 |
فیبر Step-Index
معرفی
سرعت انتقال داده موجبرهای نوری نسبت به موجبرهای مایکروویو برتر است زیرا دستگاه‌های نوری فرکانس کاری بسیار بالاتری نسبت به امواج مایکروویو دارند و پهنای باند بسیار بالاتری را ممکن می‌سازند.
امروزه فیبر شیشه سیلیکا (SiO 2 ) ستون فقرات سیستم های ارتباطی مدرن را تشکیل می دهد. قبل از سال 1970، فیبرهای نوری از تلفات انتقال زیادی رنج می بردند و فناوری ارتباطات نوری را صرفاً به یک موضوع آکادمیک تبدیل می کرد. در سال 1970، محققان برای اولین بار نشان دادند که فیبرهای نوری کم تلفات واقعاً قابل تولید هستند. تلفات قبلی 2000 دسی بل در کیلومتر اکنون به 20 دسی بل در کیلومتر کاهش یافته است. فیبرهای امروزی تلفات نزدیک به حد تئوری 0.16 دسی بل در کیلومتر در 1.55 میکرومتر (نور مادون قرمز) دارند.
یکی از ابزارهای برنده فیبر تک حالته است که دارای نمایه ضریب شکست با ضریب شکست بالاتر در هسته مرکزی و ضریب کمتر در روکش خارجی است. نرم افزارهای عددی نقش مهمی در طراحی موجبرها و فیبرهای تک حالته ایفا می کنند. برای سطح مقطع الیاف، حتی ساده ترین شکل نیز برای تحلیل تحلیلی دشوار و دست و پا گیر است. یک موجبر دایره‌ای با شاخص گام شکل پایه‌ای است که در آن نتایج محک در دسترس هستند (رجوع کنید به شماره 1 ).
این مثال مدلی از یک موجبر با شاخص تک پله ای است که از شیشه سیلیکا ساخته شده است. هسته داخلی از شیشه سیلیکا خالص با ضریب شکست n 1 = 1.4457 ساخته شده است و روکش با ضریب شکست n 2 = 1.4378 دوپ شده است. این مقادیر برای طول موج های فضای آزاد 1.55 میکرومتر معتبر هستند . شعاع روکش به اندازه ای بزرگ انتخاب می شود که میدان حالت های محدود در مرزهای بیرونی صفر باشد.
برای یک حالت محدود، جریان انرژی در جهت شعاعی وجود ندارد، بنابراین موج باید در جهت شعاعی در روکش ناپدید شود. این فقط در صورتی درست است که
از سوی دیگر، موج نمی تواند به صورت شعاعی در ناحیه هسته ناپدید شود. بدین ترتیب
هنگامی که n eff در این بازه به حد بالایی نزدیک باشد، امواج محدودتر می شوند .
تعریف مدل
تجزیه و تحلیل حالت بر روی یک مقطع در صفحه xy فیبر انجام می شود. موج در جهت z منتشر می شود و فرم دارد
که در آن ω فرکانس زاویه ای و β ثابت انتشار است. یک معادله مقدار ویژه برای میدان الکتریکی E از معادله هلمهولتز به دست آمده است
که برای مقدار ویژه λ = – j β حل می شود .
به عنوان شرایط مرزی در امتداد بیرونی روکش، میدان الکتریکی روی صفر تنظیم می شود. از آنجا که دامنه میدان به سرعت به عنوان تابعی از شعاع روکش کاهش می یابد، این یک شرط مرزی معتبر است.
نتایج و بحث
هنگام مطالعه ویژگی های موجبرهای نوری، شاخص حالت موثر حالت محدود،
به عنوان تابعی از فرکانس یک مشخصه مهم است. یک تصور رایج، فرکانس نرمال شده برای یک فیبر است. این به عنوان تعریف شده است
که در آن a شعاع هسته فیبر است. برای این شبیه سازی، شاخص حالت موثر برای حالت بنیادی، 1.4444 با فرکانس نرمال شده 4.895 مطابقت دارد . اجزای طولی میدان های الکتریکی و مغناطیسی برای این حالت در شکل 1 در زیر نشان داده شده است.
شکل 1: نمودار سطح مولفه z میدان الکتریکی را به تصویر می کشد. این نمودار برای شاخص حالت موثر 1.4444 است.
ارجاع
1. A. Yariv، نوری الکترونیک در ارتباطات مدرن ، ویرایش پنجم، انتشارات دانشگاه آکسفورد، 1997.
مسیر کتابخانه برنامه: RF_Module/Tutorials /step_index_fiber
دستورالعمل های مدل سازی
از منوی File ، New را انتخاب کنید .
جدید
در پنجره جدید ، روی 
Model Wizard کلیک کنید .
Model Wizard کلیک کنید .مدل جادوگر
1 | در پنجره Model Wizard روی  2D کلیک کنید . |
2 | در درخت انتخاب فیزیک ، فرکانس رادیویی > امواج الکترومغناطیسی، دامنه فرکانس (emw) را انتخاب کنید . |
3 | روی افزودن کلیک کنید . |
4 |  روی مطالعه کلیک کنید . |
5 | در درخت انتخاب مطالعه ، مطالعات از پیش تعیین شده برای واسط های فیزیک انتخاب شده > تحلیل حالت را انتخاب کنید . |
6 |  روی Done کلیک کنید . |
هندسه 1
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی Geometry 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات هندسه ، بخش Units را پیدا کنید . |
3 | از لیست واحد طول ، میکرومتر را انتخاب کنید . |
دایره 1 (c1)
1 | در نوار ابزار Geometry ، روی  Circle کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات دایره ، بخش اندازه و شکل را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن Radius عدد 40 را تایپ کنید . |
4 |  روی Build Selected کلیک کنید . |
دایره 2 (c2)
1 | در نوار ابزار Geometry ، روی  Circle کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات دایره ، بخش اندازه و شکل را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن Radius ، 8 را تایپ کنید . |
4 |  روی Build Selected کلیک کنید . |
مواد
شیشه سیلیس دوپ شده
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی Materials راست کلیک کرده و Blank Material را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات مواد ، دوپه سیلیس شیشه ای را در قسمت نوشتار برچسب تایپ کنید . |
3 | فقط دامنه 2 را انتخاب کنید. |
4 | برای گسترش بخش Material Properties کلیک کنید . در درخت خواص مواد ، مدل‌های الکترومغناطیسی > ضریب شکست> ضریب شکست ، بخش واقعی (n) را انتخاب کنید . |
5 |  روی افزودن به مواد کلیک کنید . |
6 | قسمت محتوای مواد را پیدا کنید . در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
ویژگی | متغیر | ارزش | واحد | گروه اموال |
ضریب شکست، قسمت واقعی | n_iso ; nii = n_iso، nij = | 1.4457 | 1 | ضریب شکست |
شیشه سیلیکا
1 | روی Materials کلیک راست کرده و Blank Material را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات مواد ، Silica Glass را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید . |
3 | فقط دامنه 1 را انتخاب کنید. |
4 | برای گسترش بخش Material Properties کلیک کنید . در درخت خواص مواد ، مدل‌های الکترومغناطیسی > ضریب شکست> ضریب شکست ، بخش واقعی (n) را انتخاب کنید . |
5 |  روی افزودن به مواد کلیک کنید . |
6 | قسمت محتوای مواد را پیدا کنید . در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
ویژگی | متغیر | ارزش | واحد | گروه اموال |
ضریب شکست، قسمت واقعی | n_iso ; nii = n_iso، nij = | 1.4378 | 1 | ضریب شکست |
امواج الکترومغناطیسی، دامنه فرکانس (EMW)
تنظیمات فیزیک پیش فرض را حفظ کنید، که شامل شرایط رسانای الکتریکی عالی برای مرزهای بیرونی است.
معادله موج، الکتریک 1
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1)>Electromagnetic Waves، Frequency Domain (emw) روی Wave Equation, Electric 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای معادله موج ، Electric ، بخش Electric Displacement Field را پیدا کنید . |
3 | از لیست مدل میدان جابجایی الکتریکی ، ضریب شکست را انتخاب کنید . |
مش 1
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی Mesh 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات مش ، قسمت Physics-Controlled Mesh را پیدا کنید . |
3 | در جدول، تیک Use for Waves Electromagnetic , Frequency Domain (emw) را پاک کنید . |
4 | از فهرست اندازه عنصر ، Finer را انتخاب کنید . |
5 |  روی ساخت همه کلیک کنید . |
مطالعه 1
مرحله 1: تجزیه و تحلیل حالت
1 | در پنجره Model Builder ، در بخش مطالعه 1 ، روی مرحله 1: تجزیه و تحلیل حالت کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای تجزیه و تحلیل حالت ، بخش تنظیمات مطالعه را پیدا کنید . |
3 | کادر جستجوی حالت‌های اطراف را انتخاب کنید . در قسمت متن مرتبط، 1.446 را تایپ کنید . |
مدهای مورد نظر دارای یک شاخص حالت مؤثر در جایی بین ضریب شکست این دو ماده هستند. حالت بنیادی بالاترین شاخص را دارد. بنابراین، تنظیم نمایه حالت برای جستجو در اطراف چیزی درست بالاتر از شاخص اصلی تضمین می کند که حل کننده حالت اساسی را پیدا خواهد کرد.
4 | در قسمت نوشتاری فرکانس تحلیل حالت ، c_const/1.55[um] را تایپ کنید . این فرکانس مربوط به طول موج فضای آزاد 1.55 میکرومتر است . |
5 | در نوار ابزار صفحه اصلی ،  روی محاسبه کلیک کنید . |
نتایج
میدان الکتریکی (emw)
1 |  روی دکمه Zoom Extents در نوار ابزار Graphics کلیک کنید . |
2 |  روی دکمه Zoom In در نوار ابزار Graphics کلیک کنید . |
نمودار پیش فرض توزیع هنجار میدان الکتریکی را برای بالاترین حالت از 6 حالت محاسبه شده (یکی با کمترین شاخص حالت موثر) نشان می دهد.
برای مطالعه حالت بنیادی، بالاترین شاخص حالت را انتخاب کنید. از آنجایی که میدان مغناطیسی دقیقاً 90 درجه با میدان الکتریکی خارج از فاز است، می‌توانید با ترسیم محلول در زاویه فاز 45 درجه، توزیع میدان مغناطیسی و الکتریکی را مشاهده کنید.
مطالعه 1/راه حل 1 (sol1)
1 | در پنجره Model Builder ، گره Results>Datasets را گسترش دهید ، سپس روی Study 1/Solution 1 (sol1) کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات راه حل ، بخش راه حل را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متنی Solution at angle (فاز) ، 45 را تایپ کنید . |
میدان الکتریکی (emw)
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Results روی Electric Field (emw) کلیک کنید . |
2 | در پنجره Settings for 2D Plot Group ، بخش Data را پیدا کنید . |
3 | از فهرست فهرست حالت موثر ، 1.4444 را انتخاب کنید . |
سطح
1 | در پنجره Model Builder ، گره Electric Field (emw) را گسترش دهید ، سپس روی Surface کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Surface ، روی Replace Expression در گوشه سمت راست بالای بخش Expression کلیک کنید . از منو، Component 1 (comp1)>Electromagnetic Waves، Frequency Domain>Electric>Electric field – V/m>emw.Ez – Electric field، z-component را انتخاب کنید . |
3 | در نوار ابزار Electric Field (emw) ، روی  Plot کلیک کنید . |
یک نمودار خطی از میدان H اضافه کنید.
کانتور 1
1 | در پنجره Model Builder ، روی Electric Field (emw) کلیک راست کرده و Contour را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Contour ، روی Replace Expression در گوشه سمت راست بالای بخش Expression کلیک کنید . از منو، جزء 1 (comp1)> امواج الکترومغناطیسی، دامنه فرکانس > مغناطیسی> میدان مغناطیسی – A/m> emw.Hz – میدان مغناطیسی ، z-component را انتخاب کنید . |
3 | در نوار ابزار Electric Field (emw) ، روی  Plot کلیک کنید . |
توزیع مولفه های میدان عرضی E و H تایید می کند که این حالت HE11 است. نمودار حاصل را با نمودار 1 مقایسه کنید .
