بخشی از مقاله
چکیده
استفاده از رزوناتورهای حلقوی یکی از مکانیزه های رایج و پرکاربرد در طراحی فیلترهای نوری مبتنی بر کریستال فوتونیکی هستند. در این مقاله با استفاده از یک رزوناتور حلقوی با هستهای به شکل شش ضلعی یک فیلتر میانگذر نوری مبتنی بر کریستال فوتونیکی دو بعدی طراحی و شبیه سازی شده است. فیلتر طراحی شده دارای یک مد رزونانسی در طول موج 1549 nm با دامنه و پهنای باند خروجی به ترتیب 99% و 0.5 nm است.
-1 مقدمه
گسترش ارتباطات و راحتی انتقال اطلاعات، پردازش سریع و با دقت از طریق سیستمهای نوری و مخابرات نوری یکی از پر اهمیتترین عناوین مورد بحث در جهان امروز است. همچنین از طرفی با گسترش تکنولوژی ساخت ادوات میکرو و نانوالکترونیک و توانایی کوچک سازی این ادوات تا حدود ابعاد اتمی، به نظر میرسد ادوات الکترونیکی نمیتواند جوابگو باشد. از این رو برای افزایش تراکم پردازندهها در مقیاسهای کوچک و مجتمع سازی میبایست به راههای دیگری همچون استفاده از مدارات نوری روی آورد.
در حال حاضرکریستالهای فوتونیکی به عنوان یکی از بهترین و ساده ترین روشهای پیاده سازی ادوات نوری چه در زمینه انتقال دیتا وچه در زمینه پردازش دیتا مورد توجه محققان میباشد بسیار جالب است که شباهت میان الکترون در نیمه رساناها که در یک ساختار متناوب اتمی محصور شده اند و فوتون که در یک ساختار دی الکتریک متناوب قرار گرفته است، می تواند منجر به اینچنین پدیدههای غنی و جدیدی بشود.کریستالهای فوتونیکی دارای باندهای گافی هستند که انتشار امواج در آنها برای برخی از طول موجها ممنوع است.
با استفاده از مواد مختلف با ضرایب دی الکتریک متفاوت واستفاده از ساختارهای هندسی گوناگون، انتشار امواج در این ساختارها به هر صورت دلخواه قابل کنترل میباشد.مکانیسمی برای طراحی ادوات نوری وجود دارد که در آن انتخاب طول موج صورت میگیرد و بوسیله آن به اهدافی همچون طراحی فیلترهای نوری و دیمالتی پلکسرها دست یافت.این مکانیسم رزوناتور حلقوی یا تشدیدگر حلقوی نام دارد.
رزوناتورهای حلقوی نوعی تشدید کنندههای نوری برای کوپل نور از ورودی به خروجی و گزینش طول موج خاص میباشد. این ساختار ها از دو موجبر موازی هم تشکیل شده است که یک موجبر حلقوی بین شان قرار گرفته است. عملکرد آن به این صورت است که زمانی که نور از موجبر ورودی وارد ساختار می شود، وارد حلقه تشدید میشود . نور در داخل حلقه تشدید با توجه به حرکت های رفت و برگشت تداخل های امواج مخرب و سازنده به موجبر خروجی کوپل شده و در یک طول موج خاصی که در آن رزونانس یا تشدید اتفاق میافتد طول موجی را آشکار میکند. به عبارت دیگر، نور از پورت ورودی وارد ساختار میشود و همه طول موجها از سمت دیگر این موجبر خارج میشوند .فقط در یک طول موج معین نور توسط حلقه رزونانسی به موجبر پایینی منتقل میشود.
این ساختارها اغلب برای ساخت انواع فیلتر ها بکار میروند.ساختارهای مختلفی برای تشدید کننده ها ارایه شده که نوع ساختار تاثیر فراوانی بر رفتار طول موج گزینی، پهنای باند این تشدید کننده ها دارد. مهمترین خصوصیت یک تشدید کننده ضریب کیفیت آن است. ضریب کیفیت با پهنای باند طیف خروجی ساختار رابطه معکوس دارد. فرکانس تشدید نیز به ساختار و هندسه و شکل آن وابسته است.
فیلتر های حذف و اضافه بسیاری در این زمینه ارایه شده اند که از ان جمله فیلتر محمود و همکارانش میباشد که در آن از رینگ رزوناتور به شکل X مابین موجبرهای ورودی و خروجی استفاده شده است. [2] که در آن مولفه انتقالی تا %100 و طول موج حذف و اضافه کانال دقیقا روی طول موج 1550 نانومتر میباشد .جاوید و همکارانش نیز فیلتر به شکل T با مولفه انتقالی بسیار بالایی را پیشنهاد کرده اند[3] .مهدیزاده و همکارانش نیز یک فیلتر جدید پیشنهاد کرده اند که ضریب کیفیت و پهنای باند آن در مقایسه با نمونه های قبلی بسیار چشمگیر بوده و مولفه انتقالی آن بسیار نزدیک یک است
-2 طراحی رزوناتور حلقوی
برای طراحی فیلتر پیشنهادی کریستال فوتونیکی دو بعدی با شبکه مربعی متشکل از یک آرایه 21*33 از میله های دی الکتریک در بستر هوا درنظر گرفته شده است. ضریب شکست دی الکتریک 3.46 می باشد. شعاع میله های دی الکتریک R=0.285a است، که در آن a=680 nm ثابت شبکه ساختارکریستال فوتونیکی است. نمودار ساختار باند با مشخصات مذکور بصورت شکل 1 بدست آمده است. همانطور که مشاهده می شود سه نوار باند ممنوعه فوتونیکی در نمودار ساختار باند وجود دارد که هر سه باند ممنوعه در مد TM است. محدوده های باندهای ممنوعه فوتونیکی به شرح زیر است:
شکل .1 ساختار باند کریستال پایه.
با توجه به مقدار ثابت شبکه a=680nm دومین باند ممنوعه در مد TM که محدوده طول موج های 1302nm < < 1607 nm را تحت پوشش قرار میدهد برای اهداف مخابراتی مناسب است . چون باند ممنوعه مورد نظردر مد TM است پس تمامی شبیهسازیها در مد TM انجام خواهد
در فیلتر پیشنهادی، پورت ورودی - A - و پورت خروجی - B - میباشد . امواج نوری از طریق پورت A وارد ساختار می شود در طول موج مورد نظرتوسط حلقه تشدید رخ می دهد و موج به پورت B دراپ می شود و از آن خارج می شود. به منظور بهبود راندمان انتقالی و عملکرد بهینه حلقه رزونانسی چهار میله پراکنده ساز در چهار گوشه مربع خالی قرار گرفتهاند.
ضریب شکست و شعاع این میله ها برابر شعاع و ضریب شکست ساختار پایه است. هسته حلقه رزونانسی از یک ساختار شش وجهی تشکیل شده است. این شش ضلعی دارای ثابت شبکه و شعاع متمایز از ساختار پایه می باشد اما ساختار شبکه آن همانند ساختار پایه مربعی و ضریب شکست میله های دی الکتریک آن نیز همان مقدار ضریب شکست ساختار پایه انتخاب شده است و بدین صورت رزوناتور حلقوی وسط فیلتر طراحی می شود. مقدار ثابت شبکه و شعاع میله های هسته شش ضلعی رزوناتور حلقوی ضریبی از ثابت شبکه و شعاع میله های دی الکتریک ساختار پایه است. مقدار ثابت شبکه برابر و مقدار شعاع میله های دی الکتریک برابر می باشد. ساختار نهایی فیلتر پیشنهادی در شکل 2 نشان داده شده است.
شکل .2 ساختار فیلتر پیشنهادی
-3 شبیه سازی و نتایج
طیف خروجی فیلتر در شکل3 نشان داده شده است که در طول موج 1549 nm دارای یک مد تشدید با دامنه %99 و پهنای باند 0.5 nm میباشد. ضریب کیفیت فیلتر پیشنهادی 3098 میباشد. این بدین معناست که در طول موج 1549 nm امواج نوری از طریق حلقه رزونانسی از موجبر ورودی به موجبر خروجی کوپل میشود.
