Optik doğrultu kuplörlerinde performans analizi

Transkript

1 Dicle Üiversitesi Müheislik Fakültesi ergisi müheislikergisi Cilt:, Sayı:, 8-7 Dicle Üiversitesi Müheislik Fakültesi Aralık 00 Cilt:, Sayı:, Aralık 00 Optik oğrultu kuplörlerie performas aalizi N. Özlem ÜNVERDİ *, N. Ayı ÜNVERDİ Yılız Tekik Üiversitesi, Elektroik ve Haberleşme Müheisliği Bölümü, 339, Beşiktaş, İstabul İstabul Tekik Üiversitesi, Makia Müheisliği Bölümü, 337, Gümüşsuyu, İstabul Özet Optik ağlara, optik oğrultu kuplörü, optik fiber sesör, optik kuvvetleirici, optik filtre, optik eektör ve optik moülatör gibi evre elemaları kullaılmaktaır. Bu çalışmaa, söz kousu ola optik evre elemalarıa optik oğrultu kuplörüü kuplaj mekaizması ve veri iletimi, Kuple Mo Teorisi ve Pertürbasyo Teorisi ışığıa aaliz eilmiştir. Özeş olmaya, üzlemsel yapıaki katmalı slab, paralel, zayıfça kılavuzlaya, kayıpsız ve kılıfsız optik fiberleri yer alığı optik oğrultu kuplörüeki karşılıklı etkileşim icelemiş ve TE ve TM moları içi kuplaj katsayıları belirlemiştir. Optik fiberler arasıaki moal kuplaja, maksimum kuplajı, sekro uruma gerçekleştiği açıklamıştır. Aalize, TE moları arasıaki kuplajı, TM moları arasıaki kuplaja aha büyük ve TE çift moları arasıaki kuplajı, iğer molar arasıaki kuplaja aha etki oluğu görülmüştür. OptiSystem 7.0 simülatör yazılımı ile performas aalizi yapıla optik oğrultu kuplörüü karakteristik özellikleri irelemiştir. 93. THz frekasıa çalışa ve gücü 0 Bm ola staart bir sürekli işaretli CW, Cotiuous Wave lazer ve kuplaj katsayısı 0.5 ola optik oğrultu kuplörüü kullaılığı üzeek hazırlamış ve optik spektrum aalizörü ve optik güçölçer ile eğerleirilmiştir. Kuplör yapısıı oğal bir soucu olarak çıkış kapılarıaki gücü, giriş kapısıaki güce göre azalığı görülmüştür. Optik oğrultu kuplörüü çıkış kapıları, optik güçölçer ile icelemiş ve her iki çıkış kapısı içi toplam gücü, Bm oluğu izlemiştir. Optik oğrultu kuplörüü çıkış kapılarıa gözlee güç eğerlerii kuplaj katsayısıa göre eğişimlerie, kuplörü çalışma mekaizmasıı estekleyecek şekile, birici çıkış kapısıaki gücü azalırke, ikici çıkış kapısıaki gücü arttığı belirlemiştir. Aahtar Kelimeler: İletişim tekolojileri, optik haberleşme, optik fiber, optik oğrultu kuplörü. * Yazışmaları yapılacağı yazar: N. Özlem ÜNVERDİ. uveri@yiliz.eu.tr; Tel:

2 Optik oğrultu kuplörlerie performas aalizi Performace aalysis of optical irectioal couplers Extee abstract Optical fibers are the preferre choice i commuicatio techologies, because of their small losses a high chael capacity ue to their broa ba with. The abuace of silisium, which is the raw material from which optical fibers are maufacture, i the ature, a occupatio of small space, workig i harmoy with the existig systems, a ot beig ifluece by electromagetic fiels are amog the basic properties of optical fibers workig at THz frequecies. I optical commuicatio systems, commuicatio i both irectios is achieve by usig the wavelegth ivisio multiplexig mechaism, a icreasig the ata trasmissio capacity is aime. I optical commuicatio etworks, which are rapily spreaig, elemets such as optical irectioal couplers, optical fiber sesors, optical amplifiers, optical moulators, optical isolators, optical filters, optical resoators, optical polarisers, optical circulators, optical reflectors, optical atteuators a optical etectors are commoly use. I this stuy, optical irectioal couplers are aalyse. A optical irectioal coupler, which is a four-port circuit elemet beig fe by a laser or a light emittig ioe at oe of the ports a proviig ata trasmissio through the other three ports, cosists of two parallel optical fibers a two bet or oe straight a oe bet optical fibers. Evaescet fiels ifluece each other because the istace betwee the axes of the optical fibers is much smaller tha the workig wavelegth. I this stuy, couplig mechaism a ata trasmissio of a optical irectioal coupler is aalyse by usig the Couple Moe Theory a Perturbatio Theory. The iteractio withi a optical irectioal coupler, which cosists of oietical, slab, parallel, weakly guiig, lossless a bare optical fibers, is aalyse for a time epeet term of expjt, a couplig coefficiets which are iepeet of the cooriate z i the propagatio irectio are etermie. Chage i the propagatio costat because of the couplig a the relatio betwee the couplig coefficiets are give, a it is fou that the maximum couplig occurs for the sychroous case whe moal couplig betwee the optical fibers is cosiere. Couplig coefficiets for TE a TM moes are etermie by usig the Maxwell equatios a ielectric-ielectric bouary coitios. The chage of couplig coefficiets with the raius of the seco optical fiber is calculate for TE eve, TE o, TM eve a TM o moes, if the trasmitte power is mw, the raius of the first optical fiber is 0 m, the refractive iex of the optical fibers is.5, a the refractive iex of the surrouig regio is, for three ifferet propagatio costats, at 00 THz. I the aalysis, it is observe that the couplig betwee the TE moes is bigger tha that betwee the TM moes, a that the couplig betwee the TE eve moes is more effective tha those betwee the other moes. Characteristic properties of a optical irectioal coupler are etermie by aalysig its performace with OptiSystem 7.0 simulator. A system cosistig of a staar cotiuous wave laser which works at 93. THz frequecy a has 0 Bm power, a a optical irectioal coupler with a couplig coefficiet of 0.5 is cofigure a is evaluate with a optical spectrum aalyser a a optical power meter. As a atural cosequece of the coupler structure, it is observe that the powers at the exit ports are less tha that at the etry port. The exit ports of the optical irectioal coupler are examie with the optical power meter, a it is observe that the total power is Bm for both exit ports. Whe the chage of the power values at the exit ports of the optical irectioal coupler with the couplig coefficiet is calculate, it is etermie that while the power at the first exit port ecreases, the power at the seco exit port icreases, which is expecte because of the workig mechaism of the coupler. Keywors: Commuicatio techologies, optical commuicatios, optical fiber, optical irectioal coupler.

3 N. Ö. Üveri, N. A. Üveri Giriş İletişim tekolojileri içie öemli bir yere sahip ola optik haberleşmei kullaımı her geçe gü yaygılaşmaktaır. Diğer iletişim ortamlarıa göre çok az kayıplı ola optik fiberler, ba geişliğii büyük olması eeiyle, kaal kapasitesii artmasıa ee olmaktaır. Optik fiberi hammaesii oğaa bol miktara buluması, az yer kaplaması, var ola sistemlerle uyumlu çalışması ve elektromagetik alalara etkilememesi, optik haberleşme sistemlerii, araıla bir iletişim tekolojisi urumua getirmiştir. Bu çalışmaa, optik haberleşme sistemlerii temel elemaları arasıa yer ala optik oğrultu kuplörüü karakteristik özellikleri Kuple Mo Teorisi ve Pertürbasyo Teorisi ile aaliz eilmiş ve OptiSystem 7.0 simülatör yazılımı ile çıkış gücü eğerleirilmiştir. Optik oğrultu kuplörüe kuplaj mekaizması Optik oğrultu kuplörüe, iki tae paralel, iki tae bükülmüş veya biri üz, iğeri ise bükülmüş ola optik fiber yer alır. Optik fiberleri optik ekseleri arasıaki uzaklığı, çalışma algaboyua göre çok küçük olması eeiyle evaescet alaları karşılıklı olarak etkileşimi söz kousuur. Optik oğrultu kuplörü, bir kapısıa lazer veya LED ile beslee ve iğer üç kapısıa veri iletimi sağlaa ört kapılı bir evre elemaıır. Uygu solaırma elemaı kullaılarak kapıya gele elektromagetik alga absorbe eilir veya kullaıla solaırma elemaıı empeasıa bağlı olarak verii tamamıı ya a bir kısmıı yasıması sağlaır. Birbirie paralel iki optik fiberi buluuğu optik oğrultu kuplörü, Şekil e görülmekteir. Optik oğrultu kuplörüeki optik fiberler arasıaki karşılıklı kuplaj, Kuple Mo Teorisi ve Pertürbasyo Teorisi yarımıyla belirleir. Optik fiberlere birisieki mou propagasyo sabitii, kuple koumaki iğer Şekil. Paralel iki optik fiberi kullaılığı optik oğrultu kuplörü. optik fibereki ayı veya farklı propagasyo sabitie sahip ola mou etkisiyle eğişimi aaliz eilir Balais, 989; Felse, 976; Haus ve Huag, 99; Louisell, 960; Saiku, 00; Syer ve Love, 983; Üveri, 998; Zhou v., 006. Zamaa göre eğişimi expjt olması urumua, c ve c, propagasyo oğrultusu z e bağımsız ola kuplaj katsayıları olmak üzere, optik fiberler arasıaki karşılıklı kuplaj eeiyle propagasyo sabitie meyaa gele eğişim, / j c c olarak buluur. Maxwell eklemleri kullaılarak kuplaj katsayıları, c 0 I xy P E E ve c 0 II xy P E E 3 ir. Buraa, P moları gücü, I birici kılavuz bölgesii kırılma iisi, II ikici kılavuz bölgesii kırılma iisi ve kılavuzları sara ortamı kırılma iisiir. 3

4 Optik oğrultu kuplörlerie performas aalizi Bu bölüme, Şekil e görüle optik oğrultu kuplörüeki kılıfsız optik fiberlereki kuplaj aalizi, TE ve TM moları içi yapılmıştır Üveri, 998. Optik fiberlere iletile TE çift ve TE tek molarıaki elektrik ala, Ey cos x A si B e x x 0 x x ur. Buraa, optik fiberi çekirek bölgesii yarıçapı ve k 0 serbest uzayaki alga sayısı olmak üzere, çekirek bölgesi ve ış ortama ilişki özeğerler, k c 0 cos cos si si 0 formuaır. Özeş olmaya, üzlemsel yapıaki katmalı, paralel, zayıfça kılavuzlaya, kayıpsız ve kılıfsız optik fiberleri yer alığı optik oğrultu kuplörü içi çalışma frekası 00 ve k0 5 k0 6 ir. Optik fiberleri ielektrik ortamlar oluğu ikkate alıarak ielektrik ielektrik sıır koşulları kullaılığı zama katsayılar, 0P A 7 ve cos B A si 8 Şekil. Optik oğrultu kuplörüe iletile TE çift molarıı kuplajıa, kuplaj katsayısıı ikici optik fiberi çekirek bölgesii yarıçapıa göre eğişimi. olarak ele eilir. Buraa, P, optik fibere iletile güçtür. Özeş olmaya optik fiberlereki kuplaj katsayısı, TE çift moları içi, si si k c 0 cos cos 9 ve TE tek moları içi, Şekil 3. Optik oğrultu kuplörüe iletile TE tek molarıı kuplajıa, kuplaj katsayısıı ikici optik fiberi çekirek bölgesii yarıçapıa göre eğişimi. THz e, P= mw, =0 m, =.5 ve = içi TE çift ve TE tek molarıaki kuplaj

5 5 N. Ö. Üveri, N. A. Üveri katsayısı c i ikici optik fiberi yarıçapı ye göre eğişimleri, Şekil ve Şekil 3 te yer almaktaır. Optik fiberlereki TM çift ve TM tek molarıaki magetik ala, x B e x x si x cos A H x y 0 ur. Dielektrik ielektrik sıır koşullarıa göre, katsayılar, / 0 P A ve si cos A B 3 olarak buluur. Özeş olmaya optik fiberlere iletile TM çift moları içi kuplaj katsayısı, si si 0 c cos cos formua ike, TM tek moları içi, 0 si si cos cos c 5

6 Optik oğrultu kuplörlerie performas aalizi yapısıaır. Çalışma frekası 00 THz e, P= mw, =0 m, = içi TM çift ve TM tek molarıaki kuplaj katsayısı c i ikici optik fiberi yarıçapı ye göre eğişimleri, Şekil ve Şekil 5 e görülmekteir. arasıaki kuplajı, iğer molar arasıaki kuplaja aha etki oluğu gözlemiştir. Kayıpsız ortama, optik fiberler arasıaki trasfer faktörü, F c 6 oluğu göz öüe tutularak, molar arasıaki maksimum güç trasferii, sekro uruma, bir başka ifaeyle, ayı propagasyo sabitie sahip ola molar arasıa meyaa geliği; F << urumua ise, kuplaj etkisii çok küçük oluğu görülmekteir Louisell, 960; Üveri, 998. Şekil. Optik oğrultu kuplörüe iletile TM çift molarıı kuplajıa kuplaj katsayısıı ikici optik fiberi çekirek bölgesii yarıçapıa göre eğişimi. Optik oğrultu kuplörüü çıkış gücü Bu bölüme, optik oğrultu kuplörüü karakteristik özellikleri, OptiSystem 7.0 simülatör yazılımı kullaılarak icelemiştir OptiSystem Compoet Library, 008. Şekil 6 a yer ala ve 93. THz frekasıa çalışa ve gücü 0 Bm ola staart bir sürekli işaretli CW, Cotiuous Wave lazer ve kuplaj katsayısı 0.5 ola optik oğrultu kuplörüü kullaılığı üzeek hazırlaarak optik spektrum aalizörü ve optik güçölçer ile eğerleirilmiştir. Sürekli işaretli lazeri gücüü algaboyua göre eğişimi, Şekil 7 e verilmiştir. Şekil 5. Optik oğrultu kuplörüe iletile TM tek molarıı kuplajıa kuplaj katsayısıı ikici optik fiberi çekirek bölgesii yarıçapıa göre eğişimi. Çalışmaa, TE moları arasıaki kuplajı, TM moları arasıaki kuplaja aha büyük oluğu belirlemiş ve TE çift moları Optik oğrultu kuplörüü çıkış kapılarıaki gücü algaboyua göre eğişimi, optik spektrum aalizörü ile gözlemiştir. Şekil 8 ve Şekil 9 aki çıkış karakteristiklerii bezer özellik gösteriği ve giriş gücüü azalığı görülmekteir. Optik oğrultu kuplörüü çıkış kapıları, optik güçölçer ile icelemiş ve Şekil 0 a görülüğü gibi, her iki çıkış kapısı içi toplam gücü, Bm oluğu belirlemiştir. 6

7 N. Ö. Üveri, N. A. Üveri Şekil THz e çalışa optik oğrultu kuplörü üzeeği. Şekil THz e çalışa sürekli işaretli lazeri gücüü algaboyua göre eğişimi. 7

8 Optik oğrultu kuplörlerie performas aalizi Şekil 8. Optik oğrultu kuplörüü birici çıkış kapısıaki gücü algaboyua göre eğişimi. Şekil 9. Optik oğrultu kuplörüü ikici çıkış kapısıaki gücü algaboyua göre eğişimi. 8

9 N. Ö. Üveri, N. A. Üveri Şekil 0. Optik oğrultu kuplörüü çıkış kapılarıaki toplam güç bilgisi. Şekil. Optik oğrultu kuplörüü gücüü kuplaj katsayısıa göre eğişimi. Şekil e yer ala optik oğrultu kuplörüü çıkış kapılarıa gözlee güç eğerlerii kuplaj katsayısıa göre eğişimleri ile kuplörü çalışma mekaizmasıı bir göstergesi olarak birici çıkış kapısıaki gücü azalırke, ikici çıkış kapısıaki gücü arttığı görülmüştür. Semboller c E F k P t U β γ : Kuplaj katsayısı : Optik fiberi yarıçapı : Elektrik ala : Trasfer faktörü : Dalga sayısı : Kırılma iisi : Optik fibere iletile güç : Zama : Optik ekseler arasıaki uzaklık : Propagasyo sabiti : Optik fiberi sara bölgei özeğeri ε κ μ ω : Dielektrik sabiti permitivite : Optik fiberi özeğeri : Magetik geçirgelik permeabilite : Açısal frekas Souçlar Bu çalışmaa, optik oğrultu kuplörüü çalışma mekaizmasıı belirlemek amacıyla Kuple Mo Teorisi ve Pertürbasyo Teorisi e yararlaılarak TE ve TM molarıa ait moal aaliz yapılmıştır. Özeş olmaya, üzlemsel yapıaki katmalı, paralel, zayıfça kılavuzlaya, kayıpsız ve kılıfsız optik fiberleri oluğu optik oğrultu kuplörüeki karşılıklı etkileşim icelemiş ve kuplaj katsayıları ele eilmiştir. Optik fiberler arasıaki moal kuplaja, maksimum kuplajı, ayı propagasyo sabitie sahip ola molar arasıa bir başka 9

10 Optik oğrultu kuplörlerie performas aalizi eyişle sekro uruma gerçekleştiği açıklamıştır. 00 THz e çalışılmış ve üç farklı propagasyo sabiti içi, iletile mou gücüü mw, birici optik fiberi yarıçapıı 0 m, optik fiberleri kırılma iisii.5 ve optik fiberleri sara bölgei kırılma iisii olması urumua, TE çift, TE tek, TM çift ve TM tek molarıaki kuplaj katsayılarıı, ikici optik fiberi çekirek bölgesii yarıçapıa göre eğişimleri icelemiştir. Aalize, TE moları arasıaki kuplajı, TM moları arasıaki kuplaja aha büyük oluğu ve TE çift moları arasıaki kuplajı, iğer molar arasıaki kuplaja aha etki oluğu soucua varılmıştır. Çalışmaa, OptiSystem 7.0 simülatör yazılımı ile optik oğrultu kuplörüü karakteristik özellikleri icelemiştir. 93. THz frekasıa çalışa ve gücü 0 Bm ola staart bir sürekli işaretli lazer ile beslee üzeek hazırlamıştır. Optik spektrum aalizörü ile kuplaj katsayısı 0.5 ola optik oğrultu kuplörüü çıkış kapılarıaki gücü algaboyua göre eğişimi gözlemiş ve giriş gücüü, bekleiliği gibi azalığı izlemiştir. Optik güçölçer ile her iki çıkış kapısı içi toplam gücü, Bm oluğu görülmüştür. Optik oğrultu kuplörüü çıkış kapılarıa gözlee güç eğerlerii kuplaj katsayısıa göre eğişimlerie, kuplörü çalışma mekaizmasıı estekleyecek şekile, birici çıkış kapısıaki gücü azalırke, ikici çıkış kapısıaki gücü arttığı belirlemiştir. Kayaklar Balais, C. A., 989. Avace Egieerig Electromagetics, Joh Wiley & Sos, New York. Felse, L. B., 976. Evaescet Waves, Joural of the Optical Society of America, 66, 8, Haus, H. A. ve Huag, W. P., 99. Couple- Moe Theory, Proceeigs of the IEEE, 79, 0, Louisell, W. H., 960. Couple Moe Parametric Electroics, Joh Wiley&Sos, New York. OptiSystem Compoet Library, 008. Optiwave. Saiku, M. N. O., 00. Optical a Wireless Commuicatios, CRC Press, New York. Syer, A. W. ve Love, J. D., 983. Optical Waveguie Theory, J.W. Arrowsmith Lt., Bristol, Great Britai. Üveri, N. Ö., 998. Düz ve Bükülmüş Optik Dalga Kılavuzlarıı Karşılıklı Kuplajıa Kılavuzlamış Moları Evaescet Alalarıı ve Sızıtılı Moları Etkisi, Doktora Tezi, Yılız Tekik Üiversitesi, Fe Bilimleri Estitüsü, İstabul. Zhou, K., Zhag, L., Che, X. ve Beio, I., 006. Low Thermal Sesitivity Gratig Devices Base o Ex-5 Tiltig Structure Capable of Forwar-Propagatig Claig Moes Couplig, Joural of Lightwave Techology,,,