Optik doğrultu kuplörlerinde performans analizi

Yıl 2010, Cilt: 1 Sayı: 1, 21 - 30, 01.06.2010

N.Özlem Ünverdi N.Aydın Ünverdi

Öz

Optik ağlarda, optik doğrultu kuplörü, optik fiber sensör, optik kuvvetlendirici, optik filtre, optik dedektör ve
optik modülatör gibi devre elemanları kullanılmaktadır. Bu çalışmada, söz konusu olan optik devre
elemanlarından optik doğrultu kuplörünün kuplaj mekanizması ve veri iletimi, Kuple Mod Teorisi ve
Pertürbasyon Teorisi ışığında analiz edilmiştir.
Özdeş olmayan, düzlemsel yapıdaki katmanlı (slab), paralel, zayıfça kılavuzlayan, kayıpsız ve kılıfsız optik
fiberlerin yer aldığı optik doğrultu kuplöründeki karşılıklı etkileşim incelenmiş ve TE ve TM modları için
kuplaj katsayıları belirlenmiştir. Optik fiberler arasındaki modal kuplajda, maksimum kuplajın, senkron
durumda gerçekleştiği açıklanmıştır. Analizde, TE modları arasındaki kuplajın, TM modları arasındaki
kuplajdan daha büyük ve TE çift modları arasındaki kuplajın, diğer modlar arasındaki kuplajdan daha etkin
olduğu görülmüştür.
OptiSystem 7.0 simülatör yazılımı ile performans analizi yapılan optik doğrultu kuplörünün karakteristik
özellikleri irdelenmiştir. 193.1 THz frekansında çalışan ve gücü 0 dBm olan standart bir sürekli işaretli (CW,
Continuous Wave) lazer ve kuplaj katsayısı 0.5 olan optik doğrultu kuplörünün kullanıldığı düzenek
hazırlanmış ve optik spektrum analizörü ve optik güçölçer ile değerlendirilmiştir. Kuplör yapısının doğal bir
sonucu olarak çıkış kapılarındaki gücün, giriş kapısındaki güce göre azaldığı görülmüştür. Optik doğrultu
kuplörünün çıkış kapıları, optik güçölçer ile incelenmiş ve her iki çıkış kapısı için toplam gücün, -3.010 dBm
olduğu izlenmiştir. Optik doğrultu kuplörünün çıkış kapılarında gözlenen güç değerlerinin kuplaj katsayısına
göre değişimlerinde, kuplörün çalışma mekanizmasını destekleyecek şekilde, birinci çıkış kapısındaki gücün
azalırken, ikinci çıkış kapısındaki gücün arttığı belirlenmiştir.

Anahtar Kelimeler

İletişim teknolojileri, optik haberleşme, optik fiber, optik doğrultu kuplörü.

Performance analysis of optical directional couplers

Öz

Optical fibers are the preferred choice in
communication technologies, because of their small
losses and high channel capacity due to their broad
band width. The abundance of silisium, which is the
raw material from which optical fibers are
manufactured, in the nature, and occupation of
small space, working in harmony with the existing
systems, and not being influenced by
electromagnetic fields are among the basic
properties of optical fibers working at THz
frequencies.
In optical communication systems, communication
in both directions is achieved by using the
wavelength division multiplexing mechanism, and
increasing the data transmission capacity is aimed.
In optical communication networks, which are
rapidly spreading, elements such as optical
directional couplers, optical fiber sensors, optical
amplifiers, optical modulators, optical isolators,
optical filters, optical resonators, optical polarisers,
optical circulators, optical reflectors, optical
attenuators and optical detectors are commonly
used. In this study, optical directional couplers are
analysed.
An optical directional coupler, which is a four-port
circuit element being fed by a laser or a light
emitting diode at one of the ports and providing data
transmission through the other three ports, consists
of two parallel optical fibers and two bent or one
straight and one bent optical fibers. Evanescent
fields influence each other because the distance
between the axes of the optical fibers is much
smaller than the working wavelength.
In this study, coupling mechanism and data
transmission of an optical directional coupler is
analysed by using the Coupled Mode Theory and
Perturbation Theory. The interaction within an
optical directional coupler, which consists of nonidentical,
slab, parallel, weakly guiding, lossless and
bare optical fibers, is analysed for a time dependent
term of exp(jZt), and coupling coefficients which are
independent of the coordinate z in the propagation
direction are determined. Change in the propagation
constant because of the coupling and the relation
between the coupling coefficients are given, and it is
found that the maximum coupling occurs for the
synchronous case when modal coupling between the
optical fibers is considered. Coupling coefficients
for TE and TM modes are determined by using the
Maxwell equations and dielectric-dielectric
boundary conditions. The change of coupling
coefficients with the radius of the second optical
fiber is calculated for TE even, TE odd, TM even
and TM odd modes, if the transmitted power is 1
mW, the radius of the first optical fiber is 20 Pm, the
refractive index of the optical fibers is 1.5, and the
refractive index of the surrounding region is 1, for
three different propagation constants, at 200 THz. In
the analysis, it is observed that the coupling between
the TE modes is bigger than that between the TM
modes, and that the coupling between the TE even
modes is more effective than those between the other
modes.
Characteristic properties of an optical directional
coupler are determined by analysing its
performance with OptiSystem 7.0 simulator. A
system consisting of a standard continuous wave
laser which works at 193.1 THz frequency and has 0
dBm power, and an optical directional coupler with
a coupling coefficient of 0.5 is configured and is
evaluated with an optical spectrum analyser and an
optical power meter. As a natural consequence of
the coupler structure, it is observed that the powers
at the exit ports are less than that at the entry port.
The exit ports of the optical directional coupler are
examined with the optical power meter, and it is
observed that the total power is -3.010 dBm for both
exit ports. When the change of the power values at
the exit ports of the optical directional coupler with
the coupling coefficient is calculated, it is
determined that while the power at the first exit port
decreases, the power at the second exit port
increases, which is expected because of the working
mechanism of the coupler.

Anahtar Kelimeler

Communication technologies, optical communications, optical fiber, optical directional coupler