بخشی از مقاله
چکیده -
در این مقاله، طراحی و شبیه سازی یک فیلتر ماخ زندری مبتنی بر موجبر گریتینگ زیر طول موج و موجبر معمولی ارائه شده است. نتایج به دست آمده نشان می دهند که استفاده از موجبر گریتینگ زیر طول موج در یکی از بازوهای ماخ زندر موجب ایجاد اختلاف ضریب شکست قابل توجه بین بازوها میشود که با تغییر این ضریب شکست میتوان اختلاف فاز ایجاد شده بین بازوها را کنترل کرد. این کار نیاز به ایجاد اختلاف طول بین بازوها را از بین میبرد و باعث کاهش قابل توجه ابعاد و تلفات قطعه میشود. فیلتر طراحی شده دارای نسبت تمایز 28 dB، تلفات الحاقی 0,3 dB ، پهنای باند 3 -dB برابر با 5 nm و محدودهی طیفی آزاد 12 nm میباشد.
-1مقدمه
فیلترهای نوری یکی از اجزای کلیدی برای محدوده ی وسیعی از کاربردها در ارتباطات نوری هستند. از سوی دیگر، یکی از ساختارهایی که به دلیل دارا بودن ویژگی-های خاص در سالهای اخیر توجه زیادی را به خود جلب کرده است موجبر گریتینگ زیر طول موج است.[1]1 این موجبرها در واقع یک ساختار کریستال فوتونی یک بعدی هستند که از نواحی ای با ضریب شکست بالا در محیطی با ضریب شکست پایینتر تشکیل شده اند به گونهای که دوره تناوب ساختار، بسیار کوچکتر از طول موج نور منتشر شده است.
در این حالت، باند انرژی ممنوعه تشکیل نمیشود که این خود موجب ممانعت از بازگشت نور به سمت منبع می شود. بنابراین انتشار نور در محیط مانند موجبر معمولی خواهد بود. موجبرهای بر مبنای گریتینگ زیر طول موج بر خلاف موجبر های کریستال فوتونی که دارای شبکهای با نقص خطی می باشند، نور را طبق مکانیزم هدایت به وسیله ی ضریب شکست در هسته منتشر می کنند و هیچگونه رفتار رزونانسی از خود نشان نمیدهند
به عبارتی SWG موجبری است که ضریب شکست موثر آن در جهت انتشار موج، یکنواخت میباشد. به همین دلیل، موجی که در SWG منتشر میشود را میتوان با موج بلاخ مدل کرد به طوری که هر کدام از مودهای بلاخ دارای یک عدد موج به خصوص می باشند. به علاوه میتوان با انتخاب چرخهی کار2 گریتینگ، ضریب شکست را اصلاح کرده، ویژگی های انتشار - مربوط به مودهای بلاخ - را کنترل نمود
قابل تنظیم بودن پارامترهای گریتینگ زیر طول موج بدون اینکه فرایند ساخت قطعه پیچیده شود سبب آسان کردن کنترل پذیری ضریب شکست و منحنی پاشندگی می شود. به بیان دیگر، با تغییر عواملی نظیر دوره تناوب و چرخهی کارگریتینگ، می توان به ضریب شکست معادلی بین ضریب شکست سیلیکون و سیلیس دست یافت
همچنین از لحاظ تئوری، دستیابی به تلفات صفر برای این موجبرها میسر است اگرچه در عمل تلفات ناچیز 2,1 دسیبل بر سانتیمتر برای آنها مشاهده شده است.
از اینرو، گریتینگ زیر طول موج می تواند به عنوان یک محیط مهندسی شده برای انتقال نور با ضریب شکست موثر معادل در ساختار فیلترهای نوری استفاده شده و بدین ترتیب از خصوصیات مطلوب این موجبرها شامل تلفات کم و همچنین کنترل پذیر بودن ضریب شکست، در بهبود مشخصات فیلتر بهره برداری گردد. در این مقاله یک فیلتر نوری با ساختار ماخ زندری که در یک بازوی آن از گریتینگ زیر طول موج استفاده شده است ارائه می شود که مشخصات بهتری نسبت به طراحی های پیشین از خود نشان می دهد.
-2تئوری کار
در این مقاله، هدف، طراحی یک فیلتر نوری مبتنی بر تداخلگر ماخ زندر است که به طور شانه ای چندین طول موج را فیلتر میکند. رابطه ی اختلاف فاز بین بازوهای ماخ زندر با اختلاف ضریب شکست بازوها و اختلاف طول آنها عبارتست از:
با قرار دادن موجبر گریتینگ زیر طول موج در یکی از بازوهای ماخ زندر و موجبر نواری 3 در دیگری میتوان اختلاف ضریب شکست قابل توجهی بین بازوهای تداخلگر ایجاد کرد و به اختلاف فاز رسید. با تغییر چرخهی کار و یا تناوب موجبر SWG ضریب شکست بازوی مربوطه تغییر میکند و بدین طریق میتوان اختلاف فاز بین بازوها را کنترل کرد.
-3طراحی و شبیه سازی
شکل 1 ساختار کلی فیلتر ماخ زندر را نمایش میدهد که شامل کاپلر نصف کنندهی توان 4 در ورودی و خروجی موجبر گریتینگ زیرطول موج در یک بازو و موجبر معمولی در بازوی دیگر است. برای شبیه سازی از نرم افزار FDTD استفاده شده است.
شکل :1 ساختار فیلتر ماخ زندر. شامل 3dB coupler در ورودی و خروجی، موجبر گریتینگ معمولی و موجبر strip، Lwg=Lswg=70 m ، موجبر گریتینگ استفاده شده در این ساختار دارای پریود - - برابر 200 نانومتر، ارتفاع - - h برابر 220 نانومتر، عرض - - w برابر 400 نانومتر و چرخهی کار برابر با %50 و به طول 70 Lswgمیکرومتر میباشد. مطابق با شکل 2 به دلیل عدم تطابق مودها در مرز موجبر معمولی و موجبر SWG یک ساختار باریک شونده5 به طول - Ltaper - برابر 25 میکرومتر تعبیه شده است که وظیفهی تبدیل مود و انتقال کم تلف را به عهده دارد
شکل 3 اختلاف ضریب شکست دو بازوی ماخ زندر را به ازای طول موجهای مختلف نشان میدهد. اندازهی بزرگ اختلاف ضریب شکست بین دو بازوی ماخ زندر نشان می-دهد که میتوان بدون ایجاد اختلاف طول بین بازوها فیلتری شانهای6 با ابعاد کوچک و تلفات کم طراحی کرد که به طور همزمان چندین طول موج را فیلتر کند.
شکل :2 - الف - ساختار موجبر گریتینگ زیرطول موج. - ب - موجبر معمولی، - ج - ساختار taper
شکل : 3 اختلاف ضریب شکست بازوها در طول موج های مختلف
-4نتیجه گیری و بحث
شکل 4 طیف انتقال فیلتر طراحی شده را نشان میدهد. فیلتر مورد نظر دارای نسبت تمایز 28 dB 7، تلفات الحاقی0,3 dB8 ، پهنای باند 3 -dB، 5 nm و محدوده-ی طیفی آزاد9 برابر با 12 nm میباشد. در ادامه در جدول 1 مشخصات این فیلتر با تعدادی از کارهای مشابه اخیر مقایسه شده است.
