بهینه سازی طرح های مدولاتور Mach-Zehnder با نرم افزار COMSOL

مدولاتور Mach-Zehnder نوعی مدولاتور نوری است که برای کاربردهای ارتباطی استفاده می شود. برای درک نحوه عملکرد و نحوه بهینه سازی طراحی آن، می توانید از نرم افزار شبیه سازی COMSOL استفاده کنید.

به طور خلاصه چگونه مدولاتور کار می کند

مدولاتور دامنه یک موج نوری را هنگام عبور از دستگاه کنترل می کند. نام آن ناشی از استفاده از تداخل سنج ماخ زندر است که بین دو جفت کننده جهت 50/50 قرار دارد. با اعمال ولتاژ در یکی از دو بازوی تداخل سنج، می‌توانیم ضریب شکست ماده موجبر را تغییر دهیم و یک تغییر فاز در انتشار موج الکترومغناطیسی ایجاد کنیم. سپس، دو موج دوباره در یک کوپلر جهتی دوم با هم ترکیب می شوند و به لطف اختلاف فاز ایجاد شده توسط ولتاژ، یک مدولاسیون دامنه به دست می آوریم.

از طرف دیگر، اگر پورت های ورودی و خروجی مدولاتور همگی به موجبرهای دیگر متصل باشند، دستگاه می تواند به جای تعدیل کننده دامنه، به عنوان یک سوئیچ فضایی عمل کند. در این صورت، ما می توانیم ولتاژ را تنظیم کنیم تا نور بین دو پورت خروجی سوئیچ کند.

یک مدولاتور Mach-Zehnder با ولتاژ اعمال شده روی یکی از بازوهای تداخل سنج.

طراحی یک مدولاتور Mach-Zehnder

فرض کنید می خواهیم یک مدولاتور Mach-Zehnder طراحی کنیم. ما به آن نیاز داریم تا تلفات کم تولید کند، از طریق دو بازوی خروجی به ما تقسیم توان 50/50 بدهد و به عنوان سوئیچ فضایی استفاده شود.

برای تعیین طراحی ایده آل دستگاه، به COMSOL Multiphysics و Wave Optics Module مراجعه می کنیم .

ضرر کم

برای برآوردن نیاز کلی کوچک نگه داشتن اندازه کلی دستگاه، باید کوچکترین شعاع خمشی ممکن را پیدا کنیم که تلفات کم را نیز فراهم می کند. برای فهمیدن این موضوع، می‌توانیم کل انتقال مودال را بر روی شعاع خمش فزاینده انحنا رسم کنیم. انجام این کار به ما نشان می‌دهد که حداقل شعاع خمش 2.5 میلی‌متر، افت 2 درصدی قابل قبولی را به ما می‌دهد (نقشه کل انتقال مودال 98 درصد را نشان می‌دهد). ما همچنین می توانیم نتایج خود را با ایجاد نمودار هنجار میدان الکتریکی تأیید کنیم.

رسم کل انتقال مودال بر روی شعاع خمیدگی بر حسب متر.

تقسیم 50/50

در مرحله بعد، ما باید پیدا کنیم که کوپلر چقدر طول می کشد تا از طریق دو بازوی خروجی تداخل سنج ماخ زندر، 50/50 تقسیم توان مورد نظر خود را به ما بدهد. این را می توان با نظارت بر اختلاف توان در دو بازو و جارو کردن طول کوپلر به دست آورد. اگر نتایج جاروب پارامتر را رسم کنیم، خواهیم دید که طول کوپلر 380 میکرومتر تقسیم 50/50 توان بین بازوها را تضمین می کند. باز هم، می‌توانیم نتایج خود را با نمودار هنجار میدان الکتریکی تأیید کنیم.

نمودار به این صورت است:

نمودار هنجار میدان الکتریکی که تأیید می کند که توان در دو بازوی موجبر تداخل سنج برای یک جفت کننده جهتی به طول 380 میکرومتر نزدیک به برابر است. هندسه با ضریب 80 در جهت y مقیاس می شود.

سوئیچ فضایی

در نهایت، می‌خواهیم تأیید کنیم که اگر سناریویی داشته باشیم که در آن همه پورت‌های ورودی و خروجی به فیبرها یا موجبرهای دیگر متصل هستند، می‌توانیم از دستگاه به عنوان سوئیچ فضایی استفاده کنیم. به عبارت دیگر، ما باید بررسی کنیم که موج را می توان با اعمال ولتاژ در یکی از بازوها بر روی موجبر در یکی از بازوها و سپس تنظیم آن، بین دو درگاه خروجی سوئیچ کرد. نمودار زیر نشان می دهد که ما در واقع می توانیم پورت خروجی را با تنظیم ولتاژ تغییر دهیم:

انتقال (محور y) به موجبرهای خروجی بالا ( خط آبی ) و پایین ( خط سبز ) در مقابل ولتاژ اعمال شده (محور x).

توجه داشته باشید که اگر فقط یک ورودی و یک پورت خروجی فعال باشد، دستگاه به جای سوئیچ فضایی به عنوان مدولاتور دامنه عمل می کند.

دانلود مدل

• نحوه اجرای این شبیه‌سازی‌ها را خودتان، با استفاده از COMSOL Multiphysics و Wave Optics Module، با دنبال کردن دستورالعمل‌های مثال مدل Mach-Zehnder Modulator بیاموزید .