بخشی از مقاله
چکیده -
فیلتر حذف و اضافه یکی از فیلترهایی است که از اهمیت ویژه ای برخوردار می باشد و برای سیستم های مالتی پلکس تقسیم طول موج کم تراکم در اضافه و یا حذف یک کانال از کانال های خروجی چندگانه بدون دخالت کانال های دیگر مورد استفاده قرار می گیرد. پارامترهای مهم این فیلتر راندمان کوپلاژ، راندمان حذف طول موج ، عرض باند عبور و ضریب کیفیت می باشد. در این مقاله، یک فیلتر حذف و اضافه مبتنی بر رزوناتور حلقوی فوتونیک کریستالی دایره ای در شبکه مربعی با اندازه ساختار 116/64 μm 2 ، طول موج 1492 nm و ثابت شبکه 540 nm طراحی شده است.
-1 مقدمه
سیستم شبکه های نوری به برخی از شبکه های محلی از طریق مالتی پلکس تقسیم طول موج کم تراکم مانند شبکه های شهری کلان - مترو - در دسترسی به مسافت های طولانی برای انتقال داده، نفوذ کرده است. به طور معمول، فیلتر حذف و اضافه 1 - ADF - یکی از فیلترهایی است که برای استفاده در سیستم های مالتی پلکس تقسیم طول موج کم تراکم 2 - CWDM - برای حذف یا اضافه کردن کانال با طول موج مورد نیاز بدون دخالت کانال های دیگر که همراه با آن ها دریافت می شود، مورد توجه اولیه قرار می گیرد.
کریستال های فوتونی دارای یک ویژگی منحصر به فرد نوری می باشند،که در آن حالت انتشار الکترومغناطیسی به دلیل انعکاس کاملا صفر است و به آن باند شکاف فوتونی 3 - PBG - می گویند. باند شکاف فوتونی طیف وسیعی از فرکانس ها می باشد که نور را جذب نمی کند و اجازه انتشار نور را نمی دهد . در سال های اخیر، بسیاری از کریستال های فوتونی مبتنی بر فیلترهای نوری به صورت تئوری و تجربی پیشنهاد شده اند. که چند نمونه از آن ها را نام میبریم: فیلترهای حذف و اضافه[1]، شکافنده های قدرت[3][2]، مالتی پلکسرها و دی مالتی پلکسرها[5][4]، سه فازها[6]، سوئیچ ها[7]، کوپلینگ های جهتی[8]، فیلترهای باند توقف[9]، فیلترهای باند عبور[10] و موجبر.
در این مقاله، فیلتر حذف و اضافه مبتنی بر رزوناتور حلقوی فوتونیک کریستالی 4 - PCRR - دایره ای طراحی و شبیه سازی شده است. در بخش دوم، نحوه عملکرد فیلتر حذف و اضافه مبتنی بر رزوناتور حلقوی نوری ارائه شده است. در بخش سوم، فیلتر حذف و اضافه مبتنی بر رزوناتور حلقوی فوتونیک کریستالی دایره ای طراحی شده و در بخش چهارم شبیه سازی آن صورت گرفته است. در بخش پنجم با نتایج ، مقاله به پایان می رسد.
-2 فیلتر حذف و اضافه مبتنی بر رزوناتورهای حلقوی نوری
یک رزوناتور حلقوی نوری بین دو موجبر نوری قرار گرفته است تا یک ساختار اساسی ایده آل برای یک فیلتر حذف و اضافه مبتنی بر رزوناتور حلقوی را ایجاد نماید. در این ساختار، یک موجبر گذرگاه می تواند به رزوناتور حلقوی در فرکانس رزونانس آن متصل شود تا انرژی الکترومغناطیسی که در موجبر منتشر می شود را در رزوناتور حلقوی به دام بیاندازد. به عبارت دیگر، نور از موجبر گذرگاه توسط رزوناتور حلقوی حذف شده و به پایین موجبر فرستاده می شود. شکل 1 ساختار شماتیک فیلتر حذف و اضافه مبتنی بر رزوناتور حلقوی نوری را نشان می دهد که شامل موجبر گذرگاه و موجبر حذف طول موج و حلقوی فوتونیک کریستالی دایره ای را نشان می دهد.
رزوناتور حلقوی - المان کوپلاژ - می باشد. همچنین دارای چهار پورت است، پورت های 1 و 2 پایانه های ورودی و انتقال هستند، در حالی که پورت های خروجی 3 و 4 به ترتیب پایانه های جلو و عقب گذرگاه حذف طول موج می باشند.
شکل :1 ساختار شماتیک فیلتر حذف و اضافه مبتنی بر رزوناتور حلقوی نوری.
عملکرد فیلتر توسط راندمان انتقال - راندمان کوپلاژ و راندمان حذف طول موج - بین دو موجبر تعیین می شود. راندمان کامل به انتقال کاملی از کانال انتخاب شده در جهت عقب و جلو در موجبر حذف طول موج مربوط می شود. بدون انتقال مستقیم یا بازتاب به عقب در موجبر گذرگاه تمام کانال های دیگر با حضور رساننده های نوری باقی می مانند.
-3 فیلتر حذف و اضافه مبتنی بر رزوناتور حلقوی فوتونیک کریستالی دایره ای
فیلتر حذف و اضافه مبتنی بر رزوناتور حلقوی فوتونیک کریستالی دایره ای با استفاده از کریستال های فوتونی دو بعدی توسط میله های دایره ای در شبکه مربعی طراحی شده است. تعداد میله ها - در جهت X و21 *21 - Z است. فاصله بین دو میله مجاور 540 nm می باشد که ثابت شبکه a نامیده می شود. همان طور که در شکل 2 مشاهده می شود میله های سیلیکونی با ضریب شکست 3/47 در هوا قرار داده شده اند. شعاع میله ها 100 nm و اندازه کلی ساختار حدود 116/64 ʽm2 می باشد. شکل 3 ساختار شماتیک فیلتر حذف و اضافه مبتنی بر رزوناتور
شکل :2 ضریب شکست ساختار طراحی شده.
شکل :3 ساختار شماتیک فیلتر حذف و اضافه مبتنی بر رزوناتور حلقوی فوتونیک کریستالی دایره ای.
مقادیر بهینه برای طراحی فیلتر حذف و اضافه در حالت BandSOLVE از طریق نقشه باند شکاف نشان داده می شود. نمودار باند شکاف فوتونی در شکل 4 ارائه شده است که مقادیر ممنوعه بین 0/331 a/ 0/455 هستند که برابر با طول موج 1186 nm 1631 nm می باشد. طیف انتقال فیلتر حذف و اضافه مبتنی بر رزوناتور حلقوی فوتونیک کریستالی دایره ای با استفاده از روش 5FDTDدو بعدی بدست می آید.
شکل :4 باند شکاف فوتونی ساختار طراحی شده در دو مد TE و .TM
-4 شبیه سازی
سیگنال ورودی گاوسی در حالت FullWAVE به پورت ورودی راه اندازی می شود. طیف انتقال در پورت B ، C و D با انجام تبدیل فوریه به روشFDTD دو بعدی محاسبه می شود، و به دست می آیند. توان سیگنال ورودی و خروجی از طریق مانیتورهای توان با قرار دادن آنها در پورت های مناسب ثبت می شود.
شکل6 طیف انتقال فیلتر حذف و اضافه مبتنی بر رزوناتور حلقوی فوتونیک کریستالی دایره ای را نشان می دهد. طول موج رزونانس فیلتر حذف و اضافه در 1492 nm مشاهده شده است. شبیه سازی نشان می دهد که راندمان کوپلاژ و راندمان حذف طول موج در حدود 90 و عرض باند عبور آن 11 nm می باشد. ضریب کیفیت که با / محاسبه می شود، تقریبا برابر با 126/54 می باشد.
شکل 7 و 8 نشان می دهد که میدان الکتریکی به ترتیب باندهای عبور و توقف مناطق در 1492 nm و 1513 nm می باشد . در طول موج رزونانس، =1492 nm ، میدان الکتریکی موجبر گذرگاه به طور کامل وارد حلقه شده و به پورت خروجیD رسیده است. در این حالت جریان سیگنال در پورت B وجود ندارد. به طور مشابه، در رزونانس قطع =1513 nm ، سیگنال به طور مستقیم به پورت انتقال می رسد - سیگنال به حلقه متصل نیست - .
پارامترهای فیلتر طراحی شده جدید در این مقاله ، با پارامترهای موجود در مقالات مشابه قبلی مقایسه و در جدول 1 آورده شده است. به طور خلاصه، پارامترهای مهم فیلتر حذف و اضافه عبارت اند از : راندمان کوپلاژ، راندمان حذف طول موج، طول موج رزونانس، عرض باند عبور و ضریب کیفیت. فیلترهای حذف و اضافه مبتنی بر رزوناتور حلقوی فوتونیک کریستالی توسط نوع میله یا نوع حفره در شبکه مثلثی یا مربعی طراحی می شوند و پارامترهای ساختاری مانند شعاع میله ، ثابت شبکه و ضریب شکست با توجه به نیاز های طرح انتخاب می شوند.
با توجه به جدول 1 و مقالات قبلی متوجه می شویم که ضریب کیفیت این فیلتر ها با افزایش بخش کوپلاژ بین رزوناتور و دو موجبر بی انتها افزایش داشته است، با این حال راندمان حذف طول موج در آن ها کاهش یافته است.
شکل :5 ساختار شماتیک همراه با مانیتور های توان.
