در این پایان نامه طراحی و شبیه سازی یک فیلتر جداکننده ی کانال سه درگاهی تنظیم پذیر، بر پایه کریستال های فوتونی حفره ای با شبکه مثلثی بر روی بستر سیلیکون ارائه می شود. ساختار فیلتر مذکور از دو کاواک جفت شده به دو موجبر تشکیل می شود. هر کاواک با افزایش شعاع یک حفره ایجاد می شود. وجود خطای اجتناب ناپذیر در فرایند ساخت فیلتر و تعبیه حفره های کریستال فوتونی باعث می شود تا اندازه ی واقعی شعاع کاواک ها نسبت به طراحی حدود 10%، متفاوت باشد. این خطای اجتناب ناپذیر باعث افت شدید بازده فیلتر می شود. در نتیجه طول موج خروجی از طول موج مطلوب متفاوت خواهد بود. در این پایان نامه نشان می دهیم که با بکارگیری روش تزریق سیال نوری در داخل کاواک ها می توان اثر خطای پیش گفته را جبران کرد و بازده فیلتر را تا 100% افزایش داد. در واقع تنظیم پذیری این فیلترها با تغییر جنس سیال نوری میسر می شود. با تغییر دادن جنس سیال درون کاواک ها می توان طول موج خروجی را تغییر داد. با انتخاب یک ثابت شبکه برابر با nm375a=، گستره ی تنظیم پذیری این ساختار در بازه ی طول موج های nm1500 تا nm1600 خواهد بود. برای افزایش بازده فلیتر تا حدود 100%، در هر طول موج، در تعداد محدودی از حفره های کنار دیواره ی موجبر گذرگاه، سیالی با ضریب شکست معین ولی متفاوت با سیال تزریق شده در درون کاواک ها تزریق می شود.

در این پایان نامه طراحی و شبیه سازی سوییچ تمام نوری ماخ زندر مبتنی بر کریستال های فوتونی با روش تزریق سیال نوری ارائه شده است. برای طراحی این سوییچ برای ایجاد شیفت فازاز اثرات غیر خطی در یک بازوی ماخ زندر بهره گرفته شده است. برای افزایش این اثر که موجب کوچک شدن اندازه ی قطعه و پایین آمدن توان مورد نیاز برای اعمال آن می شود، ساختار نور کند طراحی شده است. ساختارهای نور کند با کم کردن سرعت گروه نور باعث افزایش برهم کنش نور با محیط اطراف شده و تاثیر اثرات غیر خطی را بیشتر می کنند. افزایش اثرات غیر خطی تاثی مخربی بر روی پاشندگی نور عبوری از موج بر خواهند داشت بنابراین در اینجا علاوه بر کند کردن سرعت گروه نور، مهندسی پاشندگی نیز در بازوها صورت گرفته است. از آنجایی که از خمش های°60 برای طراحی این سوییچ استفاده ی زیادی می شود تلفات توان بسیار بالا خواهد بود. برای کم کردن این تلفات و افزایش پهنای باند در موج برهای خمیده نیز ساختارجدیدی ارائه شده است. لازم به ذکر است در این طراحی برای اجتناب از خطای فرایند ساخت قطعه که اجتناب ناپذیر می باشد در تمام مراحل مانند طراحی خم بهینه، طراحی ساختار نورکند و مهندسی پاشندگی در بازوهای سوییچ از تزریق انتخابی سیال نوری استفاده شده است. طراحی این سوییچ در یک فوتونیک کریستال با شبکه ی مثلثی صورت گرفته است. این شبکه دارای دوره تناوب nm420a= و a3/0 r= است. سرعت گروه نور در این بازوهای این سوییچ تا 6/16/c کاهش یافته و پاشندگی بسیار ناچیز نیز در این سرعت گروه بدست آمده است. در موج برهای خمیده ی این سوییچ نیز پهنای باند با استفاده از اثرات غیر خطی تا nm 142افزایش یافته است. سرعت این سوییچ برابر ghz 25 است که در مقایسه با سوییچ های الکترو نوری و گرما نوری دارای سرعت بالاتری است.

پایش دائم دو پارامتر مهم، فشار و دما، نقش مهمی را در مهندسی مخازن برای افزایش نرخ بهره برداری چاه های نفت ایفا می کند. مزایای بسیار حسگرهای فیبر کریستال فوتونی ، آنها را گزینه مناسبی برای استفاده در محیط سخت چاه های نفت می سازد. ما طرحی را برای حسگر فشار و دما با استفاده از pcf هسته سوراخ دار ارائه می کنیم. اکثر کارهای انجام شده گذشته درباره حسگرهای pcf مبتنی بر نتایج عملی بوده است در حالی که این تحقیق بر اساس روش تحلیلی است، و ارزیابی طرح پیشنهادی با استفاده از روش سه بعدی fdtd با لایه های کاملاً تطبیقی است. بر اساس طرح پیشنهادی ، شیفت طول موج تشدید حسگر فیبر کریستال فوتونی را بر حسب تغییرات ضریب شکست حفره ها و محیط فیبر که از تغییرات دما/فشار محیط اثر می پذیرد با تکیه بر پارامترهای هندسی ساختار فیبر بررسی می کنیم. در نهایت، تا جایی که ما اطلاع داریم، طرح یک pcf با بیشترین حساسیت حدودnm/riu 480 را با یک رابطه خطی در طول موج 55/1 میکرومتر ارائه می کنیم.

در این پایان نامه رژیم نور کند در موجبرهای بلور فوتونی بر پایه سیلیکون کارباید (sic)، برای اولین بار ارائه می شود. کند بودن سرعت گروه نور در این گونه ساختارها باعث افزایش برهم کنش نور با محیط اطراف می شود. به طور معمول ، رژیم نور کند با پاشندگی سرعت گروه زیاد همراه است. برای دستیابی به نور کند همراه با پاشندگی سرعت گروه پایین، با استفاده از روش تزریق سیال های نوری در حفره های هوا پاشندگی در موجبر بلور فوتونی ایجاد شده در بستر sic مهندسی شد. برای انجام این کار، تبعیت ضریب دی الکتریک sic از فرکانس با مدل نوسانگرهای هماهنگ در نظر گرفته شد. ابتدا یک موجبر w1 بر پایه بلور فوتونی دوبعدی با شبکه مثلثی متشکل از حفره های هوا در بستر sic با ثابت شبکه و شعاع در نظر گرفته شد. نشان داده ایم که با تزریق سیال نوری در دو ردیف از حفره های مجاور موجبر در هر طرف می توان سرعت نور در این گونه موجبرها را تا 473 مرتبه کاهش داد، در حالی که پاشندگی سرعت گروه ناچیز است. در ادامه برای افزایش پهنای باند هموار در گستره نور کند رهیافتی ارائه شده است. بخش دیگری از این پایان نامه، به بلورهای فوتونی فلزی اختصاص دارد. در مقایسه با دی الکتریک ها، فلزات به شدت پاشنده اند و ضریب شکست آن ها وابستگی زیادی به فرکانس نور فرودی دارد. برای لحاظ کردن نفوذپذیری الکتریکی فلزات در شبیه سازی های عددی از مدل نوسانگرهای هماهنگ استفاده شده است. در پایان خواص پاشنده بلورهای فوتونی دوبعدی با شبکه مربعی بر پایه میله های فلزی در هوا با ثابت شبکه های a=20-500 nm و شعاع های r=0.1a -0.4a شبیه سازی شده است. در این بررسی خواص نوری بلورهای فوتونی بر پایه یازده فلز (شامل فلزات نجیب و واسط) در گستره وسیعی از فرکانس (از فروسرخ تا فرابنفش) ارائه شده است.

در این پایان نامه یک سوئیچ ماخ زندر تمام نوری یک در n طراحی و شبیه سازی می شود که رفتار نوسانی سالیتونی در طول انتشار پالس در موجبر غیرخطی این ساختار مشاهده می گردد. سوئیچ پیشنهادی شامل دو ساختار متقارن و نامتقارن می باشد و پالس گوسی کوپل شده با قطبش te به ورودی سوئیچ، و اعمال تغییرات طول موج و توان در پالس ورودی از محیط واسط غیرخطی عبور کرده و از یکی از کانال های مطلوب در خروجی خارج می شود. نتایج شبیه سازی نشان می دهد که مدل طراحی شده برای رنج وسیعی از طول موج و توان قابل استفاده می باشد که این بازه برای طول موج 1/55 میکرومتر تا 2/05 میکرومتر می باشد همچنین بازه ی توانی بدست آمده برای عملکرد صحیح سوئیچ تمام نوری طراحی شده 10 وات تا 40 وات است. از داده های بدست آمده می توان نتیجه گرفت که سوئیچ متقارن نسبت به سوئیج نامتقارن به دلیل عملکرد مناسب در توان های کمتر، انجام پروسه ساخت آسانتر و همچنین قیمت مناسبت و پائین تر، برتری دارد. این سوئیچ بر اساس استاندارد itu می باشد و در محدود ی باندهای c،l و uطبق این استاندارد کار می کند. یکی دیگر از مزیت های این سوئیچ متوالی بودن عملیات سوئچینگ در کانالهای خروجی می باشد که این امر به دلیل اختلاف فاز ایجاد شده در خروجی ماخ زندر (طبقه اول سوئیچ) و خاصیت سوئینگ طبقه ی میانی سبب می شود. روش شبیه سازی استفاده شده در این طراحی bpm (روش انتشار نور) می باشد که شبیه سازی ها براساس روش تفاضل متناهی در حوزه زمان (fdtd) شکل گرفته اند. این قطعه پتانسیل کاربرد به عنوان اجزاء اساسی و کلیدی با سرعت و ظرفیت بالا در سیستم های مخابرات نوری و پردازش داده را دارد و هچنین به دلیل ابعاد کوچک و مقادیر طراحی مناسب قابلیت ساخت آسان تر نسبت به مدل های مشابه را دارد.

در این پایان نامه با بررسی اثر غیر خطی کر در دو فیلتر فرود کریستال فوتونی حساس به طول موج باند باریک از دو نوع حفره ای و میله ای روشی برای جلوگیری از تغییرات در مشخصه های اصلی فیلتر همچون کاهش بازده و افزایش پهنای باند خروجی وتغییر طول موج کاری ارائه می شود. در هر دو فیلتر از روش فیدبک بازتابی برای کاهش پهنای باند و افزایش بازده نسبت به فیلتر های معمول استفاده شده است که سبب حساسیت بیشتر آن ها به اثر کر شده است. در این نوع فیلتر کریستال فوتونی که میله های آن از جنس سیلیکن است، در عرض پالس های ورودی زیر 0.5 پیکو ثانیه می توان از اثرات غیر خطی صرف نظر کرد ولی با افزایش عرض پالس و شدت ورودی این اثرات غیر قابل صرف نظر هستند؛ به طوری که بازده برای توان های حدود 1 وات از ?97 به ?96.5، در 10 وات به ?86 و در 20 وات به ?76 کاهش می یابد. همچنین پهنای باند فیلتر برای این شدت ها از 0.88 نانو متر به ترتیب به 0.9 نانو متر، 1 نانومتر و 1.46 نانو متر افزایش می یابد. برای جبران آن از بخش بازتابنده دوم در انتهای ساختار استفاده کرده ایم که سبب شده تا توان 20 وات ورودی بازده در ?95 تقریبا ثابت بماند و پهنای باند از 0.9 نانومتر به نهایتاً 1 نانو متر افزایش یابد. در فیلتر حفره ی بازده برای توان های حدود 1 وات از ?92 به ?88، در 10 وات به ?73 و در 20 وات به ?64 کاهش می یابد. همچنین پهنای باند فیلتر برای این شدت ها از 0.99 نانو متر به ترتیب به 1.4 نانو متر و 1.8 نانو متر افزایش می یابد. برای جبران از بخش بازتابنده دوم و همچنین تغییر شکل نقص های بخش تنظیم فاز استفاده شده است که سبب شده تا توان 10 وات ورودی بازده در ?100 تقریبا ثابت بماند و به ?96 در توان 20 وات برسد و پهنای باند از 0.78 نانو متر به ترتیب به 0.8، 0.9 و 1 نانو متر افزایش یابد. در نهایت از اثر کر در فیلتر میله ای برای طراحی یک گیت تمام نوری و تنظیم پذیر استفاده شده است. ثابت شبکه برابر 0.57 میکرو متر و طول ساختار برابر 31 ثابت شبکه است. برای یک سطح مقایسه خاص ورودی های کم تر از 1.1 وات صفر منطقی و ورودی های بیشتر از 1.8 وات یک منطقی را ایجاد می کنند. با تغییر فرکانس سیگنال کنترلی محدوده ی صفر و یک منطقی تنظیم پذیر است.

انتشار نور در محیط های با سرعت گروه کاهش یافته نور کند نامیده می شود. با انتشار نور در چنین محیط هایی پالس های نور خروجی به دلیل اثرات پاشندگی دچار اعوجاج می شوند. موجبرهای بلور فوتونی یکی از مجراهای شگفت انگیز کنترل نور هستند. استفاده از موجبرهای بلور فوتونی در سیستم های نوری منجر به پیشرفت های گسترده در مدارهای مجتمع تمام نوری شده است. با مهندسی پاشندگی در موجبرهای بلور فوتونی می توان اعوجاج پالس های خروجی را به کمترین مقدار رساند و بستری برای مدارهای مجتمع نوری فراهم نمود. با توجه به محدودیتی که جایگزیدگی امواج نوری در ساختارهای نیمه رسانا و دی الکتریک و بلور فوتونی دارد، نمی توان موج را در ابعاد کمتر از حد پراش جایگزیده و محدود کرد. با استفاده از ساختارهای فلزی در تماس با یک دی الکتریک می توان این امواج را در ابعاد کمتر از حد پراش جایگزیده و محدود کرد. اگر بخواهیم افزاره نوری که طراحی می کنیم در مقیاس بسیار کوچک و در حد نانومتر باشد، یکی از روش ها استفاده از یک ساختار فلزی به همراه بلور فوتونی است که به عنوان بستر طراحی باید از آن استفاده نمود. چنین ساختاری می تواند کاربردهای وسیعی از جمله کاربرد درحسگرها، آشکارسازی نوری، فیلترهای تیز و غیره داشته باشد. در این پایان نامه از موجبرهای بلور فوتونی به عنوان ابزاری برای حسگری استفاده شده است.