بخشی از مقاله
چکیده -
در این تحقیق یک سوییچ تمام نوری با طیف عبور فانو ارائه شده است که نسبت به نمونه قبلی این نوع سوییچ ها، شاهد طیف فانوی تیز تر و با کنتراست بیشتر و در نتیجه مصرف توان کمتر می باشیم. در افزاره جدید با بهبود ضریب کیفیت کاواک فعال در طیف فانو به مشخصات بهتری دست یافته ایم. در این مقاله شبیه سازی ساختار ارائه شده با روش FDTD انجام شده است و برای مقایسه ساختار بهبود یافته با ساختار قبلی، به نقش بهبود ضریب کیفیت کاواک ها در بهبود طیف فانو پرداخته شده است و در نتیجه انطباق یافته ها با طیف عبور خروجی و مقایسه طیف خروجی با سوییچ قبلی صورت می پذیرد.
-1 مقدمه
در یک دهه اخیر ، فناوری های مبتنی بر فوتونیک در ارتباطات داده جهانی به امری فراگیر تبدیل شده است . [1] افزایش روز افزون پهنای باند داده، نیازمندی های مصرف توان پایین و مقرون به صرفه بودن ارتباطات داخلی نوری برچیپ [2]، یک نقشه ی راه را برای نیازمندی های طراحی اجزای فوتونیکی ترسیم نموده است
یکی از انواع این ساختارهای مبتنی بر کاواک که اخیرا توسط مورک و همکاران [5] در دانشگاه دانمارک توسعه داده شده است و می توان آن را نسل جدیدی از ساختارهای کاواک-موجبر به حساب آورد، ساختاری است مبتنی بر رزونانس فانو که در آن طیف فرکانسی خروجی دارای تغییری شدید و ناگهانی می باشد که موجب می گردد در مقایسه با طیف معمول لورنتزین، مصرف توان افزاره کاهش یافته و همچنین مشخصه کنتراست بهبود یابد که از این نوع ساختار ها می توان در طراحی سوییچ های مبتنی بر بلور فوتونی با مصرف انرژی فوق پایین بهره جست. در مقاله پیشرو ساختاری مبتنی بر بلور فوتونی با بالک InGaAsP جهت دستیابی به این طیف ارائه گردیده است.
-2 طراحی ساختار
مشخصات ساختار ارائه شده در مقاله عبارت است از یک تیغه بلور فوتونی با ساختار مثلثی، و حفره های هوا که برای انتشار موج TE مناسب می باشد. ثابت شبکه، ضخامت و شعاع حفره به ترتیب 0/46 m، 0/2 m و 0/115 m می باشد. در شکل 2 -الف، موجبر L1 با حذف یک ردیف از حفره ها، و کاواک ها نیز از شیفت دو حفره کنار هم در ساختار ایجاد شده است. طراحی ساختار به گونه ای است که برای طول موج مخابراتی1/55 میکرومتر مناسب می باشد.
جنس ماده به کاررفته شده در تیغه، InGaAsP دارای پیک فوتولومینسانس در طول موج 1/47 m می باشد. ساختار، یک ساختار کاواک- موجبر بوده که در آن از دو کاواک برای ایجاد طیفی تیز تر از طیف لورنتزین با نام طیف فانو، استفاده شده است.
طول عمر یک کاواک یا Q بیانگر میزان انرژی ذخیره شده در کاواک به انرژی اتلافی در هر سیکل نور می باشد. هنگامی که ماده کاواک دارای جذب نباشد، انرژی اتلافی تنها توسط تلف تشعشعی از سطح کاواک صورت می گیرد . [7 ] ساختار باندی این ساختار با شبیه سازی توسط نرم افزار لومریکال به فرم شکل 1 خواهد بود. همانطور که مشاهده می گردد ساختار برای طول موج مرکزی حدود 1/55 میکرومتر طراحی شده است - . - a =0/46
در این ساختار کاواک شماره 1 با شیفت به دو طرف به اندازه 92 nm به وجود آمده است، و حفره های دوم و سوم هر طرف کاواک نیز به ترتیب به اندازه 11/5 nm و 92 nm به دو طرف شیفت یافته اند - شکل. - 3 همچنین حفره شماره 2 از شیفت دو حفره کناری به اندازه85 nm به دو طرف و همچنین دو حفره دوم به اندازه20 nm به هر طرف ایجاد شده است .
از آنجا که پروفایل میدان نور کوپل شده به یک کاواک معمولی که با شیفت ساده دو حفره از هر طرف ایجاد شده است دارای پوش میدان الکتریکی مثلثی می باشد، بنابراین به نظر می رسد با توجه به اینکه فرم مثلثی دارای تغییرات ناگهانی نور در برخورد با دیواره های سفت است، با بهبود دیواره های کاواک به نحوی که پوش حالت گوسی پیدا کند - شکل ج - 2-، و به عبارتی شدت تغییرات در برخورد با دیواره ها کاهش یابد، تلفات تشعشعی از تیغه به غلاف - هوا - کاهش و در نتیجه Q کاواک افزایش یابد[8] و این دقیقا همان کاری است که برای کاواک شماره 1 همانطور که پیشتر مقادیر آن بیان شد، در این مقاله انجام شده است
روش های مختلفی برای محاسبه طول عمر مد های یک کاواک بلور فوتونی یا متناظرا Q وجود دارد یکی از این روش ها که در آن از شکل طیف عبور استفاده می شود، عبارت است از FWHM مربوط به شکل لورنتزین تبدیل فوریه میدان خروجی که در اینجا مد TE و درنتیجه میدان الکتریکی، مطرح می باشد، در اینجا نیز از همین روش استفاده شده است.
شکل :1 ساختار نواری تیغه فوتونیک کریستال دو بعدی مثلثی با ضریب
شکست 3/334 و دوره تناوب و شعاع حفره به ترتیب ، 0/46و 0/115 میکرومتر و همچنین دارای باند ممنوعه به مرکز حدودm.1/556
شکل : 2 الف: نمایی از صفحه تناوبی ب: نمایی از کاواک به طول L در صغحه x-z - صفحه عمود بر صفحه تناوبی - شامل. ج: فرم پوش میدان الکتریکی در صفحه بین صفحه تناوبی و غلاف - هوا - در محل کاواک بر حسب مکان- شکل سمت چپ بدون نرم کردن لبه های کاواک-شکل سمت راست با نرم کردن لبه های کاواک- به فرم بیان شده در مقاله.
شکل : 3 نحوه شیفت دادن حفره های اطراف کاواک در کاواک.1
همانطور که در رابطه 1 مشهود است، برای مینیمم شدن U - تابعک انرژی الکترومغناطیسی - ، میدان الکتریکی باید انرژی اش را در ماده با بیشتر متمرکز سازد تا مخرج ماکزیمم شود و همچنین میزان نوسانات مکانی را مینیمم کرده و به عبارتی صورت مینیمم گردد. بنابراین دو نتیجه، طبق تئوری وردشی مدهای با فرکانس پایین تر، انرژی خود را در ماده با بیشتر متمرکز می سازند. عکس این قضیه نیز صادق می باشد یعنی به عبارتی مدهای با فرکانس بالاتر نیز انرژی خود را در کمتر قرار می دهند.
بنابراین طبق این تئوری می توان فرکانس مد کوپل شده به کاواک را تنظیم کرد. درواقع این کار را می توان با تغییر شکل کاواک انجام داد.
در ساختارهای بلور فوتونی و خصوصا در نانوکاواک ها شدت میدان درون کاواک ها به علت تحدید خوبی که ساختار دارد، بسیار زیاد است و بنابراین اثرات غیرخطی به وضوح مشاهده می گردد.
با استفاده از نظریه اختلال رابطه ساده بین شیفت فرکانسی و تغییر ضریب شکست n ناشی از اعمال اختلالی کوچک به صورت زیر می باشد:
که EE عبارت است از بخشی از انرژی میدان الکتریکی که در ناحیه مختل شده حضور دارد.
-3 بررسی وضعیت بهبود طیف فانو با افزایش Q
با اعمال تغییرات به کاواک شماره 1 در شکل 3، تلفات ناشی از تشعشع مد نوری به درون غلاف به شدت کاهش می یابد و با تقسیم ضریب کیفیت ساختار به دو ضریب کیفیت Qload و Qunload که اولی ناشی از کوپلینگ کاواک به المان های دیگر - کاواک و موجبرها - و دومی ناشی از تشعشع به صورت عمودی به درون غلاف می باشد می توان گفت با این کار Qunload به خوبی بهبود یافته است. برای بهبود Qload که به نحوی وابسته به طراحی ساختار می باشد ، طراحی ساختار به گونه ای انجام شده است که با قرار دادن کاواک شماره 1 بالای کاواک شماره 2 و دور از موجبر، افزایش یافته است
