14654

1389 دكتري

دكتري

الكترونيك

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

1397

چهارده، 116ص. : مصور، جدول، نمودار

اصغر غلامي

ذاكر حسين فيروزه، حميد لطيفي

ابولقاسم زيدآبادي نژاد، مسعود عمومي

1398/03/08

كتابنامه

مهندسي برق

مهندسي برق و كامپيوتر

1398/03/08

2538795

چکیده تشديدگرهای ميکروکره يکي از انواع ميکروتشديدگرهای WGM هستند که در سالهای اخير در کاربردهای مختلف توجه زيادی را بیه خود جلب کردهاند در کنار ويژگيهای منحصر به فرد تشديدگرهای ميکروکره يکي از اصليترين چالشهیا در اسیتفاده از آنهیا تعیداد زياد فرکانسهای تشديد در مقايسه با ساير ساختارهای تشديدگرهای WGM ميباشد که به علت عدم تقارن در ساختار کروی شکل ايین تشديدگر در عمل ايجاد ميگردد و هرچقدر اندازه ميکروکره بزرگتر باشد فاصیلۀ ايین فرکیانسهیای تشیديد از يکیديگر کمتراسیت از رفي در ميکروکره همانند ساير تشديدگرها هرچقدر اندازه تشديدگر کوچکتر شود ضريب کيفيت آن کاهش مييابد باال بیودن ضیريب کيفيت تشديدگر و بزرگ بودن فاصلۀ بين فرکانسهای تشديد متوالي در کاربردهای مختلف تشديدگر از اهميت ويژهای برخوردار است در اين پژوهش نشان ميدهيم که با استفاده از جفتشدن سری دو ميکروکره با اندازههای متفاوت ميتوان فرکانسهای تشیديد ناخواسیته را در تشديدگر کاهش و در نتيجه فاصلۀ بين فرکانسهای تشديد متوالي را افزايش داد و در عين حال ضريب کيفيت تشديدگر را باال نگیه داشت در مدلسازی ساختار پيشنهادی شامل تشديدگرهای ميکروکرۀ جفت شده و جفتگر نور از نظريۀ مد جفتشده استفاده شده است با استفاده از اين نظريه ميزان همپوشاني مدهای ميکروکره و فيور باريک شیده بیه عنیوان پربیازدهتیرين روش جفیت شیدن نیور و همچنیين مدهای دو ميکروکرۀ جفت شده محاسوه شده و سپس با در نظر گرفتن ميزان انطواق فازهای دو مد با يکديگر ضريب جفتشدگي نهیايي به دست ميآيد در نهايت با استفاده از روشي مشابه جفتگرهای جهتدار يف توان خروجي ساختار پيشنهادی محاسوه گرديیده اسیت با شويهسازی ساختار پيشنهادی با ميکروکرههای با شعاعهای 115 m و 51 m نشان داده شده است که تعداد ول میوجهیای تشیديد در مقايسه با ساختار شامل يک ميکروکره کاهش چشمگيری پيدا کرده به گونیهای کیه حیداقل فاصیلۀ بیين دو یول میوج تشیديد متیوالي از 5 1 pm به 611 pm افزايش پيدا کرده است در حاليکه ضريب کيفيت آن برابر بیا 812 42 1 در همیان حید ضیريب کيفيیت تشیديدگر شامل يک ميکروکره باقي مانده است همچنين نشان ميدهيم که يکي از کاربردهای ساختار پيشنهادی ساخت ليزرهای تک مید بیا تیوان باال ميباشد بدين منظور در اين پژوهش ابتدا ساختار يک ليزر ميکروکره با استفاده از معادالت نرخ و معیادالت مربیوط بیه تغييیرات تیوان دمش و سيگنال گسيل شده در ول انتشار در داخل کاواک مدل شیده و دقیت میدل از ريیق مقايسیه بیا نتیايج انیدازهگيیری يیک ليیزر ميکروکرۀ گزارش شده تاييد شده است سپس با شويهسازی ليزری با ساختار پيشنهادی شامل يک ميکروکرۀ ناآالييیده بیا شیعاع 22 5 m جفت شده به ميکروکرۀ آالييده با شعاع 51 m نشان داده شده است که با استفاده از اين ساختار ميتوان به تیوان خروجیي 118 W بیه ازای توان پمپ 91 mW دست يافت که حدود چهار برابر نسوت به توان خروجي ليزر شامل يک ميکروکره بیا شیعاع 21 5 m برابیر بیا 11 W بيشتر است و در عين حال از ويژگي تک مد بودن نيز برخورداراست همچنين مشاهده ميشود که توان دمیش آسیتانه و پهنیای يف سيگنال خروجي ليزر نيز به ترتيب برابر با 1 16 mW و 1 59 fm است که نسوت به حالت اسیتفاده از ميکروکیرۀ بیا شیعاع 21 5 m برابر با 23 19 mW و 1 49 pm کاهش چشیمگيری دارد در ادامیه اسیتفاده از جفیتشیدن سیری دو ميکروکیره بیه عنیوان حسیگر در تشخيص باکتریهای ميلهای شکل به عنوان يک شکل معمول برای اکثر باکتریها و گونههای ويروسي مهم مورد بررسي قرار میيگيیرد با شويهسازی ساختار پيشنهادی در تشخيص باکتری ميلهای شکل E coli نشان داده ميشود که اين ساختار از حسیگر ميکروکیره نسیوت بیه تغييرات چگالي سطحي باکتریها خطي است ودر عين حال به علت افزايش فاصلۀ بين ول موجهای تشديد متوالي دنوال کردن تغييیرات يک ول موج تشديد با تغييرات چگالي سطحي باکتری امکانپذيرتر خواهد بود همچنين تغييرات پارامترهای حسگر با ساختار پيشنهادی شامل محدودۀ ديناميکي حسگر و تفکيککنندگي آن نسیوت بیه تغييیرات در سیاختار تشیديدگر از قويیل فاصیلۀ بیين فيویر باريیک شیده و ميکروکره فاصلۀ بين دو ميکروکره و عرض فيور باريک شده مورد بررسي قرار گرفته است کلمات کليدی 2 1 WGM تشديدگر ميکروکره 9 4 FSR نظريۀ مد جفتشده

Analysis and Optimization of Optical Microsphere Resonators Marzieh Saffari Khoozani m saffarikhoozani@ec iut ac ir January 2 2019 Department of Electrical and Computer Engineering Isfahan University of Technology 84156 83111 Isfahan IranSupervisor Asghar Gholami gholami@cc iut ac ir1st Advisor Zaker Hossein Firouzeh zhfirouzeh@cc iut ac ir2nd Advisor Hamid Latifi latifi@sbu ac irDepartment Graduate Program Coordinator Gholamreza Yousefi Isfahan University of Technology 84156 83111 Isfahan Iran Shahid Beheshti University Tehran IranAbstractThis thesis presents a novel structure composed of serially coupled double microsphere resonator SCDMR toreduce the non fundamental resonances and therefore expand the resonance frequency spacing RFS inmicrosphere resonator systems Coupled mode theory is used to model the system and it is shown that theminimum RFS of a single 225 m microsphere is expanded from 5 2pm to 0 6nm by coupling to a 50 m radiusmicrosphere while maintaining its high quality factor 2 14 108 It is shown that using the proposed structure inlasing application a high power narrow linewidth low threshold single mode microsphere laser can beobtained A model is proposed for microsphere lasers and verified by comparing its results to the experimentalresults published in the literature for a thulium doped tellurite glass 12 5 m microsphere laser It is illustratedthat by coupling an 11 5 m undoped microsphere to a multimode 50 m microsphere laser single modeoperation is obtained and an output power of 208 W at 30mW pump power and the FWHM linewidth of0 53fm are achieved Furthermore it is shown that by using the SCDMR in sensing application for sensingrodlike bacteria it is much easier to track the change in the bacteria surface density Key WordsWGM microsphere resonator RFS coupled mode theoryIntroduction Optical microsphere resonators have attracted increasing attention in recent years in manyapplications such as filtering lasing switching and sensing especially in biosensing owing totheir very high quality factors Q up to 1010 low mode volume and also their ease offabrication Dantham et al 2013 have reported detection of a single protein molecule usingmicrosphere resonator Pal et al 2013 fabricated a high Q and low threshold 50 W thulium doped silica microsphere laser in the 2 m wavelength region Furthermore amicrosphere filter with 0 057pm linewidth and tunable in a range of 2nm has been reportedby Villegas et al 2014 One of the important parameters of a resonator is the frequency spacing between twoadjacent resonances In all of the aforementioned applications this spacing is desired to belarge In fact in a microsphere the number of modes that could resonate in the resonators aremore compared to a microring or a microdisk Thus the reduction of these non fundamentalresonances and therefore expansion of RFS of a microsphere resonator is essential in manyapplications The simplest way for solving this problem is to increase the RFS by decreasingits radius On the other hand decreasing the microsphere s radius reduces the Q of theresonator drastically In this thesis it is shown that using serially coupled double microsphereresonator the number of resonances observed at the output can be reduced and therefore its

اصغر غلامي

ذاكر حسين فيروزه، حميد لطيفي

ابولقاسم زيدآبادي نژاد، مسعود عمومي