عنوان پایان‌نامه
طراحی وساخت کریستالهای فوتونی باباندتوقف مرتبه بال
- رشته تحصیلی
- مهندسی برق-مخابرات-میدان
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه دانشکده برق و کامپیوتر شماره ثبت: E1356;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 36458
- تاریخ دفاع
- ۲۲ دی ۱۳۸۶
- دانشجو
- ساناز زارعی
- استاد راهنما
- سیدشمس ا لدین مهاجرزاده, محمود شاه آبادی
- چکیده
- ساختارهای کریستال فوتونی در دهه های اخیر توجه زیادی را به خود جلب کرده اند. این ساختارها دارای کاربردهای بسیاری در مهندسی مایکروویو و نور هستند. وجود باند توقف فرکانسی در این ساختارها که مشابه باند توقف انرژی در ساختارهای نیمه رسانا است موجب می شود که انتشار امواج الکترومغناطیسی در این محدوده فرکانسی، در داخل ساختار ممکن نباشد. از این خاصیت برای کنترل انتشار امواج الکترومغناطیسی خصوصاً نور مرئی می توان بهره برد. از سوی دیگر چون فرکانس باند توقف به ثابت شبکه بستگی دارد، هرچه فرکانس باند توقف بالاتر باشد به معنای این است که الگوهای تشکیل دهنده ساختار دارای ابعاد بزرگتری هستند. این مسأله، ما را به سوی ساختارهایی با باند توقف مرتبه بالا هدایت می کند که در عین برخورداری از ابعاد ساختاری بزرگتر، در محدوده فرکانسی مطلوب (مثلاً فرکانس نور مرئی) دارای باند توقف هستند. ما در این پایان نامه، سعی کرده ایم ساختارهایی را که دارای باند توقف مرتبه بالا هستند بیابیم و سپس باند توقف موجود در این ساختارها را با استفاده از الگوریتم های بهینه سازی موجود مانند الگوریتم ژنتیک، عریض تر نماییم. برای طراحی یا بهینه سازی ساختاری با باند توقف مرتبه بالا می باید از یک روش عددی مناسب برای بدست آوردن دیاگرام باند ساختارهای مختلف استفاده می شد. ما روش بسط به توابع موج صفحه ای را برای این امر بکار برده ایم و راهکارهای مختلفی را برای بهبود همگرایی این روش مورد بررسی قرار داده ایم. عملکرد روش های تحلیل این کریستال ها هم از لحاظ زمان مورد نیاز برای محاسبه و هم از لحاظ میزان دقت نتایج بدست آمده بسیار با اهمیت است. ساخت کریستال های فوتونی را با ساخت ساختارهای ساده تر مانند کریستال های فوتونی دو بعدی با استوانه های دایره ای آغاز کرده ایم. در طی روند ساخت، بررسی علت برخی از پدیده های مشاهده شده و میزان تأثیر آنها در باند توقف کریستال ساخته شده ضروری به نظر می رسید. از سوی دیگر، به علت ابعاد بسیار ریز ساختارها، محدودیت ها و مشکلات زیادی در فرآیند ساخت آنها وجود داشت و افزایش پیچیدگی الگوهای موجود در ساختار باعث می شد ساخت آنها به مراتب مشکلتر شود. در اینجا گزارش می دهیم که چگونه ساختارهایی را با لحاظ کردن پدیده های غیر قابل اجتناب در ساخت و با برخورداری از الگوهای ساده تر طراحی کرده ایم تا بتوانیم علیرغم محدودیت های ساخت به باندهای توقف مرتبه بالا دست یابیم.
- Abstract
- In recent years, a tremendous amount of attention has been paid to photonic crystals. These crystals have many applications in microwave and optical engineering. The existence of photonic band gap in these structures which is analogous to the electronic band gap in semiconductor structures prevents the propagation of electromagnetic waves in certain frequency bands. This characteristic can be utilized for complete control over electromagnetic waves and specifically visible light propagation. As the band gap frequency is directly related to the lattice constant of the crystal, higher frequency stop-bands correspond to larger lattice dimensions. This concept has led to photonic crystals with higher-order stop bands. These crystals have stop bands in the desired frequency region but with larger structural features. In this thesis, we have attempted to find structures showing higher-order stop bands and optimized their existing band gap using proper optimization methods such as genetic algorithm. To design or optimize structures showing a higher-order band gap, it is essential to use a suitable numerical method to obtain the photonic band structure rapidly. We have used the plane-wave expansion method and studied different approaches to enhance the convergence of this method. Convergence of numerical methods for analyzing photonic crystals is important both for the time required for computations and for the accuracy of the obtained results. The implementation of photonic crystals was started with the fabrication of simple structures such as two-dimensional photonic crystals composed of circular dielectric rods in air. During the fabrication process of these structures, some limitations were encountered. These limitations were mostly due to the sensitivity of the band gap to fabrication imperfections and appearance of Poisson's spot in the pattern of photonic crystals created by photolithography. By increasing the complexity and decreasing the size of the structural features, the effect of these limitations got stronger. As a result, design and optimization of structures with less complex features seemed to be essential. Therefore, we have designed photonic crystals with higher-order stop bands for maximum bandwidth while having less complex structural features.
