مقاله شبیه سازیفیبر های با هسته پلیاستارین ، پلیمر ، سیلیکا و تاثیر آن ها بر روی پاشندگی و توان خروجی

بخشی از مقاله

چکیده 

این مقاله سیستم ارتباط نوري را که شامل فرستنده، گیرنده و فیبر نوري تشکیل شده از مواد مختلف را توصیف میکند. مواد به کار رفته در فیبرهاي نوري، بر روي توان خروجی، ضریب کیفیت و پاشندگی یک سیستم ارتباط نوري تاثیر میگذارند، براي این منظور در این مقاله سه نوع فیبر نوري شامل فیبر یک هسته از پلی استایرن و روکش پلیمر PMMA، فیبر دو هسته از پلی رزیست و روکش سیلیکا، فیبر سه هسته از پلی استارین و روکش رزین سیلیکون در مسافتها و توانهاي ورودي مختلف بررسی میشوند.

شبیهسازي ها حاکی از آن است که فیبر دوم، هسته از ماده پلیرزیست و روکش از ماده سیلیکون، ضریب کیفیت، انتقال توان بهتر و پاشندگی کمتري نسبت به دو فیبر دیگر دارد. همچنین در توان ورودي 30dB سه نوع فیبر ذکر شده، عملکرد بهتري دارند. در این راستا شبیهسازي براي سیستم مورد نظر توسط نرم افزار OPTISYSTEM13 انجام میشود..

.1 مقدمه

رشد روزافزون سرویسهاي مخابراتی و مطرح شدن سرویسهاي جدید با پهناي باند بالا موجب گردید تا سیستمهاي مخابراتی به استفاده از روشهاي پیشرفتهتر، با قابلیت هاي بالاتر گرایش پیدا کنند . یکی از مهمترین پیشرفتها، استفاده از سیستمهاي نوري میباشد. فیبرهاي نوري یکی از محیطهاي انتقال داده با سرعت بالا میباشند. پالسهاي نور براي انتقال دادهها از طریق تارهایی که از مواد مختلف ساخته شدهاند، بهره میگیرند

فیبرهاي نوري پلاستیکی به دلایلی نظیر رشد سریع تکنولوژي فیبرهاي نوري شیشهاي به توانایی واقعی خود دست نیافتهاند. همچنین به دلیل سرعت انتقال پایین فیبرهاي نوري پلاستیکی، کاربرد این قبیل فیبرها در مسافتهاي کوتاه میباشد. فیبرهاي نوري پلاستیکی 1POF با ضریب شکست تدریجی مورد تقاضاي زیاد مشتري براي ارائه سرویسهایی با سرعت بالا است .

این امر به دلیل دارا بودن پهناي باند و انتقال توان نوري بالاي آنها میباشد. اینگونه فیبرهاي نوري با هسته بزرگ و قیمت پایین داراي مزایاي متعددي هستند. از جمله این مزایا آن است که هسته بزرگ آنها با استفاده از اتصالات پلاستیکی - تزریقی قالبی - ارزان قیمت، موجب شده تا قیمت دستگاههاي رابط مانند کارت رابط شبکه و هزینه نصب به طور چشمگیري کاهش یابد

فیبرهاي نوري پلاستیکی در واقع همان هندسه فیبرهاي نوري سیلیکایی را دارا میباشند که از یک هسته و روکش تشکیل شدهاند . گسترهاي از پلیمرهاي نوري در ساخت فیبرهاي نوري پلاستیکی مورد استفاده قرار میگیرند که از جمله آنها پلی متاکریلات - PMMA - میباشد

فیبرنوري با الیاف شیشه سیلیکا از ترکیب اکسید فلزي، سولفیدها و سلنیدها ساخته شدهاند. شیشه اکسیدي بیشتر براي ساختن شیشه شفاف نوري استفاده میشوند. رایجترین نوع آنها سیلیکا - SiO2 - با ضریب شکست 1/46 در 850 نانومتر میباشد. اختلاف ضریب شکست هسته و روکش فیبرها تاثیر زیادي بر روي ضریب کیفیت سیگنالخروجی دارد

در این مقاله سعی میشود سیستمهایی مبتنی بر ضریب شکست تدریجی با نرمافزار اپتی سیستم 13   پیاده سازي گردد و تاثیر پارامترهاي مختلف نظیر فاکتور کیفیت، توان کل خروجی و پاشندگی را در این شبکه مورد طراحی که فیبرهایی از جنس متفاوت استفاده نموده، بررسی خواهیم کرد و نهایتا طرح بهینه از نظر پارامترهاي مهم
در شبکه مخابرات نوري معرفی میگردد.

در بخش 2 ضریب شکست، در بخش 3 انواع مواد بکار رفته در فیبر نوري را توضیح می دهیم. بخش چهارم به شبیه سازیها و نتایج و بخش پنجم به نتیجه گیري اختصاص دارد.

.2 ضریب شکست

مطابق قانون اسنل نور در عبور از محیط رقیق به غلیظ شکسته میشود، چون سرعت آن در دو محیط مختلف، متفاوت است. براي تعیین میزان شکست پرتو نور و توصیف این پدیده، به هر محیط یک ضریب شکست اختصاص میدهیم که به سرعت نور در آن محیط بستگی دارد. هرچه ضریب شکست یک محیط بیشتر باشد، سرعت نور در آن کمتر است

ضریب شکست و یا کاهش سرعت نور در محیط با جنس ماده، مرتبط است. وقتی نور با محیطی برخورد میکند، میدان الکتریکی نور که با فرکانس بسیار بالایی در حال نوسان است، بارهاي مثبت و منفی محیط را به ارتعاش در آورده و دوقطبی ایجاد میکند. ضریب شکست به سختی ضریب فنریت این دو قطبیها بستگی دارد و این که با چه مقاومتی در مقابل نور به ارتعاش در میآید. نکته دیگر این است که با افزایش طول موج نور، ضریب شکست ماده کمتر میشود. زمانی که جذب صورت بگیرد، دیگر دو قطبیها به ارتعاش در نمیآیند و به جاي آن میدان الکتریکی تابیده شده، میرا گشته و جذب میشود

3.    انواع مواد بکار رفته در فیبر نوري

-    پلی متیل متاکریلات PMMA

-    الیاف پلیمري پلی استایرن PS

-    الیاف شیشه سیلیکا

-1-3 پلی متیل متاکریلات 2 PMMA

موادي که براي ساخت POF استفاده میشوند، ترموپلاستیک - پلی متیل متاکریلات - هستند.PMMASIPOF ، داراي میرایی حداقل حدود 150dB/km می باشند که این به خاطر پراکندگی رایلی و جذب پیوندهاي CH است. به علاوه تلفات ناشی از ساختار موجبر وجود دارد، علیالخصوص زمانی که نتایج میرایی روکش مورد توجه قرار بگیرد 

-2-3 الیاف پلیمري پلی استایرن

پلی استایرن یکی دیگر از مواد مناسب براي ساختن POFها میباشد. پلی استایرن، پلیمر آروماتیک مصنوعی است که از مونومر استایرن ساخته میشود. این پلیمر ترموپلاستیک به صورت جامد و یا فوم و با استفاده از فرایندهایی نظیر اکستروژن قابلیت تبدیل به محصول نهایی را دارد. پلی استایرن ششمین پلاستیک پرمصرف در دنیا است. استایرن مایعی بی رنگ و همانند سایر مواد آروماتیک بابو است. نقطه جوش آن 146 درجه سلیسیوس و چگالی آن 0/9 گرم بر سانتی متر مکعب است. وزن مخصوص پلی استایرن حدود 1/04 – 1/09 است و در دماي 90 درجه سانتیگراد نرم میشود. این پلیمر سخت، شکننده و شفاف است و نور معمولی را تا حدود 90 درصد از خود عبور میدهد. جذب رطوبت توسط این پلیمر بسیار کم و در حدود 0/03 تا 0/1 درصد وزنی است. همچنین پلیمر مزبور از نظر الکتریسیته عایق بسیار خوبی است

-3-3 الیاف شیشه سیلیکا 4

براي تولید دو نوع ماده مشابه که ضریب شکست آنها در هسته و روکش تفاوت محسوسی دارند، باید اکسیدهاي مختلفی به سیلیکا اضافه گردد. بیشتر اجزاي شن و ماسه ساحل از سیلیکا هستند

برخی از شیمیدانان، رابطه بین اتم هاي سیلیس و اکسیژن در سیلیکاتهاي مختلف را مشابه رابطه اتم و COهاي کربن و اکسیژن در ترکیبات آلی دانستهاند. سیلسیم با اکسیژن ترکیب شده و CO2 دي اکسید کربن را تشکیل میدهد. SiO و SiO2 ترکیب جامد و پایدار ﻣﯽﺑﺎﺷﺪ

در طبیعت هرگاه در درجه حرارت 25 درجه سانتی گراد، میزان سیلیس محلول در آب از حدود 120 تا 140 باشد و در چنین حالتی محلول به صورت - Si - OH بالاتر برود، از نظر شیمیایی کمپلکسPPM 4 اشباع در آمده و سبب رسوب سیلیس به صورت ژل و تشکیل بلورهاي اولیه کوارتز - فراوانترین کانی سیلیس - میگردد. بلورهاي مصنوعی کوارتز که در صنعت مورد مصرف قرار میگیرد، نیز طی چنین فرآیندي تولید میشوند. بنابراین میتوان گفت که اگر در طبیعت مقدار سیلیس محلول در آب کمتر از 210 باشد، سیلیس موجود در آب به صورت محلول باقی مانده و هیچگونه کریستالی تشکیل نمیشود، فقط در زمانی که میزان سیلیس محلول در آب از حد PPM 410 بگذرد، تولید بلورهاي کوارتز شروع میشود

.4 شیبه سازي و نتایج

در این بخش تاثیر مواد مختلف بر روي سیستمهاي ارتباط نوري با ضریب شکست تدریجی مورد مطالعه قرار گرفته است. سه نوع فیبر نوري به دلیل تاثیرشان بر روي فاکتور کیفیت، توان خروجی کلی و پراکندگی در گیرنده، مورد آزمایش و بررسی قرار میگیرند. مطالعه عملکرد در تمامی طولهاي فیبر 4،3،2،1 کیلومتر با شبیه سازي یک مدل از سیستم ارتباطی انجام گرفته است، که نرم افزارOPTISYSTEM13 براي چنین شبیه سازي استفاده میشود.

-1-4 اجزا سیستم انتقال طراحی شده

-    مولد پالس نوري که براي تولید سیگنال حاوي اطلاعات مورد استفاده قرار میگیرد.

-    مولد پالس NRZ که سیگنال اطلاعات را براي جلوگیري از به وجود آمدن خطا در گیرنده، کدگذاري میکند. در این روش سیگنالها به صفر بین بیتها بازگشت نمیشود.

-    لیزر که سیگنال موج پیوسته CW با طول موج 850 نانومتر و متغیر توان ورودي تولید میکند. - سیگنال حامل را تولید میکند -

-    مدو لاتور ماخ زندر که پالس خروجی NRZ را با سیگنال موج پیوسته CW مدوله میکند.

-    انشعاب 1xN که توان را به چهار شاخه تقسیم می-کند. - کوپلر ستارهاي -

-    فیبرنوري با ضریب شکست تدریجی

اولین فیبر، داراي هسته از جنس پلی استایرنPS با ضریب

شکست 1/57، قطر 200 میکرومتر و روکش پلیمري PMMA با ضریب شکست 1/49، قطر 6 میکرومتر میباشد .[10] دومین فیبر، داراي هستهاي از جنس پلیرزیست با ضریب شکست 1/49 با قطر 62/5 میکرومتر و روکش سیلیکون با ضریب شکست 1/46 با قطر 125 میکرومتر میباشد .[11] سومین فیبر، داراي هسته ساخته شده از رزین پلیاستارین با ضریب شکست 1/57، قطر 100 میکرومتر و روکش از جنس رزینسیلیکون با ضریب شکست 1/52، قطر 140 میکرومتر میباشد .[12] تمام فیبرها تضعیفی برابر با 2/61 dB/km دارند.

-    تقویت کننده نوري EDFA که براي جبران سیگنال از دست رفته فیبر میباشد.

-    آشکارساز PIN ، سیگنال نوري را به سیگنال الکتریکی تبدیل میکند. طول موج لیزر 850 نانومتر میباشد.

-2-4 مدل طراحی شده سیستم ارتباط نوري

در مدل طراحی شده شکل یک، سینگال حاوي اطلاعات توسط مولد پالس تولید می شود. سپس توسط NRZ رمز گذاري میشود. سیگنال تولید شده، توسط ماخزندر با سیگنال حامل مدوله و از طریق سه مسیر ارسال می شود. در گیرنده ابتدا تقویت و سپس سیگنال پیام آشکارسازي می شود.