ابزار هدایت به بالای صفحه

توضیحات:

پایان نامه کارشناسی ارشد طراحي مولتي پلكسر تقسيم طول موج با استفاده از بلورهای فوتونی در طول موج 55/1 ميكرومتر

چکیده:

در اين پايان نامه طراحي مقسم طول موج با استفاده از بلورهاي فوتوني  بر روي زير لايه InPدر پنجره طول موج 1.55 مايكرومتر مورد بررسي قرار مي‌گيرد. براي تحقق اين هدف در ابتدا كلياتي از تقسيم طول موج و بلورهاي فوتوني در فصل اول ارايه گرديده است. در ادامه به معرفي بلورهاي فوتوني و ساختارهاي آن نظير يك بعدي، دو بعدي و سه بعدي پرداخته شده است و نيز شكاف باند فوتوني در شبكه‌هاي با آرايه‌هاي مربعي و مثلثي مورد بررسي قرار گرفته‌اند. همچنين ساختارهاي بلورهاي فوتوني با نقص همراه با مثال‌هايی آورده شده است. در ادامه روابط رياضي مربوط به بلورهاي فوتوني ارايه گرديده است كه نرم افزارهاي شبيه‌ساز برپايه آن‌ها شبيه‌سازي را انجام مي‌دهند. همچنين در ادامه انواع مقسم‌هاي طول موج با استفاده از بلورهاي فوتوني كه عمدتا با استفاده از زيرلايه سلسيم و تكنولوژي SOI  مورد بررسي قرار مي‌گیرند و همچنين مشدد حلقوي كه ما در اين پروژه براي تقسيم طول موج از آن استفاده نموده‌ايم، معرفي گرديده است. براي شبيه‌سازي از نرم افزار Rsoft استفاده شده است كه نحوه كار با اين نرم افزار به همراه مثال‌هايي ذكر گرديده است. پس از طي مراحل ذكر شده دو ساختار پيشنهادي براي مقسم طول موج معرفي گرديده است. هر دو ساختار بر‌اساس ساختمان مشدد حلقوي پايه‌ريزي شده‌اند كه با استفاده از بلورهاي فوتوني بر روي زير لايه InP عمل تقسم طول موج را انجام مي‌دهند.

مقدمه:

امروزه، براي افزايش ظرفيت شبكه‌هاي مخابراتي از روش مقسم طول موج WDM ، (wavelength division multiplexing) به شكل گسترده‌اي استفاده مي‌گردد. در اين روش، چندين طول موج با يكديگر تركيب و يا تجزيه مي‌گردد. در مدارهاي مجتمع نوري (PIC) از ادواتي همچون AWG (Arrayed Waveguide Grating) , MZI (Mach-Zehnder Interferometer) , Bragg Grating  در مقسم طول موج استفاده مي‌شود. اين ادوات معمولا داراي ابعاد ميليمتري مي‌باشند. به‌خصوص اگر با ليزر و تقويت‌كننده‌هاي نوري مجتمع‌سازي شوند. براي كاهش هزينه ساخت و آوردن تعداد زيادي از اين ادوات بر روي يك تراشه و افزايش كارايي آن‌ها لازم است كه از تكنولوژي بلورهاي فوتوني استفاده شود. عمده تحقيقات بر روي ادوات نوري يكپارچه در پنجره طول موج 1.5µm، مبتني بر مواد InP مي‌باشد. مجتمع‌سازي ادوات فعال و غيرفعال نوري با استفاده از بلورهاي فوتوني مي‌تواند اهداف مهم فوق‌الذكر را اقناع نمايد. ساخت مقسم‌هاي طول موج مبتني بر بلورهاي فوتوني با استفاده از تكنولوژي SOI در مراجع مختلفي گزارش شده است. در اين پروژه با استفاده از مواد InP/InGaAsP مقسم طول موجی با استفاده از ساختمان مشدد شبه-حلقوي طراحي و شبيه‌سازي شده است كه در پنجره طول موج 1.5µm عمل مي‌نمايد و قابليت مجتمع‌سازي با ساير ادوات فعال و غيرفعال نوري همچون ليزر، آشكارساز نوري و مدولاتور را داراست.

فهرست مطالب:

1.کلیات 4

1-1) مقدمه         5

1-2) سیستم‌های WDM     6

1-3) بلورهاي فوتوني          7

1-4) روش تحقيق  8

2.آشنايي با بلورهاي فوتوني       10

2-1) مقدمه         11

2-2)  ساختارهاي متفاوت بلورهاي فوتوني        11

2-2-1) سلول ویگنرسایتز      12

2-2-2) ناحیه اول بریلویین     13

2-2-3) شكاف باند فوتوني    14

2-3) بلورهاي فوتوني دوبعدي            14

2-3-1) نقشه شكاف باند ساختارهاي دو بعدي  17

2-4) بلورهاي فوتوني سه‌بعدي          21

2-5) بلور فوتوني تيغهاي      23

2-6) نقص در بلورهاي فوتوني            25

2-7) كاربردهاي بلورهاي فوتوني         26

2-8) بررسي ميزان پژوهش‌هاي انجام شده      33

2-9) نتيجه گيري   33

3.روابط حاكم بر بلورهاي فوتوني 34

3-1) مقدمه         35

3-2) معادلات پايه  35

3-3) روش‌هاي عددي حل معادلات ماكسول     37

3-3-1) روش FDTD            39

3-4) شرايط مرزي  43

3-5) نتيجه گيري   43

4.مروري بر كارهاي انجام شده براي تقسيم طول موج         44

4-1) مقدمه         45

4-2) مقسم طول موج T شكل با استفاده از فوتونيك كريستال         45

4-3) طراحي مقسم طول موج با استفاده از نقص در بلور فوتوني      46

4-4) مقسم طول موج با استفاده از كوپلرهاي بلورهاي فوتوني        49

4-5) استفاده از ساختار مشدد حلقوي براي تقسيم طول موج        51

4-5-1) مشددهاي حلقوي   51

4-5-2) مشددهاي نوري حلقوي         52

4-6) مقسم طول موج مبتني بر مشددهاي حلقوي بلورهاي فوتوني  54

4-7) ساختار‌هاي شبه‌بلور فوتوني براي جداسازي طول موج           58

4-8) مقسم طول موج با استفاده از ساختار T اصلاح شده بلورهاي فوتوني     60

4-9) نتيجه گيري   62

5.نرم افزار Rsoft            63

5-1) مقدمه         64

5-2) محیط نرم‌افزاری Rsoft CAD Layout V8     64

5-3) مشدد حلقوي            69

5-3-1) طراحي      69

5-3-2) تعريف متغيرها         70

5-3-3) ساختار طراحي        71

5-3-4) چك كردن وضعيت ضريب شكست ساختار            75

5-3-5) اضافه نمودن نمايشگر زماني    76

5-3-6) تنظيم پارامترهاي ميدان ورودي 79

5-3-7) شبيه‌سازي مشدد حلقوي      81

5-3-8) افزایش رزولوشن FFT 83

5-3-9) شبيه‌سازي مشدد حلقوي با تحريك CW 84

5-4) محاسبه شكاف باند فوتوني        86

5-5) شبيه‌سازي مقسم Y با استفاده از بلوهاي فوتوني   90

5-6) نتيجه گيري   92

6.طراحي مقسم طول موج با استفاده از بلورهاي فوتوني بر روي زير لايه InP در پنجره طول موج 1.55 مايكرومتر          93

6-1) مقدمه         94

6-2) مشدد حلقوي اصلاح شده با استفاده از بلورهاي فوتوني        94

6-3) بلورهاي فوتوني با استفاده از InP/InGaAsP           97

6-4) محاسبه پارامترهاي شبكه         98

6-5) ساخت مشدد حلقوي ساده با استفاده از شبكه ايجاد شده و پارامترهاي بهينه   99

6-6) مقسم طول موج چهار كاناله با استفاده از مشدد حلقوي بهينه شده     100

6-6-1) نتايج شبيه‌سازي      102

6-7) مقسم طول موج با استفاده مشدد حلقوي بهينه شده و مفهوم شعاع موثر         103

6-8) نتيجه گيري   107

7.نتيجه گيري و پيشنهادات          108

8.منابع و مأخذ    110

فهرست شکل‌ها

شکل ‏1 1: نمايش يك سيستم مخابراتي[39]    6

شکل ‏1 2: سيستم مالتي‌پلكسرTDM [40]       6

شکل ‏1 3: سيستم مالتي‌پلكسر WDM            7

شکل ‏1 4: نمونه هایي از كاربردهاي بلورهاي فوتوني[4]   8

شکل ‏2 1: نمايش سه ساختار بلور فوتوني. از چپ به راست به ترتيب: يك، دو و سه بعدي[5]     12

شکل ‏2 2: شبكه مربعي      12

شکل ‏2 3: شبكه گرافيت     13

شکل ‏2 4: نمايش شبكه معكوس، ناحيه اول بريلوييني و ناحيه كاهش ناپذير   14

شکل ‏2 5: يك كريستال فوتوني دو بعدي          15

شکل ‏2 6: نمودار شكاف باند شبكه مربعي [5]  16

شکل ‏2 7: كريستال فوتوني دو بعدي حفره‌هاي هوا در بستر دي‌الكتريك [5]   16

شکل ‏2 8: نمودار ساختار باند شبكه مثلثي با حفره‌هاي هوا [5]     16

شکل ‏2 9: نمايش شكاف باند بر حسب تغييرات شعاع، براي شبكه ميله‌اي مربعي [5]  17

شکل ‏2 10: چگونگي تغييرات شكاف باند براي شبكه ميله‌اي مربعي [5]       18

شکل ‏2 11: نقشه شكاف باند براي شبكه مثلثي دي‌الكتريك GaAS در هوا [5]            18

شکل ‏2 12: چگونگي تغييرات شكاف باند براي شبكه ميله‌اي مثلثي [5]        19

شکل ‏2 13: نقشه شكاف باند ساختار مربعي حفره‌هاي هوا درGaAs [5]      19

شکل ‏2 14: نقشه شكاف باند ساختار مثلثي حفره‌هاي هوا در ديالكتريك [5] 20

شکل ‏2 15: چگونگي تغييرات شكاف باند براي شبكه مثلثي با حفره‌هاي هوا [5]         20

شکل ‏2 16: نمايش دو نوع آرايش مختلف كريستال فوتوني و دياگرام باند آن‌ها [5]        22

شکل ‏2 17: نمودار شكاف باند براي ساختار كريستالي فوتوني نشان داده شده [5]     22

شکل ‏2 18: نمايش كريستال فوتوني تيغه‌اي؛ حفره‌اي (راست)، ميله‌اي (چپ) [5]      24

شکل ‏2 19: نمايش تغييرات شكاف باند برحسب تغيير ضخامت [5]   25

شکل ‏2 20: انواع نقص ايجاد شده در بلور فوتوني [5]       26

شکل ‏2 21: دو نوع از فيبر بلور فوتوني [7]         27

شکل ‏2 22: نمودار ميدان مغناطيسي عرضي مود پايه در سطح مقطع يك فيبر نوري بلور فوتوني [8]           28

شکل ‏2 23: استفاده از اثر ابرمنشور در تفكيك كانالهاي چگال مخابرات نوري [9]          28

شکل ‏2 24: شكست منفي و بازسازي كامل تصوير منبع نقطهاي نور توسط بلور فوتوني [10]       28

شکل ‏2 25: عبور از مرز پراش كلاسيك 29

شکل ‏2 26: كاواك بلور فوتوني با ضريب كيفيت بسيار بالا و حجم مود كوچك [13]         30

شکل ‏2 27: ديود نوري GaN با بهرهگيري از بلور فوتوني     31

شکل ‏2 28: ديود نوري نانوذرات سيليكون با آينه بازيافت بلور فوتوني [15]       31

شکل ‏2 29: آرايه كاواكهاي مزدوج بلور فوتوني    32

شکل ‏2 30: نمايش توزيع ميدانهاي فوتونها و فونونهاي كاواك بدست آمده در بلور فوتوني دوبعدي  32

شکل ‏3 1: نمایش سلولYee [22]     41

شکل ‏4 1: نمايش مقسم طول موج T شكل [23]           45

شکل ‏4 2: نمايش خروجي هر دو كانال            46

شکل ‏4 3: مقسم طول موج تك كانال [24]       47

شکل ‏4 4: ورودي و خروجي براي شبكه نشان داده شده [24]      48

شکل ‏4 5: مقسم طول موج 6 كاناله [24]        48

شکل ‏4 6: خروجي مقسم 6 كاناله [24]          49

شکل ‏4 7: مقسم طول موج 2 كاناله [26]        49

شکل ‏4 8: خروجي ساختار نشان داده شده در شكل قبل            50

شکل ‏4 9: نمایش مقسم طول موج 4 کاناله      50

شکل ‏4 10: نمايش خروجي مقسم 4 كانال      51

شکل ‏4 11: نمايش يك نمونه مشدد حلقوي [40]           52

شکل ‏4 12: مشدد حلقوي (a)حالت تشديد خاموش (b)حالت تشديد روشن [27]       53

شکل ‏4 13: پاسخ طيفي مشدد حلقوي[27]    54

شکل ‏4 14: نمونه‌های مشدد‌هاي حلقوي        55

شکل ‏4 15: نمایش مدهای منتشر شده و میزان ضریب کیفیت       55

شکل ‏4 16: مشدد حلقوي در حالت (a)رزنانس خاموش (b)زرنانس روشن [31]          56

شکل ‏4 17: (a)مشدد حلقوي با اسكاتر (b)مشخصه انتقالي[31]   57

شکل ‏4 18: (a)مشدد حلقوي با اضافه شدن يك رديف ميله كوپلينگ؛ (b)منحني مشخصه انتقالي مشدد حلقوي[31]           57

شکل ‏4 19:منحنی انتقال و ضریب کیفیت          58

شکل ‏4 20: مقسم طول موج با استفاده از شبه بلور فوتوني[32]    59

شکل ‏4 21: نمايش تغييرات خروجي برحسب تغييراتR2 در حالت اول  [32]   59

شکل ‏4 22: نمايش تغييرات خروجي برحسب تغييراتR2 در حالت دوم [32]    60

شکل ‏4 23: (a)نمايش شبكه بلور فوتوني تيغه‌اي به همراه حفره رزنانسي[33] (b)خروجی بر اساس مقادیرRci=Dci/2          61

شکل ‏4 24:شبكه بلور فوتوني باRd=73nm و Rci=78nm  61

شکل ‏4 25: (a)مقسم 4 كاناله با حفره رزنانسي اصلاح شده (b)خروجي مقسم [33] 62

شکل ‏5 1: پنجره محاوره‌اي نرم افزار Rsoft در هنگام اجراي برنامه [37]         65

شکل ‏5 2: پنجره محاوره‌اي در رابطه با تنظيمات عمومي شبيه‌سازي            70

شکل ‏5 3: پنجره محاورهاي مربوط به تعريف متغيرها        71

شکل ‏5 4: پنجره محاوره‌اي مربوط به تنظيمات لنز            72

شکل ‏5 5: لنز ايجاد شده با مختصات داده شده 73

شکل ‏5 6: موجبر حلقوي ايجاد شده با استفاده از دو لنز كه بر روي هم قرار گرفته‌اند.   74

شکل ‏5 7: پنجره محاورهاي مربوط به مشخصات موج‌برهاي جانبي   75

شکل ‏5 8: پنجره محاوره‌اي مربوط به تنظيمات نمايش ضريب شكست ساختار  75

شکل ‏5 9: نمايش ضريب شكست ساختار ايجاد شده      76

شکل ‏5 10: پنجره محاوره‌اي مربوط به تنظيمات نمايشگر زماني       77

شکل ‏5 11: (a)قرارگرفتن نمايشگر زماني در مدار (b)چرخشPhi (c)چرخشTheta ]22[           78

شکل ‏5 12: ساختار كامل به همراه نمايشگر زماني         79

شکل ‏5 13: پنجره مربوط به تنظيمات تحريك ورودي          80

شکل ‏5 14: پنجره محاورهاي مربوط به شبيه‌سازي         82

شکل ‏5 15: پنجره شبيه‌سازي در هنگام اجراي برنامه      83

شکل ‏5 16: (a)خروجي بر حسب طول موج (b)خروجي بر حسب فركانس     83

شکل ‏5 17: خروجي مشدد حلقوي با زمان توقف جديد     84

شکل ‏5 18: نمايش مدار در هنگام شبيه‌سازي   85

شکل ‏5 19: خروجي بر حسب زمان با تحريك وروديCW    85

شکل ‏5 20: پنجره مربوط به تنظيمات بلورهاي فوتوني       86

شکل ‏5 21: ساختار بلور فوتوني ايجاد شده در محيط طراحي          88

شکل ‏5 22: پنجره مربوط به تنظيمات شبيه‌سازي BandSolve        89

شکل ‏5 23: (a)نمايش ميدان بر حسب مختصات داده شده (b)نمايش ناحيه اول بريلویين           89

شکل ‏5 24: نمایش ساختار باند (a)TE (b)TM (c)تركيبي 90

شکل ‏5 25: (a)شبكه شش وجهي مقسم بلور فوتوني (b)نمودار ساختار باند شبكه ترسيم شده            91

شکل ‏5 26: (a)نمايش خروجي‌ها برحسب زمان (b)نمايش توزيع ميدان مغناطيسيHy درمقسم  92

شکل ‏6 1: (a)مشدد حلقوي بلور فوتوني (b)نمودار شكاف باند (c)طيف انتقالي مشدد حلقوي (d)حالت تشديد در طول موج 1418نانومتر [38]      95

شکل ‏6 2: مشدد حلقوي اصلاح شده [38]      95

شکل ‏6 3: خروجي (a)مشدد حلقوي با مسدودكننده (b)مشدد حلقوي بدون مسدودكننده [38]            96

شکل ‏6 4: (a)تغييرات ضريب انتقال برحسب تغيير شعاع اسكاترها (b)تغييرات ضريب كيفيت برحسب تغییر شعاع اسکاترها      96

شکل ‏6 5: ساختار مورد استفاده براي مشدد حلقوي در اين پروژه   97

شکل ‏6 6: نمودار شكاف باند فوتوني براي مودهاي TM ,TE برحسب تغييرات شعاع      99

شکل ‏6 7: نمودار ساختمان شكاف باند فوتوني، محاسبه شده از مقادير بهينه شعاع و ثابت شبكه            99

شکل ‏6 8: (a)مشدد حلقوي تعبيه شده در شبكه مربعي. (b)طيف انتقالي مشدد حلقوي نشان داده شده Aموجبر ورودي و B ,C ,D موجبرهاي خروجي هستند.    100

شکل ‏6 9: مقسم چهار كاناله با استفاده از مشدد حلقوي بهينه شده         101

شکل ‏6 10: خروجي‌هاي بدست آمده براي مقسم طول موج بعد از اجراي شبيه‌سازي 103

شکل ‏6 11: نمودار شكاف باند فوتوني براي شبكه با پارامترهاي داده شده     104

شکل ‏6 12: نمايش مفهوم شعاع موثر. در شكل a، ثابت شبكه ميباشد. [31]            104

شکل ‏6 13: مقسم طول موج با استفاده از مشدد حلقوي بهينه شده. موجبرهاي ورودي و خروجي روي شكل تعيين شده‌اند 105

شکل ‏6 14: خروجيهاي شبيهسازي مقسم طول موج      106

شکل ‏6 15: نمايش منحني انتقال (dB) بر حسب طول موج            107

فهرست جداول

جدول ‏4 1: مقادير خروجي به همراه طول موج مركزي و پهناي نصف ماكزيمم [32]        60

جدول ‏4 2: مقادير خروجيها شامل طول موج مركزي ،پهناي باند، ضريب كيفيت و درصد انتقال [33]            62

جدول ‏6 1: خلاصه نتايج. مقادير FWHM و شعاع برحسب نانومتر هستند.       103

جدول ‏6 2: خلاصه نتايج شبيهسازي   107

فهرست نمودارها

نمودار ‏2 1: تعداد مقالات منتشر شده سالانه در ارتباط با بلورهاي فوتوني[36] 33

نمودار ‏3 1: دو گروه اصلي در روش‌هاي عددي[42]         37

نمودار ‏3 2: روشهاي عددي حوزه زمان[42]       38

نمودار ‏3 3: روشهاي عددي حوزه بسامد[42]    38