Проектування вентилю для оптичної системи зв’язку на одновимірному фотонному кристалі

Розглянемо можливі напрями  поширення плоскої гармонійної  хвилі в кристалі і умови, що дозволяють виконати поставлене завдання.

Нехай хвиля, що передється, поширюється із середовища 1 в середовище 2 під кутом падіння 90 °. Структура повинна пропускати таку хвилю, отже коефіцієнт відображення цієї частоти в напрямку 1 повинен бути мінімальним. При цьому коефіцієнт відбиття в напрямку 3 повинен бути рівний 1, щоб хвиля не поверталася в середовище 1. У напрямку 4 треба домогтися максимального коефіцієнта відбиття, тоді хвиля не буде перевідбиватись з середовища 2 в 1 і створювати паразитну модуляцію. Також необхідний мінімальний коефіцієнт відбиття для напрямку 2 (щоб хвилі, що пройшли з напрямку 4 не потрапляли в джерело сигналу). На практиці не завжди є можливість досягти явища повного відбиття, тому на виходах передавального і приймального трактів необхідно встановлювати узгоджене навантаження.

 

Рис.4.4 - Дозволені й заборонені напрямки хвиль передачі

 

   Аналогічно для зворотнього напрямку поширення хвилі: коефіцієнт відбиття в напрямку 3 та 4 повинен бути мінімальним для пропускання несучої частоти, в напрямі 1 і 2 – максимальним.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.3 ДОСЛІДЖЕННЯ КОЕФІЦІЄНТІВ ВІДБИТТЯ

 

4.3.1 Дослідження тривимірних графіків

 

Програмна платформа, що використовується для розрахунків, дозволяє графічно представити двомірні залежності коефіцієнтів відбиття від товщини одного з  шарів та частоти. За роботи вивчались  такі залежності для 4 описаних вище можливих напрямів поширення хвилі (рис. 3.10, 4.4). Отримані результати показані на рисунках нижче.

 

Залежності коефіцієнту відбиття від частоти та товщини першого  шару при товщині другого 30 нм

 

Для дослідження було взято структуру з 80 шарів, що чередуються (1→2→1…).

 

Рис. 4.5 - Залежність коефіцієнта відбиття від частоти і товщини першого шару для напряму 1

 

На графіку добре видно  резонансні піки при оптимальних  співвідношеннях параметрів.

 

Рис. 4.6 - Залежність коефіцієнта відбиття від частоти і товщини першого шару для напряму 2

 

 

Рис. 4.7 - Залежність коефіцієнта відбиття від частоти і товщини першого шару для напряму 3

Рис. 4.8 - Залежність коефіцієнта відбиття від частоти і товщини першого шару для напряму 4

 

Графіки яскраво ілюструють невзаємність властивостей структури: значення коефіцієнту відбиття суттєво  залежить від обраного наряму поширення  хвилі.

 

Залежності коефіцієнту відбиття від частоти та товщини другого шару при товщині першого 20 нм

 

Рис. 4.9 - Залежність коефіцієнта відбиття від частоти і товщини другого шару для напряму 1

 

Рис. 4.10 - Залежність коефіцієнта відбиття від частоти і товщини другого шару для напряму 2

 

 

Рис. 4.11 - Залежність коефіцієнта відбиття від частоти і товщини другого шару для напряму 3

Рис. 4.12 - Залежність коефіцієнта відбиття від частоти і товщини другого шару для напряму 4

 

Наведені вище графіки  дозволяють ретельно проаналізувати властивості  структури для кожного з цікавих  для нас напрямів поширення хвилі  відносно анізотропної пластини і обрати товщини кожного з двух типів  шарів, що відповідають поставленій  задачі.

 

4.3.2 Дослідження амплітудно-частотних характеристик структури

 

В результаті аналізу двомірних  залежностей були обрані конкретні  значення параметрів багатошарової  структури для  проектування вентиля:

• структура з вісімдесяти двошарових періодів з товщинами 20 і 30 нм, що чередуються,
• кут нахилу осі анізотропії θ= 44°,
• кут між площиною, що включає у себе вісь анізотропії, і площиною падіння φ= 132°,
• кут падіння хвилі α згідно з вищезазначеним приймає два можливих значення 90° та – 90° (Рис.3.10). 

На рис. 4.13 розглянуто чотири варіанти проходження пласкої гармонійної хвилі з середовища 1 в середовище 2 і навпаки (згідно з рис. 3.11).

 

напрям 1:                                                 напрям 2:

 

 

 

 

 

 

 

напрям 3:                                                         напрям 4:

 

Рис. 4.13 - Графіки залежності коефіцієнту відбиття хвилі від частоти

при чотирьох варіантах поширення.

 

На графіках чітко виділяються  області з максимальним (равним 1) та мінімальним (близьким до 0,3) коефіцієнтом відбиття, що пояснюється резонансним  характером ефекта втягування. Також  спостерігається суттево різна  картина резонансних піків для  прямого та зворотнього напряму  поширення хвилі, в той час як окремо для прямого та зворотнього напрямів, (незважаючи на різні кути падіння хвилі) картини дуже схожі, що пояснюється невзаємністю властивостей структури.

 

4.3.3 Аналіз суміщеного графіка

 

Для наочності зображені  на рис. 4.13 графіки суміщені на одному (рис.4.14):

 

Рис. 4.14 Суміщений графік залежностей коефіцієнту відбиття від частоти для всіх напрямів поширення хвилі.

 

Для вибору робочих частот необхідно згадати умови, що забезпечують виконання поставленої задачі – реалізації вентильних властивостей та двонаправленості.

Як було сказано раніше, першій рабочій частоті повинні відповідати мінімальні коефіцієнти відбиття для напрямів 1 та 2 та максимальні – для напрямів 3 та 4, другій робочій частоті навпаки: мінімальні для напрямів 1 та 2 та максимальні для напрямів 3 та 4.

Графік на рис. 4.14 дозволяє легко віднайти шукані частоти.

 

4.4 АНАЛІЗ РЕЗУЛЬТАТІВ РОЗРАХУНКУ

 

Проведемо аналіз отриманих  результатів.

 

4.4.1 Вибір робочих частот

 

Згідно з вказаними вище умовами на суміщеному графіку для  всіх напрямів було обрано дві точки, що дали значення робочих частот для прямої та оберненої хвиль:

1) точка - частота 185ТГц. Коефіцієнти відображення рівні: R1 = 0,32, R2 = 0,32, R3 = 1, R4 = 1. Ці дані відповідають заданим умовам проходження хвилі з середовища 1 в середовище 2.

2) точка - частота 346ТГц. Коефіцієнти коефіцієнти відбиття рівні: R1 = 1, R2 = 0,95, R3 = 0,33, R4 = 0,33. Отримані значення відповідають заданим умовам проходження хвилі з середовища 2 в середовище 1.

Таким чином структура має вентильні властивості і може бути застосована у ближньому інфрачервоному діапазоні.

 

4.4.2 Розрахункові характеристики вентилю

 

Параметри структури вентиля:

1) структура з вісімдесяти двошарових періодів з товщинами 20 і 30 нм, що чередуються,

2) кут нахилу осі анізотропії θ= 44°,

3) кут між площиною, що включає у себе вісь анізотропії, і площиною падіння φ= 132°.

 

Основними характеристиками оптичного вентилю є:

1) робочі частоти

  = 185ТГц, = 346ТГц

2) рівень пропущенного корисного та паразитного сигналів . Знаходиться за виразом:

 

 

 

 

для  = 185ТГц:                                   для = 346ТГц:

 -0.469                                     

-0.469                                      -10.11

                                              -0.501

                                              -0.501

3) смуга пропускання Δf .Визначається за графіком (на рівні, де коєфіцієнт відбиття складає від різниці між максимальним і мінімальним):

- для прямого напрямку Δf = 0 210 ТГц

- для зворотнього напрямку Δf = 344368 ТГц

 

 

 

 

 

ВИСНОВКИ

 

Метою данної роботи був розрахунок двонаправленого вентилю для інфрачервоного діапазону.

У відповідності до цього проаналізовані існуючі типи вентилів, вивчені явища в анізотропних матеріалах, описано ефект втягування хвилі в анізотропну структуру.

Крім того у даній роботі розглянуто принцип створення двонаправленого вентиля, що слугує для уникнення паразитного зворотнього зв'язку через відбіття хвиль від торців волокон. Вентиль реалізован на багатошаровій наноплівці з анізотропного мета матеріалу. Товщини шарів 20 та 30 нм, загальна товщина вентилю 0,2 мкм. Він може застосовуватись для двосторонньої передачі сигналів на частотах 185 та 346 ТГц.

Його головними перевагами є:

- зменшення габаритів пристрою  завдяки поширенню падаючої хвилі  вздовж поверхні кристалу,

- енергозбереження, оскільки за умови використання штучних метаматеріалів використання соленоїду для створення зовнішнього магнітного поля є непотрібним,

- актуальність за сучасного розвитку ВОЛЗ,

Наступним етапом роботи стане  вдосконалення характеристик пристрою і дослідження його роботи для  іншої послідовності шарів у  структурі, інших  параметрів товщин шарів.

   Новизною цієї роботи є:

-реалізація двонаправленості: використовуються дві частоти – одна для приймання, інша для передачі у вентилі на ефекті втягування;

Такі оптичні вентилі  на анізотропних наноплівках можуть знайти широке використання  у існуючих і майбутніх волоконно-оптичних системах передачі.

 

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

 

1. Артерии современной экономики. Что день грядущий ВОЛС готовит? [Электронный ресурс] // Мир связи.Connect!: бизнес-журнал о телекоммуникационных и информационных технологиях - № 5.2005 – Режим доступу до журн.: http://www.connect.ru/article.asp?id=5636.

2. Убайдуллаев Р.Р. Волоконно-оптические сети./ Убайдуллаев Р.Р. –М.: Эко-Трендз 2001г - 268 с.

3. Віноградов В.В. Волоконно-оптичні лінії зв’язку/Віноградов В.В., Котов В.К., Нуприк В.Н. – М.: ИПК «Желдориздат», 2002. – 278 с.

4. Перспективы развития ВОЛС[Електронний ресурс]//Оптика та ЛВС. – Режим доступу: http://www.fiber42.ru/news/2011-02-17-5.

5. М. Mariani. Волоконно-оптические усилители. Прогноз на 2000-е годы/M. Mariani // Лазерная техника и оптоэлектроника. – 1994 –  Выпуск 1-2 – с 76 -  80

6. Гольдфарб И. С.. Развитие техники оптических кабелей: Обзор информации/ Гольдфарб И. С. – ЦНИИ Связи. - М.: ЦНТИ "Информсвязь", 1996. - 84 с

7. Бессонов Е. И. Применение оптического вентиля с циркулярной поляризацией в двухкаскадном лазерном передатчике./ Бессонов Е. И., Рудой Е. М., Сирота С. В., Янов В. Г., Ященко В. В. //«Вестник СПбО АИН» – 2008 – Вып. № 5.

8. Бессонов Е. И. Магнитооптический вентиль с многоэлементным ротатором./ Бессонов Е. И., Рудой Е. М., Сирота С. В., Янов В. Г., Ященко В. В. //«Вестник СПбО АИН» – 2008 – Вып. № 5.

9. Бессонов Е. И. Магнитооптический вентиль с рефракцией обратного луча./ Бессонов Е. И., Дмитриев А. Е., Рудой Е. М., Сирота С. В.,

Янов  В. Г., Ященко В. В. //«Вестник СПбО АИН» – 2008 – Вып. № 5.

10. Янов В. Г., Легомина И. Н. Оптический вентиль. Авт. свид. СССР № 1805442, приор. от 28.04.90, зарег. в Гос. реестре из-й 09.10.92, публ. 30. 03. 93 Бюл. № 12, МПК5 G 02 F 3/00.

11. Магнитооптичні явища [Електронний ресурс]//Інженерна геологія:науково-довідниковий ресурс. – Режим доступу: http://www.pppa.ru/effects/phenomenon4/effects04.php.

12. Оптический вентиль, приспособленный для стыковки с волоконной линией [Електронний ресурс]// Цікавий світ фізики. – Режим доступу: http://www.physicexperts.ru/pexps-362-1.html.

13. Бутусов М.М. Волоконно-оптические системы передачи: Учебник для вузов / Бутусов М.М., Верник С.М., Галкин С.Л. и др. – М.: Радио и связь, 1992. – 416 с

14. Бутусов  М.М. Волоконна оптика в судовому приладобудуванні./ Бутусов М.М., Галкін С.Л., Латинський В.С., Тарасюк Ю.Ф. – Л.:Судобудування,1990. – 88с.

15. Никольский  В.В. Електродинаміка та розповсюдження  радіохвиль./Никольский В.В., Никольска  Т.І. – М.: Наука, 1989 – 544с.

16. Федоров  Н.Н. Основи електродинаміки./ Федоров  Н.Н. – М.: Вища школа, 1980. – 400с.

17. Мікаелян  А.Л. Теорія і застосування  ферритов на СВЧ. / Мікаелян А.Л. – М. –Л., Госенергоіздат, 1963. – 664с.

18. Витовтов К.А Властивості анізотропної шароватої структури при розповсюдженні хвилі паралельно межі розділу/ Витовтов К.А., Архіпов А.Д.// Ж. нано- і електрон. фіз, 2009. – Т.1, №4. – С.31-41.

19. Бреховских  Л.М. Хвилі в шаруватих середовищах. / Бреховських Л.М. – М.: Наука, 1973. – 344с.

 

20. Архіпкін В.Г. Лекції з оптики./ Архіпкін В.Г., Патрин Г.С.   – Інститут фізики ім. Л.В. Киренського СО РАН. – Красноярск, 2006. – 164с.

 

21. Vytovtov K.A. / “Investigation of photonic crystals containing bianisotropic layers”/ Vytovtov K.A., Bulgakov A.A. // Microwave Conference, 2005 – Paris, 2005.

 

22. Vytovtov K.A. /“Investigation of tangential wave propagation under a stratified anisotropic structure”  / Vytovtov K.A., Volkova S.A., Tarasenko Y.S.//  Int. Conf. on MMET*2010 – Kiev, Ukraine, 2010.