به روزترین مقالات
تولید نور کُند ومحاسبات کوانتومی

تولید نور کُند ومحاسبات کوانتومی

خطوط تأخیری اپتیکی (Optical Delay Lines) جهت ایجاد نور کُند (Slow light) در کاربردهای متعدد پردازش سیگنالهای نوری (Signal processing) شامل ذخیره سازی داده ها، مخابرات نوری و غیره بکار گرفته می شوند.

نور کند زمانی ایجاد می گردد که یک موج نوری در اثر اندرکنش با محیطی که در آن منتشر می گردد بطور قابل ملاحظه ای کند گردد. بعبارت دیگر نوري را که سرعت گروه آن، vg ، در مقایسه با سرعت نور در خلأ، c ، به طور قابل توجهی کاهش یافته باشد، نور کند می نامند [8-9]. ساختارهای گاف باندی یا همان بلورهای فوتونی یکی از مناسب ترین تجهیزات برای ایجاد خطوط تأخیری محسوب می شوند [1-6]. بلورهاي فوتونی، محیطهایی با ضریب شکست متناوب از مرتبه طول موج نور هستند که معمولاً از دو ماده دی الکتریک یا فلزی بعنوان مواد با ضرایب شکست بالا و پایین در چندین تناوب تشکیل شده اند. این تناوب باعث به وجود آمدن یک باند ممنوع در ساختار باند بلور فوتونی می شود که از انتشار نور با فرکانسی در این محدودة جلوگیري میکند [17]. ساختار یک بلور فوتونی یک-بعدی متشکل از مواد A و B بعنوان مواد با ضرایب شکست بالا و پایین در شکل 1 نشان داده شده است. 


شکل 1: یک بلور فوتونی یک-بعدی متشکل از لایه های متناوب A و B بعنوان لایه های با ضرایب شکست بالا و پایین.

نشان داده شده است که در یک بلور فوتونی نقص دار فوتونها می توانند بمدت بسیار طولانی در نواحی نقص جایگزیده شوند و لذا چگالی مدهای الکترومغناطیسی آن خیلی بزرگ می باشد که این امر منجر به یک تأخیر زمانی بزرگی در زمان انتشار پالس می گردد. سرعت متوسط انتشار می تواند تا 10−6 برابر سرعت در خلاء کاهش یابد. امروزه تولید نور کند در موجبرهاي بلور فوتونی به علت قابلیت مجتمع سازي آن بر روي یک تراشه، عملکرد در دماي اتاق و تولید نور کند پهن باند و بدون پاشندگی توجهات زیادي را به خود جلب کرده است [7]. این روش کندسازی نور بر اساس پاشندگی ساختاري (و نه پاشندگی ماده) بوده و مزیتهاي زیادي نسبت به روشهاي قبلی دارد [15-16]. شفافیت الکترومغناطیسی و نوسانات همدوس جمعیت، اولین روشهاي تولید نور کند هستند که براساس پاشندگی ماده پایه گذاري شده اند [10-14]. در یک بلور یک-بعدی متناهی، سرعت گروه بشکل   تعریف می شود. وارون سرعت گروه بعنوان چگالی مدهای الکترومغناطیسی تعریف می شود:  . برای داشتن یک خط تأخیری نوری کامل، بایستی سرعت گروه کاهش داده شود (بطور معادل تأخیر گروه زیاد گردد) و لذا در رابطه پاشندگی  ، اندازه ی کمیت dk/dω باید تا حد ممکن بزرگ باشد. بعنوان نمونه، نمودار عبوردهی و نیز تأخیر گروهی یک بلور فوتونی یک-بعدی نوعی در لبه ی طول موج-بلند گاف باند آن در شکل 2 نشان داده شده است. همانطور که ملاحظه می شود در لبه گاف باند در طول موج    که این طول موج در مخابرات کاربرد گسترده ای دارد یک بیشینه عبور با بیشترین تأخیر گروهی دیده می شود.

 
شکل 2: نمودار عبوردهی و تأخیر گروهی یک بلور فوتونی یک-بعدی بمنظور ایجاد نور کند

با ایجاد نقص در بلور فوتونی می توان یک یا چند مد هدایت در داخل باند ممنوع بلور فوتونی به وجود آورد. بعنوان مثال با ایجاد یک نقص خطی در بلور فوتونی کامل، یک موجبر بلور فوتونی به دست می آید و این موجبر نور را در راستاي نقص هدایت می کند [18]. کاهش سرعت نور موجب افزایش برهمکنش نور و ماده می شود که سبب می شود مشاهدة اثرهاي اپتیک خطی و غیر خطی (مثل تولید هارمونیک و اختلاط چند موجی) با توان ورودي کمتر یا طول نمونه کوچکتر ممکن شود و درنتیجه آثار تخریبی کمتری نیز در قطعات ایجاد می گردد. کاهش آستانه آثار غیرخطی یکی از اهداف مهم و کلیدی در اسبابهای تمام نوری می باشد. در شکل 3، تصویر SEM مربوط به یک نانوسیم متصل به یک موجبر بلور فوتونی سیلیکونی در حالتی که یک پالس نوری در آن منتشر می گردد نشان داده شده است. با توجه به مقادیر ضریب گروهی (ng) در بیرون و داخل بلور فوتونی، ملاحظه می کنیم که نور تا حدود بیش از 10 برابر کند شده است. 

 
شکل 3: شماتیک فرآیند ایجاد نور کند در یک موجبر بلور فوتونی. چگالی انرژی پالس در حالت نور کند افزایش می یابد و درنتیجه اندرکنش نور با محیط بلور بیشتر می گردد. 

References
[1] S. Kubo, D. Mori, T. Baba, Optics Letters, 32 (2007 ) 2981.
[2] T. Baba, Slow light in photonic crystals, Nature Photonics, 2 (2008) 465.
[3] Scalora M, et. al., Phys. Rev. E 54 (1996) R1078.
[4] Zhu S Y, Liu N H, Hang Zheng and Hong Chen,  Opt. Commun. 174 (2000) 139.
[5] Oder T N, Lin J Y and Jiang H X, Appl. Phys. Lett. 79 (2001) 2511.
[6] Steinberg A M and Chiao R Y, Phys. Rev. A 51 (1995) 3525.
[7] Gamble L J, Diffey W M, Cole S T, et. Al., Opt. Exp. 5 (1999) 267.
[8] Lan S, Nishikawa S, Ishikawa H and Wada O, J. Appl. Phys. 90 (2001) 4321.
[9] J.D. Joannopoulos, S.G. Johnson, J.N. Winn, R.D. Meade, Photonic Crystals, Molding the Flow of Light, Princeton University Press, Princeton and Oxford, 2008.
[10] J. Hou, D. Gao, H. Wu, R. Hao, Z. Zhou, IEEE Photonics Tech. Lett. 21 (2009) 1571.
[11] J. Ma, C. Jiang, IEEE Photonics Tech. Lett. 20 (2008) 1237.
[12] D. Mori, T. Baba, Optics Express 13 (2005) 9399.
[13] D. Jafari, M. Sahrai, H. Motavalli, M. Mahmoudi, Physical Review A, 84 (2011) 063811.
[14] D. Jafaria, M. Sahraib, H. Motavallia, Optik, 124 (2013) 3305.
[15] D. Han, H. Guo, Y. Bai, H. Sun, Physics Letters A, 334 (2005) 243.
[16] M. Sahrai, M. Sharifi, M. Mahmoudi, J. Physics B 42 (2009) 1855011.
[17] G.S. Agarwal, T.N. Dey, S. Menon, Physical Review A, 64 (2001) 053809.
[18] S.G. Johnson, P.R. Villeneuve, S. Fan, J.D. Joannopoulos, Physical Review B, 62 (2000) 8212.

بيشتر