بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله یک ساختار جدید برای فیبرهای بلور فوتونی جبران پاشیدگی رنگی به منظور افزایش دامنه پاشیدگی در طول موج 1/55 میکرومتر و در نتیجه افزایش قابلیت جبران پاشیدگی در این طول موج ارائه میشود. نمونه پیشنهادی در این مقاله، یک فیبر بلور فوتونی دارای شبکه مربعی با حفرههای دایرهای است. این فیبر دارای یک حلفه پوشش داخلی و دو حلقه پوشش خارجی است که به جای پوشش داخلی فیبر شبکه مربعی ساختار ستارهای قرار داده شده است.
ماده زمینه این فیبر سیلیکای خالص است. با قرار دادن ساختار ستارهای به جای پوشش داخلی فیبر شبکه مربعی کمینه پاشیدگی به -4593 ps/ - nm.km - در طول موج 1/55 میکرومتر انتقال یافته است که نسبت به ساختار ساده متناظر آن پاشیدگی منفیتر شده است. در ساختار ساده کمینه پاشیدگی برابر با -847 ps/ - nm.km - در طول موج 1/575 میکرومتر است. کلیه شبیهسازیها با استفاده از روش عددی تفاضل محدود حوزه زمان انجام میشود و از نرمافزار Lumerical استفاده شده است.
-1 مقدمه
به هر ساختاری که در آن ضریب شکست به صورت متناوب تغییر کند بلور فوتونی گفته می شود. برای اولین بار، ایده بلور فوتونی در سال 1987 در دو مقاله مستقل توسط جان - جان، - 2486 :1987 و یابلونوویچ - یابلونوویچ، - 2059 :1987 به طور جداگانه بررسی و اثبات شد. بسیاری از ادوات نوری میتوانند با استفاده از بلورهای فوتونی ساخته شوند مانند سوئچهای نوری - منصوری، 5041 :2008 و نازاکی، - 14263 :2014، فیلترها - سو، - 4534 :2015، دیمالتیپلکسرهای طول موج - رخشانی، - 1700 :2012 ، فیبرهای نوری - راسل، . - 278 :2014
یک پالس نوری هنگام انتشار در فیبر به دلیل پاشیدگی از نظر زمانی پهن میشود. در واقع به همین پهن شدن یا فشرده شدن پالس از نظر زمانی پاشیدگی میگویند. انتقال در مسافتهای طولانی باعث پهن شدن بیش از حد پالس و از بین رفتن اطلاعات میشود و لازم است از فیبر جبران پاشیدگی - DCF - در مسیر انتقال استفاده کنیم. یک فیبر جبران پاشیدگی که دارای مقدار پاشیدگی منفی است پالسی را که پهن شده دوباره فشرده می-کند. ایده استفاده از PCF برای جبران پاشیدگی اولین بار توسط Birks و همکارانش پیشنهاد شد
فیبرهای بلور فوتونی قابلیت انعطافپذیری در تعدیل پاشیدگی را دارندکه این قابلیت در طراحی فیبرهای جبران پاشیدگی بسیار مهم است. در واقع اگر یک فیبر جبران پاشیدگی در یک محدوده طول موج دارای پاشیدگی منفی باشد در این محدوده طول موج قابلیت جبران پاشیدگی دارد. برای مینیمم کردن تلفات و کاهش هزینه، فیبر جبران پاشیدگی باید تا حد امکان کوچک و دامنه پاشیدگی منفی باید تا حد امکان بزرگ باشد
استفاده از فیبرهای بلور فوتونی دو هسته هم مرکز در جبران پاشیدگی، امکان دستیابی به پاشیدگی منفی بزرگتر و تلفات کمتر را فراهم میکند. تزویج مدهای هدایتی هستههای داخلی و خارجی در فیبرهای بلور فوتونی باعث ایجاد مشخصه پاشیدگی مقعر با ضریب پاشیدگی منفی بزرگ میشود.
تا کنون ساختارهای زیادی برای فیبرهای بلور فوتونی جبران پاشیدگی ارائه شده است. برای مثال ساختاری که توسط هانگ و همکارانش ارائه شده، از ناخالصی ژرمانیم در ساخت هسته داخلی استفاده میکند - هانگ لی، . - 2009 فیبر جبران پاشیدگی ارائه شده توسط ایمران حسن و همکارانش که پوشش داخلی دارای شبکه شش ضلعی و پوشش خارجی دارای شبکه دایرهای است و همچنین در این ساختار دو حفره هوا در پوشش داخلی حذف شده است. این ساختار دارای ضریب پاشیدگی -1054 ps/ - nm.km - در طول موج 1/55 میکرومتر است
در این مقاله، یک فیبر بلور فوتونی جبران پاشیدگی شبکه مربعی با ضریب پاشیدگی منفی بزرگ ارائه میشود که با قرار دادن ساختار ستارهای به جای پوشش داخلی فیبر، مشخصه پاشیدگی رنگی فیبر منفیتر میشود و توانایی جبران پاشیدگی فیبر افزایش مییابد. که نسبت به ساختارهای مشابه ذکر شده کمینه پاشیدگی منفیتری را شامل میشود.
در بخش دوم، ابتدا به طور مختصر نحوه محاسبه پاشیدگی بیان میشود و سپس هندسه ساختار پیشنهادی معرفی می-شود. در بخش سوم، شبیه سازی و نتایج حاصل از شبیه سازی ساختار با استفاده از روش عددی تفاضل محدود حوزه زمان بیان میشود. در بخش چهارم، نتیجه گیری بیان میشود.
-2 تئوری و معرفی ساختار
یکی از انواع پاشیدگی در فیبر، پاشیدگی رنگی است و به دلیل اینکه مولفههای مختلف طول موج یک پالس نور با سرعت-های متفاوتی درون فیبر حرکت میکنند به وجود میآید. پاشیدگی رنگی مهمترین عامل پاشیدگی در فیبرهای تک مد است. و با معادله 1 محاسبه میشود.
که Dc ضریب پاشیدگی رنگی، Wc پاشیدگی رنگی، L طول فیبر، C سرعت نور در خلاء و neff شاخص موثر فیبر است
ساختار ارائه شده در این مقاله که در شکل 1 قابل مشاهده است یک فیبر بلور فوتونی دارای شبکه مربعی با حفرههای دایرهای است. این فیبر دارای یک حلفه پوشش داخلی و دو حلقه پوشش خارجی است که در پوشش داخلی از یک حلقه ساختار ستارهای استفاده میشود. هسته خارجی نیز با کاهش قطر حفرههای هوا حلقه دوم ایجاد شده است. ماده زمینه سیلیکا خالص است و پارامترهای بهینه این ساختار در جدول 1 آمده است.
جدول .1 مقادیر پارامترهای ساختار پیشنهادی
شکل .1 فیبر جبران پاشیدگی با پوشش ستارهای
-3 شبیهسازی و نتایج
برای اینکه تاثیر این ساختار روی مشخصه پاشیدگی بخوبی قابل مشاهده باشد. ابتدا یک فیبر شبکه مربعی با پوشش ساده و دقیقا با همان پارامترهای ساختار پیشنهادی را شبیهسازی کرده و مشخصه پاشیدگی آن محاسبه میشود. سپس در همان ساختار، پوشش هسته داخلی را برداشته و به جای آن ساختار ستارهای پیشنهادی را قرار داده تا تاثیر این ساختار روی مشخصه پاشیدگی فیبر بررسی شود. شکل 2 ساختار فیبر جبران پاشیدگی شبکه مربعی ساده را نشان میدهد. پارامترهای این فیبر جبران پاشیدگی نیز در جدول 2 مشاهده میشود. توزیع میدان مد و شاخص موثر فیبر جبران پاشیدگی ساده به ترتیب در شکل 3 و شکل 4 مشاهده میشود.
