بخشی از مقاله
چکیده:
برای اولین بار در این مقاله توانسته شد یک ساختار یکسوساز تمام نوری را با کمک موجبر با ضریب شکست گوسی شکل طراحی و شبیه سازی گردد. در این موجبر گوسی شکل، کل موجبر غیرفعال بوده و هیچ عامل حساس به پاشندگی بالا در آن وجود ندارد.
نتایج نشان داد با کمک نیروهای وارده بر سالیتون - نور ورودی - توانسته شد نوسانات انتشار سالیتون کنترل گردد طوری که اختلاف مسیر رفت و برگشت نزدیک به 82 dB برسد. مزیت دیگر ساختار پیشنهادی علاوه بر سادگی و ساخت آسان آن و اختلاف نرخ بسیار بالای گذردهی نامتقارن اینست که برخلاف ساختار فعال، کاملا مستقل از فرکانس نور ورودی است.
-1 مقدمه
یکسوساز نوری با پهنای باند وسیع یکی از اجزای اساسی در سیستم های نوری مختلف از جمله مدارهای فوتونیک یکپارچه، مخابرات نوری و پردازش اطلاعات است 4]؛.[1 تعریف مشهور از جداکننده نوری به عنوان یک افزاره نوری، قابلیت انتشار نور از یک طرف به طرف دیگر - جهت رو به جلو - ، در حالی که توقف انتشار همان نور در جهت عکس است. تا به این روز، برای تحقق بخشیدن به جداکننده نوری روش های مختلف مورد مطالعه قرار گرفته است. رویکرد اساسی جهت تحقق یکسوساز نوری مبتنی بر چرخش فارادی - اثر فارادی - است که در آن صفحه پلاریزاسیون موج الکترومغناطیسی را می توان با انتقال از طریق یک لایه مواد مغناطیس نوری چرخاند.
با استفاده از این روش، تحقق ایزولاسیون نوری به پیشرفت حیرت انگیزی از منظر، تراشه مجتمع شده رسیده است، با این حال شدت خروجی ضعیف به عنوان یک تنگنا بزرگ هنوز باقی مانده است و باید حل شود8]؛.[6 در چند سال گذشته، برخی از پیکربندی ها و ساختارهای جدید طراحی شدهاند تا یکسوساز نوری ایجاد گردد که میتوان به ساختارهای تداخل سنج ماخ-زندر [9]، مدولاسیون ضریب شکست [10]، اثرات اپتو- آکوستیک [11]، تأثیرات الکتریکی- نوری [12]، فراماده هذلولی [13] و بلور فوتونی 16]؛[14 اشاره کرد.
برخی از طرح های طراحی شده نیاز به ساختارهای پیچیده دارند و نه تنها پیاده سازی آنها دشوار [15] است بلکه مکانیسم عملکننده آنها تمام نوری نیست 12]؛ .[11 علاوه بر این، برخی از طرح های دیگر دارای ضعف عمده و عدم بکارگیری آنها در مدارهای مجتمع نوری 5]، [9 است. شکستن تقارن فضایی در محیط انتشار غیرخطی مکانیزم دیگری به منظور تحقق بخشیدن انتقال نامتقارن است. با توجه به این مکانیسم، تنظیمات مختلف چه در محیط غیرفعال 21]؛[16 یا در محیط فعال 25]؛[22 ارائه شده است.
با این حال، شدت پایین خروجی برخی از ساختارهای 20]،18،[16 و فرکانس باند باریک جدا عملکرد جداسازی 22]،21،[19 هنوز حل نشده است. علاوه بر این، محیط های فعال بسیار پاشنده هستند که همین منجر به باند جدا کننده باریک 25]؛[24 میشود. اگرچه تمام پیشرفت های ذکرشده در بالا بسیار شگفت انگیز و چشم گیر است ولی همچنان یک ایزولاتور تمام نوری که همزمان قابلیت ساخت ساده در مدارات مجتمع نوری را داشته باشد، ثانیا تلفات پایین داشته باشد، ثالثا اختلاف نرخ گذردهی بالا به همراه پهنای باند ایزولاسیون بالا داشته باشد پیشنهاد نشده است.
از این رو در این کار، با توجه به مشکلات موجود ساختاری برای اولین بار پیشنهاد و طراحی و شبیه سازی شده است که بر پایه مواد قابل استفاده در ساختارهای مجتمع نوری است. در این ساختار از خاصیت ضریب شکست تدریجی ساختار استفاده شده است. بدین صورت که نور ورودی که در این کار، یک سالیتون نوری است که در نواحی چپ یا راست ساختار به دور از مرکز تقارن وارد ساختار میگردد. سپس با توجه به نیرویی که توسط ضریب شکست تدریجی ساختار به سالیتون وارد میشود
سالیتون شروع به نوسان میکند در حالی که در راستای طولی ساختار منتشر میشود. سپس به دلیل خاصیت غیرخطی ساختار نور در مرکز ساختار - مرکز ساختار - متمرکز میشود و سپس از مرکز خارج می شود. در دگر سو، این بار نور از محل خروجی سالیتون در مسیر رفت وارد ساختار می شود. در مسیر برگشت نور چون از مرکز ساختار وارد می شود در همان مرکز می ماند و سپس خارج میگردد . بنابراین سالیتون مسیر رفت و برگشت آن از هم جدا شده است. نتایج نشان می دهد اختلاف بالای 81dB دسی بل حاصل میگردد.
-2 ساختار یکسوساز تمام نوری
همانطور که بیان شد در این طراحی برای یکسوساز نوری از ساختار غیرفعال با ضریب شکست تدریجی گوسی شکل استفاده شده است. شکل1 ساختار پروفایل نرمالایز شده گوسی شکل را نشان میدهد که در راستای x ضریب شکست دارای نمایه گوسی است طوری که ماکزیمم مقدار آن 0/25 است. مقدار عرض ضریب شکست برابر 40 واحد است.
شکل -1 ضریب شکست غیرخطی ساختاریکسوساز با تغییر تدریجی گوسی وار
ضریب شکست تدریجی دارای غیرخطیت نوع کر است بدین صورت که با توجه به شدت نور ورودی مقدار ضریب شکست ساختار تغییر میکند. از این رو باید شدت نور ورودی یا همان سالیتون دارای حداقل شدت باشد تا مانع پاشندگی نور در هنگام انتشار گردد. در حقیقیت مقدار غیرخطیت تعادل را برای جبران پاشندگی نور تضمین میکند. مقدار حداقلای شدت برابر است با :
که در آن k، n0، n2 و d0 به ترتیب برابر با عدد موج، ضریب شکست موجبر، ضریب غیرخطی کر و پهنای عرضی ورودی است. لازم به توضیح است معادلات حاکم بر انتشار سالیتون در محیط همان معادلات شبهه شرودینگر غیرخطی است که این معادله ازمعادلات ماکسول نتیجه می شود
که در آن E میدان نوری، 0 ضریب نفوذ پذیری فضای آزاد و D چگالی شار میدان نوری است، به طوریکه به صورت زیر تعریف میشود.
