عنوان پایان‌نامه
آنالیز مبدل موجبرهای نوری به موجبرهای پلاسمونی
- رشته تحصیلی
- مهندسی برق-مخابرات-میدان
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 44975;کتابخانه دانشکده برق و کامپیوتر شماره ثبت: E1731
- تاریخ دفاع
- ۱۵ اسفند ۱۳۸۸
- دانشجو
- امیرسامان نورامین
- استاد راهنما
- محمود شاه آبادی
- چکیده
- در این پایان نامه در ابتدا به حل مساله انتقال توان از مودهای یک موجبر فیبر نوری به مودهای یک موجبر سیم فلزی، به عبارت دیگر موجبر پلاسمونی، خواهیم پرداخت. برای بهبود انتقال توان یک غلاف رسانای کامل به دور محل اتصال این دو موجبر فرض کرده‌ایم. به منظور آنالیز این مساله معادلات هلم هولتز را به هدف استخراج مودهای موجبر فیبر نوری و موجبر پلاسمونی سیم فلزی بازنویسی کرده‌ایم. سپس با حل این معادلات، مودهای مختلف این موجبرها و مشخصه پاشندگی آنها را به ازاء پارامترهای مختلف هندسه ساختار نظیر شعاع غلاف فلزی و شعاع موجبرها تعیین خواهیم کرد. پس از آن، بررسی نحوه تزویج این دو موجبر مورد توجه قرار گرفت. برای این منظور، با استفاده از روش تطبیق نقطه‌ای مودها که نتایج آن با نتایج شبیه سازی توسط نرم افزارهای رایج در تطابق بود، به بررسی انتقال توان از موجبر پلاسمونی به موجبر فیبر نوری پرداختیم. میزان توان تزویج شده به هر مود و تاثیر پذیری آن از پارامترهای مختلف، نظیر طول موج و شعاع غلاف مورد بررسی قرار گرفت. همچنین با انجام شبیه سازی‌های متعدد نشان داده شد که با انتخاب شعاع‌های مناسب برای موجبر پلاسمونی و فیبر نوری، کوپلینگ توان بیش از 85% از موجبر پلاسمونی به موجبر فیبر نوری در کل باند [1450nm,1850nm] بدست می‌آید. در ادامه موجبرهای دی‌الکتریک مخروطی شکل که می‌توانند همانند یک ساختار گذر به منظور افزایش میزان کوپلینگ بکار روند، را مورد بررسی قرار دادیم. در این راستا، با بسط میدانها به حاصل ضرب چند جمله‌ای‌های لژاندر و توابع کروی Schelkunoff، معادلات ماکسول در دستگاه کروی را به منظور آنالیز موجبرهای مخروطی دی‌الکتریک به قالب روابط ماتریسی درآورده‌ایم. سپس به کمک این روابط، یک مساله مقدار ویژه به گونه‌ای تشکیل دادیم که مقادیر ویژه آن اعداد موج برای انتشار در راستای شعاعی بوده و نیز بردارهای ویژه آن به منظور تعیین توزیع فضایی مودها بکار می‌رود. به منظور بررسی صحت روش عددی ارائه شده، این روش را در تعیین فرکانس‌های تشدید رزوناتورهای کروی پرشده با موجبرهای مخروطی چند لایه مورد استفاده قرار دادیم. نتایج بدست آمده را سپس با نتایج حاصل از تحلیل همین تشدید کننده‌ها توسط نرم افزارهای مبتنی بر روش اجزاء محدود موجود در بازار مورد مقایسه قرار دادیم. زمان محاسبه روش پیشنهادی به دلیل ماهیت نیمه تحلیلی آن، در مقایسه با روش اجزاء محدود بسیار کمتر است. در انتها نیز با استفاده از این روش، خواص انتشاری و توزیع میدانها در موجبرهای مخروطی و دو مخروطی دی‌الکتریک را استخراج کرده و مورد بحث قرار داده‌ایم.
- Abstract
- In this thesis, we first concentrate on the power coupling from an optical fiber waveguide into a metallic wire waveguide, i.e, a plasmonic waveguide. In this step, we assume a metallic cladding surrounds these two waveguides to facilitate the computational techniques and to make an improvement in coupling efficiency. Analysis of this structure has been done by reformulating Maxwell’s equations in order to extract the propagative modes of these waveguides in addition to their dispersion diagrams. The extracted modes are also characterized as a function of different structural parameters of the waveguides such as the radius of the metallic cladding. In a next step, power coupling from the plasmonic waveguide to the fiber-optic waveguide and its variation by wavelength or structural parameters is examined by applying a point matching technique. These results are shown to be in good agreement with those achieved by commercial numerical solvers. It is also shown that about 85% of the power in the plasmonic waveguide can be coupled into the fiber-optic waveguide for wavelengths in [1450nm,1850nm] if appropriate radius for each waveguide is chosen. Multi-layer conical dielectric waveguides are then investigated as a transition structure between these two waveguides. By using a field expansion in terms of the Legendre polynomials and the Schelkunoff functions, Maxwell’s equations in the spherical coordinate system are cast into a matrix form which lends itself for the analysis of a multilayer conical waveguide. The matrix formulation is then used to obtain an eigen-value problem whose eigen-values are the allowable wave-numbers for propagation in the radial direction. To verify the proposed numerical approach, it is applied to evaluation of the resonance frequencies of a partially filled spherical resonator. The computed resonance frequencies are then compared with those obtained using commercial software based on the finite-element method. The computation time is enormously reduced using the semi-analytical method of this work. Finally, this method is used to extract propagation constant and field distributions of conical and bi-conical dielectric waveguides.
