پروژه و تحقیق طراحی مولتی پلکسر تقسیم طول موج با استفاده از بلورهای فوتونی در موج 55/1 میکرومتر

توضیحات:

پایان نامه کارشناسی ارشد طراحی مولتی پلکسر تقسیم طول موج با استفاده از بلورهای فوتونی در طول موج 55/1 میکرومتر

 

چکیده:

در این پایان نامه طراحی مقسم طول موج با استفاده از بلورهای فوتونی  بر روی زیر لایه InPدر پنجره طول موج 1.55 مایکرومتر مورد بررسی قرار می گیرد. برای تحقق این هدف در ابتدا کلیاتی از تقسیم طول موج و بلورهای فوتونی در فصل اول ارایه گردیده است. در ادامه به معرفی بلورهای فوتونی و ساختارهای آن نظیر یک بعدی، دو بعدی و سه بعدی پرداخته شده است و نیز شکاف باند فوتونی در شبکه های با آرایه های مربعی و مثلثی مورد بررسی قرار گرفته اند. همچنین ساختارهای بلورهای فوتونی با نقص همراه با مثال هایی آورده شده است. در ادامه روابط ریاضی مربوط به بلورهای فوتونی ارایه گردیده است که نرم افزارهای شبیه ساز برپایه آن ها شبیه سازی را انجام می دهند. همچنین در ادامه انواع مقسم های طول موج با استفاده از بلورهای فوتونی که عمدتا با استفاده از زیرلایه سلسیم و تکنولوژی SOI  مورد بررسی قرار می گیرند و همچنین مشدد حلقوی که ما در این پروژه برای تقسیم طول موج از آن استفاده نموده ایم، معرفی گردیده است. برای شبیه سازی از نرم افزار Rsoft استفاده شده است که نحوه کار با این نرم افزار به همراه مثال هایی ذکر گردیده است. پس از طی مراحل ذکر شده دو ساختار پیشنهادی برای مقسم طول موج معرفی گردیده است. هر دو ساختار بر اساس ساختمان مشدد حلقوی پایه ریزی شده اند که با استفاده از بلورهای فوتونی بر روی زیر لایه InP عمل تقسم طول موج را انجام می دهند.

 

 

مقدمه:

امروزه، برای افزایش ظرفیت شبکه های مخابراتی از روش مقسم طول موج WDM ، (wavelength division multiplexing) به شکل گسترده ای استفاده می گردد. در این روش، چندین طول موج با یکدیگر ترکیب و یا تجزیه می گردد. در مدارهای مجتمع نوری (PIC) از ادواتی همچون AWG (Arrayed Waveguide Grating) , MZI (Mach-Zehnder Interferometer) , Bragg Grating  در مقسم طول موج استفاده می شود. این ادوات معمولا دارای ابعاد میلیمتری می باشند. به خصوص اگر با لیزر و تقویت کننده های نوری مجتمع سازی شوند. برای کاهش هزینه ساخت و آوردن تعداد زیادی از این ادوات بر روی یک تراشه و افزایش کارایی آن ها لازم است که از تکنولوژی بلورهای فوتونی استفاده شود. عمده تحقیقات بر روی ادوات نوری یکپارچه در پنجره طول موج 1.5µm، مبتنی بر مواد InP می باشد. مجتمع سازی ادوات فعال و غیرفعال نوری با استفاده از بلورهای فوتونی می تواند اهداف مهم فوق الذکر را اقناع نماید. ساخت مقسم های طول موج مبتنی بر بلورهای فوتونی با استفاده از تکنولوژی SOI در مراجع مختلفی گزارش شده است. در این پروژه با استفاده از مواد InP/InGaAsP مقسم طول موجی با استفاده از ساختمان مشدد شبه-حلقوی طراحی و شبیه سازی شده است که در پنجره طول موج 1.5µm عمل می نماید و قابلیت مجتمع سازی با سایر ادوات فعال و غیرفعال نوری همچون لیزر، آشکارساز نوری و مدولاتور را داراست.

 

 

 

 

فهرست مطالب:

1.کلیات 4

1-1) مقدمه         5

1-2) سیستم های WDM     6

1-3) بلورهای فوتونی          7

1-4) روش تحقیق  8

2.آشنایی با بلورهای فوتونی       10

2-1) مقدمه         11

2-2)  ساختارهای متفاوت بلورهای فوتونی        11

2-2-1) سلول ویگنرسایتز      12

2-2-2) ناحیه اول بریلویین     13

2-2-3) شکاف باند فوتونی    14

2-3) بلورهای فوتونی دوبعدی            14

2-3-1) نقشه شکاف باند ساختارهای دو بعدی  17

2-4) بلورهای فوتونی سه بعدی          21

2-5) بلور فوتونی تیغهای      23

2-6) نقص در بلورهای فوتونی            25

2-7) کاربردهای بلورهای فوتونی         26

2-8) بررسی میزان پژوهش های انجام شده      33

2-9) نتیجه گیری   33

3.روابط حاکم بر بلورهای فوتونی 34

3-1) مقدمه         35

3-2) معادلات پایه  35

3-3) روش های عددی حل معادلات ماکسول     37

3-3-1) روش FDTD            39

3-4) شرایط مرزی  43

3-5) نتیجه گیری   43

4.مروری بر کارهای انجام شده برای تقسیم طول موج         44

4-1) مقدمه         45

4-2) مقسم طول موج T شکل با استفاده از فوتونیک کریستال         45

4-3) طراحی مقسم طول موج با استفاده از نقص در بلور فوتونی      46

4-4) مقسم طول موج با استفاده از کوپلرهای بلورهای فوتونی        49

4-5) استفاده از ساختار مشدد حلقوی برای تقسیم طول موج        51

4-5-1) مشددهای حلقوی   51

4-5-2) مشددهای نوری حلقوی         52

4-6) مقسم طول موج مبتنی بر مشددهای حلقوی بلورهای فوتونی  54

4-7) ساختار های شبه بلور فوتونی برای جداسازی طول موج           58

4-8) مقسم طول موج با استفاده از ساختار T اصلاح شده بلورهای فوتونی     60

4-9) نتیجه گیری   62

5.نرم افزار Rsoft            63

5-1) مقدمه         64

5-2) محیط نرم افزاری Rsoft CAD Layout V8     64

5-3) مشدد حلقوی            69

5-3-1) طراحی      69

5-3-2) تعریف متغیرها         70

5-3-3) ساختار طراحی        71

5-3-4) چک کردن وضعیت ضریب شکست ساختار            75

5-3-5) اضافه نمودن نمایشگر زمانی    76

5-3-6) تنظیم پارامترهای میدان ورودی 79

5-3-7) شبیه سازی مشدد حلقوی      81

5-3-8) افزایش رزولوشن FFT 83

5-3-9) شبیه سازی مشدد حلقوی با تحریک CW 84

5-4) محاسبه شکاف باند فوتونی        86

5-5) شبیه سازی مقسم Y با استفاده از بلوهای فوتونی   90

5-6) نتیجه گیری   92

6.طراحی مقسم طول موج با استفاده از بلورهای فوتونی بر روی زیر لایه InP در پنجره طول موج 1.55 مایکرومتر          93

6-1) مقدمه         94

6-2) مشدد حلقوی اصلاح شده با استفاده از بلورهای فوتونی        94

6-3) بلورهای فوتونی با استفاده از InP/InGaAsP           97

6-4) محاسبه پارامترهای شبکه         98

6-5) ساخت مشدد حلقوی ساده با استفاده از شبکه ایجاد شده و پارامترهای بهینه   99

6-6) مقسم طول موج چهار کاناله با استفاده از مشدد حلقوی بهینه شده     100

6-6-1) نتایج شبیه سازی      102

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

6-8) نتیجه گیری   107

7.نتیجه گیری و پیشنهادات          108

8.منابع و ماخذ    110

 

فهرست شکل ها

شکل ‏1 1: نمایش یک سیستم مخابراتی[39]    6

شکل ‏1 2: سیستم مالتی پلکسرTDM [40]       6

شکل ‏1 3: سیستم مالتی پلکسر WDM            7

شکل ‏1 4: نمونه هایی از کاربردهای بلورهای فوتونی[4]   8

شکل ‏2 1: نمایش سه ساختار بلور فوتونی. از چپ به راست به ترتیب: یک، دو و سه بعدی[5]     12

شکل ‏2 2: شبکه مربعی      12

شکل ‏2 3: شبکه گرافیت     13

شکل ‏2 4: نمایش شبکه معکوس، ناحیه اول بریلویینی و ناحیه کاهش ناپذیر   14

شکل ‏2 5: یک کریستال فوتونی دو بعدی          15

شکل ‏2 6: نمودار شکاف باند شبکه مربعی [5]  16

شکل ‏2 7: کریستال فوتونی دو بعدی حفره های هوا در بستر دی الکتریک [5]   16

شکل ‏2 8: نمودار ساختار باند شبکه مثلثی با حفره های هوا [5]     16

شکل ‏2 9: نمایش شکاف باند بر حسب تغییرات شعاع، برای شبکه میله ای مربعی [5]  17

شکل ‏2 10: چگونگی تغییرات شکاف باند برای شبکه میله ای مربعی [5]       18

شکل ‏2 11: نقشه شکاف باند برای شبکه مثلثی دی الکتریک GaAS در هوا [5]            18

شکل ‏2 12: چگونگی تغییرات شکاف باند برای شبکه میله ای مثلثی [5]        19

شکل ‏2 13: نقشه شکاف باند ساختار مربعی حفره های هوا درGaAs [5]      19

شکل ‏2 14: نقشه شکاف باند ساختار مثلثی حفره های هوا در دیالکتریک [5] 20

شکل ‏2 15: چگونگی تغییرات شکاف باند برای شبکه مثلثی با حفره های هوا [5]         20

شکل ‏2 16: نمایش دو نوع آرایش مختلف کریستال فوتونی و دیاگرام باند آن ها [5]        22

شکل ‏2 17: نمودار شکاف باند برای ساختار کریستالی فوتونی نشان داده شده [5]     22

شکل ‏2 18: نمایش کریستال فوتونی تیغه ای؛ حفره ای (راست)، میله ای (چپ) [5]      24

شکل ‏2 19: نمایش تغییرات شکاف باند برحسب تغییر ضخامت [5]   25

شکل ‏2 20: انواع نقص ایجاد شده در بلور فوتونی [5]       26

شکل ‏2 21: دو نوع از فیبر بلور فوتونی [7]         27

شکل ‏2 22: نمودار میدان مغناطیسی عرضی مود پایه در سطح مقطع یک فیبر نوری بلور فوتونی [8]           28

شکل ‏2 23: استفاده از اثر ابرمنشور در تفکیک کانالهای چگال مخابرات نوری [9]          28

شکل ‏2 24: شکست منفی و بازسازی کامل تصویر منبع نقطهای نور توسط بلور فوتونی [10]       28

شکل ‏2 25: عبور از مرز پراش کلاسیک 29

شکل ‏2 26: کاواک بلور فوتونی با ضریب کیفیت بسیار بالا و حجم مود کوچک [13]         30

شکل ‏2 27: دیود نوری GaN با بهرهگیری از بلور فوتونی     31

شکل ‏2 28: دیود نوری نانوذرات سیلیکون با آینه بازیافت بلور فوتونی [15]       31

شکل ‏2 29: آرایه کاواکهای مزدوج بلور فوتونی    32

شکل ‏2 30: نمایش توزیع میدانهای فوتونها و فونونهای کاواک بدست آمده در بلور فوتونی دوبعدی  32

شکل ‏3 1: نمایش سلولYee [22]     41

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

شکل ‏4 2: نمایش خروجی هر دو کانال            46

شکل ‏4 3: مقسم طول موج تک کانال [24]       47

شکل ‏4 4: ورودی و خروجی برای شبکه نشان داده شده [24]      48

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

شکل ‏4 6: خروجی مقسم 6 کاناله [24]          49

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

شکل ‏4 8: خروجی ساختار نشان داده شده در شکل قبل            50

شکل ‏4 9: نمایش مقسم طول موج 4 کاناله      50

شکل ‏4 10: نمایش خروجی مقسم 4 کانال      51

شکل ‏4 11: نمایش یک نمونه مشدد حلقوی [40]           52

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

شکل ‏4 13: پاسخ طیفی مشدد حلقوی[27]    54

شکل ‏4 14: نمونه های مشدد های حلقوی        55

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

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

شکل ‏4 17: (a)مشدد حلقوی با اسکاتر (b)مشخصه انتقالی[31]   57

شکل ‏4 18: (a)مشدد حلقوی با اضافه شدن یک ردیف میله کوپلینگ؛ (b)منحنی مشخصه انتقالی مشدد حلقوی[31]           57

شکل ‏4 19:منحنی انتقال و ضریب کیفیت          58

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

شکل ‏4 21: نمایش تغییرات خروجی برحسب تغییراتR2 در حالت اول  [32]   59

شکل ‏4 22: نمایش تغییرات خروجی برحسب تغییراتR2 در حالت دوم [32]    60

شکل ‏4 23: (a)نمایش شبکه بلور فوتونی تیغه ای به همراه حفره رزنانسی[33] (b)خروجی بر اساس مقادیرRci=Dci/2          61

شکل ‏4 24:شبکه بلور فوتونی باRd=73nm و Rci=78nm  61

شکل ‏4 25: (a)مقسم 4 کاناله با حفره رزنانسی اصلاح شده (b)خروجی مقسم [33] 62

شکل ‏5 1: پنجره محاوره ای نرم افزار Rsoft در هنگام اجرای برنامه [37]         65

شکل ‏5 2: پنجره محاوره ای در رابطه با تنظیمات عمومی شبیه سازی            70

شکل ‏5 3: پنجره محاورهای مربوط به تعریف متغیرها        71

شکل ‏5 4: پنجره محاوره ای مربوط به تنظیمات لنز            72

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

شکل ‏5 6: موجبر حلقوی ایجاد شده با استفاده از دو لنز که بر روی هم قرار گرفته اند.   74

شکل ‏5 7: پنجره محاورهای مربوط به مشخصات موج برهای جانبی   75

شکل ‏5 8: پنجره محاوره ای مربوط به تنظیمات نمایش ضریب شکست ساختار  75

شکل ‏5 9: نمایش ضریب شکست ساختار ایجاد شده      76

شکل ‏5 10: پنجره محاوره ای مربوط به تنظیمات نمایشگر زمانی       77

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

شکل ‏5 12: ساختار کامل به همراه نمایشگر زمانی         79

شکل ‏5 13: پنجره مربوط به تنظیمات تحریک ورودی          80

شکل ‏5 14: پنجره محاورهای مربوط به شبیه سازی         82

شکل ‏5 15: پنجره شبیه سازی در هنگام اجرای برنامه      83

شکل ‏5 16: (a)خروجی بر حسب طول موج (b)خروجی بر حسب فرکانس     83

شکل ‏5 17: خروجی مشدد حلقوی با زمان توقف جدید     84

شکل ‏5 18: نمایش مدار در هنگام شبیه سازی   85

شکل ‏5 19: خروجی بر حسب زمان با تحریک ورودیCW    85

شکل ‏5 20: پنجره مربوط به تنظیمات بلورهای فوتونی       86

شکل ‏5 21: ساختار بلور فوتونی ایجاد شده در محیط طراحی          88

شکل ‏5 22: پنجره مربوط به تنظیمات شبیه سازی BandSolve        89

شکل ‏5 23: (a)نمایش میدان بر حسب مختصات داده شده (b)نمایش ناحیه اول بریلویین           89

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

شکل ‏5 25: (a)شبکه شش وجهی مقسم بلور فوتونی (b)نمودار ساختار باند شبکه ترسیم شده            91

شکل ‏5 26: (a)نمایش خروجی ها برحسب زمان (b)نمایش توزیع میدان مغناطیسیHy درمقسم  92

شکل ‏6 1: (a)مشدد حلقوی بلور فوتونی (b)نمودار شکاف باند (c)طیف انتقالی مشدد حلقوی (d)حالت تشدید در طول موج 1418نانومتر [38]      95

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

شکل ‏6 3: خروجی (a)مشدد حلقوی با مسدودکننده (b)مشدد حلقوی بدون مسدودکننده [38]            96

شکل ‏6 4: (a)تغییرات ضریب انتقال برحسب تغییر شعاع اسکاترها (b)تغییرات ضریب کیفیت برحسب تغییر شعاع اسکاترها      96

شکل ‏6 5: ساختار مورد استفاده برای مشدد حلقوی در این پروژه   97

شکل ‏6 6: نمودار شکاف باند فوتونی برای مودهای TM ,TE برحسب تغییرات شعاع      99

شکل ‏6 7: نمودار ساختمان شکاف باند فوتونی، محاسبه شده از مقادیر بهینه شعاع و ثابت شبکه            99

شکل ‏6 8: (a)مشدد حلقوی تعبیه شده در شبکه مربعی. (b)طیف انتقالی مشدد حلقوی نشان داده شده Aموجبر ورودی و B ,C ,D موجبرهای خروجی هستند.    100

شکل ‏6 9: مقسم چهار کاناله با استفاده از مشدد حلقوی بهینه شده         101

شکل ‏6 10: خروجی های بدست آمده برای مقسم طول موج بعد از اجرای شبیه سازی 103

شکل ‏6 11: نمودار شکاف باند فوتونی برای شبکه با پارامترهای داده شده     104

شکل ‏6 12: نمایش مفهوم شعاع موثر. در شکل a، ثابت شبکه میباشد. [31]            104

شکل ‏6 13: مقسم طول موج با استفاده از مشدد حلقوی بهینه شده. موجبرهای ورودی و خروجی روی شکل تعیین شده اند 105

شکل ‏6 14: خروجیهای شبیهسازی مقسم طول موج      106

شکل ‏6 15: نمایش منحنی انتقال (dB) بر حسب طول موج            107

 

فهرست جداول

جدول ‏4 1: مقادیر خروجی به همراه طول موج مرکزی و پهنای نصف ماکزیمم [32]        60

جدول ‏4 2: مقادیر خروجیها شامل طول موج مرکزی ،پهنای باند، ضریب کیفیت و درصد انتقال [33]            62

جدول ‏6 1: خلاصه نتایج. مقادیر FWHM و شعاع برحسب نانومتر هستند.       103

جدول ‏6 2: خلاصه نتایج شبیهسازی   107

 

 

فهرست نمودارها

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

نمودار ‏3 1: دو گروه اصلی در روش های عددی[42]         37

نمودار ‏3 2: روشهای عددی حوزه زمان[42]       38

نمودار ‏3 3: روشهای عددی حوزه بسامد[42]    38