دستگاههای کریستال فوتونیک

دستگاههای کریستال فوتونیک – ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه برق – الکترونیک

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات

بخشی از فصل ۱۱

۱۱   دستگاههای کریستال فوتونیک

در ابتدا تحقیق در زمینه کریستال‌های فوتونیک بیشتر بدلیل جذابیت فیزیکی آن صورت می‌گرفته است. لیکن مطالعات بر روی کاربر‌د‌های آن‌ها در دستگاه‌ها از اواسط دهه ۱۹۹۰ میلادی شروع شده و در جهان گسترش یافت. امروزه کریستال‌های فوتونیک یکی از تکنولوژی‌های کلیدی در عصر آینده‌ی فوتوالکترونیک به شمار می‌روند. در ابتدای این بخش اصول و چشم انداز آینده‌ی دستگاه‌های کریستال‌های فوتونیک مورد بررسی قرار می‌گیرد.

۱۱-۱-  چگونگی استفاده از خواص کریستال‌های فوتونیک (PC)

شکل ‏۱۱‑۱ ارتباط میان کریستال‌های فوتونیک را با دیگر بخش‌های فیزیک نور و همچنین کاربرد‌های مختلف آن نشان ‌میدهد. با توجه به اینکه کریستال‌های فوتونیک قابلیت‌های چند-انکساری[۱] و چند-پراکنی[۲] از خود نشان می‌دهند، می‌توان از یک دید کلی یک کریستال‌ فوتونیک را نوعی هولوگرام دانست. یکی از تازگی‌های PC‌ ها در مقایسه با هولگرام‌های روش طراحی دقیق آنهاست که به محاسبات باند فوتونیک PB[3] معروف است و روشی بسیار کارآمدبرای تخمین کارآیی و بازدهی آنها است.

[۱]– Multi-diffraction

[۲]– Multi-scattering

[۳]– Photonic Band

دستگاههای کریستال فوتونیک

نمودار PB نشان می‌دهد که سه محدوده فرکانسی مختلف برای نور وجود دارد که از آن‌ها می‌توان برای کابرد‌های عملی استفاده نمود (مطابق شکل ۱۱-۲). نخستین محدوده کوتاهترین بازه فرکانسی است که از محدوده فولدینگ[۱]PB کمتر است. گرادیان کوچکترین PB مستقیم با ضریب انکسار PC (n) شناخته می‌شود که برای پولاریزاسیون های مختلف مقادیر متفاوتی دارد (شکل ۱۱-۲ تنها برای یک پولاریزاسیون ترسیم شده است). این خاصیت به صورت سنتی به انکسار مضاعف (birefringence) معروف است. از آنجا که محاسبات PB مقدار ضریب موثر را برای هر یک از پولاریزاسیون‌ها به صورت دقیق محاسبه می‌کند، این ضریب به صورت مصنوعی توسط ساختار PC کنترل می‌شود. دومین حوزه فرکانسی باند شکاف نوری[۲] (PBG) است که معرف باند توقف (یا ممنوعه) تمام-راستایی[۳]است. این یکی از خواص منحصر به فرد کریستال‌های فوتونیکی است و موضوع اصلی در مطالعات اولیه بر روی این مواد بوده است. از PBG می‌توان به عنوان یک بازتابنده برای نوری که از یک جهت دلخواه وارد PC می‌شود دانست. از این خاصیت در دستگاه‌های بازتابنده مانن لیزر‌ها و هدایتگر امواج استفاده می‌شود. سومین حوزه محدوده فرکانسی بالاتر از PBG است که PBهای پیچیده را شامل می‌شو. شیب PB با سرعت گروهی نور  متناسب است. بنابراین یک باند افقی در یک لبه-باندی به معنی مقدار صفر برای  و متمرکز شدن انرژی نور است. در PC های دو و سه بعدی مقدار صفر یا بسیار کوچک  نه تنها در لبه-باندی بلکه در باند های مختلفی رخ می‌دهد.

[۱]– Folding

[۲]– Photonic Band Gap

[۳]– Omni-directional stopband

دستگاههای کریستال فوتونیک

۱۱-۲-۲- لیزر باند-لبه

این یک بسط لیزر DFB نرمال به سمت ساختار‌های دو بعدی تناوبی است. مود لیزینگ از دو طریق قابل درک است: روش اول توسط  صفر در لبه باند و روش دوم موج ایستاده ناشی از مود‌های کوپل شده است.

یک آرایه از میکروستون‌ها مورد بررسی قرار گرفته است، زیرا تناوب دو بعدی ساختاری مؤلفه‌ی مماسی بردار  را جابجا می‌کند به طوری که نور داخلی یک شرط استخراج نوری معروف به مخروط نور را ارضا می‌نمایید. از دیدگاه تئوری، آن‌ها موجب افزایس بازدهی استخراج تا بیش از ۸۰ درصد می‌شوند. همانطور که در شکل ۱۱-۹ مشاهده می‌شود چنین بازدهی بالای استخراج به صورت عملی نیز در میکروستون‌ها نشان داده شده است [۱۵]. در این‌جا بیشترین افزایش بالغ بر ۲۰ برابر به کمک فوتولومینسنس و عمر حامل اندازه‌گیری شده است. با این وجود، اندازه‌گیری عمر حامل یک بازترکیب سطحی بزرگی را نشان می‌دهد که قبلا به آن اشاره شد. این امر باعص کاهش بازدهی کوانتومی داخلی تا کمتر از ۲۰ درصد شده و مانع بهبود بازدهی کلی می‌شود. همچنین ایجاد الکترود‌‌های فلزی برای جریان تزریقی در این ساختار‌ها دشوار است. برای اجتناب از مشکل اول، یک ساختار با چیدمان PC مجزا از بخش ساطع کننده نور مورد بررسی قرار گرفته است [۱۶]. ولی این ساختار‌ها همچنان نیازمند ساختار‌های ورقی نازک با ضریف روکش فلزی n پایین هستند که برایشان همچنان مشکل دوم پابرجاست.

یک ساختار ساده‌تر که ممکن است برای تولید LEDهای کم هزینه مورد قبول باشد PCهای دو بعدی زبر هستند که در شکل ۱۱-۱۰ (الف) نشان‌داده شده‌‌اند [۱۷]. نور داخلی تولید شده از لایه فعال با نور هدایت‌شده در اطراف لایه فعال و همچنین نور آزاد پیشرو در نیمه‌رسانا کوپل می‌شود. نور آزاد پیشرو که توسط شکست داخلی کامل از نیمه رسانا جدا نشده‌است بیشترین زاویه خالص را دارد. بنابراین بازدهی استخراج بدلیل اعمال بردار‌های شبکه‌ای رفت و برگشتی زبری سطح بر k بردار موج آزاد پیشرو و تغییر زاویه پیشروی به مقداری معادل زاویه استخراج سطح آزاد، افزایش می‌یابد.

دستگاههای کریستال فوتونیک

۲-۱۱ موجبر نوری

شکل ۱۱-۱۱ موجبر‌های مختلف مبتنی بر ساختار PC به صورت مختصر نشان می‌دهد. تمامی آن‌ها از نقص‌های خطی، سری‌ای از نقص‌های PC، استفاده می‌کنند. بیشترین مطالعات بر روی ورقه‌های PCصورت گرفته است. این بخش ابتدا جزئیات این هدایت کننده‌ها را توضیح می‌دهد و سپس به انواع دیگر می‌پردازد.

دستگاههای کریستال فوتونیک

۱۱-۳-۱- هدایت کننده نقص-خطی در ورقه‌های کریستال فوتونیک

نقص خطی‌ای که در یک PC یکنواخت بوجود می‌آید به عنوان یک موجبر نوری عمل می‌کند که به ان موجبر نقص-خطی PC گفته می‌شود. ابتدا این پدیده در یک شبیه سازی برای شبکه مربعی و مثلثی PCهای دوبعدی مشاهده شد که از ستون‌های دی الکتریک با ارتفاع بینهایت ساخته شده اند [۱۸-۱۹].پلاریزاسیون نور به مود TM‌ای محدود شده بود که میدان‌های الکتریکی موازی با ستون‌ها داشته و از خود شکاف باند نوری در صفحات دو بعدی نشان می‌دهد. با این وجود در این مورد هوا کانال انتقال است بنابراین محبوس کردن نور در صفحه دو‌بعدی بسیار دشوار است. بنا‌براین در آزمایش از یک ورقه PC حفره‌دار استفاده شده است [۲۰]. PC دوبعدی‌ حفره‌ها موجب ایجاد PBGهای وسیعی در صفحه دوبعدی برای پولاریزاسیون موازی با صفحه می‌شود (پولاریزاسیون TE). در یک ورقه‌ی PC، شکاف باندی برای پولاریزاسیون TEمانند نیز بوجود می‌آید. در این حالت نقص خطی یک کانال دی‌الکتریک شده و نور بدلیل شکست کامل داخلی محدود به راستای عمودی می‌شود. در آزمایش اول، یک ورقه‌ی نازکی از نیمه رسانای GaInAsP سوراخ‌دار به یک ورقه‌ی نازکی از جنس SiO₂ متصل شده است. پیشروی نور در نقص خطی در طول‌ موج‌های ارتباطی نوری (مطابق شکل ۱۱-۱۲)مشاهده شده است. در اینجا، وابستگی طول موج و پولاریزاسیون مشاهده شد که آن را به خواص PB مرتبط می‌دانند.

دستگاههای کریستال فوتونیک

۱۱-۳-۲- انواع دیگر موجبرها

در موجبر نقص-خطی، نقص‌های نقطه‌ای مستقیما با یکدیگر مرتیط شده‌اند تا یک نقص خطی را بوجود آورند. از سوی دیگر، نوع دیگری از موجبرا نیز مورد مطالعه قرار گرفته‌اند که در آن‌ها نقص‌های نقطه‌ای با تناوبی از PC از یکدیگر مجزا شده اند [۳۵] که به آن‌ها موجبر حفره‌‌ای کوپل شده گفته می‌شود زیرا نقص‌های همسایه به صورت ضعیف با یکدیگر کوپل هستند. یک پرتوی نور با محدوده‌ی فرکانسی مشخص با تکرار انتقال توان از یک نقص به نقص دیگر از درون موجبر عبور می‌کند. از نظر تئوری، این نوع موجبر ها می‌توانند بازدهی انتقال نوری بسیار زیادی را در هر خمیدگی شدید از خود نشان دهند. ولی بدلیل ذات فرآیند بازه‌ی فرکانسی محدود است و همچنین بازدهی انتقال در مقابل نوسانات ابعاد نقص پایدار نیست. لذا این نوع موجبر نه تنها به عنوان یک المان مدار‌های نوری بلکه به عنوان یک دستگاه جبران‌کننده‌ی انتشار نیز مورد مطالعه قرار می‌گیرد.

به صورت مشابهی با هدایت گر در یک ورق PC، موجبر نوع ستونی ارائه شد (همانند شکل ۱۱-۱۱ (ب) ) [۳۶]. هر ستون دارای ساختار موجبری سه‌-لایه‌ای است و ستون‌های بلند‌تر به عنوان نقص‌های خطی مورد استفاده قرار می‌گیرند. محاسبات PB، وجود PBG و مد‌های هدایت خالص برای پولاریزاسیون‌های TM مانند را نشان می‌دهند.

دستگاههای کریستال فوتونیک