بخشی از مقاله
چکیده:
دراین مقاله با استفاده از روش FDTD انتشار امواج الکترومغناطیسی درون موجبر بلور فوتونی با شبکه مربعی مورد مطالعه قرار گرفته است. سپس از روش بسط موج تخت، ساختار باندی بلور فوتونی دوبعدی محاسبه و نقص خطی ارائه میشود. نتایج شبیهسازی عددی نشان میدهند برای ساختار بلور فوتونی پیشنهادی شامل میلههای دیالکتریک دایروی شکل از جنس سیلیکون به شعاع 0.1m و ثابت شبکه 0.62 ʽm، باند توقفی - شکاف باند - در محدوده طول موج 1.93m-1.34 mحاصل خواهد شد که این محدوده، باندهای E، S، C، L و U را پوشش میدهد. سپس با حذف میلهها در چهار بخش از ساختار، یک اسپلیتر تمام نوری چهارکاناله طراحی میشود.
نتایج شبیهسازی عددی مبتنی بر روش FDTD نشان می دهند با ورود منبع نوری با طول موجی در محدوده شکاف باند بیانشده به مسیر اصلی، و انتقال از طریق هر یک از کانالها، توان هر یک از خروجیها با یکدیگر برابر و معادل 22 درصد توان ورودی هستند و 12 درصد دیگر به صورت توان نشتی در ساختار تلف میشود. با توجه به قرار گرفتن طول موج 1/55 میکرومتر در باند توقف یعنی باند مخابراتی C، میتوان از این افزاره به منظور تقسیم کننده توان ورودی با نسبت یکسان هنگام انتقال سیگنال های مخابراتی استفاده نمود.
.1 مقدمه
بلورهای فوتونی - Photonic Crystal - ساختارهای دیالکتریک با تغییرهای متناوب ضریبشکست در مقیاس طول موج نور هستند. درسالهای اخیر بلورهای فوتونی به خاطر خواص منحصربهفردشان در کنترل انتشار نور در مقیاس طول موج، مورد توجه بسیاری از محققان قرار گرفتهاند. در این میان موجبر بلور فوتونی که از ایجاد یک نقص خطی در بلور فوتونی بهدست میآید، از اهمیت زیادی در مدارهای مجتمع فوتونی برخوردار است
بیشتر تحقیقها و تلاشها برای طراحی ادوات تمامنوری شامل سوئیچها [2]، گیتهای منطقی [3]، مالتیپلکسرها [4] ، بافرها [2]، اسپلیترها [5] و نظایر آن، بر پایه کنترل نور به کمک شکاف فوتونی حاصل در ساختار موردنظر است .[9-6] این ادوات عموما مزایای فراوانی از جمله کاهش قابلتوجه اندازه افزاره در مقایسه با همتاهای متداولشان دارند. همچنین ساختارهای بلور فوتونی در مقایسه با فیبر نوری دارای قابلیت طراحی خمهای تیز با تلفات بسیارکم هستند.
تقسیمکنندههای توان نوری یکی از بلوکهای ساختاری کلیدی در سیستمهای نوری هستند که به صورت ایدهآل باید توان ورودی را مساوی و بدون بازتاب، یا بدون تلفات تابشی قابلتوجه تقسیم کنند و از نظر اندازه کوچک باشند. روشهای مختلفی برای تقسیم یکسان توان سیگنال ورودی به دو درگاه یا بیشتر وجود دارد. برای مثال استفاده از تزویجکنندههای موجبر بلور فوتونی کسکود چندمودی یا ساختارهای اتصال- Y .[10]
در حال حاضر توجه زیادی به طراحی و ساخت ادوات موجبر به منظور سوئیچ و مدولاسیون مدارهای یکپارچه نوری میشود. چنین ادواتی عموما پهنایباند وسیع و مصرف توان کمی دارند و برای تزویج به فیبر نوری مناسب هستند. با رشد قابلملاحظه شبکههای مخابراتی نوری، تقسیمکنندههای Y Junction یکی از عناصر اساسی بسیاری از سیستمهای ارتباطی فیبر نوری هستند که توسط آنها سیگنالهای منابع مجزا قابل ترکیب است و یا میتوان، توان دریافتی را به چندین کانال تقسیم کرد.
تقسیمکنندههای توان نوری عنصری ضروری در مدارهای یکپارچه نوری هستند که در شبکه فیبر نوری بهکار میروند. یکی از سادهترین تقسیمکنندههای توان، ساختار Y Junction است. این ساختار از تقاطع سه موجبر بلورفوتونی با زاویه 120 درجه نسبت به هم ایجاد میشود. اما در حالت تکمود آن مشکلاتی چون تلفات زیاد و محدودیت زاویه خمش وجود دارد که برای کاهش این مشکلات استفاده از آرایه میلههای دیالکتریک در هوا پیشنهاد شده است که مزیت آن ایجاد موجبر ساده و با حذف یک ردیف از میلههاست و قابلیت انتشار نور در خمهای تیز با هدایت بهنسبت بالا را دارد
در این مقاله، یک بلور فوتونی دوبعدی شامل تعداد زیادی از میلههای دیالکتریک با ساختاری مربعی ارائه میشود و با استفاده از روش بسط موج تخت که یک روش مناسب برای بهدست آوردن ساختارهای باندی است، شکاف باند ساختار ارائهشده محاسبه خواهد شد. سپس با ایجاد نقصهای خطی شامل حذف ردیفهایی از میلههای دیالکتریک در راستای гx، یک موجبر تمام-نوری طراحی میشود. در ادامه نشان داده میشود به جای حذف کامل یک ردیف از میلههای دیالکتریک تنها با حذف تعدادی از میلهها در چند جهت، میتوان یک اسپلیتر توان تمامنوری چهار کاناله طراحی نمود طوریکه پرتوهای نور با ورود به مسیر اصلی موجبر، از چهار کانال خروجی با توان بهنسبت یکسانی خارج شوند.
شکل .1 بلور فوتونی دوبعدی با ساختار مربعی
.2 مدل بلورفوتونی دوبعدی با ساختار مربعی
ساختار بلور فوتونی در هر ضلع 14 m است. برای یافتن محدوده فرکانسی قابل انتشار در ساختار بلور فوتونی با استفاده از روش بسط موج تخت - PWE - ، شکاف باند فوتونی ساختار ارائهشده محاسبه شده است. شکاف باند فوتونی یا باند ممنوعه انتشار، بازهای از فرکانس است که مودها در آن میرا شده و منتشر نمیشوند.
شکست گروه میشود. همچنین درصدی از توان ناشی از پراکندگی پرتوها در ساختار تلف خواهد شد که ناچیز است و با توجه به کاربرد موجبری این ساختارها، از آنها استفاده خواهد شد.
.3 تقسیمساز - اسپلیتر - توان چهارکاناله تمام نوری
یکی از کاربردهای بسیار مهم بلورهای فوتونی که هدف این مقاله است، استفاده از آنها به عنوان تقسیمساز توان است. حذف میلههای دیالکتریک، باعث ایجاد مودهای مجاز انرژی درون نقص میشود. هدف این بخش، ایجاد چندین نقص خطی دیگر با حذف میلههای دی-الکتریک، به منظور طراحی یک تقسیمساز توان چهارکاناله تمام نوری است
شکل .2 ساختار باندی بلور فوتونی؛ نواحی هاشورزده در محدوده 0.46 0.32 a شکاف باند فوتونی ساختار را نشان میدهند
ساختار بلور فوتونی ارائه شده در شکل 1 در نرمافزار Rsoft طراحی شده است. سپس با استفاده از ماژول BandSOLVE این نرم افزار، به شبیهسازی عددی به منظور محاسبه ساختار باندی بر اساس روش PWE پرداخته شده است که شکل 2 نتایج این شبیهسازی را نشان میدهد. همانطور که این شکل نشان میدهد در محدوده فرکانسی 0.46 0.32 a یعنی بخش هاشورزده، امکان انتشار منبع نوری در هیچ جهتی درون ساختار وجود ندارد.
با توجه به مقدار ثابت شبکه ساختار برابر با 0.62 m ، محدوده طول موج باند توقف برابر با 1.34 m 1.93m خواهدشد. این محدوده، باندهای E، S، C، L و U را مطابق جدول 1 پوشش می دهد. باند C از اهمیت ویژهای برخوردار است، زیرا طول موج 1/55 میکرومتر در این باند قرار دارد و فیبرهای نوری در این طول موج دارای کمترین تلفات هستند و سیگنالهای ارسالی با مدوله شدن توسط این طول موج، از سمت فرستنده به سمت گیرنده ارسال خواهند شد. این بدین معناست که برای طول موج منبع ورودی در باندهای بیان شده در هیچ جهتی از ساختار انتشار نخواهیم داشت. حضور میلههای دیالکتریک در ساختار منجر به کاهش سرعت نور ناشی از افزایش ضریب
شکل .3 انتشار منبع نوری با طول موج 1/55 میکرومتر - باند توقف -
هنگامی که منبع نوری وارد ردیف متمایز بلور فوتونی - نقص - میشود، از اطراف با شبکه بلور فوتونی روبهروشده و اگر طول موج آن در شکاف باند - گاف فوتونی - قرار گرفته باشد - به عنوان مثال طول موج 1/55 میکرومتر در شکاف باند فوتونی قرار دارد و انتشار آن مطابق شکل 3 است - ، تنها مسیر مجاز حرکت آن همین ردیف خواهد بود و انتشار موج بهسادگی صورت میگیرد. پس از اینکه این منبع نوری به خم اولیه ساختار رسید به دو بخش یکسان تفکیک میشود. سپس با عبور از هر یک از این خمهای 45 درجه به خمهای دوم در دو طرف ساختار بلور فوتونی خواهد رسید و مجددا توان منبع نوری تقسیم میشود.
