امروزه در نسل جدید شبکه های مخابراتی، سیستم های نوری جایگاه بسیار مهمی را در انتقال اطلاعات دارا هستند.خصوصاٌ که با وجود فن آوری dwdm امکان ارسال صدها کانال اطلاعاتی به صورت همزمان بر روی یک فیبر واحد نوریبا سرعت های بالا به وجود آمده است.اما پاشیدگی و شیب پاشیدگی فیبر نوری از مهمترین عوامل ایجادکننده ی محدودیت، برای داشتن سیستم هایی با ظرفیت و سرعت ارسال بالا است. در این پایان نامه تمرکز اصلی بر روی بررسی پاشیدگی فیبر نوری چند لایه و معرفی انواع فیبرهای تک مد طراحی شده جهت رسیدن به منحنی پاشیدگی تخت و مقدار پاشیدگی اندک در محدوده وسیعی از طول موج می باشد. برای دستیابی به این هدف، ابتدا پارامترهای نوری و هندسی ساختار فیبر نوری تک مود مورد نظر را تعیین می کنیم و معادلات مشخصه را بر اساس آنها استخراج می کنیم. در نهایت برای بهینه سازی منحنی پاشیدگی به دست آمده، با استفاده از الگوریتم ژنتیک میزان پاشیدگی را در طول موج انتخاب شده برای فیبرهای نوع w،m و rبه کمترین مقدار می رسانیم و همچنین شیب پاشیدگی را کم کرده تا منحنی های تخت تری به دست آید.

در این پایان نامه وابستگی دمایی طیف گسیل خودبه خود تقویت شده (ase) در لیزر با فیدبک توزیع شده با ضریب تزویج حقیقی با ناحبه انتقال فاز ?/2 (qws-dfb) به طور نظری در شرایط آستانه و بالای آستانه در ساختارهای مختلف بررسی و شبیه سازی شده است. محاسبات نشان داد که با افزایش دما ase به سمت طول موج های بلندتر جابه جا می شود که علت آن وابستگی طول موج براگ و ضریب شکست به دما می باشد. میزان این جابه جایی یک آنگسترم به ازاء هر درجه سانتیگراد است که با نتایج تجربی مطابقت دارد. در بالای آستانه مقدار ase افزایش و به سمت طول موج های کوتاه تر جابه جا می شود. همچنین وابستگی دمایی ضریب تزویج و جریان آستانه نیز به طور نظری بررسی شد که محاسبات نشان داد که جریان آستانه با افزایش دما افزایش و ضریب تزویج با افزایش دما کاهش می یابد که علت این افزایش و کاهش وابستگی شکاف انرژی و ضریب شکست به دما می باشد. تاثیر ضرایب بازتاب وجوه انتهایی کاواک لیزر روی جریان آستانه در دماهای مختلف نیز بررسی شد. محاسبات با حل عددی هم زمان معادلات موج جفت شده و معادله نرخ به کمک روش ماتریس انتقال و با استفاده از نرم افزار متلب انجام شده است.

یزرهای نیمه رسانا با فیدبک توزیع شده، dfb، به عنوان یکی از مهمترین منابع انتقال اطلاعات در سال های اخیر مورد توجه زیادی قرار گرفته اند و در حال حاضر مناسب ترین چشمه های نور در سیستم های مخابرات نوری به شمار می روند. از میان انواع لیزرهای dfb لیزر با فیدبک توزیعی و ساختار توری جفت شده جانبی، به دلیل ساده بودن ساختار و اجتناب از مراحل رشد مجدد در ساخت، هزینه پایین تولید آن و همچنین قابلیت مجتمع شدن با دیگر ادوات نوری و عملکرد تک مود خوب مورد توجه قرار گرفته است. در این پایان نامه لیزر با فیدبک توزیعی و ساختار توری جفت شده جانبی، مورد بررسی و تحلیل قرار گرفته و مدل سازی شده است. عملکرد خوب لیزر در شرایط آستانه و بالای آستانه و همچنین پایداری لیزر، در برابر پدیده چاله سوزی فضایی نسبت به دیگر ساختارها در اینجا به اثبات رسیده است. همچنین پارامترهای یکنواختی، پهنای خط، توان خروجی، تلفات مودی، طیف گسیل خودبخودی و انحراف از فرکانس براگ مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است. در اینجا به توان بیشتر از mw40 و smsr بیشتر از 50 دسی بل در شرایط بالای آستانه و همچنین به ضریب جفت شدگی بیشتر از 157 بر سانتیمتر و smsr بیشتر از 40 دسی بل در شرایط آستانه دست یافته ایم. برای مدل سازی، از روش ضریب شکست موثر تغییرات را در بعد x و y به دست آورده ایم و تغییرات بعد z را از روش ماتریس انتقال محاسبه کرده ایم که در حقیقت شبیه سازی برای سه بعد انجام گرفته است.

در این پایان نامه پس از‎ ‎پرداختن کامل به این روش و حل‎ ‎عددی و مزایا و محدودیت های آن به تحلیل و انتشار ‏امواج الکترومغناطیسی درچندین نوع موجبر دو و سه بعدی پرداخته می شود. نمونه ای از استفاده ی روشfft-‎bpm ‎‏ و ‏fd-bpm‏ در شبیه سازی ساختارهای نوری بررسی انتشار پالس گوسی در یک خم ‏s ‎، در یک ترکیب ‏کننده ی ‏y‏ و موجبر ‏rib‏ مورد توجه قرار گرفته است. به منظور تایید انتشار پالس در فضای آزاد، انتشار پالس گوسی ‏را بررسی کرده و نتایج را با روش طیف زاویه ای مقایسه می کنیم. سپس با تغییر اختلاف فاز بین تحریک موجبر ها و ‏هم چنین با تغییر فاصله بین موجبر ها می توانیم مسیر نور را کنترل کنیم.‏ معیارهای به کار رفته برای ارزیابی ‏bpm‏ و نتایج به دست آمده با روش های دیگر حاکی از عمل کرد بسیار خوب ‏و در عین حال سریع تر این روش در مقایسه با روش های دیگر است. هم چنین نتایج نشان می دهد که اثر قطبش و نوع ‏میدان (الکتریکی و مغناطیسی) که نمی توانند در تقریب فرنل گنجانده شوند و برای توصیف انتشار مهم هستند، در مدل ‏سازی ‏bpm‏ قابل پیاده سازی است.‏ چند دلیل برای عمومیت این روش وجود دارد که مهم ترین آن خاصیت تحلیل روبه جلو آن است که اجازه ‏پیاده سازی سریع روش های پایه را می دهد. هم چنین به دلیل سادگی نسبی ‏bpm‏ عموماً این روش، روشی بسیار ‏موثر در محاسبات پیچیده است. خاصیت دیگر این روش این است که به ساختارهایی با شکل هندسی پیچیده، ‏بدون نیاز به تغییر یا گسترشی در نسخه آن، قابل اعمال است.‏

استفاده از مالتی پیکسل های تقسیم طول موج (wdm) یکی از موثرترین راه ها برای افزایش ظرفیت سیستم فیبرنوری در شبکه مخابرات نوری مدرن است. تقویت کننده فیبرنوری آلاییده با اربیوم وسیله ترکیبی خوبی برای سیستم wdm است، چون با استفاده از edfaمی توان در یک زمان، چند سیگنال در باند- c ( 1530 تا nm1560) را توسعه داد. در این سیستم بهره زیاد، نویز کم و پاسخ سریع است. اما طبیعت ذاتی فیبر آلاییده به اربیوم دارای بهره ی ناهموار و غیرمسطح بوده و سیگنال ورودی، وابسته به تحریک باند- c است. این مشکل با پشت سرهم بستن چند edfa و نیز با افزایش یا کاهش کانال های سیستم wdm افزایش می یابد. در این پایان نامه روش های تقویت کننده فیبرنوری آلاییده به اربیوم مورد مطالعه و پژوهش قرار گرفته است. اطلاعات مربوط به روش های تقویت کننده فیبرنوری آلاییده به اربیوم گردآوری شد و با بررسی های انجام شده، نشان می دهد فیلترهای مسطح سازی بهره (gff) ازجمله فیلتر ماخ -زندر، فیلتر تراکم نوری، توری با پریود طولانی و حلقه فیبرنوری آینه در مسطح سازی بهره تقویت کننده آلاییده به اربیوم کاربرد دارند. در شبیه-سازی تقویت کننده فیبرنوری آلاییده به اربیوم چند عامل موثر در نتایج وجود دارد: تغییر طول فیبرنوری در بهره تقویت کننده فیبر نوری آلاییده به اربیوم و نویز رابطه مستقیم دارد، تغییر شعاع هسته فیبرنوری با سطح مقطع گذر گسیل و جذب رابطه مستقیم دارد و تغییر شعاع ناخالص سازی اربیوم در هسته با جمعیت معکوس رابطه مستقیم دارد. همچنین استفاده از فیلتر fbgیکنواخت، بسیار مناسب برای سیستم wdm است، چون این روش باعث تقویت فیبرنوری آلاییده به اربیوم شده و باندc- را مسطح می شود. در این پایان نامه ازfbg استفاده شده است. چون با استفاده از fbg مسطح سازی در محدوده طول موج nm1525 تا nm1535 مناسب نبود، بنابراین از gff (فیلتر مسطح سازی بهره) استفاده شد.

استفاده از مالتی پیکسل های تقسیم طول موج (wdm) یکی از موثرترین راه ها برای افزایش ظرفیت سیستم فیبرنوری در شبکه مخابرات نوری مدرن است. تقویت کننده فیبرنوری آلاییده با اربیوم وسیله ترکیبی خوبی برای سیستم wdm است، چون با استفاده از edfaمی توان در یک زمان، چند سیگنال در باند- c ( 1530 تا nm1560) را توسعه داد. در این سیستم بهره زیاد، نویز کم و پاسخ سریع است. اما طبیعت ذاتی فیبر آلاییده به اربیوم دارای بهره ی ناهموار و غیرمسطح بوده و سیگنال ورودی، وابسته به تحریک باند- c است. این مشکل با پشت سرهم بستن چند edfa و نیز با افزایش یا کاهش کانال های سیستم wdm افزایش می یابد. در این پایان نامه روش های تقویت کننده فیبرنوری آلاییده به اربیوم مورد مطالعه و پژوهش قرار گرفته است. اطلاعات مربوط به روش های تقویت کننده فیبرنوری آلاییده به اربیوم گردآوری شد و با بررسی های انجام شده، نشان می دهد فیلترهای مسطح سازی بهره (gff) ازجمله فیلتر ماخ -زندر، فیلتر تراکم نوری، توری با پریود طولانی و حلقه فیبرنوری آینه در مسطح سازی بهره تقویت کننده آلاییده به اربیوم کاربرد دارند. در شبیه-سازی تقویت کننده فیبرنوری آلاییده به اربیوم چند عامل موثر در نتایج وجود دارد: تغییر طول فیبرنوری در بهره تقویت کننده فیبر نوری آلاییده به اربیوم و نویز رابطه مستقیم دارد، تغییر شعاع هسته فیبرنوری با سطح مقطع گذر گسیل و جذب رابطه مستقیم دارد و تغییر شعاع ناخالص سازی اربیوم در هسته با جمعیت معکوس رابطه مستقیم دارد. همچنین استفاده از فیلتر fbgیکنواخت، بسیار مناسب برای سیستم wdm است، چون این روش باعث تقویت فیبرنوری آلاییده به اربیوم شده و باندc- را مسطح می شود. در این پایان نامه ازfbg استفاده شده است. چون با استفاده از fbg مسطح سازی در محدوده طول موج nm1525 تا nm1535 مناسب نبود، بنابراین از gff (فیلتر مسطح سازی بهره) استفاده شد.

در این پایان نامه یک تقویت کننده امپدانس انتقالی با باند پهن معرفی می شود که در آن از ساختار rgc و یک شبکه هماهنگ از نوع “t” استفاده شده است. ساختار rgc به خاطر امپدانس ورودی بسیار کمی که ایجاد می کند در لینک های نوری برای خنثی کردن اثر ظرفیت پارازیتی حسگر های نوری در ورودی تقویت کننده های امپدانس انتقالی باند پهن مورد استفاده قرار می گیرد. تقویت کننده پیشنهاد شده در تکنولوژی µm18/0 cmos طراحی و با نرم افزار ads شبیه سازی شده است. نتایج شبیه سازی ها نشان می دهند که این ساختار بهره db?60 را در پهنای باند ghz9 ایجاد می کند. با چنین پهنای باندی می توان از این ساختار در سیستم های مخابرات نوری که براساس پروتکل 192sonet oc کار می کنند استفاده کرد. همین طور این نتایج نشان می دهند که در مقایسه با طراحی های مشابه، این ساختار حاصل ضرب بهره در پهنای باند بالاتری را فراهم می کند، به طوری که نیازی به طبقات بهره اضافه که معمولا در طراحی تقویت کننده های امپدانس انتقالی به دنبال ساختار rgc به کار گرفته می شوند نخواهد بود. بنابراین هم توان مصرفی و هم چگالی طیفی نویز ارجاع شده به ورودی تقویت کننده کاهش خواهد یافت. چگالی طیفی نویز ارجاع شده به ورودی در تقویت کننده پیشنهاد شده pa13 بر جذر فرکانس و توان مصرفی نیز mw4 در ولتاژ تغذیه 1.8 ولت می باشد.

طیف ابرپیوستار یک طیف همدوس با پهنای باند وسیع است که با عبور یک پالس فوق العاده کوتاه با توان نسبتا بالا، از یک فیبر نوری، به دلیل ظاهر شدن اثرات غیر خطی در آن تولید می¬شود. بهینه سازی این طیف با فیبر کریستال فوتونی و کنترل دو پارامتر پاشیدگی و اثرات غیر¬خطی، امکان پذیر است. اگر نسبت قطر حفره¬های هوا به ثابت شبکه کوچکتر شود، پاشیدگی تخت با کمینه ممکن حاصل شده و با افزایش اندازه حفره¬ها، شیب پاشیدگی کاهش یافته ولی تعداد مودهای انتشار و ضریب غیر¬خطی و تلفات محصورشدگی افزایش می¬یابد. بنابراین با مصالحه بین پاشیدگی، تعداد مودها، تلفات و اثرات غیر خطی می¬توان محدوده طیف ابرپیوستار را افزایش داد. در این پایان نامه، نقش ضرایب مراتب بالای پاشیدگی و اثرات غیر¬خطی شامل، مدولاسیون خودفازی، پراکندگی رامان و اثر خودتیزی در معادله غیر خطی شرودینگر بررسی و با استفاده از ساختار شش وجهی فیبر کریستال فوتونی در بستر سیلیکا، با طراحی مناسب پاشیدگی موجبر، پاشیدگی ماده خنثی شده و در ساختار اول با استفاده از قطر حفره¬های هوایی یکسان 41/0 میکرومتر و ثابت شبکه 1میکرومتر، مقدار بیشینه پاشیدگی(ps/nm.km) 7 و شیب نسبتا تخت در ناحیه پاشیدگی غیرعادی و محدوده وسیع 1/1 میکرومتر تا 7/1 میکرومتر، بصورت تک مود، طراحی و با عبور یک پالس لیزری 28 فمتوثانیه¬ای و توان بیشینه 10 کیلو وات در این فیبر به طول 30 سانتی¬متر، طیف ابرپیوستار در محدوده پنجره مخابراتی 42/1 میکرومتر تا 65/1 میکرومتر شبیه¬سازی شده است. در طراحی دوم نیز، با حفره¬های غیر¬یکسان و ثابت شبکه 08/2 میکرومتر، مقدار بیشینه پاشیدگی (ps/nm.km)7/0 در محدوده 2/1 میکرومتر تا 6/1 میکرومتر ضمن عملکرد تک مود و شیب تخت، ضریب غیر¬خطی 019/0 حاصل شد و با عبور یک پالس لیزری 28 فمتوثانیه¬ای و توان بیشینه 5 کیلو وات در چنین فیبری به طول 15 سانتی¬متر، طیف ابرپیوستار در محدوده پنجره مخابراتی 4/1 میکرومتر تا 62/1 میکرومتر شبیه¬سازی شده است. کلمات کلیدی : ابرپیوستار، اثرات غیرخطی، پاشیدگی تخت، فیبر کریستال فوتونی، معادله غیرخطی شرودینگر

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.

با پیشرفت علم در زمینه مخابرات نوری و الکترواپتیک نمونه ی جدیدی از حسگرهای فیبرنوری مورد توجه قرار گرفته¬ است. حسگرهای توری براگ فیبری از یک توری فیبری بازتابی تشکیل شده است. این توری ها از طریق ایجاد تغییرات ضریب شکست هسته فیبر نوری در اثر تابش فرابنفش ساخته می¬شود. در این تحقیق به معرفی توری براگ فیبرنوری و بررسی چگونگی حساس سازی آن به تغییرات ضریب شکست محیط پرداخته خواهد ¬شد. سپس روابط میدان مد هسته، مد غلاف و چگونگی محاسبه ضریب شکست موثر آن¬ها به طور کامل شرح داده شده است. اندازه¬گیری فشار یکی از موارد کاربردی این حسگرها است که در این پایان نامه به آن پرداخته شده است. این حسگرها قادر به اندازه گیری فشار اعمالی در راستای محوری و شعاعی فیبر¬نوری هستند و حسگر فشار توری براگ فیبرنوری در این پایان نامه با استفاده ازفیبر نوری 28smf که پرکاربردترین فیبرنوری تجاری است شبیه سازی شده است. یکی از مشکلات پیش رو در کاربرد این حسگرها تداخل حساسیت بین پارامترهای گوناگون اندازه گیری می¬باشد که راهکارها و روش¬های گوناگونی برای جلوگیری از این پدیده¬ی نامطلوب پیشنهاد شده¬است. استفاده هم¬زمان از چند توری پشت سرهم از جمله روش¬های جلوگیری از تداخل حساسیت است که نمونه های مختلف کاربردی آن شبیه¬سازی شده است. در ادامه مقایسه و بررسی وابستگی پارامتر تیزی، تعداد المان های توری، طول توری و ضریب شکست مدی به این نتیجه رسیدیم که محدوده تغیرات پارامتر تیزی از 0/1 تا 10 است که در 0.1 اتلاف به db 90/5147- و بالاتر از 5 اتلاف db120- است. در نتیجه با افزایش پارامتر تیزی اتلاف کاهش می یابد. در المان های توری محدوده تغییرات از mm1 تا mm100 است که در mm 1 اتلاف db120- و در mm 100 اتلاف db144/344- است. در طول توری محدوده تغییرات 10000تا μm60000 است که در μm 10000 اتلاف db 726/88- و در طول توری μm 40000 اتلاف به db168/577- رسیده است که با افزایش طول توری اتلاف بیش از db168/577- کاهش نمی بابد و در ادامه با تغییرات بسیار کم ضریب شکست مدی در 0/0001 اتلاف نصف می شود. در نتیجه اتلاف وابستگی بسیار زیادتری به اندازه ی ضریب شکست مدی نسبت به پارامترهای دیگر دارد. پس برای طراحی توری براگ فیبر نوری با اتلاف کم بهتر است پارامتر ضریب شکست مدی تغییر داده شود که بهینه ترین اتلاف است. در پایان حسگر فشار فیبرتوری براگ را در شرایط متفاوت و هم¬چنین اندازه گیری هم زمان فشار و دما با استفاده از توری¬های براگ فیبر hi-bi بررسی 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.