بخشی از مقاله
چکیده
فیبرهای چند هسته ای ناهمگن به عنوان یکی از موثرترین روشها برای غلبه بر محدودیت غیرخطی در فیبرهای تک مد شناخته شده است. در این کار، با استفاده از تئوری تزویج مد و روش تحلیلی مبتنی بر تابع خودهمبستگی نمایی و روش عددی المان محدود به فیبر چند هسته ای پرداخته و ضریب نسبی چند هسته ای می شود .نتایج محاسبات و شبیه سازی نشان می دهد اختلاف بین ضریب شکست موثر و فاصله بین هسته ها بر پارامترهای موثر در فیبرهای نوری اثر قابل توجهی دارد .همچنین با تلفیق فیبر های نوری و تئوری ها و کاربردهای آن با علم مکاترونیک و رباتیک در زمینه های طراحی حسگر های ربات های و نیز انجام عملیات و ماموریت های مختلف میتوان میزان کارایی و دقت عمل، سرعت و تنوع را به ارمغان آورد.
.1 مقدمه
ویژگی اصلی فیبرهای بلور فوتونی، در ساختار پیچیده هسته و غلاف آنها میباشد. فیبر نوری بلور فوتونی نوعی، دارای ساختاری بسیار شبیه به فیبرهای متداول است؛ اما در آن به جای لایه غلاف از بلورهای فوتونی استفاده شده است. بر اساس نوع نیاز، بلور فوتونی میتواند دارای پیکربندی فضایی و پارامترهای هندسی مختلف باشد. این فیبر میتواند دارای هستهای باشد که ضریب شکست آن کمتر از لایههای غلاف است. پاشندگی فیبر بلور فوتونی میتواند مثبت و یا منفی باشد و برخی از قطبشهای خاص را حفظ میکند. در محدوده طول موج وسیعی حتی با وجود بزرگ بودن اندازهی هستهاش میتواند تکمد باشد.
این ویژگیها در کنار ویژگیهای دیگر، باعث گسترده بودن کاربرد فیبرهای بلور فوتونی شده است..فیبرهای بلور فوتونی دوبعدی میتوانند با توجه به اصول تحدید تابش در داخل هسته طبقهبندی شوند. در اولین دسته از این فیبرها از TIR استفاده میشود. در این حالت، لایه انعکاسدهنده غلاف از مواد جامدی تشکیل شده است که ضریب شکست خاص آنها، وابستگی به طول موج و اندازه المانهای بلور فوتونی دارد. دومین دسته از فیبرهای بلور فوتونی دوبعدی از امکان تشکیل PBG کامل در بلورهای فوتونی استفاده میکند. هسته این فیبرها میتواند دارای ضریب شکست کوچکتری نسبت به بلور فوتونی اطراف باشد.
.2 مدها در فیبرهای نوری متداول
ساختار هدایت نوری در فیبرهای نوری متداول شامل چندین لایه حلقوی یعنی هسته، غلاف و پوشش محافظ است - شکل بالایی . - 1 پروفایل ضریب شکست این نوع فیبرها دارای شکلهای مختلفی است؛ ولی همواره تقارن محوری آن محفوظ است. در مقابل فیبرهای متداول، لایههای فیبرهای میکروساختار ممکن است شامل چندین ماده مختلف و دارای ساختاری میکرو، شبیه به بلورهای فوتونی باشد - شکل پایینی . - 1 اندازه المانهای میکروساختار از مرتبه طول موج تابش انتشاری است.
ویژگی اصلی این فیبرها، وابستگی شدید مشخصات نوری آنها به شکل هندسی میکروساختار میباشد؛ بنابراین تنها با تغییر ماهرانه شکل هندسی این ساختار، میتوان فیبرهایی با هر مشخصه ممکن را طراحی کرد. برای درک بهتر فیبرهای میکروساختار از نظر فیزیکی، ابتدا لازم است که ویژگیهای مدی فیبرهای متداول را بررسی کنیم.
.1,2 مدهای هیبرید در فیبرها و پارامترهای مد
تحلیلهای انجام یافته نشان میدهند که در فیبر هر دو مؤلفه طولی Ez و H z غیرصفر هستند. این نتیجه نشاندهندهی تفاوت این فیبرها با موجبرهای استریب است که در آنها یکی از مؤلفههای طولی میتواند برابر صفر باشد. از این رو مدهای فیبر از نوع مدهای هیبرید هستند که EHml یا HEml ، بسته به اینکه کدام یک از مؤلفههای Ez یا H z غالب هستند، نشان داده میشوند.
برای دستهبندی مد در فیبرهایی با هدایت ضعیف از نماد متفاوت LPml - مدهای قطبیده خطی - استفاده میشود که در آنها هر دو مؤلفه Ez و H zتقریباً برابر صفر میباشند. پلهای در حالت فیبرهای بلور فوتونی، با توجه به تعداد زیاد المانهای ساختار، مسئله خیلی پیچیدهتر میشود. لذا برای حل آن باید از روشهای عددی مانند روش PWE و یا روشهای تقریبی از قبیل روش ضریب شکست مؤثر استفاده کرد .[2]
.3 ضریب شکست مؤثر فیبر بلور فوتونی
در شکل - 4 - دیده میشود که ضریب شکست مؤثر اولین مد به صورت مجانبی به ضریب شکست مؤثر مرز حالات پیوستار نزدیک میشود؛ بنابراین ضریب شکست مؤثر هسته همیشه بزرگتر از ضریب شکست اولین مد است و این در حالی است که مشابه با فیبرهای متداول، پدیده TIR برای این مد مشاهده میشود. ضریب شکست مؤثر مدهایی که داخل حالات پیوستار قرار دارند، همیشه بزرگتر از ضریب شکست مؤثر بلور فوتونی کپهای است.
4. تزویج فیبر بلور فوتونی
وقتی که تابش وارد فیبر نوری میشود، تلفات تابشی که معمولاً تلفات تزویج نامیده میشوند، ظاهر میگردند. وقتی که نور از یک فیبر چند مدی به یک فیبر تک مدی وارد میشود، تلفات تزویج به سادگی قابل توضیح است. تا وقتی که قطر هسته دو فیبر خیلی با یکدیگر متفاوت باشند، مقداری از نور انتشاری داخل هسته فیبر چند مدی وارد هسته فیبر تک مدی نخواهد شد. [4] اگر فیبرها را بدون تزویجگرهایی که به طور مناسب طراحی شده باشند به هم وصل کنیم، باید انتظار تلفات قابل توجهی را داشته باشیم.
