بخشی از مقاله
چکیده –
اخیراً ضرورت طراحی محیطی برای انتقال مدهای OAM که به صورت تئوری در محیط ایدهال میتوانند به مقدار نامحدود، دادههای مخابراتی را حمل کنند و نیز محدودیت فعلی ظرفیت انتقال داده در فیبرهای مرسوم و اهمیت افزایش ظرفیت انتقال داده، محققین زیادی را در این موضوع جذب کرده است.
در این مقاله، ضمن طراحی فیبری جهت انتشار مدهای OAM و HE11 در محیطهای مخابراتی به تحلیل تئوری مدهای OAM، گردابه های نوری، فیبرهای حلقهای و فیبر تکمد پرداخته شده است. ساختار فیبر حلقوی طراحی شده با شیار کمکی و هستهی مرکزی علاوه بر انتشار 10 مد OAM در حلقه فیبر میتواند مد پایهی HE11 را در هستهی فیبر که با شیار کمکی از حلقه فیبر جدا شده، انتشار دهد. در انتها، به روش المان محدود ضریب شکست موثر و اختلاف ضریب شکست بین مدها در بازهی باند مخابراتی C شبیه سازی شده است. با شبیه سازی مدی فیبر نوری حلقوی و بررسی اثر پارامترهای اصلی در طراحی فیبر نتایج مطلوب حاصل گردید.
-1 مقدمه
فیبرهای نوری تک مد، بیش از دو دهه با افزایش سه برابری ظرفیت انتقال داده با محدودیت فیزیکی غیرخطی فیبر نوری و نیز نظریه اطلاعات شنون - حداکثر نرخ ظرفیت کانال ارتباطی - به محدودیت ظرفیت انتقال داده نزدیک میشود.[1] از اینرو، در سالهای اخیر برای افزایش ظرفیت انتقال داده تحقیقات گستردهای در به کارگیری سیستمهای مدولاسیون تقسیم طول موج - WDM - و تقسیم قطبش - PDM - ، دامنه و فاز انجام شده است.
روشی جدید برای بهبود ظرفیت انتقال داده و غلبه بر محدودیت غیر خطی نیز استفاده از سیستمهای مدولاسیون فضایی - SDM - و مدولاسیون تقسیم مدی - MDM - در مخابرات نوری است. اولین رویکرد مبتنی بر سیستمهای مدولاسیون فضایی استفاده از فیبرهای چندهستهای است که باید همشنوایی بین هستهای در این فیبرها به حداقل برسد تا هستهها از هم مستقل و هر هسته بهعنوان یک موجبر مستقل انتقال داده عمل کند
دومین رویکرد مبتنی بر مدولاسیون تقسیم مدی که باید دو مشکل اساسی را رفع کند؛ همشنوایی بینمدی را کاهش دهد و همچنین طراحی تقسیمکننده مدی که بتواند مدهای نوری را از هم جدا و یا به هم تزویج کند.[11] اگرچه فیبرهای چندهستهای پتانسیل افزایش ظرفیت انتقال داده را دارا هستند اما ساخت آنها از فیبرهای چندمدی پیچیدهتر است
راه حل جدید برای غلبه بر همشنوایی بین مدی و جبران تأخیر تفاضل بین مدها، بهکارگیری پردازش دیجیتال سیگنالهای چند ورودی و چند خروجی - - MIMO-DSP مبتنی بر دریافت سیگنال صحیح با تشخیص همدوس است
چندین آزمایش مخابراتی کلاسیک و کوانتمی تعامد ذاتی مدهای OAM در فضای آزاد ثابت کردهاند و افزایش ظرفیت انتقالی داده در مسافتهای خیلی کوتاه فضای آزاد را نشان میدهند.[3] سیستمهای فضای آزاد به صورت تئوری میتوانند سطوح نامتناهی از مدهای OAM را پوشش دهند اما محدودیت در فیبرهای نوری پرتوهای OAM به علت تزویج مدها به طور ناپایدار هستند و فقط برای انتقال دادههای حجیم درمسافت کوتاه مثل مراکز داده استفاده شده اند
اخیراً، تکانه زاویهای چرخشی - OAM - در مخابرات نوری نشان میدهد که با مالتیپلکس آسانتر مدهای OAM به علت تعامد بین آنها، ظرفیت انتقال داده و بازده طیفی - SE - در انتقال داده نیز افزایش یافته است2]،6،[17 به طور مثال در هر طول موج در سیگنال WDM میتواند شامل چندین پرتو متعامد OAM باشد. فوتون ها با داشتن یک فاز چرخشی میدان الکتریکی متناسب با - H[S - LO میتواند تکانه زاویهای چرخشی را حمل کنند که l ضریب عدد صحیح و زاویه فضایی است.
در این مقاله، ابتدا به تحلیل تئوری مدهای OAM و فیبرهای حلقهای پرداخته میشود. سپس فیبر حلقوی با شیار کمکی و هسته مرکزی با ضریب شکست پلهای جهت انتقال 10 مد OAM و مد HE11 طراحی میشود. نتایج حاصل از روش عددی المان محدود در پهنای باند مخابراتی C از 1/520 تا 1/580 میکرومتر نشان میدهد، فاصلهی مناسب بین مدهای تشکیل دهنده مد OAM حاصل گردید.
-2 گردابه های نوری
نور از نظر فیزیک کلاسیک - موج - و فیزیک کوانتم - ذره - خواص مکانیکی دارد. یک گردابه نوری با شدت نور صفر در مرکز که با تغیر فاز از - تا احاطه شده و در جهت انتشار ادامه مییابد.[6] در مقاله نی و بری در سال 1974 خواص اصلی جابجایی امواج، پیشرفت زیادی داشته است.[7] اولین آزمایش صحیح مکانیک کوانتمی که از پرتو نوری با تکانه زاویهای چرخشی استفاده شد، توسط گروه زلینجر در سال 2001 اجرا شد.[8] گردابه نوری میتواند با مد مرتبه یک Laguerre- - LG - Gaussian به صورت معادله - 1 - بیان شود.
در معادله - U - 1 میدان نوری با مختصات استوانه ای، R شعاع پیچش، k عدد موج، w عرض پرتو نوری، w0 شعاع میانه پرتو و A ثابت دامنه میباشد. شکل 1و2 به ترتیب، شدت و فاز گردابه نوری محاسبه شده با معادله - 1 - در z=0 در طول موج یک میکرومتر است.
شکل.1 نمای شدت میدان در مد OAM
شکل.2 نمای فاز مد OAM
گردابه های نوری - OVs - ، تکانه زاویه ای چرخشی - OAM - به فرم یک مجموعه مدهای متعامد که در حالت ایدهال با بینهایت بعد را حمل میکند که در تئوری کوانتم، برابر با lh برای هر فوتون است2]،10،[11 که h ثابت پلانک و l ضریب بار است. در واقع، مدهای LP و OAM هر دو شامل ترکیبی خطی از مدهای ویژه برداری در فیبر نوری هستند. حل معادله ی موج برداری برای موجبر متقارن دایروی میتواند به مدهای HE, EH دسته بندی شوند، که با تقریبهای هدایت ضعیف - - WG، این مدها به گروه های مد با قطبش خطیLP ترکیب میشوند و به همین دلیل مدهای LP دارای ثابت انتشار مختلف هستند که باعث تأخیر بین مدی نیز میشوند.ولی مدهای OAM دقیقا دو مد ویژه برداری با ثابت انتشار برابر دارند که این تمایز بین این دو نوع مد نقشی اساسی در طراحی فیبر نوری و همچنین روش دریافت سیگنال از تقسیم کننده های پیام دارد.
شکل [8] 3 یکی از روشهای تولید پرتوی OAM رانشان میدهد، یک پرتوی OAM میتواند به وسیله ماسک فازی پیچشی که فاکتور فاز با - H[S - LO تغییر میکند، تولید شود. البته با این روش فقط فاز عرضی پرتوی ورودی را تغییر میدهد و جهت انتشار پرتوی ورودی را ثابت است البته با تداخل ماسک فازی و ماسک گریتینگ میتوان جهت پرتوی ورودی را تغییر داد که به طور کلی آنها را فاز چنگالی و یا الگوی چرخشی مینامند. اگرچه پرتوهای چرخشی مرسوم محدود میشوند زیرا قطر حلقه آنها به مرتبه بار l - تعداد پیچش در یک موج در واحد طول موج - وابسته است. این خواص ممکن است، مسائلی در تزویج چندین مد OAM به فیبر با هسته حلقوی ثابت محدود ایجاد کند.
شکل.3 یک صفحه هولوگرام که باعث تولید موج تخت به مد [8]OAM
شکل.4ساختار ترکیبی از مدهای در سال 2005، راماچاندران و همکارانش ثابت کردند که توزیع میدان الکتریکی پرتو نوری مدهای OAM در فیبرهای با ساختار حلقهای مناسبتر است.
هردو مد OAM و SAM به طور همزمان میتواند در پرتو نوری باشند؛ اگر قطبش نور حالت چرخشی، نور تکانه اسپین - SAM - دارد و اگر ساختار فازی آن حالت چرخشی باشد، نور به صورت تکانه زاویه چرخشی - OAM - است.[12] میدان الکتریکی مدهای OAM در فیبر نوری با معادله - 2 - بیان میشود
در معادله - 2 - ، E - r - میدان شعاعی مد و - H[S - LO وابستگی فازی مد و ثابت انتشار است. پس از حل معادله موج، دو مد OAM0,m که در واقع همان مدهای پایه HE1,m با دو قطبش چپگرد و راستگرد هستند و همواره دو مد OAM1,m هم راستا و با یک قطبش چرخشی هستند که دو کانال اطلاعات را حمل میکند.[12] البته مدهای TM و TE در تعریف مدهای OAM استفاده نمیشود. سایر مدهای OAM با مرتبه بالاتر میتواند چهار سطح مستقل اطلاعات را حمل کند که در معادلهی زیر خلاصه میشود
اساس مدهای OAM، ترکیبی از مدهای HE و [17] EH که مدهای HE با قطبش در جهت چرخش مد OAM و مد EH در جهت عکس مد OAM است و ساختار ترکیبی در شکل 4 نشان داده میشود.
-4 طراحی و تحلیل فیبر نوری
نوسانات در مقیاس میکرو و یا فشارهای عرضی تصادفی که طی مراحل ساخت ایجاد میشود منجر به تزویج بین مدی میشود. برای کاهش تزویج بین مدی، باید اختلاف ضریب شکست موثر بین مدهای انتشاری افزایش یابد. به منظور افزایش اختلاف ضریب شکست موثر بین مدی، مواد به کار رفته در فیبر طراحی شده با ضریب شکست بالا انتخاب شدهاند تا همشنوایی بین مدی کاهش یابد و همچنین با ساختار پلهای ضریب شکست که پروسه ساخت را نسبت به ساختار های با هستهی هوا و هسته با ضریب شکست تدریجی آسانتر میکند. فیبر با استفاده از مواد مشابه که در ساخت فیبر بهکار رفته[14] طراحی شده است. اختلاف ضریب شکست نسبی در فیبر با معادله - 5 - و - 6 - به ترتیب برای هسته و حلقه فیبر بیان میشود.
شکل5، طراحی ساختار ضریب شکست شیار کمکی و حلقه که در شبیهساز فیبر با مقادیر دقیق جدول 1 رسم شده است.
شکل .5 ساختار هسته ی فیبر نوری
