فیلترهای نوری یکی از اجزای مهم و ضروری در بسیاری از پردازش ها در عرصه نور و فوتونیک می باشند، بنابراین بررسی انواع فیلترهای نوری و رسیدن به فیلترهایی با تلفات کمتر، سرعت تنظیم زیاد، مکانیزم کنترلی ساده و ابعاد کوچک از اهمیت خاصی برخوردار است. در این پایان نامه، روش طراحی یک فیلتر طول موج تمام نوری 9 کاناله، جهت جداکردن طول موج های 1500، 1510،1520، 1530، 1540، 1550، 1560، 1570 و 1580 نانومتر، با استفاده از ساختار بلور فوتونی دو بعدی با آرایش مربعی در بستر هوا و میله هایی از جنس gaas با ثابت دی الکتریک 56/11 بررسی شده است. در این راستا، ساختارهای بلور فوتونی دوبعدی، با شبکه ای متناوب از ستون های دی الکتریک در هوا و نیز حفره های هوا در دی الکتریک شبیه سازی شد. سپس تأثیر پارامترهایی مانند شعاع ستون ها و جنس ماده دی الکتریک استفاده شده در آن ها بر روی گاف نواری فوتونی بررسی شد. همچنین در ساختار پیشنهادی، از میکروکاواک های مناسب برای به دام انداختن مودهای تشدید هر طول موج در هر کانال استفاده شده است. مکان درگاه های خروجی بر مبنای بیشترین بازده و کمترین تزویج بین موج برهای خروجی انتخاب شد. برای افزایش بازده در درگاه های خروجی، نقص هایی با میله هایی با ثابت دی الکتریک 25/2 طراحی شد همچنین با استفاده از توزیع گوسین ماده با دی الکتریک بیشتر در بستر آن دیده شد که فقط با تنظیم شعاع میله مرکزی می توان به کاواک مورد نظر جهت تشدید در طول موج دلخواه رسید. ابعاد کوچک، قابلیت مجتمع شدن، قابلیت افزایش تعداد کانال خروجی، منحنی تیز انتقال و بازده زیاد آن، از ویژگی های مهم این فیلتر است. عملکرد این فیلتر طراحی شده با استفاده از روش روش تفاضل متناهی در حوزه ی زمان شبیه سازی شده است. متوسط بازده توان انتقالی کانال ها 81 درصد، و میانگین ضرایب کیفیت آنها در حدود 272 بدست آمده است.

در این تحقیق، روشی نوین برای طراحی تشدیدگرهای تمام حلقوی و تشدیدگرهای میدان مسابقه مبتنی بر بلور فوتونی ارایه شده است. سپس کاربرد این تشدیدگرها در فیلترهای تمام نوری، مانند فیلتر کامل فرود، فیلتر فرود-فزون و فیلتر میان گذر بررسی شده است و درادامه با کمک تشدیدگرهای حلقوی میدان مسابقه تکی و دوتایی طراحی شده، دو نمونه مبدل آنالوگ به دیجیتال تمام نوری دو بیتی با چهار حالت منطقی 00، 01، 10 و 11که شرایط تبدیل دو بیتی را فراهم می کند، طراحی شده است. این مبدل ها بسیار پهن باند، با تعداد بیت کافی و قابلیت پیاده سازی بالا هستند. تشدیدگرهای حلقوی برای تقسیم خطی توان نور ورودی به نسبت های مورد نظر (50%، 25% و 5/12% ) که متناسب با یک سطح آستانه از پیش تعریف شذه است، مورد استفاده قرار می گیرد. سیگنالهای قوی انرژی کافی برای آشکار شدن در تمام طول موجبر را دارند، اما به تدریج هر چه از قدرت سیگنال کاسته می شود، امکان آشکار سازی آن نیز دشوار می گردد و بنابراین حالت منطقی سیگنال از یک به صفر تبدیل می شود. بلور فوتونی انتخاب شده برای پیاده سازی این مبدل ها دارای شبکه مربعی با میله های سیلیکونی با ضریب شکست 47/3 است. جنس محیط اطراف میله ها نیز هوا و نسبت پرشدگی شبکه نیز 17/0 r/a= انتخاب شده است. برای محاسبه ساختار باند از روش بسط امواج تخت (pwe) و برای شبیه سازی چگونگی انتشار نور در محیط بلور فوتونی از روش تفاضل محدود در زمان دو بعدی (2-d fdtd) استفاده شده است.

دو طرح برای رسیدن به این اهداف در این پایان نامه بررسی شده است. در اولین نمونه، مبدل آنالوگ به دیجیتال سه خروجی بر اساس تزویج بین موجبر و تشدیدگر حلقوی طراحی شده است. برای هر تشدیدگر حلقوی، به تنهایی، مقادیر راندمان و ضریب کیفیت به ترتیب 100% و 190 بدست آمده است. در ساختار اول ضریب دی الکتریک 3/47 و جنس محیط اطراف میله ها نیز هوا و نسبت پرشدگی شبکه نیز 22/0 r/a= انتخاب شده است. در این طرح، میانگین راندمان 90% و سرعت سوئیچینگ 476/2 gs/s بدست آمد. دومین طرح پیشنهادی، با توجه به این که شیشه های کالکوجناید (chalcogenide glasses) دارای ضریب غیرخطی مناسب و بزرگی است، از این مواد به عنوان میله های دی الکتریک استفاده شده است. ثابت دی-الکتریک و ضریب شکست میله های دی الکتریک شیشه های کالکوجناید انتخابی به ترتیب 9/61 و 3/1 است، و هم چنین پارامتر ضریب غیرخطی اثر کر این میله ها برابر m2/w17-10×9 است. برای دستیابی به بیشترین عرض نوار فرکانسی، نسبت پرشدگی 0.18 بدست آمده است. با ایجاد موجبر نقص در اطراف تشدیدگر و انتخاب طول تزویج مناسب، مبدل آنالوگ به دیجیتال دوبیتی با چهار حالت منطقی مختلف 00، 01، 10 و 11 که شرایط تبدیل دو بیتی را به وجود می آورد، در طول موج مرکزی 1.55 ?m طراحی شده است. نمودار پاشندگی موجبر نقص خطی و مد تشدید تشدیدگر حلقوی، با استفاده از روش بسط امواج تخت (pwe) و طیف توان های خروجی بوجود آورنده حالات منطقی مبدل، با روش تفاضل محدود در حوزه زمان (fdtd) محاسبه شده است. در ساختار دوم بدلیل استفاده از اثرات غیرخطی، سرعت سوئیچینگ بسیار زیاد و برابر gs/s454.5 بدست آمد. از سوی دیگر با تعریف سطح توان 0.37 سطوح ”صفر“و ”یک“ منطقی بر حسب آن، بیان شده است. از دیگر مزیت های این ساختارها، یکسان بودن فرکانس ورودی برای هر دو مبدل است.

در این پایان نامه، روش طراحی مقسم توان نوری به کمک بلور های فوتونی ارایه شده است. برای پیاده-سازی این قطعه که در قسمت های مختلف هر سیستم مدار مجتمع نوری بکار می رود، دو ساختار نمونه بررسی شده اند: بلور فوتونی متشکل از ساختار میله ای در بستری از هوا و حفره هوا در دی الکتریک. در نمونه اول، مقسم توان 2×1 ( یک ورودی، به دوقسمت مساوی تقسم شده است)، با استفاده از کاواک-های تزویج شده در موجبرهای بلور فوتونی طراحی شده است. نمونه دوم یک مقسم توان 2×1 با استفاده از کاواک های تشدید در موجبرهای سری شده ارایه شده است، تا در نهایت دو نمونه مقسم توان نوری که شرایط بسیار مناسب برای تقسیم توان مساوی در هر کانال خروجی با تلفات کم برای دو ساختار متفاوت را فراهم می کند. بلورهای فوتونی انتخاب شده برای پیاده سازی این مقسم های توان، برای اولین ساختار، از شبکه ی مربعی دوبعدی از میله های دی الکتریک در بستر هوا، تشکیل شده است. میله ها ازماده سیلیکون (si) با ضریب شکست 47/3 تشکیل و نسبت پرشدگی شبکه برابر با 174/0 r/a= انتخاب شده است که در آنr شعاع میله ها و a ثابت شبکه است. در این ساختار، انتقال توان بیش از 45% بوده و محدوده فرکانس بهنجارشده انتقال توان 3757/0? a/? ?3740/0 می باشد. برای دومین ساختار، شبکه ی مثلثی دوبعدی از حفره های هوا در بستر دی الکتریک، تشکیل شده است. دی الکتریک از ماده تری سلنیدآرسنیک (as2se3) با ضریب شکست 1/3 تشکیل و نسبت پرشدگی برابر با 32/0 r/a= انتخاب شده است. در این ساختار، انتقال توان بیش از 45? بوده ومحدوده فرکانس بهنجارشده انتقال توان 2611/0 ? a/? ? 2567/0 می باشد. به منظور سهولت مجتمع سازی ساختارهای ارایه شده، طول موج ورودی یکسان و در پنجره سوم مخابراتی، برابر طول موج 55/1 میکرومتر انتخاب شده است.

جراحی لاپاروسکوپی به عنوان روشی کارآمد با حداقل تهاجم است که سهم زیادی در عمل¬های جراحی دارد. جراح با دیدن تصاویر زنده از داخل شکم ابزارهای جراحی را کنترل می¬کند. ولی تصویری که از دوربین¬های لاپاروسکوپ در اختیار جراح قرار می¬گیرد تفاوت زیادی با دید مستقیم چشم دارد. گستره¬ی دید، رنگ¬ها، قابلیت دید سه¬بعدی از جمله تفاوت¬های تصویر دوربین و دید چشم هستند. تلاش¬های زیادی برای بهبود تصاویر لاپاروسکوپی جهت کمک به پزشک انجام شده است. کارهای عمدتاً نرم¬افزاری و گاهاً سخت افزاری برای کم کردن از محدودیت¬ها انجام شده است. پردازش تصاویر با استفاده از اطلاعات بیوفوتونیکی کمتر مورد توجه قرار گرفته است. در این نوع پردازش از اثرات بیولوژیکی که باعث ایجاد تفاوت در تصویر می¬شوند استفاده می¬شود. یکی از این تفاوت¬ها تغییر رنگ خون در اثر گرفتن یا از دست دادن اکسیژن است. اگر این تغییر رنگ در ناحیه مرئی رخ دهد می¬تواند به عنوان ابزاری در خدمت جراح قرار گیرد. در این پژوهش از سه ccd موجود در دوربین لاپاروسکوپ به عنوان ابزار ساده¬ی طیف¬سنجی استفاده شده است تا تغییر رنگ خون در اثر از دست دادن اکسیژن را در تصاویر لاپاروسکوپی مشخص کنیم. این روش مبتنی بر تفاوت طیفی دو نوع خون اکسی¬هموگلوبین و دی¬اکسی¬هموگلوبین است. تفاوت جذب اکسی¬هموگلوبین و دی¬اکسی¬هموگلوبین در طول¬موج¬های آبی و قرمز می¬تواند ما را در تمییز شریان و ورید که حامل دو نوع خون هستند کمک کند. برای پردازش تصاویر لاپاروسکوپی کدی در نرم¬افزار matlab نوشته شده است. این کد در شرایط فیزیکی و فیزیولوژیکی متفاوت عمل لاپاروسکوپی مورد ارزیابی قرار گرفت تا نقاط قوت و ضعف آن مشخص گردد. با بررسی تصاویر لاپاروسکوپی از دستگاه¬های مختلف و عمل¬های متفاوت دقت و صحت این روش سنجیده شد و نتایج حاصل از این پژوهش نشان می دهد که روش توسعه داده شده در این پژوهش پتانسیل استفاده در کلینیک را دارد.

کاهش تلفات در فیبرهای نوری معمولی از اهداف مهمی است که به دلیل عبور نور ازدرون هسته شیشه ای بامحدودیت هایی روبه رو شده است.ایده انتشار نوردرهسته ای از جنس خلاء و یا هوا،مطالعه و بررسی فیبرهای بلورفوتونی هسته توخالی را مورد توجه قرارداده است. دراین پایان نامه دونمونه سطح مقطع فیبر بلور فوتونی هسته توخالی 19سلولی ازجنس شیشه مخابراتی 7980کورنینگ طراحی و به روش تفاضل محدود با کمک نرم افزارشبیه سازی گردیده است.دراولی بارویکرد ساختاری کم تلفات،انتخاب سطح مقطع دایره ای به شعاع70میکرومتر، هسته ای توخالی به شعاع 7میکرومترو پوششی با 5حلقه حفره هوایی درترکیب متوالی با 4رینگ توخالی به مرکزیت هسته، تلفاتی به مقدار db/km0/26344درطول موج 1/55میکرومتر به دست آمد.همچنین دو کمینه تلفات دیگر به مقدارdb/km 0/045در طول موج 1/52604میکرومتر و db/km 0/009در طول موج 1/57682میکرومتر مشاهده شد. در طراحی فیبر دوم با انتخاب همان جنس وپوششی شش گوش متشکل از 5 حلقه حفره هوایی، هسته ای به شعاع 47/8947،شعاع کل فیبر 309میکرومتر و با انتخاب شعاع حفره های هوایی پوشش به ترتیب در حلقه اول 9/6152، حلقه دوم 7/8903، حلقه سوم 6/7333 و حلقه چهارم و پنجم 11 میکرومتر،کمینه تلفاتی به مقدارdb/km 4/1565*10^-12در مود اصلی و طول موج 1/55 میکرومتر به دست آمد.