در سال های اخیر سامانه های مخابرات فیبر نوری نقش بسیار چشم گیر و مهمی در شبکه های مخابراتی به عهده دارند. به طور پیوسته تحقیقات گسترده ای در زمینه بهبود عملکرد آن ها صورت می گیرد و همواره، روش ها و فن آوری هایی جدیدی معرفی می شوند. یکی از این فن آوری های جدید و مهم، ابداع فیبرهای کریستال فوتونی (pcf) است. این نوع فیبرها دارای ویژگی های منحصربه فردی از قبیل عملکرد تک مود وسیع، پاشیدگی رنگی انعطاف پذیر در محدوده طول موج گسترده، خاصیت غیرخطی قابل کنترل و اثر دوشکستی بالا است. برای سامانه های انتقال اطلاعات نوری، وجود فیبرهای کریستال فوتونی پاشیدگی تخت، در محدوده ی وسیع طول موج ضروری است. در فیبرهای کریستال فوتونی مرسوم با قطرحفره های هوای یکسان درناحیه غلاف، می توان شیب پاشیدگی را با کاهش نسبت بین اندازه حفره ها d و ثابت شبکه ?، کم کرد اما این امر باعث بالارفتن تلفات تحدید می شود. فیبرهای کریستال فوتونی را می توان به دو گروه اصلی فیبرهای هدایت نمایه و فیبرهای شکاف باند فوتونی تقسیم کرد. در این پایان نامه به منظور کاهش همزمان پاشیدگی و تلفات تحدید، چهار فیبر کریستال فوتونی هدایت نمایه پیشنهاد شده است. ساختار شبکه فیبرهای کریستال فوتونی پیشنهادی اول و دوم، مثلثی است. طراحی اول با 6 حلقه حفره هوا در طول موج 1.55µm پاشیدگی -0.000467ps/nm.km از خود نشان می دهد. طراحی دوم با 7 حلقه حفره هوا برای محدوده ی وسیع تری از طول موج ها (1.1-1.7 µm) مناسب بوده و پاشیدگی آن بین 2.3-2.35 ps/nm.kmاست. فیبر پیشنهادی سوم، ساختار شبکه مربعی و 5 حلقه حفره هوا دارد و منحنی پاشیدگی آن در محدوده ی وسیعی از طول موج ها بین -1 و2.6 ps/nm.km نوسان می کند. چهارمین فیبر کریستال فوتونی دارای ساختار هشت ضلعی با ناحیه مغزی ناخالص شده است. فیبرهای کریستال فوتونی هشت ضلعی به علت داشتن حفره های هوای بیشتر در ناحیه غلاف نسبت به فیبرهای کریستال فوتونی شش ضلعی مشابه، تلفات تحدید کمتری از خود نشان می دهند. در تمام طراحی ها، تلفات تحدید از مرتبه db/km6-10 یا 7-10 است. در فرآیند ساخت عملی فیبرهای کریستال فوتونی، نوسان حفره های هوا به خصوص در حلقه های درونی تر اجتناب ناپذیر است. از این رو در طراحی فیبرهای کریستال فوتونی، بررسی حساسیت منحنی های پاشیدگی و تلفات تحدید نسبت به خطای ساخت پارامترهای ساختاری فیبر، اهمیت ویژه دارد. برای طراحی های دوم و سوم خطای فرایند ساخت بررسی شده است. در مجموع، بهترین نتیجه به دست آمده مربوط به فیبر کریستال فوتونی با ساختار هشت ضلعی است. در این طرح، پاشیدگی در محدوده طول موج 1.25-1.65µm تغییراتی بین 0±0.1 ps/nm.km دارد و تلفات تحدید آن برای طول موج های کوچک تر از 1.65µm، کمتر از 7×10-7 db/km است. این طرح، با وجود پاشیدگی صفر فوق تخت و تلفات تحدید پایین در محدوده ی طول موج وسیع، محیطی ایده آل برای انتقال پهن باند در مخابرات است.

توسعه صنعت و فن آوری منجر به کاهش ابعاد قطعات شده و حساسیت و دقت بیشتر در سامانه های اندازه گیری را به همراه آورده است. نانومترولوژی یک ضرورت برای همه شاخه های نانوفن آوری به شمار می رود. در واقع روش های اندازه گیری برای مواد معمولی در بسیاری از موارد نمی تواند به سادگی در نانوساختارها استفاده شود و استفاده از سیستم های اندازه گیری جابه جایی با دقت بالا الزامی است. یکی از انواع سیستم های نانومترولوژی رایج که در صنعت برای اندازه گیری جابه جایی استفاده می شود، تداخل سنج لیزری است. تداخل سنج لیزری انواع مختلفی دارد که در این بین، تداخل سنج مایکلسون بیش از بقیه کاربرد دارد و به دو نوع عمده هموداین و هتروداین تقسیم می شود. نوع هتروداین به دو دسته دو مود و سه مود تقسیم بندی می شود که دقیق تر از هموداین است. با کاهش محدوده اندازه گیری، منابع خطای ناشی از محیط، قطعات نوری و غیره اهمیت می یابد. در این پایان نامه، تداخل سنج مایکلسون هتروداین دو مود و سه مود و منابع خطا در آن ها مرور می شود و خطای غیرخطی تناوبی با استفاده از مدل فرکانس-مسیر در تداخل سنج مسیر تفاضلی بررسی می شود و بزرگترین خطای غیرخطی، که ناشی از ترکیب فرکانسی است، با جزئیات بیشتر بررسی شده و خطا در تداخل سنج مایکلسون هتروداین دو مود و سه مود با انواع الگوریتم فیلتر تطبیقی (الگوریتم های کمترین میانگین مربعات، کمترین میانگین مربعات بهنجار شده، تصویر افاین و کمترین مربعات بازگشتی) مدل سازی و جبران سازی می شود و این الگوریتم های مدل سازی و جبران سازی خطا مورد ارزیابی قرار می گیرد. از میان الگوریتم های استفاده شده، الگوریتم کمترین مربعات بازگشتی دارای عملکرد بهتری در مراحل آموزش و آزمایش است و در انواع شبیه سازی های انجام شده (مدل سازی و جبران سازی)، مقدار میانگین مربع خطای کل آن کمتر از بقیه الگوریتم ها است. میانگین مربع خطای کل الگوریتم کمترین مربعات بازگشتی برای شبیه سازی تداخل سنج مایکلسون هتروداین در بخش مدل سازی دو مود 322/110- و در بخش جبران سازی دو مود 975/158- و در بخش مدل سازی سه مود 3450/127- است.

در سال های اخیر سامانه های مخابرات فیبر نوری نقش بسیار چشم گیر و مهمی در شبکه های مخابراتی به عهده دارند. به طور پیوسته تحقیقات گسترده ای در زمینه بهبود عملکرد آن ها صورت می گیرد و همواره، روش ها و فن آوری هایی جدیدی معرفی می شوند. یکی از این فن آوری های جدید و مهم، ابداع فیبرهای کریستال فوتونی (pcf) است. این نوع فیبرها دارای ویژگی های منحصربه فردی از قبیل عملکرد تک مود وسیع، پاشیدگی رنگی انعطاف پذیر در محدوده طول موج گسترده، خاصیت غیرخطی قابل کنترل و اثر دوشکستی بالا است. برای سامانه های انتقال اطلاعات نوری، وجود فیبرهای کریستال فوتونی پاشیدگی تخت، در محدوده ی وسیع طول موج ضروری است. در فیبرهای کریستال فوتونی مرسوم با قطرحفره های هوای یکسان درناحیه غلاف، می توان شیب پاشیدگی را با کاهش نسبت بین اندازه حفره ها d و ثابت شبکه ?، کم کرد اما این امر باعث بالارفتن تلفات تحدید می شود. فیبرهای کریستال فوتونی را می توان به دو گروه اصلی فیبرهای هدایت نمایه و فیبرهای شکاف باند فوتونی تقسیم کرد. در این پایان نامه به منظور کاهش همزمان پاشیدگی و تلفات تحدید، چهار فیبر کریستال فوتونی هدایت نمایه پیشنهاد شده است. ساختار شبکه فیبرهای کریستال فوتونی پیشنهادی اول و دوم، مثلثی است. طراحی اول با 6 حلقه حفره هوا در طول موج 1.55µm پاشیدگی -0.000467ps/nm.km از خود نشان می دهد. طراحی دوم با 7 حلقه حفره هوا برای محدوده ی وسیع تری از طول موج ها (1.1-1.7 µm) مناسب بوده و پاشیدگی آن بین 2.3-2.35 ps/nm.kmاست. فیبر پیشنهادی سوم، ساختار شبکه مربعی و 5 حلقه حفره هوا دارد و منحنی پاشیدگی آن در محدوده ی وسیعی از طول موج ها بین -1 و2.6 ps/nm.km نوسان می کند. چهارمین فیبر کریستال فوتونی دارای ساختار هشت ضلعی با ناحیه مغزی ناخالص شده است. فیبرهای کریستال فوتونی هشت ضلعی به علت داشتن حفره های هوای بیشتر در ناحیه غلاف نسبت به فیبرهای کریستال فوتونی شش ضلعی مشابه، تلفات تحدید کمتری از خود نشان می دهند. در تمام طراحی ها، تلفات تحدید از مرتبه db/km6-10 یا 7-10 است. در فرآیند ساخت عملی فیبرهای کریستال فوتونی، نوسان حفره های هوا به خصوص در حلقه های درونی تر اجتناب ناپذیر است. از این رو در طراحی فیبرهای کریستال فوتونی، بررسی حساسیت منحنی های پاشیدگی و تلفات تحدید نسبت به خطای ساخت پارامترهای ساختاری فیبر، اهمیت ویژه دارد. برای طراحی های دوم و سوم خطای فرایند ساخت بررسی شده است. در مجموع، بهترین نتیجه به دست آمده مربوط به فیبر کریستال فوتونی با ساختار هشت ضلعی است. در این طرح، پاشیدگی در محدوده طول موج 1.25-1.65µm تغییراتی بین 0±0.1 ps/nm.km دارد و تلفات تحدید آن برای طول موج های کوچک تر از 1.65µm، کمتر از 7×10-7 db/km است. این طرح، با وجود پاشیدگی صفر فوق تخت و تلفات تحدید پایین در محدوده ی طول موج وسیع، محیطی ایده آل برای انتقال پهن باند در مخابرات است.

توسعه صنعت و فن آوری منجر به بهبود حساسیت و دقت بیشتر در سامانه های ردیاب می شود. درخواست برای بهبود دقت در اندازه گیری موقعیت به سرعت در حال افزایش است. با پیشرفت فن آوری نیم رسانا و دقت در ساخت قطعات نیم رسانا به خصوص آشکارسازهای تعیین موقعیت، اثرات غیرخطی کاهش یافته است. در سامانه های ردیاب، استفاده از یک سامانه آشکارساز تعیین موقعیت به همراه مدار الکترونیکی و پردازشگرها موجب کاهش خطای اندازه گیری می شوند. آشکارسازهای تعیین موقعیت در کنترل حرکت بازوهای رباتیک، بینایی ماشین، ردیاب ها و ... کاربرد دارند. استفاده از آشکارساز تعیین موقعیت در ردیاب ها، یک روش برای اندازه گیری جابه جایی با دقت بالا است. انواع مختلف آشکارسازها مانند اثرجانبی و چهارربعی برای این کار استفاده می شوند. دسته بندی خطا به دو بخش اصلی، خطی و غیر خطی بر اساس تاثیر و رابطه آن در سیگنال خروجی است. پایداری منبع لیزر، نوسان و تغییر دما و تلاطم هوا، منابع اصلی خطای خطی در آشکارسازهای نوری هستند. بخشی از سامانه آشکارساز نوری تعیین موقعیت، افزاره های الکترونیکی است که آن ها نیز خود به سامانه نویز اضافه می کنند. با ارایه سامانه الکترونیکی مناسب، خطا در آشکارساز نوری تعیین موقعیت و افزاره هایی که از این قطعه استفاده شده به طور قابل توجهی کاهش می یابد. در این پایان نامه، در فصل اول به تاریخچه و اصول کلی آشکارسازهای تعیین موقعیت می پردازیم. در فصل دوم نویز و اثرات غیرخطی در آشکارسازهای نوری اثر جانبی بیان می شود. کاربردهای آشکارسازهای نوری اثرجانبی در فصل سوم بررسی می شود. در فصل چهارم بخش الکترونیکی آشکارساز اثرجانبی طراحی و شبیه سازی می شود. درادامه همین فصل به شبیه سازی و کاهش اثرات غیرخطی آشکارساز با نرم افزار matlab می پردازیم.

توسعه صنعت و فن آوری منجر به بهبود حساسیت و دقت بیشتر در سامانه های ردیاب می شود. درخواست برای بهبود دقت در اندازه گیری موقعیت به سرعت در حال افزایش است. با پیشرفت فن آوری نیم رسانا و دقت در ساخت قطعات نیم رسانا به خصوص آشکارسازهای تعیین موقعیت، اثرات غیرخطی کاهش یافته است. در سامانه های ردیاب، استفاده از یک سامانه آشکارساز تعیین موقعیت به همراه مدار الکترونیکی و پردازشگرها موجب کاهش خطای اندازه گیری می شوند. آشکارسازهای تعیین موقعیت در کنترل حرکت بازوهای رباتیک، بینایی ماشین، ردیاب ها و ... کاربرد دارند. استفاده از آشکارساز تعیین موقعیت در ردیاب ها، یک روش برای اندازه گیری جابه جایی با دقت بالا است. انواع مختلف آشکارسازها مانند اثرجانبی و چهارربعی برای این کار استفاده می شوند. دسته بندی خطا به دو بخش اصلی، خطی و غیر خطی بر اساس تاثیر و رابطه آن در سیگنال خروجی است. پایداری منبع لیزر، نوسان و تغییر دما و تلاطم هوا، منابع اصلی خطای خطی در آشکارسازهای نوری هستند. بخشی از سامانه آشکارساز نوری تعیین موقعیت، افزاره های الکترونیکی است که آن ها نیز خود به سامانه نویز اضافه می کنند. با ارایه سامانه الکترونیکی مناسب، خطا در آشکارساز نوری تعیین موقعیت و افزاره هایی که از این قطعه استفاده شده به طور قابل توجهی کاهش می یابد. در این پایان نامه، در فصل اول به تاریخچه و اصول کلی آشکارسازهای تعیین موقعیت می پردازیم. در فصل دوم نویز و اثرات غیرخطی در آشکارسازهای نوری اثر جانبی بیان می شود. کاربردهای آشکارسازهای نوری اثرجانبی در فصل سوم بررسی می شود. در فصل چهارم بخش الکترونیکی آشکارساز اثرجانبی طراحی و شبیه سازی می شود. درادامه همین فصل به شبیه سازی و کاهش اثرات غیرخطی آشکارساز با نرم افزار matlab می پردازیم.

از آنجایی که اهداف پیشرفت فناوری نانو، ساخت ابزارهایی در مقیاس اتمی است، پس ساخت این ابعاد نیازمند استفاده از ابزارهایی است که قابلیت کنترل و ساخت در محدوده ی این ابعاد را دارا باشند. یک روش برای دسترسی به اندازه گیری های در حد نانومتر بر پایه استفاده از تداخل سنج های سوپرهتروداین است. خطای غیرخطی از جمله مواردی است که دقت را در این سیستم محدود می کند. در این پایان-نامه از روش شبکه عصبی برای کاهش خطا در تداخل سنج سوپرهتروداین استفاده کرده ایم. نتایج نشان می دهد که با محاسبات ساده در روش شبکه عصبی به میانگین مربع خطای 10-10 در این نوع تداخل-سنج رسیده ایم. هم چنین از مدل فرکانس ـ مسیر برای تحلیل خطای ناشی از شکافنده ـ قطبنده پرتو در چهار سیستم تداخل سنج هتروداین معمولی و توسعه یافته، تداخل سنج سوپرهتروداین معمولی و توسعه یافته استفاده کرده ایم. با تحلیل توسط این مدل نشان داده ایم که تعداد عبارات خطا در خروجی تداخل سنج های هتروداین برابر با 10 اما در تداخل سنج های سوپر هتروداین برابر با 21 عبارت است. این عبارات شامل توان نوری، تداخل ac، تداخل dc و مرجع ac است که با رسم طیف فرکانسی جریان خروجی آشکارساز هر کدام را نمایش داده ایم. با توجه به سیگنال های اندازه گیری و مبنایی که از بخش نوری تداخل سنج سوپرهتروداین دریافت می شود، نیاز به مداراتی برای بازسازی و آشکارسازی فاز متناظر با جابه جایی هدف، است. مدارات مورد نیاز بخش الکترونیک این تداخل سنج را در این پایان-نامه با فناوری cmos طراحی و شبیه سازی کرده ایم. این مدارات شامل تقویت کننده کم نویز کاسکود با بهره 19.1db و عدد نویز 2.5db در فرکانس 500mhz، فیلتر میان گذر با فرکانس مرکزی 500mhz و پهنای باند 400khz، مخلوط کننده متعادل دوگانه با نسبت برای ماسفت ها، مدارات بالون و نوسان ساز، فیلتر پایین گذر با فرکانس قطع 300khz است. نتایج عملی این بخش عبارت است از تقویت کننده با بهره 19.41db و عددنویز 2.7db و مخلوط کننده با محدوده rf/lo بین 80-2500mhz، محدوده if بین dc-1000mhz و قابلیت تفکیک پذیری یک نانو ثانیه برای بخش دیجیتال. نتایج نشان می دهند با استفاده از انتخاب مناسب قطعات جهت شبیه سازی و ساخت بخش الکترونیک، بخشی با کمترین نویز طراحی شده است که این امر خطای غیرخطی بخش الکترونیک را کاهش می دهد.

طی چندین دهه گذشته الکترونیک در حوزه نور از اهمیت و?ژه ای برای محققان برخوردار بوده است. کریستال های فوتونی یکی از بسترهای مناسب برای استفاده در الکترونیک نوری هستند. یکی از مهمترین مزایای کریستال های فوتونی، وجود باند ممنوعه در آنها است. با استفاده از این خاصیت ذاتی می توان به کاربردهایی چون فیلترهای نوری، کلیدهای نوری و دیگر قطعات همانند، دسترسی پیدا کرد. یکی از موارد کاربرد کریستال فوتونی، حسگرهای کریستال فوتونی است. در این پایان نامه مراحل طراحی و شبیه سازی حسگر فشار با استفاده از ساختارهای کریستال فوتونی انجام و نتایج حاصله بیان شده است. در ابتدا خواص اساسی کریستال های فوتونی مورد مطالعه قرار گرفته، سپس به مطالعه انواع کریستا ل های فوتونی پرداخته شده و برای یک ساختار متناوب تک بعدی، روش محاسبه باندهای هدایت و ممنوع بررسی شده و به عبارتی شکاف باند فوتونی این ساختار محاسبه شده است. در ادامه ساختارهای متناوب دو بعدی بررسی شده و انواع آنها شامل ساختارهای مربعی و شش ضلعی بررسی و شکاف باند آنها محاسبه شده است. روش های ساخت کریستال فوتونی بیان شده و کریستال های دارای نقص معرفی و ویژگیهای بهبود یافته آنها در اثر ایجاد نقص بیان می شود. آنگاه با توجه به کاربردهای وسیع کریستال های فوتونی دارای نقص، چند نمونه از کاربردهای متداول این کریستال ها شامل موج برهای کریستال فوتونی به عنوان ساختار پایه ای در مدارهای مجتمع نوری و انواع آنها و همچنین کاواک های تشدیدگر کریستال فوتونی مورد مطالعه قرار می گیرد. در ادامه به بررسی قابلیت ساختارهای کریستال فوتونی برای آشکارسازی و اندازه-گیری کمیت های فیزیکی مانند جابه جایی و فشار پرداخته شده و چندین نمونه از طرح های موجود جهت استفاده به عنوان حسگر و تحلیل عملکرد آنها مورد مطالعه قرار گرفته است. در پایان نیز از ساختارهای دوبعدی و متناوب به وجود آمده از کریستال های فوتونی به منظور اندازه-گیری مقادیر مختلف فشار استفاده شده و برای بهبود عملکرد بهینه حسگر فشار از ساختارهای موج بر تزویج شده با کاواک تشدید استفاده و با استفاده از روش (finite diffrence time domain) fdtd نحوه تزویج موج نوری بین موج بر و کاواک مطالعه شده است. طول موج تشدید میکروکاویتی به ضریب شکست مواد تشکیل دهنده کریستال وابسته بوده و بر اساس شبیه سازی های انجام شده، برای حسگر طراحی شده، طول موج تشدید میکروکاویتی بر اثر فشار بین gpa 1/0 تا gpa 10 دارای عملکرد خطی است. همچنین حساسیت این حسگر nm/gpa8 و کمینه نیروی قابل اندازه گیری µn 0209/0 به دست آمده است. برای حسگر دیگر نیز تغییرات طول موج تشدید میکروکاویتی بر اثر فشار بین gpa 1/0 تا gpa 2 بررسی شده و حساسیت این حسگر nm/gpa7/11 و کمینه نیروی قابل اندازه گیری nn13 به-دست آمده است.

به دلیل رخ دادن سازوکار یونیزاسیون برخوردی در آشکارساز نوری بهمنی، این افزاره دارای بهره جریان است. وجود بهره باعث می شود تا آشکارسازی و تقویت جریان همراه با یکدیگر انجام شود و بنابراین نیازی به مدارهای اضافی مربوط به تقویت کنندگی نباشد. یونیزاسیون برخوردی سازوکاری مهم در آشکارساز نوری بهمنی است. در نتیجه، برای تحلیل رفتار آشکارساز نوری بهمنی باید روشی مناسب انتخاب کنیم تا بتوان چنین پدیده ای را شبیه سازی کرد. با توجه به گستردگی سازوکار یونیزاسیون برخوردی در طول ناحیه تکثیر، از یک مدل گسترده استفاده کرده ایم. در واقع یک مدل توزیع شده را ارائه داده ایم که ارتباط بخش های مختلف ناحیه تکثیر را برقرار کند. در این طرح از روش ماتریس انتقالی استفاده شده است؛ ایده ای است که برای اولین بار مطرح می شود. در ابتدا ساختار این آشکارساز و عملکرد آن بررسی می شود. به دلیل وابستگی نویز به جریان نوری افزاره، به شبیه سازی آشکارساز نوری بهمنی پین پرداخته می شود. بدین منظور معادلات نرخ حامل در نواحی مختلف تعیین شده و سپس این معادلات مدل سازی و شبیه سازی شده اند. در ادامه، شبیه سازی نویز ضربه ای و جریان تاریک این آشکارساز آورده شده است. تحلیل و مدل سازی آشکارساز نوری بهمنی به روش ماتریس انتقالی، با نرم افزار مطلب انجام و در نهایت با توجه به نتایج حاصل از شبیه سازی تطابق خوبی با داده های عملی و نتایج دیگران حاصل شده است. در حقیقت، این مدل سازی با استفاده از روش ماتریس انتقالی می تواند به صورت موثری رفتار افزاره را شبیه سازی کند و با ارائه تصویری میکروسکوپی از حرکت حامل ها، امکان بررسی مشخصات خروجی آشکارساز با تغییر ابعاد و پارامترهای آن را میسر سازد.

چکیده نانومترولوژی یک ضرورت برای همه شاخه های نانوفن آوری به شمار می آید. در واقع روش های اندازه گیری معمولی در بسیاری از موارد نمی تواند به سادگی در نانوساختارها استفاده شود. استفاده از سا مانه های اندازه گیری جابه جایی با دقت بالا الزامی است. برای افزایش دقت اندازه گیری، سامانه تداخل سنج سه مود جانشین سامانه های دو مود شد. از طرفی سامانه های سه مود به دلیل داشتن فرکانس تداخلی ثانویه، محدودیت سرعت اندازه گیری جابه جایی را دارد. برای غلبه براین مشکل، تداخل سنج سه مود بهبود یافته را معرفی و نشان داده-ایم که این سامانه ضمن افزایش دقت اندازه گیری، سرعت اندازه گیری را نیز افزایش می دهد. در این پایان نامه، با استفاده از روش ماتریس جونز به تحلیل ساختار تداخل سنج سه مود بهبود یافته پرداخته ایم. با مدل کردن ماتریس ادوات اپتیکی و میدان ها و استفاده از جبر ماتریس ها، رابطه سیگنال های خروجی و خطای سیستم را به دست آورده ایم. روش مسیر فرکانسی را با روابط و شکل ساده تر بیان کرده ایم. با بررسی خطای غیر خطی متناوب در این سامانه، نشان دادیم که مقدار این خطا خیلی کمتر از تداخل سنج سه مود معمولی می باشد. در شرایطی تقریبا یکسان، مقدار این خطا از10 نانومتردر تداخل سنج سه مود به6/. نانومترکاهش یافته و موجب افزایش دقت اندازه گیری شده است. همچنین در این پروژه، با حذف مسیر سیگنال مرجع، آن را از سیگنال های موجود سامانه بازسازی کرده ایم. این عمل باعث سادگی ساختار و کاهش قیمت سامانه می شود. کلمه های کلیدی: نانومترولوژی، تداخل سنج لیزری هتروداین، مدل ماتریس جونز، اثرات غیر خطی، جبران سازی

یکی از راه های تبدیل هیدروژن به رایج ترین انواع انرژی های مورد نیاز مانند الکتریسیته و گرما، استفاده از پیل سوختی است. از انواع مختلف پیل ها به منظور تولید برق در نیروگاه ها، وسایل قابل حمل، خودروها، سفینه های فضایی، زیردریایی ها و غیره استفاده می شود. پیل سوختی با غشای پروتونی به طور گسترده تری به عنوان منبع انرژی استفاده می شود و این به دلیل ویژگی هایی چون عملکرد در دمای پایین و راه اندازی سریع و این که تنها ضایعه و فراورده فرعی آن آب است. عملکرد این سامانه بستگی مستقیم به میزان آب موجود در غشای آن دارد. رطوبت بالا باعث افزایش بازده پیل سوختی می شود اما چنانچه میزان رطوبت بیش از حد شود مشکلاتی از جمله باد کردن، فشار مکانیکی و خرابی غشای پیل سوختی پدیدار می شوند. از آن جایی که میزان آب و ضریب شکست غشا، در هر نقطه باهم متناسب هستند پس با تخمین زدن نمایه ضریب شکست، می توان به درستی تغییر در میزان آب غشای پیل سوختی را اندازه گیری کرد. به دلیل دقت و تنظیم نسبتا آسان سیستم نوری از تداخل سنج لیزری هتروداین برای اندازه گیری ضریب شکست پیل سوختی با غشای پروتونی استفاده می شود در حالی که دارای خطای غیرخطی است. خطای غیرخطی در سیستم تداخل سنج هتروداین باعث محدودیت دقت اندازه گیری ضریب شکست می شود، بنابراین خیلی مهم است که خطای غیر خطی مدل و تحلیل شود. در این جا مدل سازی خطای غیر خطی و جبران سازی آن با استفاده از شبکه عصبی که به دو روش الگوریتم پس انتشار خط و الگوریتم ژنتیک آموزش می بیند و روش ترکیب الگوریتم ژنتیک و الگوریتم پس انتشار خط در سیستم اندازه گیری هتروداین دو مود و سه مود پرداخته می شود. در انواع شبیه سازی های انجام شده (مدل سازی و جبران سازی)، الگوریتم ژنتیک عملکرد بهتری نسبت به الگوریتم پس انتشار خط در مدل سازی خطای غیر خطی دارد. در روش ترکیب الگوریتم ژنتیک و الگوریتم پس انتشار خط مقدار میانگین مربع خطای آن کمتر از بقیه روش ها است و مقدار آن در بخش مدل سازی دو مود 28/132- و در بخش جبران سازی دو مود 73/134- و در بخش مدل سازی سه مود 105/117- و در بخش جبران سازی سه مود 52/100- است.

بیوحسگرهای کریستال فوتونی به طور وسیع برای اندازه گیری تغییرات ضریب شکست آنالیت استفاده می شوند. معمولا در این ساختارها برای محدودکردن میدان قوی از ناحیه ای با ضریب شکست پایین مانند حفره ها استفاده می کنند که باعث حساس ساختن حسگر به تغییرات ضریب شکست حفره ها می شود. بنابراین حضور آنالیت داخل حفره ها توسط نمایش جابه جایی طیفی قابل آشکارسازی است، به خصوص اگر میکروتشدیدگر هایی با ضریب کیفیت بالا مورد استفاده قرار گیرد. در این پایان نامه طراحی و شبیه سازی بیوحسگر با پارامترهای بهینه مانند ضریب کیفیت و حساسیت با استفاده از ساختارهای کریستال فوتونی انجام و نتایج به دست آمده بیان شده است. بیوحسگرهای مبتنی بر ساختارهای کریستال فوتونی دوبعدی با شبکه ی شش گوش حفره ها در سیلیکون ارائه شده است. در این پایان نامه طراحی و شبیه سازی بیوحسگر با پارامترهای بهینه مانند ضریب کیفیت و حساسیت با استفاده از ساختارهای کریستال فوتونی انجام و نتایج به دست آمده بیان شده است. بیوحسگرهای مبتنی بر ساختارهای کریستال فوتونی دوبعدی با شبکه ی شش گوش حفره ها در سیلیکون ارائه شده است. برای بهبود عملکرد بهینه ی این بیوحسگرها از ساختار موج بر تزویج شده با تشدیدگر استفاده شده است. با استفاده از روش تحلیل تفاضل متناهی در حوزه ی زمان و بسط امواج تخت ساختارها شبیه سازی شدند. برای حسگر طراحی شده ی مبتنی بر نانوتشدیدگر که توسط تغییر شعاع حفره به دست آمده است، ضریب کیفیت بیوحسگر بالاتر از 5000 و حساسیت nm/riu 1/63 در محدوه وسیع اندازه گیری حاصل شده است. نتایج نشان می دهد که یک وابستگی شبه خطی بین جابه جایی طول موج تشدید در محدوده ی وسیع اندازه گیری وجود دارد. در رویکرد دیگری که مبتنی بر تشدیدگری که با حذف حفره حاصل شده است به ضریب کیفیت 4000 و حساسیت nm/fg63/1و حد آشکارسازی fg061/0 دست یافتیم. همچنین این ساختار برای کاربردهای اندازه گیری ضریب شکست مورد مطالعه قرار گرفت و حساسیتی در حدود nm/riu45/165به دست آمد. وابستگی دمایی نیز در این حسگر بررسی شد، و در ادامه ساختارها را برای قابلیت چندکاناله بودن بسط دادیم.

سیستم ترمز ضدقفل خودرو امروزه به یکی از تجهیزات اصلی خودروهای امروزی تبدیل شده است. ترمز ضدقفل جهت دست یافتن به بیشینه شتاب منفی از طریق جلوگیری از قفل شدن چرخ ها در حین عملیات ترمزگیری طراحی شده است، زیرا در صورت قفل شدن چرخ ها در حین عملیات ترمزگیری، فاصله توقف خودرو افزایش یافته و نیز فرمان پذیری خودرو کاهش می یابد. در سیستم های متداول ترمزهای ضدقفل از جداول آماده شده جهت محاسبه گشتاور ترمزی برای سناریوهای مختلف ترمزگیری استفاده می شود. این کنترل کننده ها توسط روش سعی و خطا در شبیه سازی و آزمایش های میدانی تنظیم می شوند. ولی به علت غیرخطی بودن دینامیک خودرو و وجود عدم قطعیت های فرآوان (عدم قطعیت در جرم خودرو- مرکزجرم خودرو- شعاع تایر- شرایط جاده و غیره) در این مسیر شیوه استفاده از جداول مناسب به نظر نمی رسد. از طرف دیگر تحقیقات نشان می دهد که اصطکاک بین جاده و تایر تابعی غیرخطی از مقدار سرخوردگی چرخ ها می باشد. بنابراین با استفاده از یک مدل دینامیکی می توان با طراحی یک سیستم کنترلی مناسب جهت کنترل مقدار سرخوردگی در مقدار بهینه آن به بیشینه شتاب منفی دست یافت. در این تحقیق طراحی کنترل کننده غیر متمرکز فازی با مدلسازی کامل سیستم ترمز ضدقفل صورت پذیرفته و از آنجا که عملکرد ترمزهای جلو و عقب به طور مجزا فرض شده است کارایی سیستم ترمز ضدقفل بالاتر رفته است. همچنین جهت ارزیابی عملکرد کنترل کننده طراحی شده نتایج شبیه سازی با آزمایش های انجام شده بر روی یک خودرو دارای سیستم ترمز ضدقفل، مورد مقایسه قرار گرفته اند. که نتایج این ارزیابی نشان دهنده عملکرد خوب کنترل کننده طراحی شده در کاهش سرعت و حفظ شتاب منفی خودرو حین ترمزگیری می باشد.

امروزه حسگرهای زیستی کریستال فوتونی گوناگونی برای شناسایی و اندازه¬گیری مولکول¬های زیستی مختلف استفاده می¬شوند. این حسگرها در بستر کریستال فوتونی شامل حفره¬های هوا در صفحه¬ای دی¬الکتریک طراحی می¬شوند. سازوکار شناسایی این حسگرها به این صورت است که با اتصال مولکول زیستی به دیواره حفره در ناحیه سنجش حسگر، ضریب شکست حفره تغییر می¬کند. این تغییر ضریب شکست باعث ایجاد تغییر در طیف انتقال خروجی خواهد شد. این تغییر طیف انتقال به دو صورت جابه¬جایی طول¬موج تشدید و یا جابه¬جایی شدت طیف انتقال در طول¬موجی خاص است. در این پایان¬نامه پنج ساختار جدید برای استفاده در حسگری زیستی طراحی و شبیه¬سازی شده¬اند. سه حسگر ابتدایی مبتنی بر سازوکار شناسایی جابه¬جایی طول¬موج تشدید هستند. در طراحی¬ها به منظور افزایش محدودیت نوری و تزویج نوری بهتر بین موجبرها و نانوحلقه تشدیدگر، دو موجبر با انتهایی بسته به عنوان موجبر ورودی و خروجی قرار داده شده است. نانوتشدیدگر در ساختار اول با حذف حفره¬های هوا و در ساختار دوم با کاهش اندازه حفره¬ها ایجاد شده است. ضریب کیفیت در این دو ساختار به ترتیب برابر با 2530 و 2800 است. حساسیت این دو حسگر نیز به ترتیب برابر با 23/8 و nm/riu 78/9 است. در ساختار سوم علاوه بر نانوحلقه تشدیدگر، موجبرها نیز با کاهش اندازه حفره¬های هوا شکل گرفته¬اند. ضریب کیفیت این ساختار 3700 است. دو حسگر انتهایی مبتنی بر سازوکار شناسایی جابه¬جایی شدت طیف انتقال هستند. در ساختار چهارم و پنجم با افزایش یک واحدی ضریب شکست در حفره سنجش شدت طیف انتقال به ترتیب 125/4 و 28/14 واحد تغییر می کنند.

آینده¬ی شبکه¬ها و سیستم¬های پرسرعت نوری به گسترش روش¬های پردازش سیگنال¬های نوری وابسته است. از میان انواع پردازنده¬های نوری، پردازنده¬های مبتنی بر فیبر نوری کم ¬هزینه و سریع هستند. تاکنون انواع مختلفی از فیبرهای نوری ریزساختار مبتنی بر سیلیکا برای استفاده در فرآیندهای پردازش نوری مطرح شده¬اند. اما به¬علت این¬که ضریب شکست خطی و غیرخطی و شفافیت سیلیکا در طول¬موج-های فروسرخ پایین است، تحقیق¬های بسیاری به¬منظور جایگزینی مواد غیرسیلیکا مثل تلورایت، ترکیب-های فلوئور و چلکوجناید برای استفاده در فیبرهای ریز ساختار انجام شده است. شیشه¬ی چلکوجناید به-علت داشتن ضریب خطی و غیرخطی بالاتر نسبت به سایر مواد و همچنین شفافیت بالا در محدوده¬ی طول¬موج¬های فروسرخ، مورد توجه بیشتر گروه¬های علمی قرار گرفته است. در کاربردهای نور غیر¬خطی مثل تولید ابرپیوستار به فیبر ریزساختار با ویژگی پاشیدگی صاف در محدوده¬ی وسیعی از طول ¬موج¬ها و ضریب غیرخطی بالا نیاز است. درصورت استفاده از فیبرهای ریز¬ساختار مبتنی بر چلکوجناید، می¬توان با تنظیم ابعاد هندسی فیبر مثل قطر (d) و فاصله¬ی بین حفره¬های پوشش (?) در طول¬موج¬های فروسرخ نزدیک و مرئی پاشیدگی صاف و صفر ایجاد کرده و ضریب غیرخطی فیبر را برای استفاده در کاربردهای نور غیرخطی افزایش داد. علاوه بر ابعاد هندسی فیبر، ضریب شکست موثر فیبر نیز در کنترل مشخصه¬ی پاشیدگی موثر است. برای تنظیم ضریب شکست موثر فیبر از ساختارهای هیبریدی استفاده می¬شود. در ساخت فیبرهای هیبریدی علاوه بر چلکوجناید از موادی مانند تلورایت در پوشش فیبر استفاده می¬شود. به¬علت انعطاف¬پذیری بالایی که در طراحی و ساخت فیبرهای ریزساختار وجود دارد، هر یک از ابعاد هندسی فیبر در کنترل مشخصه¬های نوری بویژه پاشیدگی موثر هستند. از این¬رو می¬توان از حفره¬هایی که توسط مواد پلیمری پر شده است برای کنترل مشخصه¬های نوری فیبر استفاده نمود. در این پایان¬نامه با استفاده از روش عددی چند قطبی و نرم¬افزار cudos mof چهار ساختار متفاوت با ویژگی¬های پاشیدگی متفاوت برای استفاده در کاربردهای غیرخطی و جبران پاشیدگی طراحی شده است. در طراحی اول، فیبر ریزساختار هیبریدی دایره¬ای چلکوجناید- تلورایت مطرح شده است که در طول¬موج mµ 55/1 پاشیدگی ps/nm/km 8 دارد. طراحی دوم فیبر ریزساختار مبتنی بر as2se3 با پوشش چندگانه است که در محدوده¬ی طول¬موج¬های بین µm 18 – 8/8 دارای پاشیدگی صاف با مقدار ps/nm/km 5- است. در طراحی سوم با استفاده از فیبر ریزساختار هیبریدی سیلیکا – چلکوجناید پاشیدگی منفی ps/nm/km 2450- برای جبران پاشیدگی سیستم¬های انتقال نوری ایجاد شده است. در طراحی چهارم با استفاده از پنج حلقه¬ی شش¬گوش در پوشش فیبر پاشیدگی صاف در محدوده¬ی طول¬موج¬های µm 18 – 5/3 ایجاد شده است.

یکی از پیشرفت هایی که امروزه در عرصه ی مخابرات و ارتباطات به دست آمده است، در زمینه ی سامانه های مخابرات فیبر نوری است. یکی از فناوری های جدید در این زمینه با بازده ی بالا و کاهش هزینه ها، اختراع فیبرهای کریستال فوتونی است. این نوع فیبرها دارای ویژگی های منحصر به فردی از قبیل عملکرد تک مود پهن، پاشیدگی رنگی انعطاف پذیر در طول موج گسترده، ویژگی غیرخطی قابل کنترل و اثر دو شکستی بالا است. برای سامانه های انتقال داده های نوری، وجود فیبرهای کریستال فوتونی با پاشیدگی تخت، در بازه ی پهن طول موج ضروری است. فیبرهای کریستال فوتونی به دو گروه مغزی هوا و مغزی جامد تقسیم می شوند. برای کاهش هزینه ها و بهبود عملکرد این نوع فیبرها بایستی تلفات تحدید را کاهش داد و از پاشیدگی رنگی امواج جلوگیری نمود و از اثرات غیرخطی کاست.

با توسعه صنعت نیم¬رسانا برای ساخت بسیاری از ادوات تجاری و صنعتی در ریزمقیاس¬ها و مدارهای مجتمع با ابعاد نانو نیاز به وجود سیستم¬های اندازه¬گیری جابه¬جایی دقیق وجود دارد. تداخل¬¬سنج لیزری یک سیستم رایج اندازه¬گیری در ابعاد نانومتری در فرآیندهای ساخت مدارهای مجتمع است. با کاهش محدوده اندازه¬گیری، خطای ناشی از محیط، قطعات نوری و غیره اهمیت پیدا می¬کند. در این پایان¬نامه تاریخچه و اصول کلی تداخل¬سنج¬های لیزری، انواع منابع خطا در سیستم-های اندازه¬گیری ابعاد نانومتری بررسی می¬شود. همچنین روش¬های مدل¬سازی و کاهش خطای غیرخطی متناوب در تداخل¬سنج¬های لیزری هتروداین بررسی می¬شود. در نهایت یک سیستم اندازه¬گیری بر مبنای تداخل¬سنج لیزری هتروداین سه مود با حساسیت چهار برابر نسبت به سیستم¬های رایج دو مود طراحی شده و خطای غیر¬خطی ناشی از قطبش بیضوی و نامتعامد بودن پرتوهای لیزر ورودی به روش¬های میدانی و ماتریس¬های جونز مدل¬سازی می¬شود. خطاهای ذکر شده با یک صفحه تاخیر¬دهنده ساده به میزان قابل توجهی نسبت به سیستم¬های رایج قبلی کاهش می¬یابد. در ضمن خطای آمیختگی فرکانسی ناشی از بیضی بودن و عمود نبودن پرتوهای لیزر قطبیده، عدم همراستا بودن لیزر و جدا¬کننده پرتو، عدم همراستا بودن پلارایزرقطبنده با زاویه 45 درجه و ضرایب انتقال متفاوت در جداکننده پرتو، در سیستم¬های رایج با استفاده ماتریس¬های جونز مدل¬سازی شده و کاهش یافته است. همچنین در این پایان¬نامه، از الگوریتم¬های متفاوت ساده و ترکیبی شبکه¬های عصبی برای مدل¬سازی و جبران¬سازی خطا در تداخل¬سنج¬های لیزری دو مود استفاده شده است. بخش الکترونیکی سیستم که وظیفه تقویت سیگنال خروجی و دریافت فرکانس تداخلی ثانویه است نیز به¬صورت مدار مجتمع طراحی می¬شود.