Erbiyum-katkılı tek-modlu fiberlerde optik kuvvetlendirme olayının incelenmesi
Investigation of the optical amplification in erbium-doped single-mode fibers
Yazar: CÜNEYT BERKDEMİR
Danışman: PROF. DR. SEDAT ÖZSOY
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2001
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Erbiyum = Erbium ; Fiber optik = Fiber optics ; Optik kuvvetlendirici = Optical intensifier

Özet:
V ÖZET Bu tezde, erbiyum-katkılı tek-modlu fiberlerde optik kuvvetlendirme olayı incelendi. İlk olarak, konunun tarihsel gelişimi ve optik kuvvetlendirme işlemleri ile ilgili olarak, bazı önemli ve temel kavramlar, kısaca, verildi. Erbiyum-katkılı fiberlerde ışık kuvvetlendiriminde kullanılan temel süreç gözden geçirildi. Genelleştirilmiş üç-seviyeli fiber kuvvetlendiricinin matematiksel modeli sunularak, gerçek üç-enerji seviyeli sistemin daha doğru anlatımı incelendi. Yerel kristal alan tarafından zorlanan Stark etkisi sonucu oluşan enerji seviyelerindeki yarılmalar göz önünde bulundurularak, temel üç-seviyeli lazer sisteminde atomik doluluklar için oran denklemleri çıkartıldı. Stark katmanları içerisindeki hızlı ısısal etkinin baskın oluşundan dolayı, daha karmaşık oran denklemi olmasına rağmen, çok seviyeli Er3+'lu cam lazer sistemi, üç-seviyeli modelden yararlanılarak, tam olarak anlatıldı. Daha sonra, katkılı fiber dalga kılavuzunda yayılan ışığın etkisi, Er3+ iyonları ile katkılı öze sahip tek-modlu fibere uygulandı. Mod zarfı, mod yarıçapı gibi fiber parametreleri ile, flüoresans yaşam süresi, tesir kesitleri ve sinyal kazanç katsayısı gibi temel lazer parametreleri tanımlandı. Erbiyum-katkılı tek-modlu fiber kuvvetlendiricilerde, kuvvetlendirilmiş kendiliğinden yayınım (KKY)'ın ışıma üzerindeki etkisi incelendi. Homojen olarak genişletilen lazer geçişi yaklaşımı kullanılarak, pompa, sinyal ve KK.Y için en genel oran denklemleri elde edildi. Son olarak, optik kuvvetlendirmede, erbiyum-katkılı fiberlerin önemi ve avantajları tartışıldı.

Abstract:
VI ABSTRACT In this thesis, the optical amplification in erbium-doped single-mode fibers is studied. Firstly, the historical development of the subject and some important and fundamental concepts related to optical amplification process are briefly given. The basic process used for modeling light amplification in erbium-doped fibers is investigated. The more accurate description of the actual three-level system is examined by introducing a mathematical model of a generalized three-energy-level fiber amplifier. Considering the energy levels split by the Stark effect induced by the local crystal field, the rate equations for the atomic populations in a basic three-level laser system are derived. Through a more complex rate equation models, due to the fast thermal effect prevailing within the Stark manifolds, the multilevel Er3+: glass laser system is actually well described by the basic three-level model. Then, the effect of light propagation in a doped fiber waveguide is applied to the case of a single-mode fiber which has an Er!+ doped core. The fiber parameters such as mode envelope and mode radius, together with the fundamental laser parameters, i.e., fluorescence lifetime, cross sections and signal gain coefficient are introduced. The effect of amplified spontaneous emission (ASE) on the lasing in erbium-doped single-mode fiber amplifiers is examined. The most general rate equations for the pump, the signal, and the ASE are obtained by using the approximation of homogeneously broadened laser transition. Finally, the importance and the advantages of erbium-doped fibers in the optical amplification are discussed.