امروزه نانوساختارهای فلزی برای تحقق ادوات نوری بسیار کوچک در فرکانس های بالا و غلبه بر حد پراش نور، بسیار مورد توجه قرار گرفته اند. در این پایان نامه، فیزیک پلاسمون ها، نحوه انتشار آن ها در مرز مشترک فلز-عایق-فلز، برخی از روش-های تحریک و تعدادی از کاربردهای پلاسمونیک مطرح می شوند. هم چنین انواع پراشه های فلز-عایق-فلز ساده، اپودایز و چرپ شده تحلیل و شبیه سازی شده اند و نشان داده می شود که با روش های مدولاسیون مختلف برای پراشه های براگ، باند توقف با پهناهای مختلف قابل دستیابی خواهد بود. ساختارهای با مدولاسیون ضخامت (با باند توقف در حدود nm970( نسبت به مدولاسیون ضریب شکست (با باند توقف در حدود nm340(، و ساختارهای با هر دو مدولاسیون ضریب شکست و ضخامت (با باند توقف در حدود nm1470) نسبت به مدولاسیون ضخامت، باند توقف پهن تری دارند. هم چنین با انجام عمل اپودیزاسیون بر روی تعدادی از تناوب های ابتدا و انتهای پراشه ها، شاهد کاهش لوب های کناری و بهبود در باند گذر این ساختارها خواهیم بود. روش چرپ کردن نیز برای کاهش لوب های کناری امتحان شده است که نتایج آن با نتایج روش اپودیزاسیون مقایسه شده است. روش عددی مورد استفاده، روش تفاضل محدود در حوزه ی زمان است که به تفصیل توضیح داده خواهد شد.

علم میکروالکترونیک برپایه نیمه رساناها برای کاربردهایی همچون پردازش و انتقال اطلاعات پیشرفت زیادی کرده است، هرچند که انتقال اطلاعات توسط عملکرد اجزای الکترونیکی محدود می شود. در سال های اخیر نشان داده شده است که با استفاده پلاسمونیک ها می توان بر مصالحه بین ظرفیت و اندازه فایق آمد. نکته کلیدی این است که موج الکترومغناطیسی می تواند در سطح فلز به صورت مد پلاریتون پلاسمون سطحی انتشار یابد. بنابراین میدان ها می توانند در سطح فلز با ابعاد جانبی بسیار کوچکتر از طول موج متمرکز شوند. نانوساختارهای فلزی یکی از اجزای کلیدی مدارهای اپتوالکترونیکی به شمار می روند. در این رساله، پلاسمون های سطحی معرفی و ویژگی های آنها مرور و کارهای انجام شده در زمینه شبیه سازی و تحلیل غیرخطی ساختارهای پلاسمونی بیان خواهد شد. مقدمه ای بر نور غیرخطی ارائه و روش تحلیل عددی و تحلیلی کوپلرهای پلاسمونی شرح داده خواهد شد. برای تحلیل ساختارهای پاشنده و غیرخطی، یکی از مناسب ترین روش ها، روش تفاضل محدود در حوزه زمان است. در این رساله با توجه به محیط پلاسمایی فلز، از مدل درود برای شبیه سازی محیط استفاده شده است. ابتدا معادله های روش fdtd در یک محیط خطی، هم سانگرد و غیرپاشنده پیاده سازی شده و سپس با در نظر گرفتن مدل درود معادله های نهایی شامل اثر پاشندگی ارائه می شوند. عایق ساختار با اثر غیرخطی کر درنظر گرفته می شود. بنابراین در انتها معادله های fdtd برای شبیه سازی محیط های پاشنده و غیرخطی بیان می شوند. در این رساله یک سو ئیچ تمام نوری با استفاده از کوپلر جهتی پلاسمونی و براساس اثر غیرخطی کر بررسی می شود. ابتدا عمل کرد خطی کوپلر جهتی پلاسمونی تاشده و کوپلرهای جهتی پلاسمونی با خم های موج بری 45 و 90 درجه تحلیل و شبیه سازی شده، مقسم توان با نسبت توان خروجی دلخواه و مالتی-دی مالتی پلکسر پلاسمونی به عنوان کاربردهای کوپلر جهتی مطرح می شوند. تئوری کوپلینگ مد برای دو موج بر کوپل شده ارائه شده و براساس آن مدل نیمه تحلیلی کوپلر جهتی تاشده بدست می آید. با مقایسه نتایج حاصل از مدل نیمه تحلیلی و شبیه سازی عددی مشخص می شود که مدل نیمه تحلیلی مدل دقیقی برای طراحی کوپلر جهتی تاشده است. سپس به تحلیل غیرخطی کوپلرهای پلاسمونی تاشده و کوپلرهای جهتی پلاسمونی با خم های موج بری 45 و 90 می پردازیم. عملکرد سوئیچ های کوپلری با خم های موج بری 45 و 90 درجه را با هم مقایسه کرده و به این نتیجه می رسیم که توان لازم برای سوئیچینگ در سوئیچ های 90 درجه، حدود 21% کمتر از سوئیچ های 45 درجه است. همچنین اثر مدولاسیون فاز متقابل برروی توان سوئیچینگ کوپلر جهتی پلاسمونی را بررسی کرده و مشاهده می کنیم که در این حالت توان سیگنال و پمپ لازم برای سوئیچینگ بسیار کمتر از توان سیگنال در حالتی است که اثر مدولاسیون خودفاز در نظر گرفته می شود. زمان سوئیچینگ کوپلرهای 45 و 90 درجه به ترتیب 26fs و 23fs بدست آمده است. به دلیل زمان سوئیچینگ بسیارکم این ادوات به عنوان سوئیچ های تمام نوری بسیار سریع در مدارهای مجتمع نوری قابل استفاده هستند. اکثر شبیه سازی ها در پنجره سوم مخابراتی، یعنی طول موج 1550 نانومتر و با استفاده از کدهای نوشته شده در نرم افزارهای ++c و matlab انجام شده است.

بسیاری از توابع فوتونیکی به وسیله کنترل اثر متقابل واپاشی و آثار غیر خطی در موجبر قابل پیاده سازی می باشند. مهندسی واپاشی برای آن دسته از فرآیندهای غیر خطی نظیر تبدیل طول موج و تقویت کنندگی پارامتریک که به تطابق فاز نیاز دارند، امری ضروری است. همچنین در کاربردهایی چون تولید و انتشار پالس سالیتونی، فرآیندهای پهن کردن طیف پالس، فشرده سازی و دوباره شکل دهی پالس ، کنترل دقیق واپاشی از اصول اولیه و مهم است. واپاشی ماده در سیلیکونِ پایه مقدار زیادی دارد؛ اما در موجبرهای سیلیکونی کاهش ابعاد و حبس نور بالا سبب ایجاد واپاشی موجبری می شود، به گونه ای که با تنظیم ابعاد و ساختار موجبر به طور مناسب، امکان جبران سازی واپاشی ماده و کاهش واپاشی کل وجود دارد. ساختارهای موجبری شیار دار/شکاف دار ، آزادی بیشتری در طراحی به همراه داشته اند. واپاشی کل در این ساختارها به طور چشمگیری نسبت به موجبرهای نواری کاهش یافته است، ضمن اینکه با طراحی مناسب این دسته از موجبرها می توان تا چهار طول موجِ واپاشی صفر(zdw) بدست آورد. هدف این پایان نامه، طراحی بهینه موجبرهای شیاردار/شکافدار به منظور کاهش واپاشی بوده است. در این راستا، واپاشی کل برای تعدادی از موجبرهای شکاف دار به طور قابل ملاحظه ای کاهش یافته است. همچنین، دو ساختار جدید موجبری برای کنترل و کاهش واپاشیِ دو مد پایه شبه- te و شبه- tm ، به طور همزمان ارائه شده است. با توجه به اینکه تمامی ساختارهای شکاف دارِ ارائه شده تا کنون دارای واپاشی کاهش یافته برای تنها یک مد هستند، ساختارهای جدید معرفی شده امکان انتشار همزمان دو مد و کوپلینگ غیر خطی میان آن ها را فراهم آورده است. این مسئله گام مهمی در تحقق آثار غیر خطی غنی شده می باشد که یکی از مزایای آن امکان کنترل آثار غیر خطی است. با توجه به اینکه پهنای باند موجبرهای سیلیکونی ارائه شده تاکنون، وسیع نیست و در محدوده 1µm تا 2µm قرار دارد (در این محدوده از طول موج، تلفات غیرخطی ناشی از جذب دو فوتون (tpa) و جذب حامل های آزاد (fca) و همچنین واپاشی ناشی از حامل های آزاد (fcd) ؛ قابل ملاحظه می باشند که در اغلب کاربردهای غیرخطی عواملی محدود کننده و مضر محسوب می شوند.)؛ پهنای باند بسیار وسیعِ موجبرهای ارائه شده برای هر دو مد، از دیگر مزایای آن ها می باشد. واپاشی کل کاهش یافته و پهنای باند وسیع این ساختارها، آن ها را برای کاربردهایی چون تولید ابر پیوسته و فرکانس شانه مناسب می گرداند.

در این پایان نامه اثر اپودیزاسیون بر روی موجبر نواری soi با توری ایجاد شده بر روی دیواره ها و مشخصات ذکر شده در جدول 4-1 مورد مطالعه قرار گرفت. در ابتدا عملکرد سه نوع اپودیزاسیون شامل اپودیزاسیون های کسینوسی، تانژانت هایپربولیک وبلکمن را مورد بررسی قرارداده ایم. استفاده از اپودیزاسیون های ذکر شده تأثیر مناسبی درکاهش لوب های جانبی دارد. در میان این سه اپودیزاسیون مورد مطالعه، اپودیزاسیون بلکمن عملکرد بهتری داشته و منجربه کاهش لوب های جانبی طیف بازتاب تا سطح 5/40- دسی بل شده است. استفاده از اپودیزاسیون بلکمن همچنین لوب های جانبی طیف انتقال را کاملا از بین می برد. در ادامه این فصل چهار تابع اپودیزاسیون با عناوین نمایی نوع اول، نمایی نوع دوم، چندجمله ای و توان-z مورد مطالعه قرار گرفت. کمیت های مورد بررسی در این مطالعه، fwhm ، دامنه لوب های جانبی و حداکثر بازتاب بودند. تغییر متغیر های این توابع اپودیزاسیون اثر قابل توجهی بر کمیت های ذکر شده داشته است به نحوی که می توان به منظور دست یابی به پاسخ هایی با ویژگی های فیلتری مطلوب این متغیر ها را تنظیم نمود. نتایج نشان می دهد که موجبر های اپودایز شده توسط اپودیزاسیون های چندجمله ای وتوان-z دارای طیف بازتاب بدون نوسان بوده و لوب های جانبی کاملا حذف شده اند. همچنین توابع اپودیزاسیون نمایی نوع اول، چندجمله ای و توان-z ، fwhm راکاهش می دهند حال آنکه اپودیزاسیون نمایی نوع دوم fwhm را افزایش می دهد. همچنین نشان داده شد که افزایش طول اثر قابل ملاحظه ای برافزایش حداکثر بازتاب و کاهش fwhm به زیر 1 نانومتر دارد. در میان ساختارهای بررسی شده، کمترین میزان fwhm برابر با 74/0 نانومتر بوده که برای موجبر اپودا یز شده توسط اپودیزاسیون توان-z و با طول 1300 میکرومتر حاصل شده است. همچنین بیشترین میزان fwhm برابربا 48/8 نانومتر بوده و برای موجبر اپودایز شده توسط اپودیزاسیون نمایی نوع دوم و با طول 620 میکرومتر بدست آمده است. در ادامه مقایسه ای بین طیف های بازتاب اپودیزاسیون بلکمن، چند جمله ای و توان-z انجام شد. در انتها نیز اثر تغییر پهنای موجبر و ارتفاع لایه سیلیکونی بر روی طول موج براگ موجبر اپودایز شده با اپودیزاسیون توان-z مورد بررسی قرار گرفت. در بخش انتهایی، در ابتدا فیلتر ad براساس تزویج کننده غیر هم جهتی با توری ایجاد شده بر روی دیواره های موجبر های نواری مورد بررسی قرار گرفت. همچنین در این فیلتر، تنظیم طول موج درگاه کاهشی بوسیله تغییر پهنای موجبر دوم انجام شد. در ادامه یک فیلتر ad پیاده سازی شده با استفاده از موجبر های ریب soi و توری ایجاد شده بر روی موجبر ها و در فاصله بین دو موجبر پیشنهاد شد. در این فیلتر طول موج درگاه کاهشی و همچنین فاصله میان طول موج ناشی از تزویج درون موجبری موجبر ورودی وطول موج درگاه کاهشی با استفاده از تغییر ابعاد انجام شد. نوآوری های این پایان نامه به این شرح است. در بخشی از این پایان نامه بررسی اثر توابع اپودیزاسیون برروی موجبر های soi با توری براگ ایجاد شده برروی دیواره ها انجام گرفته است. اگرچه اثر اعمال بعضی از توابع اپودیزاسیون بر روی موجبرهای soi درپاره ای از تحقیقات ، مورد بررسی قرارگرفته است، با این حال، تحقیقات در این زمینه اندک می باشد. همچنین اثر توابع اپودیزاسیون تانژانت هایپربولیک و بلکمن برروی این موجبرها و مقایسه نتایج حاصل از آنها تا به حال مورد بررسی قرار نگرفته است. معرفی توابع اپودیزاسیون نمایی نوع اول، نمایی نوع دوم، چندجمله ای و توان-z و مطالعه اثر این توابع بر روی موجبر های soi مبتنی توری دستاورد دیگر این پایان نامه می باشد. همچنین بررسی اثر طول توری بر روی مشخصات فیلتری این موجبر ها از جمله حداکثر بازتاب وپهنای باند نیز مورد مطالعه قرار گرفته است. در ادامه این پایان نامه فیلتر های افزایشی-کاهشی (ad) براساس تزویج کننده های غیر هم جهتی مبتنی بر توری بررسی شده اند. در تحقیقات مختلف، ساختارهای متفاوتی برای فیلترهای ad با استفاده از توری بیان شده است. در این پایان نامه، با در نظر گرفتن دو ساختار معرفی شده در تحقیقات، ساختار جدیدی معرفی شده است. در این ساختار، توری براگ ایجاد شده بر روی هر دو دیواره موجبر ها وهمچنین در بین دو موجبرایجاد شده است. همچنین اثر افزایش ارتفاع توری ایجاد شده در بین موجبر ها فیلتر ad بررسی شده است.

استفاده از مخابرات نوری به علت سرعت، دقت و امنیت بالای آن امروزه بسیار مورد توجه قرار گرفته است. پالس سالیتون به علت خواص منحصر به فرد آن ایده آل ترین میدان اپتیکی در سیستم های مخابرات نوری است. یکی از مهمترین کاربردهای انتشار پالس سالیتونی در ریزتشدیدکننده های حلقوی در سیستم های مخابراتی dwdm است. در سیستم های مخابراتی dwdm مشخصه محدوده طیفی آزاد از اهمیت بالایی برخوردار است. در این تحقیق تأثیر پارامترهای ساختاری بر مشخصات سیستمِ شامل ریزتشدیدکننده های حلقوی و فیلتر اضافه ای-نشتی بررسی و شبیه سازی شده است. شعاع ریزتشدیدکننده حلقوی، ضخامت و ارتفاع موجبرها و ریزتشدیدکننده ها و فاصله بین ریزتشدیدکننده های حلقوی و موجبرها از جمله پارامترهای ساختاریِ بررسی شده هستند. محدوده طیفی آزاد، ضریب کوپلینگ و بهره نوری نیز مشخصات خروجی حاصل شده هستند. در ادامه خواهیم دید که با تغییر شعاع ریزتشدیدکننده ها محدوده طیفی آزاد در بازه 350pm تا 720pm و با تغییر ضخامت ریزتشدیدکننده ها محدوده طیفی آزاد در بازه 586pm تا 645pm متغیر خواهند بود. بنابراین می توان در سیستم های مخابراتی dwdm با کاهش محدوده طیفی آزاد تعداد کانال های مخابراتی را افزایش داد که بهبود عملکرد سیستم را در پی خواهد داشت.

گیت های منطقی از المان های اصلی در پردازش داده هستند. سرعت عملکرد گیت های منطقی تأثیر بسزایی در عملیات پردازش داده دارد. رویکرد جدید استفاده از گیت های منطقی اپتیکی و فوتونیکی است که باعث افزایش چشمگیر سرعت و پهنای باند خواهد شد. در این پایان نامه ساختارهایی برای گیت های منطقی کریستال فوتونی غیرخطی دوبعدی با شبکه های مربعی و مثلثی پیشنهاد شده است. در تمام ساختارها موجی با قطبش tm به ساختار اعمال می شود. در قسمت اول، ساختارهایی برای گیت های منطقی تمام نوری xor، xnor، nand و not پیشنهاد شده است که از یک موجبر tشکل و یک موجبر خمیده تشکیل شده و در موجبر خمیده سه میله غیرخطی استفاده شده است مزیت برجسته این ساختارها علاوه بر کوچک بودن ابعاد، تفاوت سطح خاموش و روشن در حد است. در قسمت دیگر پایان نامه دو گیت منطقی xor و and به طور همزمان در یک ساختار با استفاده از شبکه های مربعی و مثلثی پیشنهاد شده است.در این ساختارها از میله های غیرخطی جاسازی شده در هوا استفاده شده است و سوئیچینگ ساختار توسط یک میکرو تشدیدگر حلقوی انجام می شود. در ساختارهای این بخش توان اعمالی نسبت به ساختارهای مشابه پایین تر و اختلاف سطح خاموش و روشن بالاتر بدست آمده است. همچنین ساختار با شبکه مربعی در مقایسه با ساختار با شبکه مثلثی دارای توان مصرفی پایین تر و اختلاف سطح خاموش و روشن بالاتر است. تمام ساختارها با روش های عددی تفاضل محدود در حوزه زمان و بسط موج تخت شبیه سازی شده است.