شماره مدرك
20924
شماره راهنما
17975
پديد آورنده
آخوندمهدي، زهرا
عنوان
طراحي و شبيهسازي جداساز، جفتگر پهن باند و شبكه عصبي بازپيكربندي پذير مبتني بر گرافن
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
گرايش تحصيلي
ميدان و موج
محل تحصيل
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
سال دفاع
1404
صفحه شمار
چهارده، 98ص. : مرور، جدول، نمودار
توصيفگر ها
گرافن , جداساز نوري , ناهمسانگردي , جفتگر جهتدار پهنباند , الگوريتم بهينهسازي , شبكه عصبي نوري
تاريخ ورود اطلاعات
1404/11/25
كتابنامه
كتابنامه
رشته تحصيلي
مخابرات
دانشكده
مهندسي برق و كامپيوتر
تاريخ ويرايش اطلاعات
1404/11/26
كد ايرانداك
23206291
چكيده فارسي
گرافن، بهعنوان يكي از برجستهترين مواد دوبعدي معرفيشده در دهههاي اخير، نقش تعيينكنندهاي در پيشبرد ساختارهاي فوتونيكي و موجبري داشته است. ويژگيهايي نظير رسانندگي مختلط قابل تنظيم از طريق تغيير پتانسيل شيميايي، اتلاف پايين در ناحيه تراهرتز و امكان بروز ناهمسانگردي تحت اعمال ميدان مغناطيسي، اين ماده را به گزينهاي ممتاز براي طراحي افزارهها نوري پيشرفته و فشرده بدل كرده است. استفاده از گرافن در ساختارهاي موجبري، علاوه بر كاهش ابعاد و افزايش تمركز ميدان نسبت به فلزات نجيب، امكان ساخت افزارههايي با كارايي بالا و مناسب براي فوتونيك مجتمع آينده را فراهم ميسازد.
در اين پژوهش، ابتدا يك جداساز نوري پهنباند مبتني بر گرافن طراحي و شبيهسازي شده است. اساس عملكرد اين جداساز بر بهرهگيري از خاصيت ناهمپاسخي گرافن تحت ميدان مغناطيسي و اعمال آن بر يك قرص تشديدگر است. اين ساختار موجب چرخش توزيع ميدان در فركانس كاري شده و رفتار انتقالي كاملاً نامتقارن ايجاد ميكند. نتايج بهدستآمده نشان ميدهد كه طرح پيشنهادي از پهناي باند بالا، تلفات كم و قابليت پياده سازي در فركانسهاي ديگر برخوردار بوده و نسبت به ساختارهاي معمول مبتني بر مواد مغناطيسي پرحجم، مزيت دارد.
در ادامه، يك جفتگر جهتدار پهنباند ارائه شده است كه در آن با بهرهگيري از الگوريتمهاي بهينهسازي، توزيع بهينه پتانسيل شيميايي در نوار گرافني مياني تعيين شده است. اين روش امكان دستيابي به طيفي از ضرايب جفتشدگي مختلف، بدون نياز به تغيير هندسي ساختار و همچنين يكپارچهسازي آسان آن در مدارهاي فوتونيكي مجتمع را فراهم ميآورد.
محاسبات نوري، به دليل مزايايي نظير امكان پردازش موازي، اتصالات داخلي گسترده، سرعت قابل توجه و توان مصرفي پايين، به يكي از حوزههاي نوظهور و پرطرفدار در فناوريهاي پردازش اطلاعات تبديل شده است. از اينرو، پيادهسازي شبكههاي عصبي با سازوكارهاي فوتونيكي مورد توجه بسياري قرار گرفته است. در فصل پاياني اين پژوهش، يك شبكه عصبي نوري مبتني بر گرافن معرفي و طراحي شده است كه در آن از قابليت تنظيمپذيري ضريب شكست مؤثر با تغيير پتانسيل شيميايي براي پيادهسازي وزنها و عملكرد نوروني استفاده ميشود. اين شبكه قادر است بدون تغيير در هندسه فيزيكي و تنها با اعمال نيمرخهاي متفاوت پتانسيل شيميايي به فرااتمها، مجموعهاي متنوع از عملكردهاي نوروني را براي اهداف مختلف ايجاد كند. نتايج نشان ميدهد كه چنين ساختاري ميتواند مبنايي نوين براي پردازش اطلاعات در بستر فوتونيكي فراهم سازد.
اهميت اين پژوهش در آن است كه دو حوزه كليدي و پيشرو در فوتونيك—يعني افزارهها موجبري پهنباند و شبكههاي عصبي نوري—بهصورت يكپارچه و مبتني بر گرافن طراحي شدهاند. اين ماده، بهدليل ابعاد نانومتري، قابليت تنظيمپذيري و امكان مجتمعسازي، بهعنوان يكي از اصليترين ستونهاي نسل آينده افزارههاي فوتونيكي شناخته ميشود. دستاوردهاي اين پروژه ميتواند مسير توسعه سامانههاي نوري تراهرتز، پردازش سيگنالهاي پرسرعت و محاسبات نوري را هموار كرده و گامي اساسي در جهت تحقق فوتونيكي مجتمع با قابليت تنظيمپذيري پيشرفته باشد.
چكيده انگليسي
Graphene, as one of the most prominent two-dimensional materials introduced in recent decades, has played a crucial role in the advancement of photonic and waveguiding structures. Features such as tunable complex conductivity through variation of the chemical potential, low loss in the terahertz frequency range, and the emergence of anisotropy under an applied magnetic field have made this material an excellent candidate for the design of advanced and compact optical devices. In this research, a broadband graphene-based isolator is simulated. The operating principle of this isolator relies on exploiting the nonreciprocal properties of graphene under a magnetic field and applying them to a resonator disk. This structure induces a rotation in the field distribution at the operating frequency, resulting in completely asymmetric transmission behavior. The obtained results demonstrate that the proposed design exhibits a wide bandwidth, low loss, and scalability to other frequency ranges, while offering advantages over conventional bulky magnetic-material-based structures. Subsequently, a broadband directional coupler is presented, in which optimization algorithms are employed to determine the optimal chemical potential distribution along the intermediate graphene strip. This approach enables access to a wide range of coupling coefficients without requiring geometric modifications of the structure. In the final chapter of this research, a graphene-based optical neural network is introduced and designed, in which the tunability of the effective refractive index via chemical potential modulation is utilized to implement synaptic weights and neuronal functions. This network is capable of realizing a diverse set of neuronal operations for different tasks without altering the physical geometry, solely by applying different chemical potential profiles to the meta-atoms. The results indicate that such a structure can provide a novel platform for information processing in photonic systems. The significance of this research lies in the integrated design of two key and cutting-edge domains in photonics—namely broadband waveguiding devices and optical neural networks—both based on graphene. The outcomes of this project can pave the way for the development of terahertz optical systems, high-speed signal processing, and optical computing, representing a substantial step toward highly tunable integrated photonic platforms.
استاد راهنما
احمد بخت افروز
استاد داور
پريسا كريمي , ابوالقاسم زيدابادي نژاد