فهرست مطالب

فصل اول: مقدمه

پراکندگی بریلوئن به افتخار فیزیکدان فرانسوی لئون بریلیون نامگذاری شد، او واکنش بین موج نور و صوتی را در قرن نوزدهم- بیستم بررسی کرد. پراکندگی بریلوین براساس برهم کنش تابش یک موج نور به اندازه کافی قوی (پمپ) با یک محیط نوری (مثل فیبر نوری) بوجود می‌آید. تغییرات چگالی داخل فیبر نوری بواسطه حرکات گرمایی ملکول های فیبر باعث می‌شود که یک قسمت از موج تابشی در جهت خلاف باز تابش بشود. موج باز تابش شده را موج استوکس می گویند. موج استوکس تداخلی، توسط پدیده Electrostriction منجر به مدولاسیون چگالی محیط به صورت پریودیک می شود. این مدولاسیون چگالی را می‌توان به عنوان مدولاسیون ضریب شکست در نظر گرفت که مانند یک Bragg grating عمل می‌کند. این فرایند ادامه پیدا می‌کند و توان بیشتر از پمپ باز تابش شده و به موج استوکس انتقال می یابد. اگر دلیل مدولاسیون چگالی فیبر خود پمپ باشد به آن پراکندگی بریلوین برانگیخته (SBS) می‌گویند. مدولاسیون چگالی محیط را می‌توان سبب ایجاد موج آکوستیک یا فونون‌های آکوستیک نامید، چونکه این تغییرات چگالی با سرعت صوت در جهت پمپ منتشر می‌شوند. از طرفی دیگر، بخاطر سرعت نسبی بین پمپ و موج آکوستیک، با توجه به اثر دوپلر فرکانس موج استوکس نسبت به فرکانس پمپ تغییر می‌کند، که به مقدار این تغییر فرکانس، تغییر فرکانس بریلوین می‌گویند. اگر موج آکوستیک توسط حرکت گرمایی ملکولهای ماده بوجود آمده باشد به آن پرکندگی بریلوئن خود بر انگیخته می گویند.

SBS یک فرآیند غیر خطی است که نیاز به تابش نور با شدت زیاد دارد که از طریق توسعه منابع لیزر و تکنولوژی فیبر در دسترس می باشد. به همین خاطر SBS در فیبر نوری تا قبل از سال 1960 عملی نشده بود.
پراکندگی نور یکی از جنبه های مهم تحقیقاتی در سالهای 1920 تا سالهای 1930 بوده است. جورج استوکس، جابجایی فرکانسی را در فرآیند لومینانس در قرن19 کشف کرد
در طول چند دهه اخیر کاربردهای زیادی که در آنها از خواص SBS استفاده شده است مورد بررسی قرار گرفته اند مانند: کاهش سرعت نور در فیبر نوری با استفاده از SBS ]2 [ ، تاخیر دهنده نوری]3 [، ساخت لیزر با فیبر ]4[ -]7[، تقویت کننده های فیبری ]8[ ]9[ ، سنسورهای های فیبر نوری]10[-]12[ و فیلترهای نوری قابل تنظیم ]13[ ]14[.
در این پایان نامه به بررسی پراکندگی بریلوئن برانگیخته آبشاری در فیبر نوری می پردازیم. در پراکندگی بریلوئن آبشاری SBS های مرتبه بالاتر ایجاد می گردد و موجهای استوکس با شدت زیاد و طول موجهای متفاوت ( با فاصله فرکانسی ثابت) در طول فیبر ایجاد می گردد. که این پدیده در طراحی و ساخت لیزر های فیبر نوری کاربردهای فراوانی دارد. برای ایجاد SBS آبشاری در فیبر نوری باید تغییری در ساختار آن ایجاد کنیم. در این پایان نامه با استفاده از توری براگ در ورودی فیبر، SBS های مرتبه بالاتر ایجاد شده اند و با بررسی و تحلیل معادلات مربوطه، SBS های مرتبه بالاتر و شدت آنها برای فیبر نوری محاسبه و شبیه سازی شده اند.
1-2- هدفها و سرنوشتارها

هدف اصلی این پایان نامه تحلیل وبررسی پراکندگی بریلوئن بر انگیخته آبشاری در فیبر نوری می باشد. در این پایان نامه سعی کرده ایم که جوابهای تحلیلی و دقیق برای این پدیده پیدا کنیم و نتایج را شبیه سازی کنیم. همچنین در محاسبات فرض کرده ایم که از یک فیبر استاندارد تک مد در طول موج nm 1550 استفاده می کنیم چونکه این نوع فیبر و طول موج در سیستمهای مخابراتی رایج می باشند. این پایان نامه به پنج فصل تقسیم می شود بعد از این مقدمه در فصل بعد به اصول پراکندگی نور در مواد شفاف می پردازیم و دو نوع پراکندگی را که معمول می باشند و در فیبرهای نوری رخ می دهند معرفی می کنیم . در بخش اول این فصل SBS را در مواد شفاف بررسی می کنیم و معادلات مربوطه را برای شدتها، توان پمپ و… بدست می آوریم.
در فصل سوم به بررسی ساختار فیبر نوری، مزایا و معایب آن و سرعت انتقال اطلاعات در فیبر نوری می پردازیم. همچنین انواع منابع نوری را بررسی می کنیم و با توجه به بررسیهایی که انجام می دهیم طول موج مناسب منبع نوری وفیبر نوری مناسبی را که در سیستمهای نوین امروزی استفاده می شود ، انتخاب می کنیم. که در همه معادلات و شبیه سازیهای پایان نامه در بخشهای بعدی از آنها استفاده می کنیم. در بخش انتهایی این فصل به بررسی سرعت نور در فیبر نوری می پردازیم و به این نتیجه می رسیم که پدیده SBS می تواند باعث تغییر سرعت نور در فیبر گردد.
در فصل چهارم واکنش بین فیبر نوری و پرتو نوری را برای پدیده پراکندگی بریلوئن بررسی می کنیم . در بخش اول پراکندگی بریلوئن در فیبر نوری را بررسی می کنیم و انواع پراکندگی های بریلوئن ایجاد شده را نام می بریم. در بخش دوم و سوم این فصل سعی داریم با استفاده از خواص فیزیکی محیط و روابط ریاضی ، به ترتیب پدیده پراکندگی بریلوئن خود بر انگیخته و بر انگیخته شده را تحلیل کنیم و روابط ریاضی که توصیف کننده این دو پدیده باشند را در فیبر نوری بدست آوریم. در بخش چهارم این فصل دو پارامتر مهم پدیده SBS (توان آستانه بریلوئن وضریب تقویت بریلوئن) را معرفی می کنیم.
در فصل پنجم پدیده SBS آبشاری را به طور کامل توضیح خواهیم داد. در بخش اول، ابتدا SBS آبشاری بدون عنصر بازخورد را بررسی می کنیم و با تحلیل معادلات شدت پرتوها نشان می دهیم که SBS مرتبه بالاتر برای این چنین سیستمی ضعیف می باشد. دربخش دوم این فصل SBS آبشاری را برای سیستم با بازخورد قوی مورد بررسی قرار می دهیم و نشان می دهیم که می توانیم با استفاده از توری براگ در ورودی فیبر، SBS های مرتبه بالاتر و با شدت قوی را ایجاد کنیم. با استفاده از معادلات شدتها و شرایط مرزی برای این چنین سیستمی ، طیف توان خروجی را بدست می آوریم. در بخش سوم اثر SBS آبشاری را بر سیگنال بررسی می کنیم و با حل معادلات دیفرانسیل جفت شده پدیده SBS اثر آن را بر سیگنال بررسی می کنیم و با افزایش توان پمپ ورودی و بدست آوردن طیف بهره سیگنال، اثر SBS آبشاری را بر سیگنال تحلیل می کنیم.

پراکندگی خود بر انگیخته و پراکندگی بر انگیخته شده

پراکندگی خود بر انگیخته و پراکندگی بر انگیخته شده

1-1- معرفی…………………………………………………………….. 2
1-2- هدفها و سرنوشتارها…………………………………………….. 4

فصل دوم: اصول پراکندگی نور

نور عبوری از مواد شفاف که دارای ضریب شکستهای مختلف میباشند ممکن است بر اثر پدیده های غیر خطی پراکنده گردد. پراکندگی نور در مواد به عوامل مختلفی بستگی دارد . از جمله این عوامل می تواند جنس ماده ، ضریب شکست و وابستگی ضریب شکست به طول موج نور باشد . دو نوع پراکندگی به صورت عمده در مواد شفاف رخ می دهد و تحقیقات بسیاری در مورد آنها انجام شده است . یکی از آنها پراکندگی بریلوئن و دیگری پراکندگی رامان می باشد. در این فصل پراکندگی بریلوئن را بررسی می کنیم و معادلاتی برای شدتهای نور بدست می آوریم که در فصلهای بعدی پایان نامه، از این معادلات استفاده خواهیم کرد. سپس در بخش دوم پراکندگی رامان بررسی خواهد شد.

2-2- پراکندگی القایی بریلوئن

در صورتی که پراکندگی از نوسانات ایجاد شده توسط اثرات حرارتی، بوجود بیاید به آن پراکندگی خود بخودی می گویند، اما در شرایطی که پراکندگی بخاطر نوسانات ایجاد شده در حضور میدان موج اپتیکی باشد، به آن پراکندگی القایی گفته می شود. پراکندگی القایی همواره موثرتر از پراکندگی خود بخودی است. به عنوان مثال بخاطر پراکندگی خود بخودی نور در عبور از 1cm از یک مایع مثل آب، تنها یک قسمت از 〖10〗^5 قسمت توان پرتو پراکنده میشود، اما در صورتی که شدت نور به اندازه کافی زیاد باشد، گاهی تا 100% پرتو در عبور از 1cm از محیط بخاطر پراکندگی القایی پراکنده خواهد شد. پراکندگی القایی که در این قسمت به بررسی آن خواهیم پرداخت، نتیجه تغییرات چگالی ماده می باشد. فرآیند پراکندگی بریلوئن القائی در شکل (2-1) نشان داده شده است:

در شکل(2-1)، نور لیزر، توسط تغییرات ضریب شکست ایجاد شده توسط موج صوتی با فرکانس Ω ، پراکنده شده است. از آنجایی که موج آکوستیک در جهت موج فرودی حرکت می کند، نور پراکنده شده به فرکانس پایین تری یعنی فرکانس ω_S=ω_L-Ω شیف می¬یابد.
وقتی دو موج با فرکانس های ω_S و ω_L با هم بر همکنش می کنند، به نحوی که اختلاف این دو فرکانس همان فرکانس موج آکوستیک Ω، باشد، منجر به پراکندگی بریلوئن خواهد شد. پاسخ سیستم مادی به این ترم تداخلی می تواند شبیه به یک منبع عمل کند که موجب افزایش دامنه موج صوتی می شود. بنابراین زنش نور لیزر و موج آکوستیک سبب ایجاد موج استوکس می گردد، در صورتی که زنش موج های استوکس و لیزر موجب تقویت موج آکوستیک می شود. دو مکانیزم متفاوت برای توجیه این اثر وجوددارد. یک مکانیزم electrostriction می باشد. در این مکانیزم بیان می شود که ماده در مکان هایی که میدان فرودی شدت بیشتری دارد، چگالتر می شود. مکانیزم دیگر جذب اپتیکی است که بیان می¬کند گرم شدن منطقه توسط جذب موج اپتیکی با شدت بالاتر سبب می شود که ماده در آن منطقه منبسط تر شود بنابراین با تابش نور به محیط، نوسانات چگالی را خواهیم دید. از مکانیزم دوم کمتر از مکانیزم اول استفاده می شود زیرا مکانیزم دوم تنها در مواد اپتیکی اتلافی اتفاق می افتد.
وقتی پدیده پراکندگی بریلوئن القایی مورد مطالعه قرار می گیرد، دو فرآیند متفاوت باید بررسی شود، که یکی از این دو، تولید کننده پراکنندگی بریلوئن القائی است.

که در این فرآیند فقط پرتو نور لیزر است که به صورت خارجی استفاده شده است. میدان های استوکس و آکوستیک بیشتر از نویز در طول منطقه بر همکنش، رشد می کنند. نویزی که پراکندگی بریلوئن القایی را آغاز می کند، ناشی از پراکندگی نور لیزر از فونون های تولید شده حرارتی است ]15[ .در این حالت فرکانس استوکس نزدیک حالتی است که در آن حالت پراکندگی بریلوئن القایی بهره ماکزیمم دارد. فرآیند دوم تقویت کننده پراکنندگی بریلوئن القایی است.

در این حالت پرتوهای لیزر و استوکس هر دو بصورت عامل های خارجی اعمال می گردند. اگر فرکانس استوکس پرتو خارجی اعمال شده نزدیک به فرکانس استوکس تولید کننده پراکندگی بریلوئن القایی باشد، پس یک کوپلاژ قوی بین دو پرتو خارجی اعمال شده، رخ خواهد داد. فرآیند پراکندگی بریلوئن القایی به تقویت موج استوکس در هر جهتی به غیر از جهت نور لیزر منجر می شود. معمولا پراکندگی بریلوئن القایی فقط در جهت رو به عقب دیده می شود چون همپوشانی فضای پرتوهای لیزر و استوکس تحت این شرایط ماکزیمم است]16 [.
در صورتی که شدت نور فرودی را به مقدار کافی زیاد کنیم، این نور با استفاده از پدیده electrostriction می تواند روی خصوصیات محیط تاثیر بگذارد و نور پراکنده شده قوی ای را تولید کند، به عبارت دیگر در ابتدا نور لیزر فرودی توسط اثرات حرارتی محیط یا به عبارتی موج آکوستیک موجود در محیط پراکنده می شود و موج استوکس را تولید می کند، سپس کوپلاژ بین نور استوکس و نور لیزر فرودی با استفاده از پدیده electrostriction، نوسانات چگای را در محیط ایجاد می کند، نور لیزر فرودی دوباره توسط نوسانات ضریب شکست ناشی از این نوسانات چگالی پراکنده می شود که فرکانس نور پراکنده شده دوباره در فرکانس استوکس خواهد بود، بنابراین دو موج آکوستیک و استوکس رشد هم را تقویت می کنند. برای تقویت کننده های پراکندگی بریلوئن القایی، موج استوکس بصورت خارجی به محیط اعمال می شود که فرکانس آن ω_2 بود، اگر فرکانس نور لیزر فرودی ω_1 در نظر گرفته شود، فرکانس موج آکوستیک حاصله به این صورت بدست می آید:

2-1- مقدمه……………………………………………………………………… 7
2-2- پراکندگی القایی بریلوئن………………………………………………. 7
2-3- خلاصه فصل……………………………………………………………. 17

برای دانلود رایگان قسمت های بیشتراز فایل به انتهای مطلب مراجعه کنید

فصل سوم: فیبر نوری و مشخصه های آن

انتقال اطلاعات در سالهای اخیر بوسیله فیبر نوری بسیار مورد توجه قرار گرفته است. انواع و اقسام فیبرهای نوری با توجه به کاربرد، مزایا و معایب آنها طراحی و ساخته شده اند. همچنین منابع نوری مختلفی با توجه به پیشرفت ساخت فیبرهای نوری ساخته شده اند. در این فصل به بررسی ساختار ، عملکرد و مشخصه های فیبرهای نوری می پردازیم و توضیح می دهیم که چه نوع فیبر نوری و منبع نوری با چه طول موجی در سالهای اخیر برای انتقال اطلاعات در سیستمهای عملی امروزه استفاده می شود. بنابراین در این پایان نامه نیز نتایج شبیه سازیها با استفاده از فیبرها و منابع نوری با طول موج سیستمهای نوین امروزی می باشد. در انتهای این فصل به بررسی سرعت انتقال اطلاعات در فیبر نوری می پردازیم زیرا همانطوریکه در فصلهای بعدی مشاهده می کنیم پدیده SBS یا SBS آبشاری می تواند سرعت پالس نوری را در فیبر نوری تغییر دهد و باعث ایجاد تاخیر زمانی گرددکه درساخت بافرهای نوری از این پدیده استفاده می شود.

3-2- بازتاب کلی داخلی

کلادون، ویلر و تیندال ]17[ در هر یک از آزمایشاتشان به پدیده ای به نام بازتاب کلی داخلی که اساس درک انتقال نوری است متکی بودند. بنابراین ما هم مجبوریم که به فیزیک اپتیک بپردازیم.
اگر تکه ای چوب را در آب فرو کنیم متوجه خمیدگی ظاهر آن شده و یا حتی آدم گرسنه ای که سعی در شکار ماهی دارد متوجه می شود که ماهی در جائی که به نظر می آید باشد نیست. این پدیده یا شکست نور به علت تفاوت ضریب شکست هوا با آب رخ می دهد. ضریب شکست، مقدار نسبتی است که بین سرعت نور در خلاء و سرعت نور در محیطی دیگر برقرار است. نور در محیط های فیزیکی کند تر از هوا حرکت می کنند و بدین ترتیب ضریب شکست (n) را می توان از رابطه زیر بدست آورد:
سرعت نور در محیط دیگر/ سرعت نور در خلاء
ضریب شکست هر محیط دیگری بزرگتر از یک است.
این موضوع چه اهمیتی دارد؟ اهمیت این موضوع در آن است که در حقیقت نور هنگامی خم می شود که از محل تلاقی دو محیطی که دارای ضریب شکست متفاوتی هستند عبور کند. برای مثال اگر یک منبع نور، پرتو نوری را به درون فیبر شیشه ای بتاباند نور خم می شود زیرا از هوا به درون شیشه عبور می کند. میزان خمش نور به دو عامل بستگی دارد: تفاوت ضریب شکست دو محیط و زاویه ای که تحت آن نور به شیشه برخورد می کند یا همان زاویه تابش. این زاویه برابر زاویه ای است که خط عمود بر سطح دو محیط با پرتو تابش می سازد. برای سیستم های انتقال فیبر نوری این موضوع حائز اهمیت است. (شکل 3-1)

رابطه بین زوایه تابش و زاویه شکست قانون اسنل نام دارد. این قانون در سیستم های فیبر بسیار مهم بوده زیرا سعی می شود که نور حاصل از منبع طوری به فیبر تابانده شود که زاویه تابش به حداقل برسد. در صورتی که زاویه تابش بیش از حد بزرگ باشد، نور از شیشه خارج می شود که در این حالت افت سیگنال خواهیم داشت (شکل 3-2).

بر طبق قانون اسنل، اگر زاویه تابش بیشتراز زاویه حد باشد، شکست اتفاق نمی افتد. اگر نور به سطح جدا کننده محیط هوا و شیشه (ماده ای با ضریب شکست بیشتر) طوری بتابد که زاویه آن به اندازه کافی کم باشد، در این صورت نور خارج نخواهد شد و دوباره به شیشه بر خواهد گشت. این فرایند (شکل 3-3) بازتاب کلی نامیده می شود که اساس انتقال از طریق فیبر نوری است.

هر چه نور بیشتری درون فیبر نگه داشته شود، شدت (توان) سیگنال ارسالی نیز بهتر خواهد بود زاویه ای که تحت آن پرتو تابش به سطح فیبر برخورد می کند، زوایه پذیرش یا روزنه عددی نام دارد. اگر هدف ارسال سیگنال به مسافت نسبتا زیاد باشد این زاویه مهم جلوه می کند. پس لازم است که در هنگام کار با دستگاه های لیزر احتیاط لازم را مبذول داشت و اطمینان حاصل کرد که وجهی از لیزر که سیگنال را تولید می کند تا حد امکان با سطح فیبر به ویژه مقطع عرضی فیبر که نور از آن عبور می کند همتراز باشد. (شکل3-4).

با دقت بیشتر متوجه می شویم که فیبر تک مد دارای سطح مقطعی با قطر تقریبا 8 میکرون است پس لزر نیز باید حدودا این قطر را داشته باشد تا بتواند از درون آن عبور کند. توجه کنید که قطر موی انسان در حدود 50 میکرون است.
حتی در بهترین سیستم ها، با حدود 4 درصد سیگنال در سطح جدا کننده هوا/ شیشه و بین لیزر و کر فیبر هدر می رود. در صنعت به این افت، افت فرنل اطلاق می شود. فیبر نوری به دلیل طراحی ویژه اش، نور را به درستی هدایت می کند. فیبر نوری شامل دو لایه است: سطح مقطع درونی که از میان آن نور سیر می کند و غلاف خارجی که نور را در درون هسته نگه می دارد. (شکل3-5)

زاویه پذیرش

زاویه پذیرش

3-1- مقدمه…………………………………………………………………….. 20
3-2- بازتاب کلی داخلی……………………………………………………… 20
3-3- منابع نوری………………………………………………………………… 24
3-3-1- دیود های نور افشان (LEDs)ا…………………………………………. 24
3-3-2- دیود های لیزری ………………………………………………………..25
3-4- مزایا و معایب فیبر نوری………………………………………………….. 27
3-4-1- تفرق……………………………………………………………………. 28
3-4-2- جذب……………………………………………………………………… 29
3-4-3- پاشندگی……………………………………………………………….. 29
3-4-4- اثرهای غیر خطی های فیبر ……………………………………………33
3-4-5- مشکلات پراکندگی……………………………………………………. 35
3-5- انواع فیبر نوری…………………………………………………………… 36
3-5-1- فیبر چند مدی…………………………………………………………… 36
3-5-2- فیبر تک مد………………………………………………………………… 37
3-5-3- فیبر های (DSF) dispersion – shifted ا……………………………….38
3-6- سرعت انتقال اطلاعات در فیبر نوری……………………………………… 39
3-6-1- سرعت فاز……………………………………………………………….. 40
3-6-2- سرعت گروه ……………………………………………………………..41
3-7- خلاصه……………………………………………………………………….43

فصل چهارم: پراکندگی بریلوین در فیبر نوری و مشخصه های آن

برای انتقال یک سیگنال نوری در طول یک فیبر نوری بخاطر جبران تلفات فیبر توان سیگنال ورودی باید افزایش یابد. از طرفی دیگر چون پراکندگی بریلوین در چند میلی وات از توان پمپ در یک فیبر نوری رخ می‌دهد، بنابراین بیشینه توان انتقالی بشدت محدود می شود. از اینرو این اثر به طور کلی در انتقال سیگنال در سیستم های مخابرات نوری اختلال ایجاد می کند. بنابراین به طور معمول سعی می شود SBS در شبکه‌ها و ادوات نوری ایجاد نشود [30]-[28].
با این وجود در طول چنده دهه اخیر کاربردهای زیادی که در آنها از خواص SBS استفاده شده است مورد بررسی قرار گرفته اند.
در این فصل ابتدا فرایند بوجود آمدن پدیده پراکندگی بریلوین در فیبرنوری را توضیح می دهیم و عوامل اصلی بوجود آورنده را معرفی می کنیم. در قسمت سوم پراکندگی بریلوین خود برانگیخته را توضیح می دهیم و با استفاده از معادله حرکت موج آکوستیک و معادله حرکت موج نور در محیط نوری معادله دیفرانسیل موج های پراکنده شده را بدست می آوریم. در قسمت چهارم این فصل پراکندگی بریلوین برانگیخته شده را معرفی می کنیم و همانند قسمت سوم معادله دیفرانسیل توصیف کننده این پدیده را بدست می آوریم و با استفاده از آن طیف بهره و فاز بریلوین را برای دو حالت، وقتی که پمپ تک فرکانس باشد و برای حالتی که پمپ طیف گوسی داشته باشد، بدست می آوریم. در انتها توان آستانه بریلوئن و ضریب تقویت بریلوئن را برای فیبر نوری تک مد استاندارد بدست می آوریم.

4-2- تئوری و روش ایجاد پراکندگی بریلوین و عملکرد آن

پراکندگی بریلوین براساس برهم کنش تابش یک موج نور به اندازه کافی قوی (پمپ) با یک محیط نوری (مثل فیبر نوری) بوجود می‌آید. تغییرات چگالی داخل فیبر نوری بواسطه حرکات گرمایی ملکول های فیبر باعث می‌شود که یک قسمت از موج تابشی در جهت خلاف باز تابش بشود. موج باز تابش شده را موج استوکس می گویند. موج استوکس تداخلی، توسط پدیده Electrostriction منجر به مدولاسیون چگالی محیط به صورت پریودیک می شود. این مدولاسیون چگالی را می‌توان به عنوان مدولاسیون ضریب شکست در نظر گرفت که مانند یک Bragg grating (توری براگ) عمل می‌کند. این فرایند ادامه پیدا می‌کند و توان بیشتر از پمپ باز تابش شده و به موج استوکس انتقال می یابد. اگر دلیل مدولاسیون چگالی فیبر خود پمپ باشد به آن پراکندگی بریلوین برانگیخته می‌گویند. مدولاسیون چگالی محیط را می‌توان موج آکوستیک یا فونون‌های آکوستیک نامید، چونکه این تغییرات چگالی با سرعت صوت در جهت پمپ منتشر می‌شوند. از طرفی دیگر، بخاطر سرعت نسبی بین پمپ و موج آکوستیک، با توجه به اثر دوپلر فرکانس موج استوکس نسبت به فرکانس پمپ تغییر می‌کند، که به مقدار این تغییر فرکانس،فرکانس بریلوین می‌گویند‍[31].
SBS را می توان نتیجه برهم کنش سه موج جفت شده در نظر گرفت موج استوکس، موج آکوستیک و پمپ. فرایند پراکندگی نیازمند برقراری قانون حفظ انرژی و حفظ مومنتم برای برهم کنش این سه موج می‌باشد .بنابراین، در یک فیبر نوری فرکانس پمپ f_p ، فرکانس استوکس f_s و فرکانس آکوستیک f_a توسط رابطه زیر با هم مرتبط هستند.
f_s=f_p-f_a (4-1)از رابطه (4-1) می توان فهمید که فرکانس موج استوکس به اندازه فرکانس موج آکوستیک کوچکتر از فرکانس پمپ می باشد. بنابراین فرکانس موج آکوستیک f_a برابر، فرکانس بریلوین Ω_B می باشد که با استفاده از رابطه زیر بدست می آید [6].
f_a=Ω_B=(2v_a n)/λ_p (4-2)
دراین رابطه v_a سرعت صوت در مواد می‌باشد و n ضریب شکست محیط و λ_p طول موج پمپ می‌باشد. برای مثال فرکانس بریلوین برای مقادیر استاندارد یک فیبر سیلیکایی:
(λ_p=1550nm,n=1.44,v_a=596km/s) برابر Ω_B=11GHz می باشد. علاوه بر متغییرهای رابطه (4-2)، فرکانس بریلوین به پارامترهای بیشتری بستگی دارد، مانند: نوع فیبر، ناخالصی هسته فیبر، دمای محیط و غیره…می توان بجای موج استوکس ایجاد شده توسط پمپ، یک سیگنال از انتهای فیبر در جهت مخالف پمپ با همان فرکانس موج استوکس اعمال کرد. در این حالت اگر توان پمپ کوچکتر از مقدار توان آستانه بریلوین باشد، درنتیجه فقط دو ناحیه به نام های، ناحیه تقویت بریلوین و ناحیه تضعیف بریلوین در داخل فیبر ایجاد می شود. اگر به اندازه Ω_B فرکانس را کاهش دهیم وارد ناحیه تقویت بریلوین (باند استوکس) می شویم و اگر به اندازه Ω_B افزایش دهیم وارد ناحیه تضعیف (باند آنتی استوکس) می شویم. در این ناحیه ها سیگنال در جهت مخالف انتشار یافته می تواند بترتیب تقویت یا تضعیف شود. در ناحیه تقویت، توان از پمپ به سیگنال (موج استوکس) منتقل می‌شود و در ناحیه تضعیف، برعکس توان از سیگنال به پمپ منتقل می‌شود [32].

4-1- مقدمه……………………………………………………………………. 45
4-2- تئوری و روش ایجاد پراکندگی بریلوین و عملکرد آن………………… 46
4-3- پراکندگی بریلوین خود برانگیخته……………………………………… 48
4-4- پراکندگی بریلوین برانگیخته شده در فیبر نوری……………………… 49
4-5- توان آستانه بریلوین و ضریب تقویت بریلوین………………………….. 53
4-6- خلاصه فصل………………………………………………………………. 55

برای دانلود رایگان قسمت های بیشتراز فایل به انتهای مطلب مراجعه کنید

فصل پنجم: پراکندگی بریلوئن بر انگیخته آبشاری در فیبر نوری

همانطوریکه در فصل گذشته بررسی شد، SBS در فیبر نوری در چند میلی وات از توان پمپ رخ می دهد . طرح ساده برای مطالعه SBS در فیبرهای نوری ، استفاده از یک فیبر نوری بلند معمولا در حد کیلومتر با یک انتهای مناسب می باشد که در انتهای این فیبر نوری از هر گونه بازخوردی اجتناب می شود. وقتیکه بازخورد به فیبر نوری در انتهای آن اضافه شود یا از بازتابنده های دیگر یا ساده تر شکل دادن یک حفره حلقوی استفاده شود ، آستانه SBS به طور قابل ملاحظه ای می تواند کاهش پیدا کند و حتی می تواند به نوسان و یک لیزر بریلوئن منجر شود]34[.
در یک فیبر نوری بدون بازخورد، SBS عموما بوسیله مدل سه موجی شرح داده می شود: موج منبع، موج استوکس و موج صوتی میانی. SBS مرتبه دوم که تولید شده توسط دومین موج استوکس دیگر است (علت آن SBS ، از اولین موج SBS می باشد) آشکار می گردد ولی بررسی می شود که برای سیستمهای بدون بهره ضعیف است و معمولا برای این چنین سیستمهایی صرف نظر می گردد. هر چند برای سیستمها با بازخورد قوی مرتبه های SBS بالاتر می توانند قابل ملاحظه باشند و موجب می گردد که فهمیدن فیزیک این چنین سیستمهایی مشکل باشد.]36[ ]35[
در این فصل یک سیستم با بازخورد قوی را مورد بررسی قرار می دهیم بطوریکه یک SBS آبشاری چند مرتبه ای در یک سیستم بدون رزونانس ایجاد می شود. ( حفره باز با فقط بازخورد در یک طرف) و به این موضوع پی می بریم که بازخورد را لازم است در دروازه ورودی فیبر قرار دهیم تا اجازه دهد که هر مرتبه SBS پراکنده شده برگشتی ، SBS خودش را در یک شدت بهینه در طول مسیر فعل وانفعالات فیبر تولید کند. نتایج آنالیز تئوری به طور واضح اثرات زیاد SBS مرتبه دوم و مرتبه سوم را نشان می دهد.
در ابتدای این فصل ابتدا SBS آبشاری بدون بازخورد بررسی می شود و روابط مربوطه آن را برای شدتهای موج تابشی، موج استوکس پراکنده شده برگشتی و موج استوکس مرتبه دوم بدست می آوریم و برای یک فیبر تک مد SBS آبشاری را شبیه سازی می کنیم.
در بخش بعد SBS آبشاری با بازخورد قوی را بررسی می کنیم و روابط مربوطه آنرا برای SBS های مرتبه اول ، دوم، سوم و… بدست می آوریم و برای یک فیبر نوری تک مد با بازخورد قوی، SBS آبشاری را شبیه سازی می کنیم. در انتهای این فصل با استفاده از معادلاتی که در فصل چهارم بدست آوردیم و حل دقیق آنها و با ارسال سیگنال با توانی در حدود میکرو وات از انتهای فیبر ، اثر SBS آبشاری را بر سیگنال با تغییرات توان پمپ ورودی بررسی می کنیم . همانطوریکه ملاحظه خواهد شد ، تا زمانیکه توان پمپ ورودی کم است SBS باعث تاخیر زمانی در سیگنال می گردد ولی شکل سیگنال تغییری نخواهد کرد . با افزایش توان پمپ ورودی بیشتر از توان آستانه بریلوئن ، توان موج استوکس افزایش می یابد و SBS آبشاری رخ خواهد داد. در این نواحی همانطوریکه ملاحظه خواهد شد علاوه بر اینکه تاخیر زمانی در سیگنال رخ خواهد داد ، شکل سیگنال نیز تغییر می کند.

5-1- مقدمه………………………………………………………………………. 57
5-2- SBS بدون بازخورد…………………………………………………………. 59
5-3- سیستم با بازخورد و SBS مرتبه بالا……………………………………… 63
5-4- اثر SBS آبشاری بر سیگنال……………………………………………….. 67
5-5- حل معادلات دیفرانسیل جفت شده پراکندگی بریلوین برانگیخته شده 67
5-5-1- جواب تقریبی معادلات دیفرانسیل جفت شده………………………… 70
5-5-2- جواب تحلیلی و دقیق معادلات دیفرانسیل جفت شده……………… 71
5-5-3- شبیه سازی و مقایسه آن………………………………………………: 74
5-6- خلاصه فصل…………………………………………………………………. 79

نتیجه گیری و پیشنهادات…………………………………………………………. 81

 

Abstract

The Optical fibers and optical Transmitting systems are used greatly today because of having a lot of advantages. One of phenomena witch occurs in optical fibers is Stimulated Brillouin Scattering. On the whole, this phenomenon causes a limitation of power transmission to the output of the fiber and thus it is undesirable; but it has many applications in designing optical devices such as optical buffers and Brillouin fiber lasers. In Brillouin fiber lasers Cascaded Stimulated Brillouin Scattering is used, therefore, in this thesis, this phenomenon is investigated. By considering and analyzing the concerned equations, we deduce that in order to have Cascaded Stimulated Brillouin Scattering in optical fibers, we have to cause changes in the structure of the system, and we have shown that by using a Bragg grating at the input of the fiber, we can produce cascaded SBS. Moreover, as SBS phenomenon can cause a delay in signal travel time, in this thesis, by sending a signal from the output of the fiber and solving the concerned equations, the effect of cascaded SBS on the signal and the amount of produced time delay are investigated. The results of simulation shows the accuracy and soundedness of analyses in various parts



بلافاصله بعد از پرداخت به ایمیلی که در مرحله بعد وارد میکنید ارسال میشود.


فایل pdf غیر قابل ویرایش

قیمت25000تومان

خرید فایل word

قیمت35000تومان

.