آموزش مبتنی بر نرم‌افزار دی‌مالتی‌پلکسر نوری با استفاده از کریستال‌های فوتونی دو بعدی و ارائه سرفصل‌ آن برای دانشجویان کارشناسی ارشد مهندسی الکترونیک

دلفی, غلامعلی; علیائی, سعید; صیفوری, محمود

doi:10.22061/jte.2019.5027.2155

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

¹ آزمایشگاه تحقیقاتی نانوفوتونیک و اپتوالکترونیک، دانشگاه تربیت دبیر شهید رجائی، تهران، ایران

² دانشکده مهندسی برق، دانشگاه تربیت دبیر شهید رجائی، تهران، ایران

https://doi.org/10.22061/jte.2019.5027.2155

چکیده

پیشینه و اهداف: آموزش مبتنی بر نرمافزار یکی از روشهای مهم برای انتقال دانش در حوزه فناوریهای جدید است. از آنجاییکه پیادهسازی سخت افزاری برخی از پدیدههای علوم روز به دلیل پیچیدگیهای آن و یا گاهی به دلیل عدم وجود فناوری ساخت متناسب با آن، امکانپذیر نیست. از اینرو، برای آموزش چنین پدیدههایی می‌توان از نرمافزارهای مناسب استفاده کرد. یکی از علوم و فناوریهایی که در سالهای اخیر رشد قابل توجهی داشته است، ساختارهای کریستال فوتونی است که در ویرایشهای جدید سرفصلهای تحصیلات تکمیلی نیز با عنوان بلورهای فوتونی ظهور یافته است. در این مقاله به آموزش مبتنی بر نرمافزار یک دیمالتیپلکسر چهار کاناله کریستال فوتونی با استفاده از نرمافزار آرسافت پرداخته شده است.
روش ها: آموزش ساختار دیمالتیپلکسر بر مبنای خصوصیات یک فیلتر کریستال فوتونی بنا نهاده شده است. در این تجزیه و تحلیل با تغییر شعاع میلههای درون نانوتشدیدگر حلقوی و شعاع میلههای پراکندگی در ساختار کریستال فوتونی، پارامتر مهم طولموج مرکزی 1573.6 نانومتر در فیلتر بهبود یافته است. از مزایای دیمالتیپلکسر چهار کاناله میتوان به میانگین ضریبکیفیت 4525 و میانگین ضریب انتقال توان کانالها %95 و میزان بیشینه و کمینه همشنوایی کانالها به ترتیب -19.6 دسیبل و -40.4 دسیبل و میانگین عرض کانالی 0.375 نانومتر اشاره کرد. میتوان از دیمالتیپلکسرهای چهار کاناله پیشنهاد شده در سامانههای مخابراتی بهره برد. با توجه به ضرورت آموزش فناوریهای جدید، آموزش مبتنی بر نرمافزار و ارائه مراحل طراحی چنین ساختارهایی به منظور توسعه و بهبود آنها بسیار حائز اهمیت است.
یافته‌ها:از اینرو، در این مقاله به ارائه سرفصل مربوطه برای دانشجویان کارشناسی ارشد مهندسی الکترونیک پرداخته میشود. این مبحث میتواند به عنوان بخشی از درس بلورهای فوتونی و یا درس فوتونیک در نظر گرفته شود.
نتیجه‌گیری: در این مقاله به آموزش مبتنی بر نرمافزار یک دیمالتیپلکسر چهار کاناله کریستال فوتونی پرداخته شد. به منظور آموزش اصول و مبانی نظری که عمدتا پیچیده بوده و پیادهسازی سخت افزاری آن با توجه به محدودیتهای فناوری مشکل است، استفاده از محیطهای نرمافزاری مناسب به همراه تقویت دانشهای مورد نیاز اولیه میتواند در بهبود فرآیندهای یاددهی-یادگیری سهم به‌سزایی داشته باشد. به همین منظور در این مقاله سعی شد مفاهیم مناسب طراحی سامانه دیمالتیپلکسر چهار کاناله نوری برای آموزش موثر بیان شود. بر همین اساس مبانی و سرفصلهای پیشنهادی و نیز پیشنیازهای مورد نظر در طراحی توصیف شد. در بخش آموزش ساختار دیمالتی پلکسر چهار کاناله بیان شد که میتوان از یک موجبر ورودی T شکل، حلقههای تشدیدگر مربعی شکل و چند موجبر خروجی استفاده کرد.

کلیدواژه‌ها

20.1001.1.20080441.1398.13.4.2.9

موضوعات

فناوری آموزش

عنوان مقاله [English]

Software-based teaching of optical demultiplexers by using photonic crystals with presenting the syllabus for MSc students in electronic engineering major

نویسندگان [English]

Gh.A. Delphi ¹
S. Olyaee ¹
M. Seifouri ²

¹ Nano-photonics and Optoelectronics Research Laboratory (NORLab), Shahid Rajaee Teacher Training University, Tehran, Iran

² Faculty of Electrical Engineering, Shahid Rajaee Teacher Training University, Tehran, Iran

چکیده [English]

Background and Objective:Software-based education is one of the most important ways to transfer knowledge in the field of new technologies. Because the hardware implementation of some modern science phenomena is not possible due to its complexity or sometimes due to the lack of appropriate manufacturing technology. Therefore, appropriate software can be used to teach such phenomena. One of the sciences and technologies that has grown significantly in recent years is photonic crystal structures, which have also appeared in new editions of graduate courses syllabuses as photon crystals. In this paper, simulation-based (software-based) teaching of a 4-channel optical demultiplexer based on photonic crystal is presented by using the R-Soft software.
Methods: The teaching of the demultiplexer structure is based on the use of a photonic crystal filter. In this analysis, with the variation of the radius of the cylindrical nano-ring resonator and the radius of the scattering rods, the critical length parameter of 1573.6 nm is improved in the design of the filter. The advantages of the 4-channel demultiplexer include the mean quality factor of 4525, mean channel power transfer factor of 95%, and maximum and minimum channel cross-talk of -19.6 and -40.4, respectively. Also, mean channel width is obtained as 0.375 nm. Moreover, the proposed 4-channel demultiplexer can be used in WDM systems.
Findings: The simulation-based teaching of these structures is very important to develop and improve the multiplexers performance. Therefore, the related syllabus is suggested for master of science (MSc) students in Electronic Engineering major. This syllabus can be considered as a part of Photonic Crystal or Photonics courses.
Conclusion: In this paper, a 4-channel optical demultiplexer based on photonic crystal was studied. In order to teach the theoretical principles and foundations which are mostly complex and its hardware implementation is difficult due to technological limitations, the use of appropriate software environments along with strengthening the basic knowledge required can Improve teaching-learning processes. For this purpose, in this article, we tried to express the appropriate concepts of designing a four-channel optical dimplexplexor system for effective training. Accordingly, the proposed principles and topics as well as the prerequisites in the design were described. In the training section of the four-channel dimplex structure, it was stated that a T-shaped input waveguide, square resonator rings and several output waveguides can be used

کلیدواژه‌ها [English]

Simulation-based teaching
Software-based teaching
Syllabus
Photonic crystal
Demultiplexer

COPYRIGHTS
©2019 The author(s). This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution (CC BY 4.0), which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, as long as the original authors and source are cited. No permission is required from the authors or the publishers.

مراجع

[1] Olyaee S, Hamedi, S. Theoretical and practical education of nonlinear error separations in the measurement systems. Education Technology. 2011; 6(1): 17-27.

[2] Blackmore A, Vasileiou E, Purva M. Simulation-based education to improve communication skills: a systematic review and identification of current best practice. Systematic Review. 2018; 4: 159-164.

[3] Olyaee S, Delphi G. Theoretical education of designing two-channel demultiplexer. Paper presented at 4^th National Conference on Research in Basic Science Education, Tehran, Iran; 2019. Persian.

[4] Ebrahimi F, Olyaee S. Teaching process of indoor optical wireless communication for optical communication networks course in accordance with the syllabus of MSRT (Ministry of Science, Research and technology). Paper presented at the 8^th National Conference on Education, Tehran, Iran; 2016. Persian.

[5] Talebzadeh R, Soroosh M. A high quality complete coupling 4-channel demultiplexer based o photonic crystal ring resonators. Optoelectronics and Advanced Materials–Rapid Communications. 2015; 9(1-2): 5-9.

[6] Venkatachalam K, Kumar DS. and Robinson, S. Investigation on 2D photonic crystal-based eight-channel wavelength-division demultiplexer. Photonic Network Communications. 2017; 34(1): 100-110.

[7] Almasian MR, Abedi K. Performance improvement of wavelength division multiplexing based on photonic crystal ring resonator. Optik-International Journal for Light and Electron Optics. 2015; 126(20): 2612-2615.

[8] Alipour-Banaei H, Serajmohammadi S, Mehdizadeh F. Effect of scattering rods in the frequency response of photonic crystal demultiplexers. Journal of Optoelectctronics and Advanced Materials. 2015; 17(3-4): 259-263.

[9] Olyaee S, Mohebzadeh-Bahabady A. Two-curve-shaped biosensor for detecting glucose concentration and salinity of seawater based on photonic crystal nano-ring resonator. Sensor Letters. 2015; 13(9): 774-777.

[10] Mohebzadeh-Bahabady A, Olyaee S. All-optical NOT and XOR logic gates using a photonic crystal nano-resonator and based on interference effect. IET Optoelectronics. 2018; 12(4): 191-195.

[11] Gupta ND, Janyani V. Dense wavelength division demultiplexing using photonic crystal waveguides based on cavity resonance. Optik. Int. J. Light Electron Opt. 2014; 125(19): 5833–5836.

[12] Mansouri-Birjandi MA, Tavousi A, Ghadrdan, M. Full-optical tunable add/drop filter based on nonlinear photonic crystal ring resonators. Photonics and Nanostructures-Fundamentals and Applications. 2016; 21: 44-51.

[13] Seifouri M, Fallahi V, Olyaee S. Ultra-high-Q optical filter based on photonic crystal ring resonator. Photonic Network Communications. 2018; 35(2): 225-230.

[14] Ghorbanpour H, Makouei S. 2-channel all optical demultiplexer based on photonic crystal ring resonator. Frontiers of Optoelectronics. 2013; 6(2): 224-227.

[15] Alipour-Banaei H, Mehdizadeh F, Serajmohammadi S. A novel 4-channel demultiplexer based on photonic crystal ring resonators. Optik-International Journal for Light and Electron Optics. 2013; 124(23): 5964-5967.

[16] Alipour-Banaei H, Serajmohammadi S, Mehdizadeh F. Effect of scattering rods in the frequency response of photonic crystal demultiplexers. J. Optoelectron. Adv. Mater. 2015; 17(3-4): 259-263.

[17] Talebzadeh R, Soroosh M, Kavian YS, Mehdizadeh F.

[18]https://www.researchgate.net/publication/305083103_An_optical_demultiplexer_based_on_photonic_crystal_ring_resonators

[19] Fallahi V, Seifouri M, Olyaee S, Alipour-Banaei H. Four-channel optical demultiplexer based on hexagonal photonic crystal ring resonators. Optical Review. 2017; 24(4): 605-610.

[20] Naghizade S, Sattari-Esfahlan SM. An optical five channel demultiplexer-based simple photonic crystal ring resonator for WDM applications. Journal of Optical Communications. 2017; 41(1)

[21] Naghizade S, Sattari-Esfahlan SM. Tunable High Performance 16-Channel demultiplexer on 2D Photonic Crystal Ring Resonator Operating at Telecom Wavelengths. Journal of Optical Communications. 2018.

[22] Kannaiyan V, Dhamodharan SK, Savarimuthu R. Investigation of 2D-PC Ring Resonator-Based Demultiplexer for ITU-T G. 694.1 WDM Systems. Journal of Optical Communications. 2018.

[23] Rakhshani MR, Mansouri-Birjandi MA. Design and simulation of wavelength demultiplexer based on heterostructure photonic crystals ring resonators. Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures. 2013; 50: 97-101.

[24] Zhang L, Jiao J. A study on effective math teaching strategy design in hybrid learning environment. Springer. Hybrid Learning. 2011; LNCS 6837:221-223.

[25] Mehar H, Nebhnani N. Software based approach for classroom teaching of electrical engineering courses: A case study. Journal of Technical Education and Training (JTET). 2015; 7(1): 67-79.

[26] Aye KM. Simulation of power electronic converter circuits using COM3LAB learning software in teaching: A case study. International Journal of Trend in Scientific Research and Development (IJTSRD); 2018; 2(5): 133-137.

[27] Fallahi VA, Seifouri MA. A new design of a 4-channel optical demultiplexer based on photonic crystal ring resonator using a modified Y-branch. Optica Applicata. 2018; 48(2): 191-200.

[28] Barsary RG, Andalib A, Alipour- Banaei A. Design and Simulation 4-Channel Demultiplexer Based on Photonic Crystals Ring Resonators. Journal of Artificial Intelligence in Electrical Engineering. 2013; 2(5): 22-25.

نامه به سردبیر

سر دبیر نشریه فناوری آموزش، با تواضع انتشار نامه های واصله از نویسندگان و خوانندگان و بحث در سامانه نشریه را ظرف 3 ماه از تاریخ انتشار آنلاین مقاله در سامانه و یا قبل از انتشار چاپی نشریه، به منظور اصلاح و نظردهی امکان پذیر نموده است.، البته این شامل نقد در مورد تحقیقات اصلی مقاله نمی باشد.

توچه به موارد ذیل پیش از ارسال نامه به سردبیر لازم است در نظر گرفته شود:

[1]نامه هایی که شامل گزارش از آمار، واقعیت ها، تحقیقات یا نظریه ها هستند، لازم است همراه با منابع معتبر و مناسب باشند، اگرچه ارسال بیش از زمان 3 نامه توصیه نمی گردد

[2] نامه هایی که بجای انتقاد سازنده به ایده های تحقیق، مشتمل بر حملات شخصی به نویسنده باشند، توجه و چاپ نمی شود

[3] نامه ها نباید بیش از 300 کلمه باشد

[4] نویسندگان نامه لازم است در ابتدای نامه تمایل یا عدم تمایل خود را نسبت به چاپ نظریه ارسالی نسبت به یک مقاله خاص اعلام نمایند

[5] به نامه های ناشناس ترتیب اثر داده نمی شود

[6] شهر، کشور و محل سکونت نویسندگان نامه باید در نامه مشخص باشد.

[7] به منظور شفافیت بیشتر و محدودیت حجم نامه، ویرایش بر روی آن انجام می پذیرد.