اگر زمانی از گنبد عجیب کلیسای جامع سنت پاول در لندن بازدید کردید، مراقب صحبت‌های خود باشید زیرا صدا ایجاد شده در قسمت گنبد در مناطق دیگر نیز به وضوح شنیده میشود. در خصوص این پدیده شخصی به اسم لرد ریلی در حدود سال 1878 کشف کرد که ساختار طاقدار یک پدیده جالب آکوستیک را به نمایش می‌گذارد و این اثر را “گالری نجوا” خواند. اثری مشابه این مورد در زمینه دیگری از علوم نیز مشاهده شده، که همان امواج نور در یک تشدید کننده حلقه نوری است.
تشدید کننده حلقه نوری چیست؟
همانند فیلترهای نوری، تشدیدکننده‌های حلقه نوری نیز مجموعه‌ای از موج‌بَر (موج‌بَر ساختاری است که امواجی چون امواج الکترومغناطیسی یا امواج صوتی را هدایت و منتقل می‌کند) است که فقط به یک باند باریک از فرکانس اجازه عبور میدهد. همچنین می‌توان از آن‌ها برای جفت کردن دو موجبر نوری در جهت مخالف استفاده کرد. یک تشدید کننده حلقه نوری معمولی دارای دو قسمت است:
- موجبر مستقیم
- موجبر حلقوی
هسته‌های موجبرها نزدیک به هم قرار می‌گیرند و امواج نور از یک موجبر به موجبر دیگر، منتقل می‌شوند.
شکل سمت راست اثری شبیه به گالری نجوا و شکل سمت چپ یک تشدید کننده حلقه نوری را نشان میدهد، که به جای صدا، امواج نوری را به نمایش می‌گذارد.
شکل چپ: پدیده گالری نجوا در کلیسای جامع سنت پاول در لندن. تصویر گرفته شده توسط Femtoquake. دارای مجوز تحت CC BY-SA 3.0، از طریق Wikimedia Commons.
در زمینه فوتونیک سیلیکون، تشدید کننده‌های حلقه نوری، پتانسیل خود را به عنوان اجزای مدارهای مجتمع فوتونیک نمایش می‌دهند. که به دلیل کنتراست بالای ضریب شکست رزوناتورها، می‌توان مدارهای بسیار کوچکی تولید کرد. علاوه بر این، دو یا چند تشدید کننده حلقه نوری با هدف ایجاد فیلترهای نوری مرتبه بالا به صورت فشرده، با حداقل تلفات و قابلیت ادغام آسان باهم ترکیب می‌شوند. از دیگر کاربردهای تشدیدکننده‌های حلقه نوری می‌توان به سنسورهای مکانیکی قابل تنظیم، حسگرهای زیستی و طیف سنجی و همچنین تحقیقات فوتون کوانتومی اشاره کرد.
در تشدید کننده‌های حلقه نوری، نور به دلیل بازتاب داخلی کلی (TIR)، در دور حلقه منتشر میشود و در موجبرها باقی می‌ماند. در واقع اگر تابش از محیط غلیظ به محیط رقیق صورت گیرد و نیز زاویه تابش از زاویه حد بزرگ‌تر باشد، در این صورت هیچ نوری از محیط دوم عبور نمی‌کند و بر خلاف زاویه حد در مرز مشترک محیط‌ها نیز نوری نخواهیم داشت. در واقع بازتابش کامل نور به محیط اول، همان پدیده بازتاب داخلی کلی است.
انتشار نور در یک تشدید کننده حلقه نوری
از آنجا که فقط چند طول موج در این حلقه‌ها به رزونانس می‌رسند، بنابراین تشدید کننده‌های حلقه نوری به عنوان فیلتر کار می‌کند. اما در صورت قطع اتصال امواج تشدید کننده، موج انتشار ناپدید میشود، ولی این حالت برای فیلترهای شکافدار ایده آل است.
شبیه سازی تشدید کننده حلقه نوری در نرم افزار کامسول
نرم افزار شبیه سازی موج اپتیکی (Wave optics) برای ارزیابی خصوصیات طیفی تشدید کننده‌های حلقه نوری به کار گرفته میشود. به عنوان مثال، می‌توانید از نرم افزار® COMSOL Multiphysics و ماژول افزودنی Wave Optics استفاده کنید که شامل Electromagnetic Waves از پیش تعریف شده و رابط Beam Envelopes است. از این رابط برای شبیه سازی انتشار موج نوری در طول موج‌های مختلف استفاده میشود و نتایج می‌تواند به شما در ارزیابی عملکرد تشدید کننده حلقه نوری به عنوان فیلتر شکافی کمک کند.
Electromagnetic Waves و رابط Beam Envelopes بر اساس روش پاکت پرتو عمل می‌کنند. در واقع روش پاکت پرتو، شامل یک روش تخصصی انتشار پرتو است که می‌تواند برای شبیه سازی دستگاه‌های بزرگ نوری با حجم محاسباتی به مراتب کمتری نسبت به روش‌های سنتی مورد استفاده قرار گیرد. این روش در مقایسه با روش‌های سنتی تجزیه و تحلیل نوری، برای حل امواج انتشار به یک شبکه خوب نیاز ندارد. که این کار گزینه‌ای کارآمد از نظر محاسباتی است.
یک تشدید کننده حلقه نوری با یک جهش فاز در مرز بین هر دو موجبر (y = 0).
در مرز بین موجبر مستقیم و حلقوی، یک تقریب فاز ناپیوسته وجود دارد. با اجرای شرط مرزی Field Continuity، می‌توانید از این ناپیوستگی فاز و همچنین پاکت میدانی استفاده کنید. شرایط مرزی باعث میشود تا میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی که دارای اجزای مماس مداوم هستند، حتی در شرایط جهش فاز نیز، در مرز قرار گیرند.
ارزیابی نتایج شبیه سازی
تجزیه و تحلیل حالت مرز و مطالعه دامنه فرکانس جهت محاسبه خصوصیات طیفی مدل با استفاده از شبیه سازی تخصصی موج اپتیکی اجرا میشود. در زیر می‌توانید نمودار طول موج تشدید را مشاهده کنید. این نتایج نشان میدهد هنگامی که میدان در یک موجبر مستقیم با میدان در یک موجبر حلقوی تداخل می‌کند، آن‌ها در واقع خارج از فاز هستند. بنابراین، میدان خروجی در موجبر مستقیم تقریباً صفر است. از آنجا که تقریباً هیچ نوری از موجبر مستقیم منتقل نمی‌شود، می‌توان این تشدیدکننده حلقه نوری را یک فیلتر شکافدار طراحی شده در نظر گرفت.
نمودار طول موج تشدید
شما با کمک نرم افزار ®COMSOL Multiphysics و ماژول افزودنی Wave Optics می‌توانید پارامترهای مختلف مدل را امتحان کنید تا یک تشدیدکننده حلقوی نوری بهبود یافته را طراحی کنید که نور را به طور کامل در طول‌موج تشدیدکننده مسدود می‌کند. شاید حتی بتوانید یک برنامه برای تجزیه و تحلیل چندگانه ایجاد کنید.
منابع بیشتر:
- Blog post on simulating silicon photonics applications
- Quick video demonstrating the beam envelope method for wave optics modeling
این متن از وبسایت comsol به فارسی با عنوان محاسبه خصوصیات طیفی تشدید کننده حلقه نوری (optical ring resonator) در نرم افزار COMSOL Multiphysics برگردان شده است، استفاده از ترجمه با ذکر نام کامسولفا مجاز است. مشاهده متن اصلی
