بخشی از مقاله
چکیده : روشی جدید برای طراحی و شبیه سازی یک افزاره نوری با گذردهی نامتقارن بر پایه بلور فوتونی غیرخطی از جنس سیلیکان ارائه میشود. یکی از روشهای رایج برای ایجاد گذردهی نامتقارن نوری شکستن تقارن ساختار است. بدین منظور از یک موجبر بلورفوتونی، که در مسیرهای رفت و برگشت با یک کاواک جانبی به طور نامتقارن جفت شده، استفاده میشود.
جفت شدگی نامتقارن همراه با اثر غیر خطی کر در ساختار امکان ایجاد دو طیف عبور رفت و برگشت با اختلاف 46 db را میسر میسازد. این افزاره با استفاده از یک ساختار بلور فوتونی دو بعدی با شبکه شش ضلعی و ثابت شبکهی a= 447 nm متشکل از حفرههای هوابه شعاع r=130 nm دربستر سیلیکان طراحی میشود. قطبش موج ورودی از نوع TE فرض شده است.
-1مقدمه:
امروزه برای طراحی و ساخت کاواکها و موجبرهای نوری به منظور تشدید و کنترل انتشار امواج نوری از طریق ایجاد نقصهای نقطهای و خطی در تیغههای بلور فوتونی استفاده می شود .[1] دیودهای تمام نوری یا ایزولاتورهای نوری یکی از قطعههای مهم در اغلب مدارها مجتمع نوری و اتصالها اپتیکی اند. درواقع نقش آن ها در مدارهای مجتمع نوری دوگان نقش دیودهای الکترونیکی در مدارهای الکترونیکی استاخیراً طراحیهای مختلفی برای دیودهای تمام نوری ارائه شده است.
بلورفوتونی غیرخطی دوبعدی شامل میکروکاواکها با ساختار غیرمتقارن [3 ,2] ، ساختارهایی برای بهره بردن از برهمکنش صوت ونور، بلورهای فوتونی مغناطیسی با تقارن پایین [4]، استفاده از مادههای جاذب نامتقارن و غیرخطی به عنوان لایه جاذب[5]، استفاده از پلاسمونهای سطحی تنظیم پذیر و ساختارهای متقارن و غیرخطی [7 ,6] PT از جمله این طرحها هستند. هر یک از این ساختارها مزایا و معایب خاص خود را دارند. البته اکثر این ساختارها با یک چالش مهم روبرو هستند و آن عدم پایداری در ابعاد خیلی کوچک است. از طرف دیگر در بعضی از ساختارهای دیگر مشخصات سیگنال ورودی و خروجی یکسان نیست.
به عنوان مثال مشخصه فرکانس در حین عبور از ساختار دست خوش تغییر میشود. همچنین مسئله جذب - تلفات - و بازتابش مستقیم در بعضی از این ساختارها دارای اثر بسیار مخرب روی عملکرد ساختاراست. به طوری که موجب شده است تا شدت سیگنال خروجی به شدت ضعیف شود و بی فایده باشد. در این مقاله قصد داریم دیودهای تمام نوری برپایه بلور فوتونی را مطالعه کنیم.
عبوردهی نامتقارن درون ساختار فقط با تغییر سیگنال ورودی بدون هیچ دخالت دیگری بدست میآید. برای شبیه سازی ساختار مورد نظر از الگوریتم غیرخطی تفاضل متناهی در حوزه زمان استفاده میکنیم. در این طراحی پارامترهای مهم عملکرد دیودهای نوری نظیر عبوردهی بیشینه و کمینه ، اختلاف عبوردهی مستقیم و برگشت و آستانه توان بهینه میشود.
-2 ساختار پیشنهادی و نحوه عملکرد آن
شکل - 1الف - شمای سادهای از یک افزاره نوری با گذردهی نامتقارن را نمایش میدهد. این افزاره شامل یک موجبر، یک عنصر سدکننده و یک کاواک که از پهلو به موجبر کوپل شده است میباشد. شکل - 1ب - نمای ازبالای این ایزولاتور را که در یک تیغه بلور فوتونی به ضخامت h = 250 nm و با ثابت شبکه a=447 nm و حفرههای هوا با شعاع r=130 nm تعبیه شدهاست نمایش میدهد.
موجبر از یک نقص خطی به پهنای w=a تشکیل شدهاست. کاواکی که از پهلو به موجبر بلور فوتونی جفت شده با تعبیه یک نقص نقطهای - حذف حفره - و تغییر شعاع دو حفره مجاور آن - زرد رنگ - تشکیل شدهاست. شعاع این دو حفره و کاواک سد کننده برابر rd= 150 nm است. فاصله کاواک سد کننده از مرکز موجبر به سمت پورت 1 برابر با 5 nmرl=670 است.
اساس عملکرد ساختار استفاده ازیک کاواک برای بالا بردن فعل و انفعالات بین نور و ماده غیرخطی به علاوه شکستن تقارن فضایی ساختار و همچنین تولید رزونانس فانو برای دستیابی به ساختار عبوردهنده یکطرفه نور است که از ویژگی¬های این ساختار مصرف توان بسیار پایین و قابلیت تنظیم پذیری طول موج است. همانطور که ذکر شد در ساختار دیود نوری جهت بهبود عملکرد غیر خطی از رزونانس فانو بهره گرفته شده است. رزونانس فانو در سیستمهای کلاسیکی همانند سیستمهای مکانیک کوانتومی ،از تداخل بین دو مسیر که یک مسیر شامل یک رزونانس گسسته و مسیر دیگر یک مسیر پیوسته است ظاهر میشود.
شکل2 - الف - مد فرد و - ب - مود زوج کاواک، - ج - ساختار نوار موجبر بلور فوتونی. خط سبز و قرمز نمایانگر مد های اول و دوم موجبر درون گاف فوتونی ساختار شکل - 1ب - اند. خط زرد رنگ خط نوری ساختار را نشان میدهد که تعیین کنندهی طول موج حد پایین برای عدد موج است. خطوط نقطه چین آبی و زرد به ترتیب مدهای فرد و زوج کاواک را نشان میدهد.
مسیر پیوسته برای تولید رزونانس فانو از یک حفره در مسیر موجبر استفاده شده است که با تغییر شعاع این حفره که المان عبوردهنده جزئی نیز نامیده میشود میتوان طیف موج فانو را برای بدست آوردن مشخصات مطلوب تغییر داد. چون که اساس کار ساختار در اینجا اندرکنش غیرخطی موج درون کاواک است و هرچقدر این اندرکنش در حالت بایاس رفت و برگشت با هم تفاوت بیشتری داشته باشد عملکرد افزاره نوری برای عبور نامتقارن نور در دو جهت رفت و برگشت بهینهتر است چون که مقدار شیفت طیف رزونانسی در دو حالت رفت و برگشت با هم اختلاف بیشتری پیدا میکند.
-4 نتایج شبیه سازی
همانطور که در شکل - 2الف - و - ب - مشاهده میکنید کاواک طراحی شده در ساختار دارای دو مد زوج و فرد در فرکانسهای متفاوت بوده که ما از مد فرد کاواک به علت داشتن ضریب کیفیت بزرگتر - Q= 0/∆ =21920 - و همچنین طول موج کاری - طول موج رزونانس کاواک نزدیک به 1/55 میکرومتر است - استفاده میکنیم.
