واحد بين

به نام خدا

اظهار نامه

اينجانب فاطمه حکمت پناه ( 899333 ) دانشجوي رشته فيزيک گرايش اپتيک ليزر دانشکده علوم اظهار مي کنم که اين پايان نامه حاصل پژوهش خودم بوده و در جاهايي که از منابع ديگران استفاده کرده ام، نشاني دقيق و مشخصات کامل آن را نوشته ام. همچنين اظهار مي کنم که تحقيق و موضوع پايان نامه ام تکراري نيست و تعهد مي نمايم که بدون مجوز دانشگاه دستاوردهاي آن را منتشر ننموده و يا در اختيار غير قرار ندهم . کليه حقوق اين اثر مطابق با آيين نامه مالکيت فکري و معنوي متعلق به دانشگاه شيراز است.

نام و نام خانوادگي: فاطمه حکمت پناه
تاريخ و امضا:

سپاسگزاري

اکنون که پايان نامه خود را به اتمام رسانيده ام،لازم مي دانم از کليه کساني که در انجام اين تحقيق مرا ياري رسانيده اند سپاسگزاري نمايم.فرصت را غنيمت شمرده وپاس ميدارم تمامي زحمات استاد گرانقدرم،جناب آقاي دکتر عبدالناصر ذاکري که در طول دوران تحصيل مرا راهنماِيي نموده و اگر حضور گرم و صميمانه ايشان نبود اين پايان نامه به بار نمي نشست، حضورشان پشتوانه ايست بس محکم براي استوارماندن بر مسير دشوار.
همچنين از اساتيد گرامي مشاور خود آقايان دکترمحمودحسيني فرزاد ، دکتر سعيد دعوت الحق ودکتر محمد مهدي گلشن که در طول مدت انجام پايان نامه مرا حمايت وراهنمايي کردند سپاسگزارم.

چکيده

پراکندگي بريلوئن برانگيخته آبشاري در فيبر نوري

به کوشش
فاطمه حکمت پناه

استفاده از فيبر نوري در سيستمهاي انتقال نوري ، به دليل مزاياي زيادي که دارد امروزه کاربرد بسياري دارد. يکي از پديدههايي که در فيبر نوري رخ ميدهدپراکندگي بريلوئن برانگيخته ميباشد. به طور کلي اين پديده باعث محدود نمودن انتقال توان به خروجي فيبر ميگردد و بنابراين نامطلوب ميباشد ولي کاربردهاي فراواني در طراحي ادوات نوري از جمله بافرهاي نوري و ليزرهاي بريلوئن فيبر نوري دارد. در ليزرهاي بريلوئن فيبر نوري از پراکندگي بريلوئن برانگيخته آبشاري استفاده ميشود بنابراين در اين پايان نامه به بررسي اين پديده در فيبر نوري پرداختهايم. با بررسي و تحليل معادلات مربوطه به اين نتيجه رسيدهايم که براي داشتن پراکندگي بريلوئن برانگيخته آبشاري در فيبر نوري بايد در ساختار سيستم تغيير ايجاد کنيم و نشان دادهايم که ميتوانيم با استفاده از توري براگ در ورودي فيبر، پراکندگي بريلوئن برانگيخته آبشاري ايجاد کنيم. همچنين از آنجايي که اين پديده ميتواند تأخير زماني ايجاد کند در اين پايان نامه با ارسال سيگنال از انتهاي فيبر و حل معادلات مربوطه آن ، اثر پراکندگي بريلوئن برانگيخته آبشاري بر سيگنال را و مقدار تأخير زماني ايجاد شده را بررسي نمودهايم. نتايج شبيه سازي، دقت و صحت تحليلها را در قسمتهاي مختلف نشان ميدهد.

کليد واژگان: پراکندگي- بريلوئن- فيبر

فهرست مطالب

عنوان صفحه

فصل اول: مقدمه
1-1- معرفي 2
1-2- هدفها و سرنوشتارها 4

فصل دوم: اصول پراکندگي نور
2-1- مقدمه 7
2-2- پراکندگي القايي بريلوئن 7
2-3- خلاصه فصل 17

فصل سوم: فيبر نوري و مشخصه هاي آن
3-1- مقدمه 20
3-2- بازتاب کلي داخلي 20
3-3- منابع نوري 24
3-3-1- ديود هاي نور افشان (LEDs) 24
3-3-2- ديود هاي ليزري 25
3-4- مزايا و معايب فيبر نوري 27
3-4-1- تفرق 28
3-4-2- جذب 28
3-4-3- پاشندگي 29
3-4-4- اثرهاي غير خطي هاي فيبر 33
3-4-5- مشکلات پراکندگي 34
3-5- انواع فيبر نوري 36
3-5-1- فيبر چند مدي 36
3-5-2- فيبر تک مد 37
3-5-3- فيبر هاي (DSF) dispersion – shifted 38
3-6- سرعت انتقال اطلاعات در فيبر نوري 39
3-6-1- سرعت فاز 39
3-6-2- سرعت گروه 40
3-7- خلاصه 43

فصل چهارم: پراكندگي بريلوين در فيبر نوري و مشخصه هاي آن
4-1- مقدمه 45
4-2- تئوري و روش ايجاد پراكندگي بريلوين و عملكرد آن 46
4-3- پراكندگي بريلوين خود برانگيخته 47
4-4- پراكندگي بريلوين برانگيخته شده در فيبر نوري 49
4-5- توان آستانه بريلوين و ضريب تقويت بريلوين 52
4-6- خلاصه فصل 55

فصل پنجم: پراکندگي بريلوئن بر انگيخته آبشاري در فيبر نوري
5-1- مقدمه 57
5-2- SBS بدون بازخورد 59
5-3- سيستم با بازخورد و SBS مرتبه بالا 63
5-4- اثر SBS آبشاري بر سيگنال 67
5-5- حل معادلات ديفرانسيل جفت شده پراكندگي بريلوين برانگيخته شده 67
5-5-1- جواب تقريبي معادلات ديفرانسيل جفت شده 70
5-5-2- جواب تحليلي و دقيق معادلات ديفرانسيل جفت شده 71
5-5-3- شبيه سازي و مقايسه آن: 74
5-6- خلاصه فصل 79

نتيجه گيري و پيشنهادات 81

فهرست منابع و مآخذ Error! Bookmark not defined.

فهرست شکل ها

عنوان صفحه

شکل (1- 1) پراکندگي خود بر انگيخته و پراکندگي بر انگيخته شده . 3
شکل (2- 1).شماتيک پراکندگي القايي بريلوئن. 8
شکل (2- 2) شماتيک توليد کننده پراکنندگي القايي بريلوئن. 9
شکل (2- 3) شماتيک تقويت کننده پراکندگي القايي بريلوئن. 9
شکل (2- 4) وابستگي انعکاس SBS به بهره سيگنال کوچک. 16
شکل (2- 5) توزيع شدت استوکس و ليزر در ناحيه بر همکنش توليد کننده SBS 17
شکل (3- 1) زاويه تابش و ضريب شکست 21
شکل (3- 2) قانون اسنل 22
شکل (3- 3) بازتاب کلي 22
شکل (3- 4) زاويه پذيرش 23
شکل (3- 5) فيبر نوري 23
شکل (3- 6) LED با انتشار سطحي 24
شکل (3- 7) LED با انتشار لبه اي 25
شکل (3- 8) مقايسه گسيل نور بين LED و ديود ليزري 26
شکل (3- 9) توزيع فضايي شدت پرتو LED و ليزر 26
شکل (3- 10) تفرق نور 28
شکل (3- 11) فيبر با هسته پهن. 29
شکل (3- 12) فيبر با هسته باريک 30
شکل (3- 13) منحني تغييرات اتلاف بر حسب طول موج 31
شکل (3- 14) فيبر چند مدي 36
شکل (3- 15) مقطع عرضي فيبر چند مدي 36
شکل (3- 16) فيبر DSF 38
شکل (5- 1) توان خروجي استوکس مرتبه دوم (I3 ) بر اساس تغييرات توان ورودي (I1 ). 62
شکل (5- 2) طيف نوري يک فرآيند SBS ساده 63
شکل (5- 3) ساختار SBS آبشاري. 64
شکل (5- 4) طيف خروجي SBS آبشاري. 66
عنوان صفحه

شکل (5- 5) رفتار رزونانس بهره بريلوين. 69
شکل (5- 6) اندازه گيري توان آستانه بريلوين فيبر استاندارد تك مد با طول km15 با در نظر گرفتن تلفات فيبر. 75
شکل (5- 7) خروجي تاخير يافته يك سيگنال بر اساس SBS براي سه توان مختلف از يك پمپ CW. 77
شکل (5- 8) طيف بهره سيگنال بر اساس SBS براي سه توان مختلف از يک پمپ CW. 78

فصل اول

مقدمه

1-1- معرفي

پراکندگي بريلوئن به افتخار فيزيکدان فرانسوي لئون بريليون نامگذاري شد، او واکنش بين موج نور و صوتي را در قرن نوزدهم- بيستم بررسي کرد. پراكندگي بريلوين براساس برهم كنش تابش يك موج نور به اندازه كافي قوي (پمپ) با يك محيط نوري (مثل فيبر نوري) بوجود مي‌آيد. تغييرات چگالي داخل فيبر نوري بواسطه حركات گرمايي ملكول هاي فيبر باعث مي‌شود كه يك قسمت از موج تابشي در جهت خلاف باز تابش بشود. موج باز تابش شده را موج استوكس1 مي گويند. موج استوكس تداخلي، توسط پديده Electrostriction منجر به مدولاسيون چگالي محيط به صورت پريوديك مي شود. اين مدولاسيون چگالي را مي‌توان به عنوان مدولاسيون ضريب شكست در نظر گرفت كه مانند يك Bragg grating عمل مي‌كند. اين فرايند ادامه پيدا مي‌كند و توان بيشتر از پمپ باز تابش شده و به موج استوكس انتقال مي يابد. اگر دليل مدولاسيون چگالي فيبر خود پمپ باشد به آن پراكندگي بريلوين برانگيخته2 (SBS) مي‌گويند. مدولاسيون چگالي محيط را مي‌توان سبب ايجاد موج آكوستيك يا فونون‌هاي آكوستيك ناميد، چونكه اين تغييرات چگالي با سرعت صوت در جهت پمپ منتشر مي‌شوند. از طرفي ديگر، بخاطر سرعت نسبي بين پمپ و موج آكوستيك، با توجه به اثر دوپلر فركانس موج استوكس نسبت به فركانس پمپ تغيير مي‌كند، كه به مقدار اين تغيير فركانس، تغيير فركانس بريلوين3 مي‌گويند. اگر موج آکوستيک توسط حرکت گرمايي ملکولهاي ماده بوجود آمده باشد به آن پرکندگي بريلوئن خود بر انگيخته مي گويند.
مکانيسم پراکندگي نور در هر دو حالت پراکندگي بريلوئن خود بر انگيخته و پراکندگي بريلوئن برانگيخته در شکل(1-1) نشان داده شده است.

شکل (1- 1) پراکندگي خود بر انگيخته و پراکندگي بر انگيخته شده ]1[ .

SBS يک فرآيند غير خطي است که نياز به تابش نور با شدت زياد دارد که از طريق توسعه منابع ليزر و تکنولوژي فيبر در دسترس مي باشد. به همين خاطر SBS در فيبر نوري تا قبل از سال 1960 عملي نشده بود.
پراکندگي نور يکي از جنبه هاي مهم تحقيقاتي در سالهاي 1920 تا سالهاي 1930 بوده است. جورج استوکس، جابجايي فرکانسي را در فرآيند لومينانس در قرن19 کشف کرد]1[-]2[

در طول چند دهه اخير کاربردهاي زيادي که در آنها از خواص SBS استفاده شده است مورد بررسي قرار گرفته اند مانند: کاهش سرعت نور در فيبر نوري با استفاده از SBS ]2 [ ، تاخير دهنده نوري]3 [، ساخت ليزر با فيبر ]4[ -]7[، تقويت کننده هاي فيبري ]8[ ]9[ ، سنسورهاي هاي فيبر نوري]10[-]12[ و فيلترهاي نوري قابل تنظيم ]13[ ]14[.
در اين پايان نامه به بررسي پراکندگي بريلوئن برانگيخته آبشاري4 در فيبر نوري مي پردازيم. در پراکندگي بريلوئن آبشاري SBS هاي مرتبه بالاتر ايجاد مي گردد و موجهاي استوکس با شدت زياد و طول موجهاي متفاوت ( با فاصله فرکانسي ثابت) در طول فيبر ايجاد مي گردد. که اين پديده در طراحي و ساخت ليزر هاي فيبر نوري کاربردهاي فراواني دارد. براي ايجاد SBS آبشاري در فيبر نوري بايد تغييري در ساختار آن ايجاد کنيم. در اين پايان نامه با استفاده از توري براگ5 در ورودي فيبر، SBS هاي مرتبه بالاتر ايجاد شده اند و با بررسي و تحليل معادلات مربوطه، SBS هاي مرتبه بالاتر و شدت آنها براي فيبر نوري محاسبه و شبيه سازي شده اند.

1-2- هدفها و سرنوشتارها

هدف اصلي اين پايان نامه تحليل وبررسي پراکندگي بريلوئن بر انگيخته آبشاري در فيبر نوري مي باشد. در اين پايان نامه سعي کرده ايم که جوابهاي تحليلي و دقيق براي اين پديده پيدا کنيم و نتايج را شبيه سازي کنيم. همچنين در محاسبات فرض کرده ايم که از يک فيبر استاندارد تک مد در طول موج nm 1550 استفاده مي کنيم چونکه اين نوع فيبر و طول موج در سيستمهاي مخابراتي رايج مي باشند. اين پايان نامه به پنج فصل تقسيم مي شود بعد از اين مقدمه در فصل بعد به اصول پراکندگي نور در مواد شفاف مي پردازيم و دو نوع پراکندگي را که معمول مي باشند و در فيبرهاي نوري رخ مي دهند معرفي مي کنيم . در بخش اول اين فصل SBS را در مواد شفاف بررسي مي کنيم و معادلات مربوطه را براي شدتها، توان پمپ و… بدست مي آوريم.
در فصل سوم به بررسي ساختار فيبر نوري، مزايا و معايب آن و سرعت انتقال اطلاعات در فيبر نوري مي پردازيم. همچنين انواع منابع نوري را بررسي مي کنيم و با توجه به بررسيهايي که انجام مي دهيم طول موج مناسب منبع نوري وفيبر نوري مناسبي را که در سيستمهاي نوين امروزي استفاده مي شود ، انتخاب مي کنيم. که در همه معادلات و شبيه سازيهاي پايان نامه در بخشهاي بعدي از آنها استفاده

دسته بندی : No category

دیدگاهتان را بنویسید