Skip to main content
SUPERVISOR
اصغر غلامی (استاد راهنما) حمید لطیفی (استاد مشاور) ذاکرحسین فیروزه (استاد مشاور)
 
STUDENT
Marzieh Saffarikhoozani
مرضیه صفاری خوزانی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1391

TITLE

Analysis and Optimization of Optical Microsphere Resonators
This thesis presents a novel structure composed of serially coupled double microsphere resonator (SCDMR) to reduce the non-fundamental resonances and therefore expand the resonance frequency spacing (RFS) in microsphere resonator systems. Coupled-mode theory is used to model the system and it is shown that the minimum RFS of a single 225µm microsphere is expanded from 5.2pm to 0.6nm by coupling to a 50µm radius microsphere while maintaining its high quality factor (2.14×10 8 ). It is shown that using the proposed structure in lasing application, a high-power narrow-linewidth low-threshold single-mode microsphere laser can be obtained. A model is proposed for microsphere lasers and verified by comparing its results to the experimental results published in the literature for a thulium doped tellurite glass 12.5?m microsphere laser. It is illustrated that by coupling an 11.5µm undoped microsphere to a multimode 50µm microsphere laser, single-mode operation is obtained and an output power of 208µW at 30mW pump power and the FWHM linewidth of 0.53fm are achieved. Furthermore, it is shown that by using the SCDMR in sensing application for sensing rodlike bacteria it is much easier to track the change in the bacteria surface density. Key Words WGM, microsphere resonator, RFS, coupled mode theory
تشدیدگر های میکروکره یکی از انواع میکروتشدیدگر های WGM هستند که در سال های اخیر در کاربردهای مختلف توجه زیادی را به خود جلب کرده اند. در کنار ویژگی های منحصر به فرد تشدیدگر های میکروکره، یکی از اصلی ترین چالش ها در استفاده از آن ها تعداد زیاد فرکانس های تشدید در مقایسه با سایر ساختارهای تشدیدگر های WGM می باشد که به علت عدم تقارن در ساختار کروی شکل این تشدیدگر در عمل، ایجاد می گردد و هرچقدر اندازه میکروکره بزرگتر باشد فاصل? این فرکانس های تشدید از یکدیگر کمتراست. از طرفی در میکروکره همانند سایر تشدیدگر ها هرچقدر اندازه تشدیدگر کوچکتر شود ضریب کیفیت آن کاهش می یابد. بالا بودن ضریب کیفیت تشدیدگر و بزرگ بودن فاصل? بین فرکانس های تشدید متوالی در کاربردهای مختلف تشدیدگر از اهمیت ویژه ای برخوردار است. در این پژوهش نشان می دهیم که با استفاده از جفت شدن سری دو میکروکره با اندازه های متفاوت، می توان فرکانس های تشدید ناخواسته را در تشدیدگر کاهش و در نتیجه فاصل? بین فرکانس های تشدید متوالی را افزایش داد و در عین حال ضریب کیفیت تشدیدگر را بالا نگه داشت.در مدلسازی ساختار پیشنهادی شامل تشدیدگر های میکروکر? جفت شده و جفتگر نور، از نظری? مد جفت شده استفاده شده است. با استفاده از این نظریه، میزان همپوشانی مدهای میکروکره و فیبر باریک شده (به عنوان پربازده ترین روش جفت شدن نور) و همچنین مدهای دو میکروکر? جفت شده، محاسبه شده و سپس با در نظر گرفتن میزان انطباق فازهای دو مد با یکدیگر، ضریب جفت شدگی نهایی به دست می آید. در نهایت با استفاده از روشی مشابه جفت گرهای جهت دار، طیف توان خروجی ساختار پیشنهادی محاسبه گردیده است. با شبیه سازی ساختار پیشنهادی با میکروکره های با شعاع های ?m 225 و ?m 50 نشان داده شده است که تعداد طول موج های تشدید در مقایسه با ساختار شامل یک میکروکره کاهش چشمگیری پیدا کرده به گونه ای که حداقل فاصل? بین دو طول موج تشدید متوالی از pm 2/5 به pm 600 افزایش پیدا کرده است در حالیکه ضریب کیفیت آن (برابر با 10 8 ×14/2) در همان حد ضریب کیفیت تشدیدگر شامل یک میکروکره باقی مانده است. همچنین نشان می دهیم که یکی از کاربردهای ساختار پیشنهادی، ساخت لیزرهای تک مد با توان بالا می باشد. بدین منظور در این پژوهش ابتدا ساختار یک لیزر میکروکره با استفاده از معادلات نرخ و معادلات مربوط به تغییرات توان دمش و سیگنال گسیل شده در طول انتشار در داخل کاواک، مدل شده و دقت مدل از طریق مقایسه با نتایج اندازه گیری یک لیزر میکروکر? گزارش شده تایید شده است. سپس با شبیه سازی لیزری با ساختار پیشنهادی شامل یک میکروکر? ناآلاییده با شعاع ?m 5/11 جفت شده به میکروکر? آلاییده با شعاع ?m 50، نشان داده شده است که با استفاده از این ساختار، می توان به توان خروجی ?W 208 به ازای توان پمپ mW 30 دست یافت که حدود چهار برابر نسبت به توان خروجی لیزر شامل یک میکروکره با شعاع ?m 5/12 (برابر با ?W 70) بیش تر است و در عین حال از ویژگی تک مد بودن نیز برخورداراست. همچنین مشاهده می hy;شود که توان دمش آستانه و پهنای طیف سیگنال خروجی لیزر نیز به ترتیب برابر با mW 06/0 و fm 53/0 است که نسبت به حالت استفاده از میکروکر? با شعاع ?m 5/12 (برابر با mW 23/19 و pm 43/0)، کاهش چشمگیری دارد. در ادامه استفاده از جفت شدن سری دو میکروکره به عنوان حسگر در تشخیص باکتری های میله ای شکل، به عنوان یک شکل معمول برای اکثر باکتری ها و گونه های ویروسی مهم، مورد بررسی قرار می گیرد. با شبیه سازی ساختار پیشنهادی در تشخیص باکتری میله ای شکل E.coli نشان داده می شود که این ساختار از حسگر میکروکره نسبت به تغییرات چگالی سطحی باکتری ها خطی است ودر عین حال به علت افزایش فاصل? بین طول موج های تشدید متوالی، دنبال کردن تغییرات یک طول موج تشدید با تغییرات چگالی سطحی باکتری امکان پذیرتر خواهد بود. همچنین تغییرات پارامترهای حسگر با ساختار پیشنهادی، شامل محدود? دینامیکی حسگر و تفکیک کنندگی آن نسبت به تغییرات در ساختار تشدیدگر از قبیل فاصل? بین فیبر باریک شده و میکروکره، فاصل? بین دو میکروکره و عرض فیبر باریک شده مورد بررسی قرار گرفته است. کلمات کلیدی: 1- WGM 2- تشدیدگر میکروکره 3- FSR 4- نظری? مد جفت شده.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی