توضیحات
پروژه شبیه سازی مدهای فیبر نوری تک حالته(SMF) و چندحالته(MMF) در نرم افزار کامسول (COMSOL)
Simulation of Single-Mode Fiber and Multi-Mode Fiber in COMSOL Software
فیبر نوری(optical fiber):
فیبر نوری یکی از محیط های انتقال داده با سرعت بالا و رشته ای از تارهای شیشه ای بوده که ضخامت هریک از تارها برابر تار موی انسان است و از آنها برای انتقال اطلاعات در مسافت های طولانی استفاده می شود. تارهای فوق در کلاف هایی سازماندهی شده نوری را به وجود می آورند. از فیبر نوری به منظور ارسال سیگنال های نوری در مسافت های طولانی استفاده می شود.
فیبر نوری در موارد مختلفی مانند شبکه های تلفن شهری و بین شهری، اینترنت و شبکه های کامپیوتری استفاده می شود. طول عمر متقابل فیبر و تراکم انرژی بالا که ممکن است برای پمپاژ نوری مورد استفاده قرار گیرد، ویژگی های اصلی حمایت از توسعه دستگاه های فیبر فعال است. یکی دیگر از نقاط جذاب، امکان تولید سیگنال های کوتاه مدت با استفاده از دیودهای IR به عنوان منابع پمپ است. فیبرهای لیزری قدرتمند ممکن است با این روش با کیفیت بسیار خوب پرتو ساخته شوند که در لیزرهای نیمه هادی بسیار دشوار است. جنبه های هزینه و قابلیت اطمینان هنوز کاربردهای عملی را محدود می کند، اما در سال های آینده احتمالاً تغییرات قابل توجهی خواهد داشت. تمام لیزرهای فیت حالت جامد و فشرده می تواند لیزرهای بزرگ و پر سروصدای گاز را جایگزین کند.
ساختار فیبرهای نوری:
فیبر نوری از شیشه شکننده ساخته شده است. معمولاً قطر خارجی آن 125 میکرومتر است. قطر هسته فیبر تک حالته(SMF) تنها ۸-۷ میکرومتر است. قطر هسته فیبر چندحالته(MMF)، 50 میکرومتر است. یک کابل فیبر نوری توسط دو لایه مرکزی تشکیل شده که هسته و روکش نامیده می شود. همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است هسته دارای یک شاخص انکساری از n1، دارای یک شاخص انکساری از n2 بوده که n1 متفاوت از n2 است. شاخص انکسار یک روش اندازه گیری نور در یک ماده است.
فیبرهای نوری بخشی از فناوری مهم جدید است که در حال حاضر در صنعت ارتباطات راه دور استفاده می شود. این فیبرها از روکش های شیشه ای خالص سیلیکا و هسته شیشه ای سیلیکا ساخته شده اند.
بخش های مختلف فیبر نوری:
- روکش
- هسته
- بافر رویه.
هسته:
این بخش که در مرکز فیبر قرار دارد از جنس یک ماده بی نهایت شفاف شیشه ای یا پلاستیکی تشکیل شده که پرتوهای نور در آن جریان می یابند.
روکش :
این بخش نیز از جنس شیشه یا پلاستیک است اما با ضریب شکنندگی متفاوتی با جنس به کار گرفته شده در هسته به این خاطر ضریب شکنندگی آن متفاوت است که پرتوهای موجود در هسته از آن خارج نشوند و با برخورد به روکش دوباره به سمت هسته هدایت شوند.
بافر رویه:
روکشی رنگی پلاستیکی است که از هسته و روکش در مقابل رطوبت و عوامل خارجی محافظت می کند.
شکل قسمت های مختلف کابل فیبر نوری.
مزایای فیبر نوری در مقایسه با سیم های مسی:
- قیمت ارزان تر: هزینه فیبر نوری نسبت به سیم های مسی در مقیاس های بالا کمتر است.
- اندازه نازکتر: قطر فیبرهای نوری به مراتب کمتر از سیم های مسی است.
- ظرفیت بالا: پهنای باند فیبر نوری به منظور ارسال اطلاعات به مراتب بیشتر از سیم مسی است؛ لذا فیبر نوری توانایی انتقال داده های بیشتری را دارد.
- ارتقا آسان: با پیشرفت تکنولوژی در آینده می توان فقط لوازم الکترونیکی را ارتقا داد و کابل فیبر نوی سر جای خود بماند.
- تضعیف ناچیز: تضعیف سیگنال در فیبر نوری به مراتب کمتر از سیم مسی است.
- عدم تداخل: برخلاف سیگنال های الکتریکی در یک سیم مسی، عبور سیگنال های نوری در یک فیبر تأثیری بر فیبر دیگر نخواهد داشت و تداخل الکترو مغناطیسی نخواهیم داشت.
- مصرف برق پایین: باتوجه به این که سیگنال ها در فیبر نوری کمتر تضعیف می گردند، بنابراین می توان از فرستنده هایی با میزان برق مصرفی پائین نسبت به فرستنده های الکتریکی (که از ولتاژ بالایی استفاده می نمایند، استفاده کرد.
- اشتعال زا نبودن: باتوجه به عدم وجود الکتریسته در فیبر نوری، امکان بروز آتش سوزی در این خصوص وجود نخواهد داشت.
- وزن سبک: وزن یک کابل فیبر نوری به مراتب کمتر از کابل مسی هم رده آن است و این عامل در کارکردن، نصب و نگهداری فیبر بسیار مهم است.
- انعطاف پذیر بودن: باتوجه به انعطاف پذیری فیبر نوری و قابلیت ارسال و دریافت نور از آنان، در موارد متفاوت نظیر دوربین های دیجیتال با موارد کاربردی خاص مانند عکس برداری پزشکی و لوله کشی و… استفاده می گردد.
- فاصله: از فیبر نوری می توان در ارتباط شبکه هایی که فاصله زیادی از هم دارند استفاده کرد (اتصال شبکه های محلی (LAN) به یکدیگر). شایان ذکر است که قبل از استفاده از کابل های فیبر نوری ارتباط بین LANها از طریق تلفن یا امواج رادیویی برقرار می شد و کابل های فلزی توانایی برقراری این ارتباط را نداشتند.
- پایداری: در کابل های فیبر نوری امکان نفوذ و ایجاد اختلال در انتقال داده ها کمتر است و از تأثیرگذاری انواع نویزهای الکترومغناطیسی شامل نویزهای رادیویی یا نویزهای حاصل از نزدیکی کابل ها بر روی داده های در حال انتقال جلوگیری می کند. بطورکلی تارهای نوری از تداخل و ترویج با سایر کانال های ارتباطی، خواه نوری و خواه الکتریکی، به خوبی محافظت شده می باشد. یعنی نسبت به تداخل فرکانس های رادیویی (RFI) و تداخل الکترومغناطیسی (EMI) عدم پذیرش عالی دارند.
- سرعت: فیبر نوری توانایی در انتقال اطلاعات به مقدار زیاد چه به شکل دیجیتالی و چه به شکل آنالوگ.
- ترویج نوری: نیاز به زمین مشترک بین فرستنده تاری و گیرنده را منتفی می کند.
- امکان تعمیر فیبر: فیبر نوری در حالیکه سیستم روشن است، بدون آنکه احتمال اتصال کوتاه شدن مدارهای الکتریکی در فرستنده ویا در گیرنده باشد، وجود دارد.
- امنیت: فیبرهای نوری درجه ای از امنیت و پنهانی بودن را عرضه می کند. چون تارها انرژی تشعشع نمی کنند. برای یک مزاحم، آشکارسازی سیگنال ارسالی مشکل است.
- پهنای باند بالا: این پهنای باند اکنون به ۱۷۰ گیگابایت در ثانیه رسیده و دانشمندان بر این باورند که قابلیت ارتقاء تا چند صد ترابایت را دارد. فیبرنوری SMF که در حال حاضر مورد استفاده قرار می گیرد از پهنای باند ۴۰ گیگابایتی برخوردار است.
- عدم استفاده الکتریسیته برای ارتباط: از آنجا که در ابتدای مسیر نوری تولید شده و در انتها این نور دریافت می شود. دیگر نیازی به نیروی اکتریکی نیست و همچنین ایمنی بسیار بالایی را در مقابل نویز دارد.
- عدم برقراری انشعاب غیرمجاز: از آنجا که برای برقرای انشعاب بایستی ابتدا فیبر قطع شود و گیرنده فیبر نصب شود؛ و این عمل نیز زمانبر است؛ نگهدارنده های بستر با استفاده از ابزارهای خطایابی می تواند به سرعت محل مورد نظر را شناسایی کنند.
- عدم نیاز به repeater تا چندین کیلومتر: به علت استفاده از نور در صورتی که جنس هسته مرغوب باشد تا فواصل چند کیلومتری سیگنال تضعیف زیادی نخواهد داشت.
انواع فیبر نوری:
فیبر نوری تک حالته(Single-mode fiber):
فیبر نوری تک حالته به این معنی است که فیبر نوری قادر است یک نوع مد نوری را در یک زمان پخش کند. این نوع فیبر دارای یک هسته فوق العاده باریک (۵ تا ۱۰ میکرون) می باشد و یک پرتوی تک موج (لیزر) به درون آن تابانیده می شود. لذا این پرتو کمترین اتساع را خواهد داشت و برای نرخ های ارسال چند ده گیگابیت و در فواصل بسیار طولانی مناسب می باشد. فیبرهای نوری تک حالته دارای هسته های کوچکی هستند و می توانند نور لیزر مادون قرمز با طول موج ۱۳۰۰ تا ۱۵۵۰ نانومتر را عبور دهند و همچنین برای ارسال سیگنال هایی با نرخ های ارسالی بالا تا چند ده گیگابیت از آنها استفاده کرد. از این رو ارسال پیام در این نوع فیبرها بسیار سریعتر و راحت تر صورت میگیرد. فیبرهای نوری تک حالته به علت قطر کم هسته، انتقال نور به صورت مستقیم نسبت به فیبرهای نوری چند حالته از سرعت بالاتری برخوردار هستند و هم برای مسافت های طولانی استفاده می شوند. اما فیبرهای نوری تک حالته برای ارسال پیام هایی با نرخ محدود استفاده می شوند و توانایی ارسال چند نوع پیام با فرکانس و سرعت های متفاوت را ندارند. امروزه به علت آنکه افزایش میزان تقاضا از سوی مشترکین برای استفاده از کانال های ارتباطی با سرعت بالا بسیار زیاد است و فیبرهای نوری تک حالته توانایی پوشش برای انتقال اطلاعات را برای تعداد زیاد متقاضیان ندارند، از این رو به انتقال اطلاعات با استفاده از فیبرهای نوری چند حالته روی آورده شده است.
فیبر نوری چند حالته(Multi-mode fiber):
فیبر نوری چند حالته می تواند چندین مد را پخش کند. تفاوت بین فیبر نوری تک حالته و چند حالته عمدتا در قطر هسته فیبر طول موج، منبع نور و پهنای باند است. فیبرنوری چند حالته، ارزانترین نوع فیبری است که برای انتقال داده در سیستم های شبکه های محلی با سرعت بالا استفاده می شود. این نوع فیبر نوری در مقایسه با فیبرهای تک حالته، دارای قطر هسته بزرگتر، امکان استفاده آسانتر، اتصالات و همچنین اجزای بکار رفته ارزان قیمت تر را فراهم می کند. فیبرهای نوری چند حالته از نظر اقتصادی نسبت به فیبرهای تک حالته ارزانتر هستند و انتقال داده ها را بهتر و سریعتر برای مسافت های کوتاه انجام می دهند.
شکل کابل های فیبر نوری: (الف). تک حالته، (ب). چند حالته.
نرم افزار کامسول(COMSOL):
کامسول یک مجموعه کامل شبیه سازی است که معادلات دیفرانسیل سیستم های غیر خطی را توسط مشتق هـای جزئی به روش المان محدود(FEM) در فضاهای یک، دو و سه بعدی حل می کند. همچنین این برنامه یک رابطه گسترده با نرم افزار MATLAB ارائه می دهد و ابزارهای آن در برنامه ریزی پیش پردازش و پس پردازش امکانات خوبی را فراهم می آورد. تا پیش از سال ۲۰۰۵ نام این نرم افزار، FEMLAB بوده است. شرکت کامسول در جولای ۱۹۸۶ در استکهلم سوئد تأسیس شد. بعدها پیشرفت کرد و دفاتری در برزیل، چین، دانمارک، فنلاند، فرانسه، آلمان، هلند، نروژ، هند، ایتالیا، سوئیس، بریتانیا و آمریکا راه اندازی کرد. سوانته لیتمارک و فرهاد سعیدی این شرکت را در سال ۱۹۸۶ تأسیس کردند. اولین نسخه از برنامه COMSOL Multiphysics در سال ۱۹۹۸ منتشـر شد و در آن زمان فقط چنـد مـاژول داشت. بسـتـه نـرم افـزاری برمبنای سیستم عامـل هـای مختلـف نظیـر Linux ،Mac ،Windows و Unix نوشته شده است. به علاوه راحتی کار برای کاربر را مدنظر قرار داده است. این نرم افزار می تواند در حضور چالش هایی نظیر میدان های الکترومغناطیسی، کشش، دینامیک سیالات و دینامیک گاز به خوبی رهگشا باشد. کامسول همچنین فرصتی برای تحلیل و شبیه سازی ساختار نمونه و قالب یک فرمول ریاضیات(در فرم معادلات) و فیزیکی(انتخاب مدل فیزیکی، به عنوان مثال مدل فرایند انتشار) را به کاربر می دهد. بدیهی است در هر مورد سیستم معادلات حل خواهد شد، تفاوت فقط در امکان استفاده از سیستم های فیزیکی و جسمی و واحدها نهفته است. به اصطلاح حالت فیزیکی، می توان از معادلات از پیش تعریـف شـده بـرای اکثر پدیده های انجام گرفته در علوم فناوری استفاده کرد، مانند انواع روشهای انتقال حرارت و برق، تئوری الاستیسیته، نفوذ مولکولی و انتقال جرم و انتشار، انتشار موج، جریان سیال و…
برای حل معادلات COMSOL Multiphysics PDE از روش المان محدود (FEM) استفاده می کند. نرم افزار، آنالیز المان محدود را همراه با Meshing قابل تطبیق و کنترل خطا با استفاده از Solver های عددی مختلف، اجرا می کند. PDEها پایه و اساس قوانین علمی را شکل داده اند و مبنایی برای مدل سازی رنج وسیعی از پدیده های علمی و مهندسی به شمار می روند. بنابراین از COMSOL Multiphysics در محدوده گسترده ای از موارد مختلف می توان استفاده کرد. مثال هایی از این قبیل کاربرد ها در ذیل بیان شده است:
- صوت
- Bioscience
- واکنش های شیمیایی
- نفوذ
- الکترومغناطیس
- دینامیک سیالات
- پیل های سوختی و الکتروشیمی
- زمین شناسی
- انتقال حرارت
- سیستم های میکرو الکترومکانیکی(MEMS)
- نور
- فتونیک
- جریان در محیط های متخلخل
- مکانیک کوانتوم
- فرکانس های رادیویی
- اجسام نیمه هادی
- ساختار مکانیکی
- پدیده های انتقال
- پخش امواج.
بسیاری از کاربردهای عملی شامل کوپل کردن همزمان معادلات PDE چند فیزیکه در سیستم می شوند. برای مثال، مقاومت الکتریکی یک جسم هادی اغلب با دما تغییر می کند و مدل هادی جریان باید شامل اثرات مقاومت حرارتی نیز باشد. در ساختار COMSOL Multiphysics مدل هایی برای محدوده وسیعی از مسائل وجود دارد. برای این منظور، ماژول هایی در نرم افزار طراحی شده است. این ماژول از اصطلاحات فنی و روش های خاصی برای ایجاد یک هماهنگی خاص در جهت ساده سازی تجزیه و تحلیل مدل ها استفاده می نمایند. COMSOL Multiphysics شامل ماژول های زیر می باشد:
- ماژول AC/DC
- ماژول صوت
- ماژول مهندسی شیمی
- ماژول Earth Science
- ماژول انتقال حرارت
- ماژول MEMS
- ماژول RF
- ماژول ساختار مکانیکی.
مراحل شبیه سازی در COMSOL Multiphysics را می توان به شش مرحله کلی تقسیم بندی کرد:
۱- تعریف معادلات حاکم بر فرآیند و انتخاب بعد فضایی سیستم مورد بررسی
۲- تعریف هندسه سیستم در محیط نرم افزاری
۳- تعیین شرایط مرزی.
۴- تعیین خصوصیات فیزیکی و شرایط عملیاتی سیستم و وارد نمودن حدس های اولیه حل.
۵- Meshing و انتخاب Solver لازم و حل سیستم مورد بررسی.
۶- Post processing و نحوه پردازش پاسخ ها
شرح پروژه:
در این پروژه شبیه سازی مدهای فیبر نوری تک حالته(SMF) و چندحالته(MMF) در نرم افزار کامسول (COMSOL) انجام شده است.
نمونه نتایج فیبر نوری تک حالته(SMF):
نمونه نتایج فیبر نوری چند حالته(MMF):
