شماره ركورد
25658
شماره راهنما
PHY2 824
عنوان
مشخصه يابي و تحليل مُدهاي خروجي يك موجبر با استفاده از تكنيك تجزيه مُدي
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
رشته تحصيلي
فوتونيك
دانشكده
فيزيك
تاريخ دفاع
1404/11/08
صفحه شمار
93 ص .
استاد راهنما
سعيد قوامي صبوري
استاد مشاور
مهندس مهدي اميني
كليدواژه فارسي
موجبر نوري , تجزيه مُدي , مُد عرضي , الگوريتم بهينهسازي
چكيده فارسي
فناوري موجبرهاي نوري به عنوان يكي از زيرساخت هاي اساسي در توسعهي سامانههاي نوين نوري و فوتونيكي، در دهههاي اخير رشد چشمگيري داشته است. اين ساختارها كه قادر به هدايت نور در محيطهاي خاص هستند، كاربردهاي گستردهاي در زمينههايي مانند مخابرات نوري، حسگرهاي نوري و مدارهاي مجتمع فوتونيكي يافتهاند. يكي از رويكردهاي مؤثر در تحليل موجبرها، تجزيهي ميدان خروجي به مُدهاي نوري تشكيلدهندهي آن است. اين تحليل، علاوه بر فراهم كردن دركي عميق از نحوهي انتشار امواج درون موجبر، امكان استخراج ويژگيهاي فيزيكي مهم مانند شدت، فاز، جبههي موج، ضريب كيفيت پرتو، بردار پوئينتينگ و چگالي تكانهي زاويهاي مداري را فراهم ميسازد. از سوي ديگر، مقايسهي بين مدهاي ورودي و خروجي ميتواند به روشنسازي پديدهاي اتلاف مدي و تحليل دقيق جفتشدگي بين مدها منجر شود. از آنجا كه در اغلب سامانههاي آزمايشگاهي تنها نمايهي شدت خروجي موجبر بهصورت مستقيم قابل اندازهگيري است و اطلاعات فازي در دسترس نيست، در اين پژوهش فرايند تجزيه مدي بر اساس توزيع شدت انجام شده است. اين رويكرد، ضمن كاهش پيچيدگي محاسباتي، امكان استخراج سهم مدها را با دقت مناسب فراهم ميكند. براي اين منظور، ابتدا يك موجبر نوري كانالي در نرمافزار چندفيزيكي كامسول مدلسازي و شبيهسازي شده و مدهاي هدايتي آن استخراج گرديد. سپس مدهاي بهدستآمده به محيط برنامهنويسي پايتون منتقل شده و با استفاده از الگوريتمهاي بهينهسازي، ضرايب وزني متناظر با هر مد محاسبه شدند. علاوه بر اين، در بخش تجربي نيز نور ليزر با طول موج 980 نانومتر توسط فيبر نوري به موجبر تزويج شده و نمايههاي شدت موجبر توسط دوربين ميكروسكوپي ثبت گرديد. سپس اين دادهها با استفاده از الگوريتمهاي بهينهسازي مورد تجزيهي مدي قرار گرفتند. در اين پژوهش از سه الگوريتم بهينهسازي شامل الگوريتم ژنتيك، جستوجوي الگو و گراديان نزولي استفاده شده است. هر يك از اين الگوريتمها از نظر نحوهي همگرايي، دقت بازسازي نمايه شدت و زمان اجرا تفاوتهايي دارند كه به مقايسه و ارزيابي آنها پرداخته شده است. مقايسهي عملكرد اين الگوريتمها، علاوه بر سنجش كارايي هر روش، به انتخاب مناسبترين الگوريتم براي كاربردهاي آزمايشگاهي و شبيهسازيهاي پيچيده كمك ميكند.
كليدواژه لاتين
Optical waveguide , mode decomposition , transverse mode , optimization algorithm
عنوان لاتين
Mode analysis and characterization of a waveguide using mode decomposition technique
گروه آموزشي
فيزيك
چكيده لاتين
Optical waveguide technology has experienced significant growth in recent decades as a fundamental infrastructure for developing modern optical and photonic systems. These structures, capable of guiding light in specific media, have found extensive applications in areas such as optical communications, optical sensors, and photonic integrated circuits. One effective approach for analyzing waveguides is the decomposition of the output field into its constituent optical modes. This analysis not only provides a deep understanding of how waves propagate within the waveguide but also enables the extraction of critical physical properties such as intensity, phase, wavefront, beam quality factor, the Poynting vector, and the orbital angular momentum density of the mode. Furthermore, comparing the input and output modes can shed light on phenomena like modal loss and facilitate a detailed analysis of mode coupling. Since, in most laboratory setups, only the intensity profile at the waveguide output is directly measurable and phase information is unavailable, this research performs modal decomposition based solely on the intensity distribution. This approach reduces computational complexity while still allowing for the extraction of modal contributions with adequate accuracy. To this end, first, a channel optical waveguide was modeled and simulated in the COMSOL Multiphysics software, and its guided modes were extracted. Then, the obtained modes were transferred to the Python programming environment, and their corresponding weighting coefficients were calculated using optimization algorithms. Additionally, in the experimental part, a laser light source with a wavelength of 980 nm was coupled into the waveguide via an optical fiber, and the waveguide’s intensity profiles were recorded using a microscopic camera. These data were then subjected to modal decomposition using optimization algorithms. This study employed three optimization algorithms: the Genetic Algorithm (GA), Pattern Search (PS), and Gradient Descent (GD). Each of these algorithms exhibits differences in terms of convergence behavior, intensity profile reconstruction accuracy, and execution time, which were compared and evaluated. Comparing the performance of these algorithms not only assesses the efficiency of each method but also aids in selecting the most suitable algorithm for laboratory applications and complex simulations.
تعداد فصل ها
4
فهرست مطالب pdf
156839
نويسنده