موجبرهای نوری چیست؟ (قسمت اول)

چکیده

به عنوان مو جبرهای نوری مورد بررسی قرار (OICs) در این گزارش مدارات مجتمع نوریگرفته است . موجبرهای نوری را م ی توان به طور کلی به دو گروه عمده زیر تقسیم کرد : ادوات موجبر غیرعملیاتی و ادوات موجبر عملیاتی که این دو گروه نیز بنا بر نوع عملکرد و ساختارشان به گروه های مختلفی تقسیم می شوند.

در این گزارش به بحث و بررسی ساختاری انواع موجبرهای نوری، روشهای ساخت و بازار داخلی و خارجی آنها پرداخته شده است . همچنین موجبرهای نوری از لحاظ تئوری نیز تحت عنوان دو گروه موجبرهای دوبعدی و س ه بعدی مورد بحث و بررسی قرار گرفته اند

پیشگفتار

همان‌طور که از نام موجبر بر می‌آید، ساختاری است که موج الکترومغناطیسی را هدایت می‌کند. به عبارت دیگر، موجبر در مسیری مشخص، انرژی موج الکترومغناطیسی را با اتلاف بسیار کمی منتقل کرده و هیچ‌گونه تغییری در موج ایجاد نمی‌کند. لازم به ذکر است که این تعریف، درواقع تعریفی از یک موجبر آرمانی است.

یک موجبر بسته به محدوده فرکانس کاری، ساختارهای فیزیکی متفاوتی دارد. کابل‌های هم‌محور، لوله‌هایی با مقطع مستطیلی، خطوط یا صفحه‌های نواری و فیبر نوری همگی مثالی از ساختارهای متفاوت موجبر هستند. می‌توان گفت که بازه فرکانسی مهم‌ترین عامل در طراحی یک موجبر و انتخاب مواد داخل آن است. به طور مثال جهت انتقال نور (ناحیه مرئی) یا امواج مادون قرمز (Infrared)، نمی‌توان از موجبری که جهت انتقال امواج مایکروویو طراحی شده است، استفاده کرد.

این مقاله در راستای اجرای پروژه “مطالعه راهبردی ادوات مخابرات نوری “ تهیه شده است از سوی مرکز تحقیقات مخابرات ایران به جهاد دانشگاهی صنعتی شریف واگذار شده است.
با توجه به ویژگیهای بارز مخابرات فیبرنوری نسبت به مخابرات الکتریکی و پیشرفت چشمگیری که این فناوری در طی چند دهه اخیر داشته، لازم به نظر می رسد که مطالعات گسترده ای در این زمینه صورت گرفته و سرمای ه گذاری مناسبی در راستای پیشرفت این فناوری در کشورمان انجام پذیرد

چرا به موجبرها نیاز داریم؟

در فرکانس‌های پایین (حدوداً کمتر از ۱۰۰ MHz100 MHz)، نظریه مداری AC بدون هیچ مشکلی به بررسی و تحلیل مدار می‌پردازد. در فرکانس‌های زیر مقدار مذکور، می‌توان هر مدار الکتریکی دلخواهی شامل مقاومت، سلف و خازن (RLC) را بررسی کرد که نتایج به دست آمده با تجربه نیز به خوبی سازگار است.

به عبارت دیگر، به هنگام کار با مدارهایی که در فرکانس‌های پایین (حدوداً کمتر از ۱۰۰ MHz100 MHz) کار می‌کنند، می‌توان از اثرات تابش و میدان‌های الکترومغناطیسی تولیدی صرف‌نظر کرده و مدار مذکور را با نظریه AC تحلیل کرد. نظریه مدار AC، تقریبی از نظریه میدان کامل است. در این حالت ابعاد مدار نسبت به طول موج کوچک است.

حال اگر فرکانس کاری افزایش پیدا کند، نظریه مداری AC دیگر توان تحلیل مدار را نداشته و نتایج به دست آمده اشتباه هستند. همان‌طور که می‌دانید، فرکانس و طول موج امواج الکترومغناطیسی طبق رابطه (f=cλf=cλ) با یکدیگر نسبت عکس دارند. مطابق با رابطه مذکور، با افزایش فرکانس، طول موج کاهش یافته و اندازه مدار نسبت به طول موج بزرگ می‌شود.

 تئوری موجبرهای نوری

از اوایل دهه ۱۹۶۰ میلادی، همراه با پیشرفت تکنولوژی لیزر بعنوان یک منبع نوری همدوس پایدار، انتقال سیگنال و تحلیل آن به کمک پرتوهای نوری به جای جریان الکتریکی یا امواج رادیویی بعنوان یک مبحث جدید مورد توجه قرار گرفت . در این زمان به منظور آماد ه سازی پرتو نور برای تحلیل سیگنال، از قطعات نوری چون منشورها، عدسیها، آینه ها، مدولاتورهای الکترواپتیکی و آشکارسازها استفاده م ی شد. چنین قطعاتی برای انجام آزمایش هایی در آزمایشگاه مفید هستند ولی در کاربردهای عملی مناسب نیستند . بنابراین در اواخر دهه ۱۹۶۰ ، تکنولوژی “اپتیک مجتمع ” مطرح شد که به واسطه آن، خطوط رادیویی و سیمهای م سی با موجبرهای فیبرنوری و مدارات مجتمع الکتریکی با مدارهای مجتمع نوری در ابعاد بسیار کوچک جایگزین شد.
در اواخر دهه ۱۹۷۰ ، عوامل متعددی دست به دست هم دادند و اپتیک مجتمع را از آزمایشگاه به کاربردهای عملی وارد کردند . این عوامل عبارت بودند از : پیشرفتهای حاص له در ساخت و تشخیص GaAlAs اتصالگرها و فیبرهای نوری با تلفات کم، تولید دیود لیزرهای پیوسته روشهای میکروساخت فوتولیتوگرافی به منظور ساخت انواع موجبرهای نوری.
از آن پس به دلیل گسترده شدن مفاهیم “اپتیک مجتمع “، موجبرهای فیبرنوری و موجبرهای مدارات مجتمع نور ی به دو زمینه تحقیقاتی مجزا تقسیم شدند در حالیکه کام ً لا به هم مرتبط هستند . برای مثال اولین کنفرانس اپتیک مجتمع که در سال ۱۹۷۲ توسط برگزار شد، شامل هر دو بخش فیبرنوری و مدارات مجتمع نوری Optical Society of America بود. ولی هنگامی که دومین سری از این کنفران سها در سال ۱۹۷۴ برگزار گردید، تنها دو مقاله در رابطه با فیبرهای نوری ارائه شد و ادامه کنفرانس ها تنها به مدارات مجتمع نوری اختصاص یافت .
بنابراین ما نیز مبحث موجبرهای نوری را به دو بخش فیبرنوری و مدارات مجتمع نوری تقسیم کرده و در این گزارش تنها به بررسی ان واع موجبرهای نوری از نوع مدارات مجتمع نوری خواهیم پرداخت

 موجبرهای دوبعدی

ساختار کلی یک موجبر دوبعد ی (یا تیغه ای) همراه با پروفایل ضریب شکست در راستای عمق موجبر  که در آن ضرایب شکست لایه غلاف، لایه موجبر و باشد، در آن صورت n f > n s > n c ه ستند. در حالتی که n s , n f , n c ماده پایه به ترتیب نور در لایه موجبر به دام افتاده و به واسطه انعکاس کلی از دو سطح مشتر ک، در یک مسیر زیگ زاگ انتشار می یابد. این موج نوری ( k o = 2π / λ ) قرار دارد k on s > β > k on f در بازه ، z در راستا ی (β ) ثابت انتشار آن مشخص می شود که N مد انتشار ی نامیده میشود .

مد انتشار ی معمولا با ضریب شکست مؤثرo لزومًا N خواهد بود . یعنی ns > N > nf است . در نتیجه ش رایط انتشار مد برابر با N = β / k باید مقادیر مجزایی در بازه فوق دارا باشد، زیرا تنها پرتوهایی که تحت زاویه مشخص ی وارد موجبر م ی شوند، م ی توانند مسیر زیگ زاگ را ط ی کرده و ب ه عنوان مد انتشار ی در لایه موجبر منتشر شوند.
مشخصات پاشندگی مدها ی انتشاری در موجبرها ی دوبعد ی با ساختار ضریب ش کست پله ا ی بسیار ساده بوده و با استفاده از معادلات ما کسول به راحتی بدست می آیند. از در موجبرها منتشر می شوند. TE و TM روش تحلیل موجها ی دوبعد ی، نتیجه م ی شود که مدها ی هستند. Ez , Ex ,Hy دارای مؤلفه های TM و مد Hz ,Hx , Ey شامل مؤلفه های TE مد

ادامه دارد