چکیده

استفاده از فیبر نوری در سیستم­های انتقال نوری ، به دلیل مزایای زیادی که دارد امروزه کاربرد بسیاری دارد. یکی از پدیده­هایی که در فیبر نوری رخ می­دهدپراکندگی بریلوئن برانگیخته می­باشد. به طور کلی این پدیده باعث محدود نمودن انتقال توان به خروجی فیبر می­گردد و بنابراین نامطلوب می­باشد ولی کاربردهای فراوانی در طراحی ادوات نوری از جمله بافرهای نوری و لیزرهای بریلوئن فیبر نوری دارد. در لیزرهای بریلوئن فیبر نوری از پراکندگی بریلوئن برانگیخته آبشاری استفاده می­ شود بنابراین در این پایان نامه به بررسی این پدیده در فیبر نوری پرداخته­ایم. با بررسی و تحلیل معادلات مربوطه به این نتیجه رسیده­ایم که برای داشتن پراکندگی بریلوئن برانگیخته آبشاری در فیبر نوری باید در ساختار سیستم تغییر ایجاد کنیم و نشان داده­ایم که می­توانیم با بهره گرفتن از توری براگ در ورودی فیبر، پراکندگی بریلوئن برانگیخته آبشاری ایجاد کنیم. همچنین از آنجایی که این پدیده می ­تواند تأخیر زمانی ایجاد کند در این پایان نامه با ارسال سیگنال از انتهای فیبر و حل معادلات مربوطه آن ، اثر پراکندگی بریلوئن برانگیخته آبشاری بر سیگنال را و مقدار تأخیر زمانی ایجاد شده را بررسی نموده­ایم. نتایج شبیه سازی، دقت و صحت تحلیل­ها را در قسمت ­های مختلف نشان می­دهد.

 

کلید واژگان: پراکندگی- بریلوئن- فیبر

فهرست مطالب

 

 

عنوان                                                                             صفحه

 

فصل اول: مقدمه

1-1- معرفی.. 2

1-2- هدفها و سرنوشتارها 4

 

فصل دوم: اصول پراکندگی نور

2-1- مقدمه. 7

2-2- پراکندگی القایی بریلوئن.. 7

2-3- خلاصه فصل.. 17

 

فصل سوم:  فیبر نوری و مشخصه های آن

3-1- مقدمه. 20

3-2- بازتاب کلی داخلی.. 20

3-3- منابع نوری.. 24

3-3-1- دیود های نور افشان (LEDs) 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.. 28

3-4-3- پاشندگی.. 29

3-4-4- اثرهای غیر خطی های فیبر. 33

3-4-5- مشکلات پراکندگی.. 34

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. 38

3-6- سرعت انتقال اطلاعات در فیبر نوری.. 39

3-6-1- سرعت فاز. 39

3-6-2-  سرعت گروه. 40

3-7- خلاصه. 43

 

 

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

4-1- مقدمه. 45

4-2- تئوری و روش ایجاد پراكندگی بریلوین و عملكرد آن.. 46

4-3- پراكندگی بریلوین خود برانگیخته. 47

4-4- پراكندگی بریلوین برانگیخته شده در فیبر نوری.. 49

4-5- توان آستانه بریلوین و ضریب تقویت بریلوین.. 52

4-6- خلاصه فصل.. 55

 

فصل پنجم: پراکندگی بریلوئن بر انگیخته آبشاری در فیبر نوری

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 پراكندگی 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

 

فهرست منابع و مآخذ.. .

 

 

 

 

 

 

فهرست شکل ها

 

عنوان                                                                                    صفحه

 

شکل (1- 1) پراکندگی خود بر انگیخته و پراکندگی بر انگیخته شده . 3

شکل (2- 1).شماتیک پراکندگی القایی بریلوئن. 8

شکل (2- 2) شماتیک تولید کننده پراکنندگی القایی بریلوئن. 9

شکل (2- 3) شماتیک تقویت کننده پراکندگی القایی بریلوئن. 9

شکل (2- 4) وابستگی انعکاس SBS به بهره سیگنال کوچک. 16

شکل (2- 5) توزیع شدت استوکس و لیزر در ناحیه بر همکنش تولید کننده SBS. 17

شکل (3- 1) زاویه تابش و ضریب شکست… 21

شکل (3- 2) قانون اسنل.. 22

شکل (3- 3) بازتاب کلی.. 22

شکل (3- 4) زاویه پذیرش… 23

شکل (3- 5) فیبر نوری.. 23

شکل (3- 6) LED با انتشار سطحی.. 24

شکل (3- 7) LED با انتشار لبه ای.. 25

شکل (3- 8) مقایسه گسیل نور بین LED و دیود لیزری.. 26

شکل (3- 9) توزیع فضایی شدت پرتو LED و لیزر. 26

شکل (3- 10) تفرق نور. 28

شکل (3- 11) فیبر با هسته پهن. 29

شکل (3- 12) فیبر با هسته باریک… 30

شکل (3- 13) منحنی تغییرات اتلاف بر حسب طول موج.. 31

شکل (3- 14) فیبر چند مدی.. 36

شکل (3- 15) مقطع عرضی فیبر چند مدی.. 36

شکل (3- 16) فیبر DSF. 38

). 62

شکل (5- 2) طیف نوری یک فرایند SBS ساده. 63

شکل (5- 3) ساختار SBS آبشاری. 64

شکل (5- 4)  طیف خروجی SBS آبشاری. 66

عنوان                                                                                    صفحه

 

شکل (5- 5) رفتار رزونانس بهره بریلوین. 69

شکل (5- 6) اندازه گیری توان آستانه بریلوین فیبر استاندارد تك مد با طول km15 با در نظر گرفتن تلفات فیبر. 75

شکل (5- 7) خروجی تاخیر یافته یک سیگنال بر اساس SBS برای سه توان مختلف از یك   پمپ CW. 77

شکل (5- 8) طیف بهره سیگنال بر اساس SBS برای سه توان مختلف از یک پمپ  CW. 78

مقدمه

 

 

1-1- معرفی

 

پراکندگی بریلوئن به افتخار فیزیکدان فرانسوی لئون بریلیون نامگذاری شد، او واکنش بین موج نور و صوتی را در قرن نوزدهم- بیستم بررسی کرد. پراكندگی بریلوین براساس برهم كنش تابش یک موج نور به اندازه كافی قوی (پمپ) با یک محیط نوری (مثل فیبر نوری) بوجود می‌آید. تغییرات چگالی داخل فیبر نوری بواسطه حركات گرمایی ملكول های فیبر باعث می‌شود كه یک قسمت از موج تابشی در جهت خلاف باز تابش بشود. موج باز تابش شده را موج استوكس[1] می گویند. موج استوكس تداخلی، توسط پدیده Electrostriction منجر به مدولاسیون چگالی محیط به صورت پریودیک می شود. این مدولاسیون چگالی را می‌توان به عنوان مدولاسیون ضریب شكست در نظر گرفت كه مانند یک Bragg grating عمل می‌كند. این فرایند ادامه پیدا می‌كند و توان بیشتر از پمپ باز تابش شده و به موج استوكس انتقال می یابد. اگر دلیل مدولاسیون چگالی فیبر خود پمپ باشد به آن پراكندگی بریلوین برانگیخته[2] (SBS)  می‌گویند. مدولاسیون چگالی محیط را می‌توان سبب ایجاد موج آكوستیک یا فونون‌های آكوستیک نامید، چونكه این تغییرات چگالی با سرعت صوت در جهت پمپ منتشر می‌شوند. از طرفی دیگر، بخاطر سرعت نسبی بین پمپ و موج آكوستیك، با توجه به اثر دوپلر فركانس موج استوكس نسبت به فركانس پمپ تغییر می‌كند، كه به مقدار این تغییر فركانس، تغییر فركانس بریلوین[3] می‌گویند. اگر موج آکوستیک توسط حرکت گرمایی ملکولهای ماده بوجود آمده باشد به آن پرکندگی بریلوئن خود بر انگیخته می گویند.

مکانیسم پراکندگی نور در هر دو حالت پراکندگی بریلوئن خود بر انگیخته  و پراکندگی بریلوئن برانگیخته در شکل(1-1) نشان داده شده است.

 

شکل (1- 1) پراکندگی خود بر انگیخته و پراکندگی بر انگیخته شده ]1[ .

 

SBS یک فرایند 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 فرایند لومینانس در قرن19 کشف کرد]1[-]2[