایهای با ضریب شکست بالا. شکل 2 آرایش این دو انتخاب را به ترتیب نشان میدهد. در این شکل لایه نیم طول-موجی با دو لایه ربع طولموجی در دو طرف آن نشان داده شده است. در این حالت فیلتر را میتوان ترکیبی از دو پشته و یک لایه فاصل دانست.
شکل2 :آرایش لایههای دو نوع فیلتر فابری پرو با بازتابندههای تمام دی-الکتریک
طراحی و ساخت فیلتر نوارگذر باریک در ناحیه فروسرخ
در بسیاری از کاربردهای مخابراتی، به منظور کاهش اثر تلفات در تارهای نوری، ناحیهی فروسرخ انتخاب میشود. در این ناحیه نیز به طور معمول، از طول موج 1550nm استفاده میشود که کمترین تلفات را دارد. با توجه به کاربرد ذکر شده، بررسی طراحی و ساخت یک فیلتر نوار گذر نوار باریک در این طول موج صورت پذیرفت.
فیلترهای متعدد با مواد مختلف، نحوه چیدمان و ضخامتهای گوناگون طراحی و ساخته شد. با بررسی فیلترهای متعدد ساخته شده با مواد مختلف و به روش لایه نشانی به روش تبخیر فیزیکی و شرایط و امکانات موجود، مناسبترین مواد برای ساخت این فیلتر دوماده کادمیوم تلوراید به عنوان دیالکتریک با ضریب شکست بالا nH=2/916 و کرایولیت - هگزافلوروآلومینات سدیم - به عنوان دیالکتریک با ضریب شکست پایین nL=1/35 مورد استفاده قرار گرفت.
جدول:1 مشخصات مواد تبخیری Cryolite و CdTe
در جدول1 مشخصات مواد برای ساخت فیلتر مشخص گردیده است. برای طراحی علاوه بر انتخاب نوع ماده پارامترهایی دیگری همچون تعداد لایهها و تاثیر آن بر خروجی فیلتر نیز مورد بررسی قرار گرفت که بهینه ترین فیلتر ممکن طراحی گردید.
در این راستا فیلترهایی با چیدمان یکسان ولی تعداد لایههای مختلف طراحی و با روش فوق ساخته شد. پس از بررسی های بعمل آمده مشخص گردید با افزایش تعداد لایه ها نیمپهنای موج خروجی کاهش می یابد ولی در عمل اگر تعداد لایهها از حدود بیست هزار انگستروم بیشتر شود، سطح نمونه ها دچار تنش سطحی شده و پوسته پوسته می شود. لذا بهینه ترین حالت فیلتری با چیدمان یازده لایه براساس ضخامت های جدول2 میباشد.
جدول :2 مشخصات فیزیکی فیلتر نوارگذر طراحی شده با طول موج مرکزی 1550 nm با 11 لایه روی بستر شیشه ای
در شکل3 طراحی چیدمان لایه های مشخص شده در جدول2 توسط نرم افزار OpenFilters که براساس الگوی ژنتیک نوشته شده نشانداده شدهاست.همچنین در جدول3 مشخصات طیفی فیلتر طراحی شده تعیین شده است.
با توجه به طراحی فیلتر بهینه ، ساخت عملی آن با استفاده از دو ماده کرایولیت و کادمیوم تلوراید با روش تبخیر حرارتی در خلاء با خلاء کاری در حدود 10-6 mbarصورت پذیرفت.
جدول :3 مشخصات طیفی فیلتر نوارگذر طراحی شده
به منظور اطمینان از شکلگیری ساختار بلوری نمونه ساخته شده، نمونه توسط اندازهگیری پراش اشعه ایکس - XRD - مورد بررسی قرار گرفت - شکل. - 4 نتایج اندازهگیری نشاندهنده شکلگیری ساختار مواد لایه نشانی شده و نشاندهنده بیشترین شدت پراش در زاویه 2 برابر با 23/8 درجه بوده و ساختار بلور در راستای ارجح صفحه [111] می باشد. همچنین ساختار بلور کادمیوم تلوراید بصورت مکعبی با ثابت شبکه a=b=c=6/481 آنگستروم و ساختار بلور کرایولیت بصورت منوکلنیک و با ثابتهای شبکه a=7/769، b= 5/593 ، c= 5/404 آنگستروم شکل گرفته است.
