شبیه سازی فیبر شاخص مرحله ای

فیبرهای نوری برای انتقال اطلاعات به شکل نور از طریق یک موجبر نوری ساخته شده از الیاف شیشه استفاده می شود. نور در یک سری پالس ارسال می شود که می تواند به عنوان کد باینری ترجمه شود و امکان انتقال اطلاعات از طریق فیبر را فراهم می کند. از آنجایی که چنین پالس‌هایی می‌توانند با تضعیف کمتری حرکت کنند و در برابر اختلالات الکترومغناطیسی مصون هستند، به جای سیم‌های فلزی سنتی از الیاف استفاده می‌شود و بنابراین امکان انتقال داده در فواصل طولانی‌تر و پهنای باند بالاتر را فراهم می‌کند.

فیبر Step-Index چیست؟

فیبر استپ شاخص فیبر نوری است که نمایه شاخص پله ای را نشان می دهد . ضریب شکست در سراسر هسته فیبر ثابت می ماند، در حالی که یک کاهش ناگهانی در ضریب شکست در سطح مشترک بین هسته و پوشش خارجی یا “پوشش” وجود دارد. نمایه استپ شاخص را می توان برای فیبرهای تک حالته و چند حالته استفاده کرد.

موجبرهای تک حالته در مقابل چند حالته

فیبرهای تک حالته هسته‌های کوچک‌تری (با قطر حدود 10 میکرون) نسبت به فیبرهای چند حالته دارند و تفاوت بین آنها عمدتاً در پراکندگی مودال آنها و تعداد حالت‌های مختلف قابل انتقال است. فیبرهای تک حالته پراکندگی مودال باریک تری دارند، به این معنی که هر پالس نور را در فواصل طولانی تر با دقت بهتری نسبت به فیبرهای چند حالته منتقل می کنند. به همین دلیل است که فیبرهای تک حالته، برای مثال، پهنای باند بالاتری نسبت به فیبرهای چند حالته از خود نشان می دهند.

تجزیه و تحلیل یک فیبر گام شاخص تک حالته

در زیر می توانید شبیه سازی یک فیبر استپ شاخص را مشاهده کنیدکه در آن هسته داخلی از شیشه سیلیکا خالص (SiO2) ساخته شده و دارای ضریب شکست 1.445 است. روکش دارای ضریب شکست 1.4378 است. برای نتایج شبیه‌سازی که در زیر نشان داده شده است، یک تحلیل حالت بر روی صفحه xy فیبر، جایی که موج در جهت z منتشر می‌شود، انجام می‌شود. اطلاعات زیادی را می توان از این نوع ارزش ویژه، یا حالت ویژه، تجزیه و تحلیل فقط یک مقطع از یک فیبر استنباط کرد. به دلیل تقارن سطح مقطع فیبر، کمترین حالت ویژه انحطاط است و نور ارسال شده به فیبر با سرعت یکسانی برای هر دو حالت انتشار منتشر می شود. چه اتفاقی می افتد اگر فیبر را به شدت فشار دهیم یا اشتباهات ساخت وجود داشته باشد؟ سپس ممکن است اتفاق بیفتد که شیشه با ضرایب شکست متفاوت در جهات مختلف تبدیل به دوشکست شود. سپس پایین ترین حالت ویژه تقسیم می شود و دیگر منحرف نمی شود: نور برای هر حالت با سرعت متفاوتی منتشر می شود که منجر به پراکندگی سیگنال می شود. این فقط یک مثال بسیار اساسی است. سناریوهای تحلیل دنیای واقعی البته می توانند بسیار پیچیده تر باشند.


نمودار سطح و خطوط کانتور به ترتیب مولفه z میدان الکتریکی و میدان مغناطیسی را تجسم می کنند.	تجسم جایگزین نمودار در سمت چپ که در آن یک بیان ارتفاع بر اساس مقدار میدان الکتریکی به نمودار سطح اعمال شده است.

انقلابی در ارتباطات با فیبر نوری

اگرچه مفهوم ارتباطات فیبر نوری از دهه 1800 وجود داشته است، اما تا همین اواخر این ارتباطات در دنیای مدرن اجرا نشد. نور از طریق فیبر با استفاده از یک اصل به نام بازتاب داخلی کل منتقل می شود، که به نور اجازه می دهد تا در موجبر با تلفات (از لحاظ نظری) صفر به محیط بیرون منتشر شود. با این حال، از آنجایی که ما در یک دنیای نظری زندگی نمی کنیم، از دست دادن اطلاعات رخ می دهد. قبل از دهه 1970، فیبرهای نوری مستعد تلفات انتقال بزرگ بودند، که آنها را صرفاً یک تلاش دانشگاهی می کرد. با این حال، در سال 1970، محققان توانستند نشان دهند که امکان ساخت فیبرهای نوری کم تلفات وجود دارد. این موجبرهای جدید به جای 2000 دسی بل در کیلومتر که در آزمایشات قبلی نشان داده شده بود، تلفات کمتری 20 دسی بل در کیلومتر (dB/km) نشان دادند. به لطف سال ها توسعه فشرده، الیاف امروزی تلفاتی دارند که برای ترکیب معینی از مواد مورد استفاده و ویژگی های هندسی نزدیک به حد نظری است.

بین سال‌های 1990 و 2000، بازار اپتیک تجاری با کابل‌هایی که تنها در چند سال در سرتاسر جهان اجرا شدند، منفجر شد. همانطور که توماس آلن در مقاله نشنال جئوگرافیک خود ” آینده فرا می خواند ” در سال 2001 نوشت : “صد سال طول کشید تا یک میلیارد نفر از طریق سیم به یکدیگر متصل شوند. فقط ده سال طول کشید تا میلیاردها نفر بعدی را به هم متصل کنیم.» فیبر نوری ارتباطات را در دهه 1990 و امروز متحول کرد و بهبود در راندمان انتقال و هزینه تولید همچنان ارتباطات سریع‌تر و کارآمدتری را برای کشورهای توسعه یافته به ارمغان می‌آورد.

سایر کاربردهای فیبر نوری

در حالی که گسترده ترین استفاده از کابل های فیبر نوری در فناوری های ارتباطی است، بسیاری از کاربردهای دیگر نیز وجود دارند که با استفاده از موجبرهای نوری متحول شده اند. به عنوان مثال، در زمینه پزشکی، پزشکان از فیبرهای نوری برای مشاهده داخل بدن بیمار در حین جراحی یا اکتشاف استفاده می کنند . فیبر نوری به پزشکان این امکان را می دهد که با استفاده از برش های کوچک و آندوسکوپ ها برای تامین نور، جراحی های کم تهاجمی را انجام دهند. آنها همچنین در تحقیقات علمی و تولید برای تامین نور مناطق صعب العبور یا خطرناک استفاده می شوند. کابل های فیبر نوری همچنین می توانند به عنوان حسگر در ماشین ها یا محفظه های خلاء استفاده شوند و اطلاعاتی در مورد تغییرات فشار، دما یا ولتاژ ارائه دهند. به نظر شما موجبرهای نوری چه نوع دیگری از کاربردها را می توانند متحول کنند؟

تجزیه و تحلیل اجزای نوری

فیبرهای نوری تنها جزء نوری نیستند که می‌توان آن را تحلیل کرد. به اصطلاح دستگاه های فوتونی در مدارهای اپتوالکترونیکی آینده چالش هایی را برای نرم افزارهای شبیه سازی ایجاد می کنند، معمولاً به دلیل شکل های کشیده آنها که دلالت بر نوسانات موج الکترومغناطیسی زیادی در جهت انتشار دارد. همچنین، شبیه‌سازی‌های دوبعدی انجام نمی‌دهند – شما به یک شبیه‌سازی سه بعدی کامل نیاز دارید. هر نوسان در جهت انتشار بدون در نظر گرفتن روش عددی مورد استفاده برای دستیابی به دقت لازم، نیاز به نمونه برداری متراکم دارد. یک پست وبلاگی که به زودی منتشر می شود، برخی از فناوری های جدید و هیجان انگیزی را که ما در COMSOL برای آسان کردن این کار روی آنها کار می کنیم، توضیح می دهد. تصویر زیر از یک تقسیم کننده جهت دار نمونه ای عالی از چنین جزء چالش برانگیز فوتونیک است:

تقسیم کننده جهت