Τίτλος: “Μελέτη και προσομοίωση ολοκληρωμένων οπτικών διατάξεων για την δημιουργία συστοιχιών οπτικών κεραιών (Optical Phased Arrays)“
Η ανάγκη για τον δυναμικό έλεγχο της κατεύθυνσης μιας οπτικής δέσμης Laser είναι παρούσα τόσο σε ασύρματες οπτικές ζεύξεις point-to-point, όπου ο πομπός του συστήματος πρέπει να στοχεύει τον δέκτη, όσο και σε συστήματα οπτικών αισθητήρων, όπου η δέσμη Laser πρέπει να σαρώνει με ακρίβεια μία επιφάνεια στον τρισδιάστατο χώρο. Χαρακτηριστικό παράδειγμα οπτικών αισθητήρων αυτής της κατηγορίας αποτελούν τα συστήματα LIDAR, τα οποία χρησιμοποιούνται σε εξελιγμένα συστήματα αυτόνομης πλοήγησης οχημάτων για την αναγνώριση προπορευόμενων οχημάτων και εμποδίων. Ο έλεγχος της κατεύθυνσης της δέσμης πραγματοποιείται σήμερα με την βοήθεια κατόπτρων τα οποία μετακινούνται μηχανικά και ως αποτέλεσμα στρέφουν την δέσμη. Η χρήση μετακινούμενων στοιχείων καθιστά τις αντίστοιχες διατάξεις ιδιαίτερα ογκώδεις, ακριβές και ευαίσθητες σε μηχανικές δονήσεις, και αυξάνει σημαντικά τον χρόνο μεταβολής της κατεύθυνσης, καθιστώντας προβληματική την λειτουργία συστημάτων τα οποία απαιτούν γρήγορη σάρωση.
Η λύση που μελετάται διεθνώς για την άρση των συγκεκριμένων περιορισμών βασίζεται στην αντικατάσταση των μετακινούμενων οπτικών στοιχείων από συστοιχίες οπτικών κεραιών με συσχετισμένες φάσεις (Optical Phased Arrays). Η τελική δέσμη στο μακρινό πεδίο προκύπτει από την σύμφωνη άθροιση των επιμέρους πεδίων, και ως εκ τούτου, ο έλεγχος του σχήματος και της κατεύθυνσης της δέσμης μπορεί να πραγματοποιηθεί μέσω κατάλληλης επιλογής του πλάτους και της φάσης του εκπεμπόμενου πεδίου από την κάθε οπτική κεραία (σύμφωνα και με την βασική αρχή λειτουργίας των αντίστοιχων μικροκυματικών στοιχειοκεραιών). Ως οπτικές κεραίες σε ένα τέτοιο σύστημα χρησιμοποιούνται κατά κύριο λόγο οι άκρες των οπτικών κυματοδηγών ή διατάξεις φραγμάτων περίθλασης σε ολοκληρωμένα φωτονικά κυκλώματα.
Στα πλαίσια της διπλωματικής εργασίας θα μελετηθεί η λειτουργία γραμμικής συστοιχίας οπτικών κεραιών, η οποία θα βασίζεται σε διάταξη οπτικών κυματοδηγών σε πολυμερική πλατφόρμα φωτονικής ολοκλήρωσης. Η εργασία θα ξεκινήσει από την μοντελοποίηση της διάδοσης οπτικού κύματος με μήκος κύματος 1550 nm σε μονορρυθμικό κυματοδηγό τετραγωνικής ή ορθογώνιας διατομής και την μελέτη του μακρινού πεδίου που προκύπτει από την εκπομπή του κύματος στο άκρο του κυματοδηγού. Θα συνεχίσει με την επέκταση της διάταξης σε γραμμική συστοιχία οπτικών κεραιών μέσω της χρήσης παράλληλων κυματοδηγών και την εξαγωγή κατάλληλων αλγορίθμων για την επιλογή των διεγέρσεων (πλάτη και φάσεις οπτικών κυμάτων σε κάθε κυματοδηγό), έτσι ώστε να επιτυγχάνεται το επιθυμητό σχήμα και η επιθυμητή κατεύθυνση της δέσμης. Τέλος, η εργασία θα ολοκληρωθεί με την μελέτη της πιθανής επέκτασης της γραμμικής συστοιχίας σε τετραγωνική λαμβάνοντας υπόψιν καινοτόμες τεχνολογίες φωτονικής ολοκλήρωσης με πολλαπλά στρώματα κυματοδήγησης.
Η βασική μοντελλοποίηση και προσομοιωτική μελέτη θα πραγματοποίηθεί σε προγραμματιστικό περιβάλλον Matlab. Επιπλέον προσομοιώσεις θα πραγματοποιηθούν χρησιμοποιώντας την ειδική πλατφόρμα σχεδίασης φωτονικών δομών RSoft για την επιβεβαίωση των αποτελεσμάτων στα πρώτα στάδια της εργασίας.
Χρήσιμες γνώσεις:
- Προγραμματιστικό περιβάλλον Matlab
- Γενικές αρχές ηλεκτρομαγνητισμού και κυματοδήγησης
- Γενικές αρχές φωτονικής τεχνολογίας
Ελάχιστος χρόνος εκπόνησης: 4 μήνες
Contact Persons: Χρήστος Κουλουμέντας, Παναγιώτης Γκρούμας,
Email: ckou@mail.ntua.gr, pgrou@mail.ntua.gr
