بخشی از مقاله
چکیده -یک سوئیچ پنج کاناله ماخ-زندر نامتقارن تمام نوری کنترل شونده بر اساس طول موج طراحی میشود. عملکرد این سوئیچ به این صورت است که با فرض ثابت نگه داشتن توان سیگنال ورودی و تغییر طول موج آن، سیگنال از یکی از کانالهای طول موجی مطلوب خارج میشود. این سوئیچ قابلیت کاربرد در بازه طول موجهای 1/5 m تا 2/05 m را خواهد داشت. با شبیهسازی عددی نشان داده میشود که با افزایش طول موج سیگنال ورودی، کانالهای خروجی به ترتیب سوئیچ خواهند شد.
کلید واژه- سوئیچ تمام نوری، طول موج، ماخ-زندر نامتقارن، موجبر غیر خطی کد 230:0230 - OCIS
-1 مقدمه
روند توسعه فناوری ارتباطات نوری به سوی تمام نوری کردن سامانه های ارتباطات نوری است. در واقع تلاش براین است که اجزاء الکترونیکی سامانههای اپتو الکترونیکی در صورت امکان با افزاره های تمام نوری جایگزین شوند . استفاده از موجبرهای نوری در ساخت افزارههای تمام نوری منجر به پیشرفت های چشم گیر در سیستم های نوری شده است .[1] مزیتهای افزارههای تمام نوری در مقابل افزاره های اپتوالکترونیکی شامل: پهنای باند بسیار وسیع، تضعیف کم، نرخ خطای بسیار پایین، حجم و وزن کم، قابلیت مجتمع سازی در یک تراشه، قابلیت انعطاف زیاد،کاهش استراق سمع و هزینه تولید پایین آنها هستند.
بنابراین با پیشرفت سریع فناوری ارتباطات، ضروری است که از افزاره های تمام نوری استفاده شود. محققان با استفاده از آثار غیرخطی افزاره های تمام نوری طراحی نموده اند که زمینه گسترده ای در مخابرات نوری برای انتقال داده با نرخ ارسال بیت بالا ایجاد کرده است .[2] مسیریاب های تمام نوری از افزاره های بسیار مهم در مخابرات نوری هستند. استفاده از نور غیرخطی در طراحی سوییچ 1× N از بخش های مهم مسیریاب های مخابراتی می باشد.[3-4] در این مقاله سوییچ 1× 5 تمام نوری کنترل شونده بر اساس طول موج طراحی می شود.در قسمت دوم، مدل فیزیکی سوئیچ معرفی میشود. روابط ریاضی حاکم بر مدل فیزیکی آن در قسمت سوم بیان خواهند شد.
در قسمت چهارم نتایج شبیه سازی به صورت عددی نمایش داده میشوند و در پایان، از مقاله نتیجهگیری خواهد شد.این محیط محدودسازی بیشتر نور، کاهش سرعت نور، افزایش شدت نور و در نهایت هدایت نور از طبقهی ورودی به یکی از کانال های خروجی بر اساس طول موج آن است. طبقه خروجی شامل پنج موجبر غیر خطی بوده که به منظور استخراج سیگنال در انتهای طبقه میانی تعبیه شده است. شایان ذکر است در خروجی موجبر های نامتقارن سوئینگ وجود دارد که در [ 5] بررسی شده است ولی طراحی انجام شده در این مقاله به نحوی است که قبل از ایجاد سوئینگ در خروجی ماخ-زندر، طبقه میانی سیگنال را به سمت کانال خروجی مطلوب هدایت میکند.در طبقهی ورودی از یک موجبر ماخ-زندر غیر خطی استفاده شده است که عملکرد آن با استفاده از شکل2 که شکل ساده شدهی یک ماخ-زندر است شرح داده شود.
-2 مدل فیزیکی سوئیچ
سوئیچ تمام نوری طراحی شده در این مقاله مطابق شکل 1 شامل سه طبقه، ورودی، میانی و خروجی است. در طبقه ورودی از یک موجبر ماخ-زندر نامتقارن غیر خطی استفاده شده است که هدف از آن ایجاد اختلاف فاز بین دو سیگنال در خروجی شاخه های ماخ-زندر است که در نهایت حاصل جمع آنها وابسته به طول موج سیگنال ورودی اثر سازنده یا مخرب خواهد داشت. در طبقه میانی از یک محیط غیر خطی واسط استفاده می شود. هدف ازماخ-زندر ترسیم شده در شکل2 از دو عدد آینه نیمه کامل، یک منبع نور و دو آشکارساز تشکیل شده است. آینه کامل در اینجا آینهای است که ضریب بازتابش آن %100 و ضریب عبورش صفر است و آینه نیمه کامل آینه ای است که دارای ضریب بازتابش و عبور %50 است.بازتابش سیگنال از آینه منجر به تاخیر 2 و عبور سیگنالمنجر به تاخیر d خواهد شد.
تاخیر سیگنال های دریافت شده در آشکار ساز 1 از هر یک از مسیر های U و D برابرd می باشد. بنابراین اختلاف فاز مجموع سیگنال های دریافتی از مسیرهای U و D صفر خواهد شد که طبق اصل جمع آثار حاصلجمع دو مسیر اثر سازنده خواهد داشت. تاخیر سیگنال دریافت شده در آشکارساز 2 ازمسیر U، 2d و از مسیر D، 2 2d است که اختلاف فاز این دو سیگنال 2 خواهد شد، یعنی درآشکارساز 2 هنگامی که سیگنال دریافت شده از مسیر U در مقدار بیشینه است سیگنال دریافت شده از مسیر D در مقدار کمینه خود خواهد بود و حاصلجمع این دو در آشکارساز 2 صفر خواهد شد.
-3 آنالیز ریاضی مدل فیزیکی
با استفاده از مباحث بیان شده در ماخ-زندر شکل 2 می توان روابطی برای مقدار میدان الکتریکی در خروجی طبقه اول مطابق زیر نوشت:که در آن k بیانگر عدد موج و برابر با 2 و فاز هریک از سیگنالها هستند. میدان الکتریکی که در E خروجی ماخ-زندر توسط این دو موج ایجاد میشود با حاصل جمع برداری زیر برابر است:شدت نور در خروجی ماخ-زندر توسط رابطه زیر محاسبه میشود: بستگی دارد، پس توزیع مکانی شدت متناوب خواهد بود. در صورتی که اختلاف فاز بین دو سیگنال خروجی شاخههای ماخ-زندر صفر باشد اثر سازنده و در صورتی که این اختلاف فاز 180 درجه باشد اثر به طور کامل مخرب خواهد بود.
فرم کوتاه شده معادله موج را به صورت زیر در نظر میگیریم:[7]که در آن n j ضریب شکست سوئیچ و مطابق رابطه - 6 - محاسبه میشود.n j n j 0 j I - 6 - × n j0 ضریب شکست خطی و j ضریب غیر خطی است. با توجه به اینکه در سویچ پیشنهادی سیگنال ورودی از هر دو شاخه ماخ-زندر دارای طول موج یکسان است، بنابراین ضرایب k1 و k2 با یکدیگر برابر هستند و براید محاسبه خواهیم داشت :[7] که L طول مسیر در موجبر ماخ - زندر و I اختلاف شدت سیگنال بین دو بازوی موجبر ماخ- زندر در خروجی آن است. پارامترهای L ، I و n j ثابت هستند و تنها متغیر است. یعنی می خواهیم با تغییر طول موج سیگنال ورودی، اثر آن را در خروجی سوئیچ ملاحظه نمائیم.
-4 شبیهسازی عددی
سوئیچ پیشنهادی توسط شکل 1 نشان داده شده است. پارامترهای طراحی در جدول 1 آورده شده که در آن L1 طول موجبر ماخ- زندر - طبقه ورودی - ، L2 طول موجبر طبقه میانی، L3 طول طبقه خروجی و LT طول کل افزاره می باشد و W1 عرض بازوی نازک موجبر ماخ-زندر، W2 عرض بازوی پهن موجبر ماخ -زندر، W3 عرض موجبر طبقه میانی و W4 عرض هر یک از کانالهای خروجی است.شبیهسازی عددی به روش BPM انجام میشود که در آن سیگنال ورودی مورد نظر، که به صورت یک پالس گاوسی با توان ثابت 17/9 وات فرض میشود، وارد سوئیچ میشود. سپس وابسته به طول موج اصلی - مرکزی - آن از یکی از کانالهای سوئیچ خارج خواهد شد.
