بخشی از مقاله
چکیده –
در این مقاله طراحی و شبیه سازي حسگر دما و تنش بر پایه استفاده از کوپلر جهتدار کوك پذیر گزارش می شود. کلیه مراحل شبیه سازي با استفاده از نرم افزار OptiBPM صورت گرفته است. کوپلر جهتدار از دو موجبر موازي با مقطع مربعی تشکیل شده است. در اثر اعمال گرما یا نیرو ، ضریب تزویج میان دو موجبر تشکیل دهنده کوپلر تغییر و در نتیجه شدت نور در شاخه هاي خروجی کوپلر جهتدار دچار تغییر می شود. نتایج حاصل از شبیه سازي در غالب نمودارهاي حساسیت و توان خروجی براي حسگرها ارائه شده است.
-1 مقدمه
کوپلر جهتدار به عنوان یکی از المانهاي اصلی در مدارهاي مجتمع نوري از اهمیت بالایی برخوردار است. این وسیله از دو موجبر موازي تشکیل شده که فاصله میان آنها با ماده اي با ضریب شکست مناسب و یا هوا پر شده است. زمانی که دو موجبر به حد کافی به هم نزدیک شوند، مدهاي منتشر شونده در هرکدام از موجبرها در فاصله میان دو موجبر با هم تداخل می کنند که به واسطه کوپل میدان میرا شونده، انرژي میان دو موجبر منتقل می گردد
امروزه کوپلرهاي جهتدار کاربردهاي فراوانی دارند که از آن جمله می توان به تقسیم کننده توان، تقسیم کننده قطبش، حسگر پارامترهاي فیزیکی و سویچهاي اپتیکی اشاره کرد
-2 تئوري
استفاده از تئوري مدهاي مزدوج روش رایج براي بررسی تزویج میان مدهاي موجبرها است. [3]~[6] براي بدست آوردن معادلات مدهاي مزدوج براي کوپلر جهتدار کار را با معادله هلمهولتز شروع می کنیم
که در آن E تبدیل فوریه میدان الکتریکی نسبت به زمان است. همچنین n ضریب شکست در تمام نقاط صفحه x-y به جز قسمت هاي اشغال شده با هسته موجبر است. فرض می کنیم که حل تقریبی معادله - 1 - به صورت زیر می باشد:
دامنه هاي A1, A2 به دلیل تزویج انرژي میان موجبرها متغیر می باشد که پس از حل معادله - 1 - براي حالتی که میدان وارد شده به پورت ورودي پیوسته باشد داریم :
و مقدار توان خروجی در طول L براي هرکدام از موجبرها به صورت زیر است :
-3 شبیه سازي حسگرها
در این قسمت نتایج شبیه سازي حسگرها ارائه می گردد.
تمام قسمت هاي شبیه سازي با ماژول
Metod - BPM - نرم افزار Optiwave انجام گردیده. در این شبیه سازي پارامترهاي موثر بر ضریب تزویج کوپلر مورد توجه اند و پارامترهاي موثر بر اتلاف کوپلر بررسی نشده اند.
از آنجا که این شبیه سازي پایه کار عملی است که در آزمایشگاه در حال انجام است ، تمام پارامترهایی چون ضریب شکست ها و اندازه ها بر مبناي امکانات آزمایشگاه تعریف شده.
-1-3 شبیه سازي حسگر دما :
اساس کار حسگر دما به این صورت است که در اثر افزایش دما، ضریب شکست غلاف موجبر که از جنس پلی کربنات - n 1.535@ λ 1.5μm - و داراي پارامتر dTdn −1.2 *10−4 Κ−1 @T 70oC است [9] کاهش می
یابد. این امر سبب کاهش ضریب تزویج میان دو موجبر و در نتیجه تغییر شدت نور در خروجی هاي کوپلر می گردد
پارامترها حسگر مورد نظر مطابق شکل زیر است :
با توجه به نمودار بالا تنها در قسمت هایی که تغییرات خروجی داراي رفتار کاهشی یا افزایشی است حسگر قابلیت اندازه گیري دارد. لازم به ذکر است که افزایش دما موجب کاهش ضریب شکست و در نتیجه کاهش ضریب تزویج می شود. در نمودار زیر توان نسبی خروجی بر حسب دما با فرض دماي اولیه 25 Co را براي شاخه - 3 - براي بازه اي که در نمودار با مشخص شده می بینید:
شکل : - 1 - شماتیک حسگر دما
لازم به ذکر است که مقطع موجبرها مربعی بوده و داراي ضخامت و پهناي 8 - W - میکرون هستند.
با فرض افزایش 100 درجه اي دما و کاهش ضریب شکست غلاف به 1,523 ،با توجه به رابطه - 9 - و تعریف Lc ، نمودار تغییرات توان در خروجی شاخه 3 کوپلر - حساسیت - بر حسب طول کوپلینگ - L - و ضریب تزویج - - κ است به شکل زیر بدست می آید :
شکل : - 2 - منحنی حساسیت توان خروجی از شاخه 3 به تغییرات طول و ضریب تزویج براي حسگر دما که در زیر نمودار بالا براي طول ثابت L=10000μm که برابر طول حسگر طراحی شده است می بینید:
شکل : - 4 - منحنی توان نسبی خروجی بر حسب دما براي حسگر دما
-2-3 شبیه سازي حسگر تنش:
اساس کار این حسگر به این صورت است که در اثر اعمال نیرو به زیرلایه که از جنس پلی اتیلن [9] - n=1.530 - انتخاب شده، فاصله میان دو موجبر - g - کاهش می یابدکه در نتیجه آن ضریب تزویج میان دو موجبر افزایش و شدت نور در خروجی هاي کوپلر عوض می شود.
در شکل زیر به صورت شماتیک حسگر تنش نمایش داده شده:
شکل : - 5 - شماتیک حسگر تنش
شکل : - 3 - منحنی حساسیت توان خروجی از شاخه 3 بر حسب تغییرات ضریب تزویج براي حسگر دما در طول ثابت 1 mm
دلیل انتخاب غلاف مایع براي موجبر عدم تاثیرپذیري ضریب شکست آن از تنش هاي ناشی از اعمال نیرو می باشد.
