توصيفگر ها :
مخابرات نوري , نور مجتمع , مدوله‌سازي نوري , تكانه‌ي زاويه‌اي مداري (OAM) , ليتيوم نايوبيت لايه نازك (TFLN) , مدوله‌ساز الكترواپتيك
چكيده فارسي :
در ميان افزاره‌هاي مجتمع نوري، مدوله‌سازهاي نوري را مي‌توان يكي از ضروري‌ترين افزاره‌ها در هر سامانه نوري به شمار آورد. مدوله‌ساز نوري افزاره‌اي براي دست‌ورزي ويژگي‌هاي باريكه‌هاي نور مانند توان نوري، فاز، قطبش و غيره است. فرآيند مدوله‌سازي را مي‌توان با استفاده از افزاره‌هاي فعال يا غيرفعال انجام داد. يك مدوله‌ساز فعال از سيگنال الكتريكي براي مدوله‌سازي باريكه‌هاي نور استفاده مي‌كند. در مقابل، مدوله‌سازهاي غيرفعال مدوله‌سازي را بدون استفاده از هر گونه ميدان خارجي انجام مي‌دهند.
علاوه بر ويژگي‌هاي شناخته شده‌ي نور، تكانه‌ي زاويه‌اي مداري (OAM) نيز به عنوان درجه جديدي از آزادي براي مدوله‌سازي باريكه‌هاي نور در سامانه‌هاي مخابرات نوري قابل استفاده است. از آنجا كه تعداد حالت‌هاي OAM از نظر تئوري نامتناهي است، به‌طور بالقوه در افزايش عملكرد سامانه‌هاي مخابراتي تأثير به‌سزايي دارد. در سال‌هاي اخير، استفاده از OAM به پيشرفت‌هاي قابل توجهي هم در مخابرات كلاسيكي و هم در مخابرات كوانتومي منجر شده است. اين پيشرفت‌ها، ضرورت مدوله‌سازي باريكه‌هاي نور با استفاده از OAM در سامانه‌هاي مخابراتي را آشكارتر كرده است. از همين رو، در اين رساله سعي شده است تا مقدمه‌اي جامع بر OAM و كاربرد آن در مخابرات نوري ارائه شود. همچنين، به‌منظور تحقق مدوله‌سازي باريكه‌هاي نور با استفاده از OAM، مدوله‌سازي غيرفعال مدهاي OAM در ساختارهاي تداخلي چند مدي (MMI) مورد بررسي قرار گرفته است. اين ساختارها از افزاره‌هاي مجتمع غيرفعال با توانايي‌‌‌هاي جالب توجه‌اند كه تاكنون براي كاربردهاي OAM مورد استفاده قرار نگرفته‌اند. بررسي رفتار باريكه‌هاي حامل OAM در ساختارهاي MMI دوبعدي نشان مي‌دهد كه اين ساختارها در طول مشخصي، به‌طور ذاتي، به عنوان معكوس‌گر بار توپولوژيكي براي مدهاي مرتبه‌ي زوج OAM عمل مي‌كنند و در همان طول مدهاي مرتبه‌ي فرد را بدون تغيير عبور مي‌دهند. با توجه به اهميت ويژگي كشف شده و كاربرد آن در مخابرات كلاسيكي براي همتافتگري/واتافتگري، سودهي و مرتب‌كنندگي مدها و همچنين، در مخابرات كوانتومي براي رمزنگاري امن داده، افزاره‌اي مجتمع با هدف دارا بودن ويژگي ذكر شده براي مدهاي مرتبه‌ي فرد، نيز ارائه شده است. نتايج شبيه‌سازي‌ها نشان مي‌دهد تبديل مدي در ساختارهاي MMI با خلوص بالايي امكان‌پذير است (تا 94٪ براي مدهاي مرتبه اول و 92٪ براي مدهاي مرتبه دوم).
در مورد مدوله‌سازي فعال، مدوله‌سازهاي الكترواپتيك (EOM) كه به عنوان ستون فقرات ارتباطات جديد شناخته مي‌شوند، مورد مطالعه قرار گرفته‌اند. يكي از محبوب‌ترين مواد مورد استفاده در افزاره‌هاي الكترواپتيك، ليتيوم نايوبيت (LN) است. مدوله‌سازهاي معمولي مبتني بر LN معمولاً بر روي بلورهاي توده‌‌اي LN كه از اندازه مد نوري بزرگ يا محصورسازي نوري ضعيف رنج مي‌برند، پياده‌سازي مي‌شوند. امروزه، LN لايه نازك (TFLN) با ضخامت كنترل شده، اين فرصت را براي توليد مدوله‌سازهايي با محصورسازي مدي تنگ و افت كم در پيكربندي‌هاي بسيار فشرده‌تر فراهم كرده است. در همين راستا، در اين رساله به بيان خلاصه‌اي جامع در مورد ويژگي‌هاي LN و همچنين، EOM هاي مبتني بر TFLN و روش‌هاي ساخت آن پرداخته شده است. همچنين با بازنگري روابط رياضي مربوط به آنها، فرمول‌بندي تعميم‌يافته‌اي براي طراحي و ساخت اين مدوله‌سازها معرفي شده است. علاوه‌براين، مرور جامعي از منابعي كه تا كنون، ساخت EOM هاي مبتني بر TFLN را ارائه كرده‌اند، همراه با مقايسه‌ي عملكرد آنها با يكديگر، ارائه شده است و بر اساس آن، طرح‌هاي رايجي كه گروه‌هاي تحقيقاتي مختلف براي طراحي آنها استفاده مي‌كنند، استخراج شده است. پس از آن، ملاحظات طراحي اين مدوله‌سازها معرفي شده و تأثير هر يك از آنها با استفاده از نتايج حاصل از شبيه‌سازي مورد بحث قرار گرفته است.
چكيده انگليسي :
Among the integrated optical devices, optical modulators can be considered as one of the most essential devices in any optical system. An optical modulator is a device which is used to manipulate the properties of light beams, such as the optical power, phase, polarization, and etc. The modulation process can be performed using the passive or active devices. An active modulator uses an electrical signal to modulate light beams. In contrast, passive modulators do the modulation without any external field.
In addition to the known properties of light, orbital angular momentum (OAM) can be also utilized as a new degree of freedom to modulate light beams in optical communication systems. Since the number of OAM modes is theoretically infinite, it has a potentially significant impact on increasing the performance of telecommunication systems. In recent years, the use of OAM has led to significant advances in classical and quantum communications. These developments have revealed the necessity of light beams modulation using OAM. Therefore, in this thesis, an attempt has been made to provide a comprehensive introduction to OAM and its application in optical communications. Furthermore, in order to realize the light beam’s modulation using OAM, passive modulation of OAM modes has been investigated in multimode interference (MMI) structures. These structures are passive integrated devices with interesting features that have not been used for OAM applications. Investigation of the behavior of beams carrying OAM in two-dimensional MMI structures shows that these structures, intrinsically, act as topological charge inverters for even order OAM modes in a certain length, and pass odd-order modes unchanged in the same length. Considering the importance of the discovered feature and its applications in classical communications for (de)multiplexing, switching and mode sorting, as well as its applications in quantum communications for secure data encoding, an integrated device with the aim of having the mentioned feature for odd order modes has also been presented. The simulation results show that mode conversion in MMI structures is possible with high purity (up to 94% for first-order and 92% for second-order modes).
In the case of active modulation, electro-optic modulators (EOMs) which are known as the backbone of modern communications have been studied. Lithium niobate (LN) is one of the most popular materials for electro-optic devices. The ordinary LN-based modulators are usually implemented on the bulk LN crystal which are suffering from a large optical mode size or weak optical confinement. Todays, thin film LN (TFLN) with a controlled thickness has provided the opportunity to produce modulators with tight mode confinement and low loss in much more compact configurations. In this regard, in this thesis, an inclusive summarization about the features of LN, as well as TFLN-based EOMs and their fabrication methods have been presented. Furthermore, a generalized formulation has been introduced which can help to design and fabricate TFLN-based EOMs in the more precise way. In addition, a comprehensive overview of the sources that have so far presented the fabrication of this type of modulators has been provided along with the comparison of their performance. Based on this literature review, the common schemes in literature to design TFLN-based EOMs have been extracted. After that, the design considerations of these modulators have been introduced and the effect of each of them has been discussed using the simulation results.
