تحقیق تحليل تقويت کننده هاي نوري رامن به روش عددي 10 ص

لینک دانلود و خرید پایین توضیحات
دسته بندی : وورد
نوع فایل :  word (..doc) ( قابل ويرايش و آماده پرينت )
تعداد صفحه : 11 صفحه

 قسمتی از متن word (..doc) : 
 

‏
‏تحليل تقويت کننده هاي نوري رامن به روش عددي
‏چكيده
‏استفاده از فيبرهاي نوري تحول عظيمي در انتقال اطلاعات با ظرفيت زياد ايجاد کرده است. تقويت کننده هاي نوري يکي از اساسي ترين قطعات در سيستمهاي ارتباطي فيبر نوري اند. براي افزايش ظرفيت اطلاعاتي لينكهاي ‏ Wavelength Division Multiplexing‏:WDM
WDM‏ و تحقق سيستمهاي بسيار دوربرد ، نويز تقويت کننده ها مسأله بسيار مهمي است و در سالهاي اخير ‏تقويت کننده هاي توزيع شده رامن به دليل بهبود عملکرد نويز و پهناي باند بسيار زياد مورد توجه قرار گرفته اند.
‏در اين رساله ابتدا به بيان روند تکامل تقويت کننده هاي نوري و مقايسه آنها با يکديگر مي پردازيم و سپس روابط حاکم بر تقويت کننده نوري رامن، را به طور کامل مورد بررسي قرار مي دهيم و در نهايت به حل معادلات حاکم بر آن با روش عددي آدامز با در نظر گرفتن آثار‏حرارتي مربوط‏ ب‏ه پراش رالي با بازتاب هاي چند گانه، ASE‏ ،SRS‏ ، استوک‏س‏ هاي مرتبه بالا و بر همکنش ‏خود به خودي ‏ بين پمپ و سيگنال‏ مي پردازيم .
‏واژه‏ ‏هاي كليدي : ‏تقويت كننده نوري رامن ، پراش خودبخودي رامن ، مالتي پلكس تقسيم طول موج
‏1-1 ‏مقدمه :
‏در انتقال‏ ‏سيگنال‏ ‏نوري درون فيبرنوري افت‏ ‏توان سيگنال‏ مساله ‏بسيارمهم‏ي ‏است.‏ رفتار اتلاف نور درون فيبر در شكل 1-1 مشاهده مي شود. طول موج هاي1550 و1330 نانومتر هنگام عبور از فيبر كمترين اتلاف را دارند.
‏شكل )‏1-‏ ‏1(‏ ‏منحني تلفات نور درون فيبر نوري شيشه اي به ازاي طول موج هاي مختلف
‏كاهش ‏توان‏ سيگنال نوري ازحدي كه توانايي ‏تحريك‏ آشكارساز را نداشته باشد، به معني از بين رفتن اطلاعات است‏.‏ اين عامل‏ي مخرب ‏در شبكه هاي فيبر نوري مي باشد. در ابتدا اين مشكل‏ ‏بوسيله سيستمهايي بنام تكرار كننده‏ ‏حل‏ ‏مي شد.‏ در‏ اين ‏سيستم‏ ‏ها مطابق شكل‏ (1‏-‏2)‏ ‏سيگنال نوري ‏ابتدا ‏به ‏سيگنال ‏الكتريكي تبديل شده‏ ‏و‏ پس از عمليات تجديد شكل، باز توليد و زمانبندي مجدد به‏ سيگنال نوري تبديل مي شود. ‏
‏د‏ر مرحله‏ تجديد شكل، ‏شكل پالس الكتريكي‏ متناظر با ‏سيگنال نوري توليد مي شود. در مرحله ‏باز توليد ‏سيگنال الكتريكي تقويت شده و در زمان بندي مجدد كه براي سيگنالهاي ديجيتال انجام مي شود‏،‏ زمان سيگنال اصلاح‏ ‏مي‏ شود.‏ ‏هر‏ ‏تكرار كننده براي يك طول موج كاربرد دارد.‏ با توجه به انتشار همزمان چندين طول موج در فيبر ‏و‏ ضرورت ‏حفظ همه طول موجها‏ ‏، ‏تعداد تكرار كننده ها افزايش مي يابد كه اين مس‏أ‏له از لحاظ قيمت و پياده سازي مشكل ساز است.‏
‏شكل‏(1-2)‏ ساختار لينك نوري با تكرار كننده نوري
‏با اختراع تقويت كننده هاي نوري، استفاده از تكرار كننده ها به دليل وجود مشكلات فراوان در طراحي، پياده سازي و عملكرد منسوخ شد‏ ‏. امروزه انواع اين تقويت كننده ها در لينك هاي نوري به كار مي روند. انواع تقويت كننده هاي نوري عبارتند از : تقويت كننده هاي نوري نيمه هادي‏،‏ فيبري آلاييده، رامن‏ و ‏بريلوين
‏1-2‏ ‏اساس ‏عملكرد‏ تقو‏يت‏ کننده رامن ‏
‏تقويت کننده رامن از خواص ذاتي فيبر سيليکا براي تقويت استفاده مي‏ ‏نمايد. بنابراين مي ‏توان از فيبر انتقال بعنوان محيط تقويت کننده استفاده کرد و طي انتقال ، ايجاد بهره نمود. اساس تقويت رامن مبتني بر پديده پراش رامن تحريک شده Stimulated Raman Scattering : SRS
‏ است و اين هنگا ‏مي اتفاق مي ‏افتد که از يک پمپ قوي در فيبر استفاده شود .
‏پراش رامن برانگيخته ‏فرآيند غيرخطي مهمي است که مي‏ ‏تواند فيبرهاي نوري را به ليزرهاي رامن قابل تنظيم و تقويت کننده هاي رامن پهن باند تبديل کند. همچنين مي تواند قابليت عملکرد سيستمهاي مخابراتي نوري چند کاناله را با انتقال انرژي از يک کانال به کانالهاي مجاور به شدت محدود نمايد .‏
‏در بسياري از محيطهاي غير خطي، پراش رامن بخش کوچکي از توان تابشي (حدود‏) يک پرتو نوري را به ميزاني که مدهاي ارتعاشي محيط تعيين مي کند به پرتو نوري ديگر با فرکانس خاصي تبديل مي کند. اين فرآيند اثر رامن ناميده مي ‏شود و در مکانيک کوانتومي به صورت پراش يک فوتون برخوردي با يک مولکول روي يک فوتون کم فرکانس ‏تر تعريف مي ‏شود که در عين حال به مولکول بين دو حالت ارتعاشي ‏، گذار دست مي دهد.
‏اصولا” اثر رامن مربوط مي شود به تغيير فركانس نور پخش شده از م‏و‏لكولها , هرگاه فركانس نور تابشي برابر ‏ باشد و فركانس نور پخش شده ‏ باشد , تغيير فركانس ‏ خواهد شد كه ‏ ممكن است مثبت و يا منفي باشد به تغيير فركانس رامن مشهور است و نام اين اثر را از دانشمند هندي بنام c.v.Raman‏ كه اين اثر را در سال 1928 بطور تجربي پيدا نمود گرفته اند وي‏ ‏ ‏در همان سال مشغول مطالعه وسيعي راجع به نور پخش شده توسط م‏و‏لكولهاي مختلف بود در حين كار متوجه اين اثر شد اگرچه در سال 1923 ,‏ A.Smekal‏ متوجه اين اثر شده بود و حتي همزمان با ر‏ ‏امن , Mondelstam Landsberg‏ ‏اين اثر را در بلور كوارتز مشاهده كرده بود ولي چون كارهاي رامن ‏جامع ‏و كامل بود لذا اين اثر را بنام وي كردند ‏.
Raman‏ ‏متوجه شد هرگاه به جسم شفافي نور تك رنگي با فركانس ‏ بتابانيم و اين جسم در اين ناحيه هيچگونه جذبي نداشته باشد درصد متنابهي از نور بدون تغيير فركانس از نمونه عبور مي كند و مقدار بسيار اندكي از آن به اطراف پخش مي شود . وقتي نور پخش شده توسط اسپكترومتر آناليز شد يك نوار با همان فركانس ‏ ديده مي شود , به اين نوار , نوار رايلي گويند و سالها قبل از رامن كشف شده بود و شدت آن متناسب با توان چهارم فركانس نور تابشي است لذا نور آبي كه داراي فركانس بيشتري است با شدت زيادتري از ساير رنگها پخش مي شود‏.[1]
‏ رامن در كنار اين نوار نوارهاي ديگري بر روي اسپكترومتر مشاهده كرد كه فركانس آنها با نور تابشي يكسان نيست و بطور منظم در دو طرف خط ر‏ا‏يلي قرار دارند رامن در آن سالها اين تغيير فركانس را چنين توضيح داد‏ :
‏ هرگاه نوري با فركانس ‏ كه‏ انرژی‏ آن ‏ است با م‏و‏لكول بطور الاستيك برخورد كند و بدون تغيير فركانس به اطراف پخش شود , نور پخش شده همان پخش نور رايلي مي‏ ‏باشد و اگر برخورد از نوع غير الاستيك باشد يعني فوتون بعد از برخورد مقداري انرژي خود را به ملكول بدهد تا ملكول به سطح انرژي بالاتري برود در اين حالت فركانس نور پخش شده مقدار كمتري خواهد بود و يا اگر فوتون به ملكولي برخورد كند كه هنوز در سطح انرژي بالاتري است و اين برخورد باعث شود ملكولي به سطح انرژي پايين‏ ‏تر بيايد در اين حالت نور پخش شده توسط م‏و‏لكول داراي فركانس بيشتري از نور تابشي مي‏ ‏باشد ولي چون عده ملكولهايي كه در سطح انرژي بالايي هستند نسبت به م‏و‏لكولهايي كه داراي سطح انرژي پايين‏ ‏تري‏ قرار دارند كمتر مي‏ ‏باشد لذا شدت نوار پخش شده كه داراي فركانس بيشتري از نور تابشي است ضعيف تر از شدت نور پخش شده كه داراي فركانس كمتري از نور تابشي است مي باشد. اين تغيير فركانس بخاطر تغيير انرژي است كه‏ ‏در سطوح چرخشي‏ ‏ و‏ ‏ ارتعاشي صورت مي‏ ‏گيرد كه‏ ‏به ترتيب به خطوط استوكس (Stokes‏ ) و آنتي استوكس (Anti Stokes‏) معروف هستند
‏ در سال ١٩٦٢ براي امواج پمپي خيلي شديد مشاهده شد که موج استوکس به سرعت در داخل محيطي که عمدة انرژي پمپ در آن ديده مي شود، رشد مي کند ، از آن موقع SRS‏ به وسعت مورد مطالعه قرار گرفت.
‏1-3 ‏تجزيه و تحليل ‏تقويت کننده هاي نوري رامن
‏تجزيه و تحليل ‏تقويت کننده هاي نوري رامن‏ بر مبناي يک سري معادلات کوپل پايدار که انتشار رامن‏ ‏، اثرات حرارتي مربوطه، پراش رالي با بازتاب هاي چندگانه،1 Amplified spontaneous emission‏ :ASE
ASE ‏ ،‏ پراش رامن تحريک2‏ Stimulated raman scattering : SRS
‏ شده ‏ استوک هاي مرتبه بالا و برهمکنش ‏خودبخودِي ‏بين تعداد نامحدود پمپ ها و سيگنال ها در آنها لحاظ شده است‏ ‏، انجام مي‏ ‏گيرد. اما ‏هم‏ي‏شه دو فاکتور مهم وجود دارد که موجب پ‏ي‏چ‏ي‏دگي ب‏ي‏شتر در طراحي تقو‏ي‏ت‏ ‏کننده رامن مي‏ ‏شو‏د:
‏ نخستFRA‏ ‏هاي پمپ شده با طول موج چندگانه است . بلندتر‏ي‏ن طول موج ها بهره بالا بدست مي دهند ودر حال‏ي‏که کوتاه تر‏ي‏ن طول موج ها از تضع‏ي‏ف چشمگ‏ي‏ر ناشي از انتقال انرژي به طول موجها ي بلند تر‏-‏ ‏از طر‏ي‏ق پراش رامن ‏- ‏رنج مي بر‏ن‏د . در نت‏ي‏جه بهره و تخت بودن آن به شدت تحت ت‏أ‏ث‏ي‏ر ا‏ي‏ن نوع انتقال انرژي قرار مي گ‏ي‏رد و محاسبات را پ‏ي‏چ‏ي‏ده تر مي کند .
‏ثان‏ي‏ا” در FRA‏ هائي که به سمت عقب پمپ مي شوند ‏،‏ توان پمپ در انتهاي ف‏ي‏بر تزر‏ي‏ق مي شود بنابرا‏ي‏ن جهت پ‏ي‏شروي توان پمپ در امتداد ف‏ي‏بر به سمت عقب است حال آنکه جهت س‏ي‏گنال به سمت جلو است ا‏ي‏ن مس‏ئل‏ه ف‏ي‏ز‏ي‏کي ب‏ي‏ان کننده ‏ي‏ک سري معادلات د‏ي‏فرانس‏ي‏لي با شرا‏ي‏ط مرزي در مدل ر‏ي‏اضي مربوطه است که حل آنها از حل معادلات د‏ي‏فرانس‏ي‏لي با شرا‏ي‏ط اول‏ي‏ه ب‏ه ‏مراتب پ‏ي‏چ‏ي‏ده تر است .‏ براي سيستم هاي DRA Distributed raman amplifier‏
WDM‏ از روش تکرار، جهت حل اينگونه مسايل استفاده مي شود. بنابراين در طراحي تقويت کننده رامن پهن باند با پمپ هاي چندگانه براي رسيدن به نتايج مناسب، انتگرال گيري مستقيم از معادلات ديفرانسيل جفتي مدت زيادي طول مي کشد.
‏1-‏4‏ ‏ ‏معادلات حاکم بر رفتار تقويت کننده رامن
‏آناليز انتشار سيگنال دو طرفه تقويت کننده توزيع شده رامن در سيستمهاي WDM‏ با پمپ و سيگنال دو طرفه ، ضروري است. نويز در اين سيستم شامل تقويت خودبخودي الکترونها ،نويز حرارتي ،پراش پس رو رايلي ، بر همکنش پمپ با پمپ سيگنال با سيگنال و پمپ با سيگنال مي باشد. همانطور که گفته شد در تقويت کننده هاي رامن پديده غير‏ ‏خطيSRS‏ مي تواند منجر به مبادله انرژي ميان موجهاي انتشار پس رو و پيش رو شود .
‏حالت کلي طبق عملکرد کلاسيک پراش رامن تحريک شده (SRS‏) معادلات زير حاصل مي شود :
‏ ‏
‏(‏1‏-‏1‏)‏ ‏ ‏ ‏
‏که در اينجا ‏و‏ توان موجهاي انتشار پس رو و پيش رو با پهناي باند بسيار بزرگ در فرکانس ‏ مي باشد ، ‏ ضريب تضعيف ، ‏ ضريب پراش پس رو رايلي ، ‏ ثابت پلانک ، ‏ ثابت بولتزمن ، ‏ درجه حرارت ،‏ ناحيه مؤثر فيبر نوري در فرکانس ‏ ، ‏ پارامتر بهره رامن در فرکانس ‏ ، فاکتور ‏ مقداري براي پلاريزاسيون (قطبيت تصادفي) است که مقدار آن در فاصله 1و2 تغيير مي کند. نسبت ‏ تلفات نوساني را شرح مي دهد ‏ ‏و ‏ ‏قسمت ‏1m=‏ ‏تا ‏1m=i-‏ سبب تقويت و قسمت ‏1m=i+‏ ‏تا n‏ سبب تضعيف کانال در فرکانس ‏ مي باشد. ‏ و‏ فواصل نويز فرضي است ‏(‏= ‏)