مقاله کنترل دو پایایی در کلیدهای تمام نوری با کاواک مستقیم

بخشی از مقاله

چکیده

در این مقاله ابتدا به بررسی دو پایایی نوري در کریستال هاي فوتونی پرداخته، غیر خطیت و نقش محیط کر، نقص هاي خطی و نقطه اي در داخل کریستال هاي فوتونی توضیح داده خواهد شد. سپس یک نمونه عملی از کلید تمام نوري مبتنی بر کریستال فوتونی دو بعدي طراحی و مورد بحث قرار می گیرد. در نهایت به پارامتر هاي تاثیر گذار در کلیدزنی تمام نوري اشاره شده و تاثیر دو پارامتر نامیزان و توان مشخصه کاواك در کلیدزنی مورد بحث قرار خواهد گرفت.

کلید واژه- دوپایایی نوري، کاواك مستقیم، کریستال فوتونی، کلیدزنی تمام نوري، محیط کر

-1 مقدمه

یکی  از  اصول  مهمی  که  می  تواند  در  ساخت ترانزیستورها، کلید ها، گیت هاي منطقی،حافظههاو... به کار گرفته شود خاصیت دو پایایی نوري میباشد.سیستمی که خاصیت دوپایایی نوري از خود نشان می دهد، شدت نور خروجی به شدت به نور ورودي وابسته است. استفاده از دوپایایی نوري منجر به افزایش سرعت پردازش سیگنال و مخابرات شده است.[1] غیر خطیت یکی از ویژگی هاي غیر قابل انکار در دوپایایی نوریست.پدیده هاي غیرخطی نوري قادر به توضیح دلیل تغییرضریب شکست محیط بهواسطهاعمال نوري با شدت بالا به محیط مذکور خواهد بود. قطعات و ابزارهاي تمام نوري که از کریستالهاي فوتونی استفاده میکنند میتوانند از نظرابعاد کوچکتر از طول موج نور بوده و در توانهاي بسیار پایینو پهناي باندي که به صورت الکترونیکی به سختی قابل حصولمیباشدکار کنند. [2]

-2 استفاده از پدیده دوپایایی نوري براي کلیدزنی تمام نوري:

خواص دوپایایی یکی از خواص مهم قطعات غیر خطی است. وقتی که این اثر با کریستالهاي فوتونی ادغام شود نتایج خوبی در کلید زنیهاي نوري به همراه خواهد داشت. درواقع یک سیستم دوپایایی داراي دو حالت است که منجربه کلید زنی می شود.[3,4] براي اینکه این حالت اتفاق بیافتدباید دو شرط در سیستم غیر خطی ارضا شوند: برهم کنش نور با ماده غیر خطی بوده و فرآیند پسخورد . شکل 1 منحنی خروجی بر حسب ورودي را براي یک سیستم دو پایا نشان می دهد.براي سادگی فرض میکنیم که ضریب شکستمرتبهغیخطی  سوم سیستم    n2 0 باشد. شرایط صورتنوسانبه این خواهد بود  - no  n 2 - I  k R که در آن no  ضریب شکست خطی، I شدت نور در ماده غیر خطی و  kعددي صحیح میباشد.

با افزایش شدت پرتو نور وروديI افزایش پیدا کرده که منجر به افزایش R و به عبارتی دیگرشیفت R به سمت طول موجهاي بزرگتر خواهد شد. در این صورت R به I نزدیکتر خواهد خودشد که این امرمنجر به افزایش  I خواهد شد.  در اینرابطهفرآیندبازخورد مثبتی به صورت زیر حاصل خواهد شد:وقتی که شدت پرتو ورودي به اندازه معین [    I M میرسد، شدتپرتو خروجی[به شدت افزایش پیدا نموده و پرتو خروجازی شاخه[بالایی پرش خواهد نمود. بعد از این پرش در شدت نورخروجی در صورتی که شدت پرتو نور ورودي را باز هم افزایشدهیم R همچنان به سمت طول موج هاي بزرگتر جابجامی شود - که بسیار از مقدار I  دورتر می باشد - و درنتیجه - - I   R افزایش پیدا کرده و بازخوردحاصل منفیمیشود.[5]

از طرف دیگر در صورتی که شدت نور خروجی درروي شاخه بالایی حرکت کند و شدت پرتو نور ورودي کاهشپیدا کند عکس فرآیند فوق اتفاق خواهد افتاد. در یک کریستال فوتونی که از ماده  کر ساخته شده باشد کاواكنقشی اساسی در مشاهده خاصیت دوپایایی بازي می کند. انتقال نور ورودي در داخل یک کریستال فوتونی از طریق موجبرهاي ایجاد شده صورت می گیرد. از مزیت هاي کلید زنی با کریستالهاي فوتونی امکان ایجاد کاواك باپارامتر Q - فاکتور کیفیت کاواك - به مراتب بالا و درنتیجه کاهش توان پرتو ورودي براي مشاهده خاصیت دوپایایی است.[6]

-3 بررسی و شبیه سازي یک نمونه عملی

سیستم مورد بررسی در شکل 2 نشان داده شده است. این سیستم یک ساختار تزویج شده مستقیم - [موج بر ها و کاواكدر یک امتداد قرار[دارند - یک شبکه مکعبی کریستال فوتونی دو بعدي می باشد که از میله هاي[با ضریب دي الکتریک بالا - nH   3.5 - که در    ماده اي با ضریب دي الکتریکپایین - nL  1.5 -     قرار گرفته اند تشکیل شده است.فضاي شبکه یا به عبارتی دیگر فاصله [بین میله ها در a وشعاع هر میله r  a4 می باشد. تنها مدهاي TM را در نظرمی گیریم. براي ایجاد یک موجبر تک مد - به شیوه نقص خطی - در داخل فوتونیک کریستال شعاع میله ها را در یکاي و افزایش شعاع یک تک میله در شبکه به اندازه  کاواك موردنظر را ایجاد خواهیم[نمود. این کاواك را به وسیله3[[میله مختل نشده به موجبرها متصل می کنیم.

یکی از اینموجبرها نقش درگاه ورودي و دیگري نقش درگاهخروجی را ایفا می کنند. این کاواك از طریق فرایندهايتونل زنی با دو درگاه دیگر تزویج میشوند. تزویج شدگی مناسب درگاهها و کاواك براي عبور بهینه حائز اهمیت میباشد. کاواك باید از ماده اي ساخته شود که غیر خطیت مرتبه سوم یا همان اثر کر در آن بر قرار باشد به طوري که با افزایش میدان ضریب شکست تغییر کند. حال به دنبال ساخت مدلی تئوري براي پیش بینی پاسخ غیر خطی کاواك برحسب تنها سه متغیر اساسی: فرکانس نوسان، ضریب کیفیت و پارامتر بازخورد غیر خطی می باشیم.نسبت تغییرات توان خروجی و ورودي در ساختار تزویج شده مستقیم به صورت زیر خواهد بود:

در اینجا - P sout - Pins تنهابهدوپارامتربستگی خواهد داشت یکی p0 که توان مشخصه کاواك استفاکتوروبا - Q 2 کیفیت کاواك - رابطه معکوس دارد [5] و دیگري - اختلاف فرکانس تشدید از فرکانس ورودي - نامیزانی کاواك ، که هر کدام تاثیر جداگانه اي خواهند داشت. از معادله فوق میتوان میزان توان مورد نیاز براي %100 عبور رامحاسبه کرد. همچنین میتوان دریافت که براي داشتن %100عبور باید P100%   P0  است و در    عین حال برايمشاهده دو پایایی در سیستم حداقل 3     میباشد درشکل - 3 - منحنی دو پایاي مربوطه حاصل شده است. در شکل - - 4 تاثیر p0 را بر روي سیستمی که در بالا شرح داده شد را بررسی کردیم. با توجه به شکل - 4 - با زیاد کردن p0توان مشخصه کاواك    ، توان آستانه کاواك براي کلید بهسطح بالایی منحنی دو پایا افزایش مییابد علت این امر را1