مقاله کاهش پاشندگی در فیبرهای فوتونی

بخشی از مقاله

چکیده

صنعت الکترونیک در طول قرن بیستم، انقلاب بزرگی را در زندگی ما ایجاد کرد. ابتدا ترانزیستورها به عنوان ادوات مجزا جایگزین لامپ های خلاء شدند و پس از آن مدارهای مجتمع با هزاران ترانزیستور و سپس میلیونها ترانزیستور، بر روی همان ابعاد از تراشه نیمه رسانا ساخته شدند. نتیجهی این کوچک سازی، آسایش زیادی است که ما امروزه در استفاده از رایانههای شخصی، تلفن، سیستم های صوتی و تصویری، دوربین های فیلم برداری و غیره با آنها خو گرفتهایم. ، نقش اصلی را الکترون که موجب بارور شدن صنعت الکترونیک شد بازی نمیکند، بلکه نقش اصلی بر عهده فوتون است که موجب پیدایش صنعت فوتونیک میشود.

.1 مقدمه -

واژه فوتونیک بیان کننده کاربردها و پدیده هایی است که در آن نور - شامل فوتون ها - برای انتقال، پردازش اطلاعات و یا اصلاح فیزیکی مواد به کار می رود. شاید مهم ترین مثال امروزی مخابرات فیبر نوری باشد که پایه اصلی شبکه های انتقال اطلاعات سرعت بالا را تشکیل می دهد و به کاربران اینترنت اجازه می دهد که نه تنها به متن و گرافیک ساده بلکه به محتوای چند رسانه ای نیز دسترسی داشته باشند.فوتونیک شامل حافظه های نوری داده مانند لوح های فشرده و DVD ها به منظور ذخیره صوت، تصویر و حافظه رایانه می شود. هرچند این کاربرد ها در حال توسعه هستند اما فن آوری های مرتبط با آن ها به رشد نهایی خود رسیدهاند.

البته کاربردهایی مانند کلیدزنی نوری و پردازش نوری تصویر که در حیطه علم فوتونیک هستند، کم تر توسعه یافتهاند . محاسبهگرهای نوری را میتوان هدف نهایی تحقیقات علم فوتونیک دانست که در آن پردازش و ذخیره اطلاعات به طور عمدهای به صورت نوری انجام می شود. نتیجه این امر موجب پیدایش رایانه هایی بسیار سریع و کارآمد خواهد شد زیرا سیگنال های نوری با سرعت خیلی بالایی حرکت کرده و امکان پردازش موازی نیز برقرار خواهد بود. در هرحال تحقق عملی رایانه های نوری تا به امروز مورد نظر بوده و همچنان راه طولانی تا رسیدن به این هدف باقی است.

حسگرهای نوری را نیز می توان جزء افزاره های فوتونی به شمار آورد زیرا آن ها برخی از خصوصیات محیطی از جمله دما، کشش، فشار و چگالی گونه های مختلف شیمیایی را بصورت نوری آشکارسازی و اطلاعات آن ها را منتقل می کنند. برخی از افزاره ها دارای کاربردهای متنوعی هستند، از جمله بیوحسگرها برای بدن انسان و حسگرهای کشش برای پل ها. جراحی لیزری یا ماشین کاری لیزری را نیز می توان به عنوان کاربردهای فوتونیک در علوم طبیعی به شمار آورد. این کاربردها بر جریان فوتون هایی با شدت زیاد استوار هستند.

1-1    اهداف تحقیق

بررسی ساختار فیبرهای کریستال فوتونی جبران پاشندگی در فیبرهای کریستال فوتونی و به صفر رساندن آن مسطح کردن پاشندگی در رنج وسیعی از طول موج با بهینه کردن ساختار فیبر کمینه کردن تلفات نوری بهینه سازی ساختار کریستال فوتونی با نانو ذرات فلزی مختلف، و بهینه کردن شکل و جنس و نوع آنها برای صفر کردن پاشندگی و تلفات نوری بطور همزمان

1-2 بررسی ساختار تحقیق

فیبرهای نوری مشخصه های متعددی دارند که به آنها این امکان را می دهد که بعنوان یک محیط انتقال عالی برای مسافت های کوتاه و طولانی استفاده شوند .[1] پاشندگی رنگی - Chromatic Dispersion - یکی از مهمترین پارامترهایی است که باید به دقت تجزیه و تحلیل شده و در طراحی مورد توجه قرار بگیرد .[2 ,1] پاشندگی نور پدیده ایست که در آن سرعت فاز یک موج به بسامد آن وابسته است و یا به طور معادل سرعت گروه آن موج تابعیت بسامدی داشته باشد

در این محیطها ضریب شکست برای امواج با بسامدهای مختلف با همدیگر متفاوت است و این امر باعث میشود امواج با بسامدهای مختلف در این محیطها با سرعتهای متفاوت حرکت کنند و در نهایت انحراف نور با بسامدههای مختلف درون این گونه محیطها با همدیگر متفاوت خواهد بود. پدیدهای که در منشور اتفاق میافتد نمونهای از پاشندگی و منشور نمونهای از یک محیط پاشندهاست. برای جبران مشکل توان ناشی از اثرات غیر خطی، یک سیستم فیبر نوری انتقال دور برد با دیسپرشن کوچک مورد نیاز می باشد 

تکنیک های جبران پاشندگی شامل فیبرهای جبران کننده ی پاشندگی و جبران پاشندگی به روش الکتریکی برای رسیدن به انتقال با سرعت بالا مورد بررسی قرار گرفته اند .[3 ,2] اما جبران کاهش عملکرد به دلیل اثرات غیر خطی فیبر مشکل بوده و توان نوری ورودی باید برای جلوگیری از پیدایش اثرات غیر خطی محدود باشد .اخیرا، فیبرهای کریستال فوتونی - PCF - به دلیل مشخصه های نوری فوق العاده اش مانند عملکرد تک مود بی وقفه، پاشندگی رنی انعطاف پذیر در رنج وسیعی از طول موج و قابلیت کنترل اثرات غیر خطی به شدت مورد توجه می باشد

فوتونیک کریستال ها ساختار های متناوب در اندازه نانو هستند و طراحی شده اند تا حرکت فوتون ها را تحت تاثیرقراد دهند. همانند کاری که کریستال های نیمه رسانا با الکترون ها انجام می دهند. فوتونیک کریستال ها در اشکال و خواص مختلف وجود دارند و از 100 سال پیش مطالعه بر روی آن ها شروع شده است. معرفی فوتونیک کریستال ها ساختار های نانومتری متناوبی هستند که یا دی الکتریک و یا فلز-دی الکتریک هستند که مسیر حرکت موج الکترومغناطیسی را تحت تاثیر قرار می دهند. به همان روشی که پتانسیل های متناوب در نیم رسانا ها حرکت الکترون ها را با ایجاد نوار های انرژی ممنوعه و مجاز تحت تاثیر قرار می دهند. اساس کار فوتونیک کریستال ها بر اساس تغییر درونی ضریب شکست به صورت کم و زیاد در درون کریستال می باشد. انتشار فوتون در داخل این ساختار ها به طول موج آنها بستگی دارد.

طول موج هایی از نور که اجازه انتشار پیدا می کنند مد نامیده می شوند.وگروهی از مد های انتشار یافته باند تشکیل می دهند.باند های غیر مجاز فوتونیک کریستال باند گپ نامیده می شوند.این اتفاق منجر به پدیده های آشنایی مانندجلوگیری از گسیل خود به خودی و آینه های با بازتاب بالای تک جهتی و موجبرهای با اتلا ف پایین می شود. از آنجایی که پدیده ی غالب پراش می باشد باید یک هم خوانی بین طول موج انتشار یافته و ابعاد فوتونیک کریستال وجود داشته باشد.که اینابعاد معمولاً به صورت نصف طول موج انتشاری می باشد.به عنوان مثال این محدوده بین 200 تا 350 نانو متر برای کریستالی است که در محدوده مرئی کار می کند.این خاصیت استفاده و ساخت فوتونیک کریستال ها را تا حدودی سخت و پرهزینه کرده است.کمترین سطح تضعیف برای فیبر کریستال فوتونی 0.18 dB/Km و ضریب پراکندگی ریلی این فیبرها به کمتر از ضریب پراکندگی ریلی فیبر با هسته ی سیلیکای خالص کاهش پیدا کرده است .[2] بعلاوه، تحقیقات اخیر نشان می دهد که ساختار PCF با روزنه های هوا می تواند تلفات میکرو خمش را کاهش ده 

فیبرهای کریستال فوتونی نه تنها برای ادوات فیبر نوری در نظر گرفته می شوند بلکه بعنوان یک محیط انتقال نوری برای شبکه های فوتونیکی با ظرفیت بالای آینده مورد توجه می باشند. فیبرهای فوتونیک کریستال به دو نوع شکل کلی تقسیم می شوند: گروه اول فیبرهای کریستال فوتونی هدایت کننده شاخص است که نو را به وسیله ی مجموعه بازتاب های داخلی بین هسته و منطقه ای با پوشش فلزی و حفره های هوای چندگانه هدایت می کند و گروه دوم، از ساختارهای متناوب در نشان دادن تاثیر باند ممنوعه ی فوتونی در کنترل موج هدایت نور در مناطقی از هسته ی موجبر با ضریب پایین تر استفاده می کنند

فیبرهای کریستال فوتونی هدایت شاخص همچنین به عنوان فیبرهای ریز ساختار و فیبرهای حفره دار نیز نامیده می شوند که ویژگی های خاصی در کنترل پاشندگی از خود به نمایش می گذارند .[6] در دهه های اخیر بسیاری از کارهای تحقیقاتی به حوزه ی فیبر فوتونیک کریستال اختصاص داده شده است. در حقیقت امروزه کنترل تکنولوژیکی ویژگی های فیبر فوتونیک کریستال قابل مقایسه با فیبرهای معمولی استاندارد است

فیبرهای کریستال فوتونی هدایت شاخص ویژگی خاصی در کنترل پاشندگی رنگی با تغییر قطر حفره ها و فاصله ی بین حفره ها دارند. تاکنون فیبرهای فوتونیک کریستال متنوعی با ویژگی های پاشندگی قابل توجهی مانند طول موج های صفر پاشندگی قابل انتقال به طول موج های نزدیک مادون قرمز، پاشندگی رنگی فوق مسطح، و همچنین یک پاشندگی بزرگ مثبت با یک شیب منفی در محدوده طول موج 1550 نانومتر گزارش شده است .[3-7] شکل -1 1 ساختار یک فیبر کریستال فوتونی با شاخص موثر را نشان می دهد

شکل 1-1 ساختار یک فیبر کریستال فوتونی با شاخص موثر

در این تحقیق با تغییر پارامترهای فیبر کریستال فوتونی مانند تعداد حفره ها، اندازه ی شعاع حفره ها و فاصله ی آن ها، قصد داریم که پاشندگی را در این فیبرها به حداقل ممکن برسانیم.