بخشی از مقاله
خلاصه: امروزه موجبر های فوتونی جزء اساسی ترین بخش های به کار گرفته شده در تراشه های فوتونیکی و ادوات نوری میباشند. در این مقاله جهت بهبود کوپل نور و کاهش تلفات گذر - - transmission به طراحی وشبیه سازی ساختار ارتقا یافته ی موجبر فوتونیکی در شبکه مثلثی دو بعدی با حفره های هوا بر پایه ی روش - finite difference time domain - FDTD می پردازیم.
موجبر فوتونیکی طراحی شده شامل یک ردیف نقص در وسط شبکه بلور و کاهش پریودیک شعاع حفره ها در دو ردیف اول موجبر - taper - می باشد. در اینجا با محاسبه گاف فوتونی مربوط به ساختار تحت شرایط مرزی - Anisotropic Perfectly Matched Layer - AMPL و کوپل نور در طول موجهای مخابراتی و مد TE شاهد بهینه سازی نمودار گذر و بازتاب در مقایسه با موجبرهای معمولی میباشیم.
- 1 مقدمه
پس از اختراع لیزر به عنوان یک منبع همدوس نور، به طور همزمان با پیشرفت فناوری ساخت فیبر نوری شیشه ای، طراحی و ساخت منابع نوری همدوس و آشکارسازهای نوری پیشرفت چشمگیری داشتهاند. این امر باعث شد تا استفاده از سامانههای ارتباطات نوری به طور روزافزون توسعه یابد. سامانه های ارتباطات نوری متداول، از اجزای نوری، اپتوالکترونیکی یا الکترواپتیکی تشکیل شده است.
روند توسعه فناوری ارتباطات نوری به سوی تمام نوری کردن تمام اجزای این سامانهها است. در واقع تلاش بر این است که اجزاء الکترواپتیکی و اپتوالکترونیکی سامانه های نوری نیز حتی الامکان با افزاره های تمام نوری جایگزین شوند. استفاده از موجبرهای نوری در ساخت افزاره های تمام نوری منجر به پیشرفت های چشم گیر در سیستم های نوری شده است.
مزیت های افزارههای تمامنوری در مقابل افزاره های اپتوالکترونیکی عبارتند از: پهنای باند بسیار وسیع، تضعیف کم، نرخ خطای بسیار پایین، حجم و وزن کم، قابلیت مجتمعسازی در یک تراشه، قابلیت انعطاف زیاد، عدم نیاز به افزاره الکترونیکی، ایمنی در مقابل تداخل امواج الکترومغناطیسی و ارزانی روز افزون. بنابراین پیشرفت سریع فناوری ارتباطات و همچنین نیاز به مجتمع سازی افزاره های اکتیو و پسیو در یک تراشه، استفاده از افزاره های تمام نوری را اجتناب ناپذیر می سازد.
اگرچه انتقال اطلاعات در مخابرات نوری توسط فیبر نوری انجام می شود ولی تبدیل سیگنال های نوری به سیگنال های الکترونیکی هنگام دریافت، ارسال، تقویت و مسیریابی سیگنال، موجب کاهش ظرفیت ارسال اطلاعات در این سامانه ها می شود. از طرفی افزایش تقاضای روز به روز استفاده از اینترنت جهت ارسال انواع داده ها، در صورت اصلاح نشدن چنین سیستمی، طبق پیش بینی محققین بحران جهانی در استفاده از اینترنت در سال 2015 به وجود خواهد آمد.[1]
استفاده از افزاره های تمام نوری جهت جلوگیری از تبدیل سیگنال های
نوری به سیگنال های الکترونیکی، راهکاری برای جلوگیری از این بحران است. این افزاره ها نه تنها موجب افزایش سرعت شده بلکه با استفاده از نور کند در افزاره های نوری ابعاد افزاره نیز به طور چشمگیری کاهش می یابد. لذا توجه محققان در حال حاضر، طراحی تراشه فوتونیکی بوده، که تمام اجزای تمام نوری آن همچون مبدل طول موج، تقویت کننده، بازتولیدکننده سیگنال، مالتی پلکسر و دی مالتی پلکسر، اتصال دهنده ها در یک تراشه نوری باشد. بلور فوتونی، محیطی با خواص نوری پریودیک است که قابلیت انتشار نور در مسیرهای دلخواه را دارد. در این محیط دو ماده با ثابت دی الکتریک متفاوت به طور دورهای تکرار می شوند.
ایده بلور فوتونی برای اولین بار در سال 1987 توسط john و yablonich به طورجداگانه مطرح شد .[2] در بلورهای فوتونی همانند نیمه رساناها نوارهای ممنوعه وجود دارد که امکان انتشار امواج الکترومغناطیس با هر جهت و هر قطبش در این نوارها وجود ندارد. گاف انرژی در نیمه رساناها، در اثر پتانسیل ناشی از آرایش دورهای اتم ها یا مولکول ها است. به طور مشابه در بلورهای فوتونی، به دلیل پراش براگ ناشی از ساختار نیمه رسانا، فوتون ها در این باند اجازه حضور ندارند; این نوارهای ممنوعه گاف فوتونی نام دارند. این گاف در اثر اختلاف بین ثابت دی الکتریک مواد تشکیل دهنده بلور ایجاد می-شود.
با استفاده از این خاصیت, بلورهای فوتونی به طور وسیعی برای کاربردهایی نظیرمدارهای مجتمع نوری ,[3] فیلتر های قابل تنظیم [4] سنسور با رزولوشن بالا,[5-6] پردازش اطلاعات کوانتومی ,[7-8] فیبر های نوری , موجبرهایی با ضریب کیفیت بالا - , - QF افزاره های بکار رفته در مخابرات نوری نظیر [9]DWDMو.... مورد استفاده قرار گرفته اند. گاف فوتونی بلورهای فوتونی مورد توجه بسیاری قرار گرفته است و تحقیقات بسیاری در زمینه عبور, گیرانداختن و هدایت نور در این ابزارها انجام گرفته است.
از این جمله میتوان به نقص ردیفی در بلورهای فوتونی - موجبر - که توانایی اتتشار و هدایت مد های ممنوعه در امواج الترومغناطیسی را دارا می باشند, اشاره کرد.[10-11] موجبرهای فوتونی به دلیل خواص ویژه همانند: سرعت گروه پایین , پاشش کم ,تلفات عبور ناچیز در خمش ها و قابلیت کوچک سازی به موجبرهای معمولی ارجحیت دارند[12] و بدلیل کاربرد روزافزون آنها در ادوات نوری , تلفات انتشار در هنگام کوپل نور و پاشش نور در موجبر یکی از چالش بر انگیزترین مسائل در ساخت افزاره های نوری می باشد.
یکی از موثرترین راهکارها در بهبود این مسئله تزریق سیال درساختار بلورفوتونی مورد نظر میباشد که پاشش نور در عبور از موجبر را مهندسی میکند .[16] هندسه ارائه شده برای بیشتر موجبرهای فوتونیکی بر پایه ساختار شبکه مستطیلی یا مثلثی و به دو صورت میله ای یا ورقه ایی با می باشد.[13-14] در این مقاله با ایجاد یک ردیف نقص در بلور فوتونی و تغییر ابعاد حفره ها در دو ردیف اول موجبر به بهبود کوپل نور در موجبر و کاهش بازتاب درطول موج های ورودی مورد نظر دست می یابیم.
- 2 ساختارپیشنهادی
ساختار بلور فوتونی دو بعدی اولین بار توسط ماکس پلانک طراحی شد.[15] ساختار مورد استفاده در این مقاله یک بلور فوتونی دو بعدی مثلثی است که 29 حفره در جهت z و 13 حفره در جهت x و یک ردیف نقص از حفره های هوا در جهت - - K موجبر - دارد. در این شبکه ضریب شکست زیر لایه 3.52 و جنس آن از سیلیکون si است. ثابت شبکه برابر a=420nm و شعاع حفره ها - r=.3a - 126nm در نظر گرفته شده است. - شکل-. - 1
دلیل استفاده از ساختار مثلثی گاف فوتونی قابل قبول تر آنها نسبت به ساختار های مستطیلی می باشد. به دلیل داشتن نمودار گذر - - transmission با تلفات ناچیز و کاربردی بودن موجبر در رنج های مخابراتی ,میدان ورودی در رنج 1550nm در مدTE با زاویه تابش صفر و مدل گاووسین به سیستم اعمال میگردد. ساختار پیشنهادی بهینه شده در این مقاله با استفاده از نوک تیز کردن - - taper موجبر بوسیله کاهش شعاع حفره ها در دوردیف ابتدایی موجبر از .3a به .2 a ,.25a ,.5a ,.1a , .15a صورت می پذیرد - شکل . - 2
