با اصول و مفاهیم فیبر نوری آشنا شوید

فیبرهای نوری بطور کلی از شیشه یا پلاستیک ساخته می شوند. قطر اکثر آنها تقریباً به اندازه یک موی انسان است و ممکن است چندین کیلومتر طول داشته باشد. نور در امتداد مرکز فیبر از یک سر به سر دیگر منتقل می شود و ممکن است سیگنالی را اعمال نماید. سیستم های فیبر نوری در بسیاری از زمینه ها عملکرد بهتری نسبت به هادی های فلزی دارند و بزرگترین مزیت آنها را ، می توان برخورداری از پهنای باند بیشتر دانست. طول موج نور این امکان را فراهم می کند تا سیگنالی که حاوی اطلاعات بسیار زیادی است، به راحتی منتقل شود.

از مزایای دیگر فیبرهای نوری می توان به موارد زیر اشاره نمود:

جداسازی الکتریکی - فیبر نوری نیازی به اتصال زمین ندارد. فرستنده و گیرنده هر دو از یکدیگر ایزوله هستند و خطر جرقه یا برق گرفتگی وجود ندارد.

مصون بودن از EMI - فیبرهای نوری در برابر تداخل الکترومغناطیسی (EMI) مصون هستند و هیچ تداخلی برای یکدیگر ایجاد نمی کنند.

اتلاف کمترتوان - این مزیت موجب می شود که از فیبر نوری در فواصل طولانی استفاده کنیم و به تقویت کننده های کمتری نیاز داشته باشیم.

سبک تر و کوچکتر - فیبر وزن کمتری دارد و به فضای کمی نیاز دارد. این در حالی است که سیم مسی حدوداً 13 برابر سنگین تر و فضای زیادی را اشغال می کند.

کاربردهای فیبر نوری

برخی از زمینه های اصلی کاربرد فیبرهای نوری عبارتند از:

1. ارتباطات - انتقال صدا، داده و ویدیو رایج ترین کاربردهای فیبر نوری است و این موارد عبارتند از:

- مخابرات

- شبکه های محلی (LAN)

- سیستم های کنترل صنعتی

- سیستم های اویونیک ( تحهیزات الکترونیکی هواپیما و ماهواره )

- سیستم های کنترل و ارتباطات نظامی

2. سنجش - فیبر نوری را می توان برای رساندن نور از یک منبع راه دور برای به دست آوردن فشار، دما یا اطلاعات طیفی استفاده کرد. این فیبر همچنین می تواند به طور مستقیم به عنوان یک مبدل برای اندازه گیری فشار، مقاومت الکتریکی و pH استفاده شود. تغییرات محیطی بر شدت نور، فاز و یا پلاریزاسیون تأثیر می‌گذارد به گونه‌ای که می‌توان از طریق فیبر آن را تشخیص داد.

3. انتقال انرژی - فیبرهای نوری می توانند سطوح بسیار بالایی از انرژی را برای کارهایی مانند برش لیزری، جوشکاری، علامت گذاری و حفاری ارائه دهند.

تصویر زیر یک فیبر نوری را نشان می دهد که از هسته (core)، روکش (cladding) و پوشش (coating) تشکیل شده است.

ساختار

همانطور که در شکل بالا قابل مشاهده است، یک فیبر نوری از سه عنصر متحدالمرکز اصلی تشکیل شده است: هسته، روکش و پوشش خارجی. هسته معمولاً از شیشه یا پلاستیک ساخته می شود، اگرچه بسته به طیف انتقال مورد نظر، گاهی اوقات از مواد دیگری نیز استفاده می شود.

هسته ، بخش انتقال نور فیبر است. روکش معمولاً از همان ماده هسته ساخته می شود، اما با ضریب شکست کمتر (معمولاً حدود 1٪ کمتر). این اختلاف شاخص باعث می شود تا بازتاب داخلی رخ دهد و نور در فیبر منتقل شود و از دیواره های جانبی خارج نگردد.

شکل زیر به خوبی نشان می دهد پرتویی از نور که از یک ماده به ماده دیگر با ضریب شکست متفاوت عبور می کند، در سطح مشترک خم یا شکسته می شود.

این پوشش معمولاً شامل یک یا چند لایه از یک ماده پلاستیکی برای محافظت از فیبر است. گاهی اوقات غلاف فلزی برای محافظت بیشتر به پوشش اضافه می شود.

فیبرهای نوری معمولاً با اندازه آنها مشخص می شوند و قطر خارجی هسته، روکش و پوشش آن ها معیار اندازه گیری هستند. به عنوان مثال، 62.5/125/250 به فیبری با قطر هسته 62.5 میکرومتر، روکش با قطر 125 میکرومتر و پوشش بیرونی با قطر 0.25 میلی متر اشاره دارد.

اصول

مواد نوری با ضریب شکستشان مشخص می شوند که به آن n می گویند. ضریب شکست یک ماده، نسبت سرعت نور در خلاء به سرعت نور در ماده است. هنگامی که یک پرتو نور از یک ماده به ماده دیگر با ضریب شکست متفاوت عبور می کند، پرتو در سطح مشترک ، خم (شکسته) می شود.

قانون شکست اسنل (Snell) رابطه زاویه نور قبل از برخورد و پس از شکست را نشان می‌دهد:

nI و nR شاخص های شکست موادی هستند که پرتو نور از طریق آنها شکسته می شود. I و R زوایای تابش و شکست پرتو هستند. اگر زاویه تابش بیشتر از زاویه بحرانی (معمولاً 82 درجه برای فیبرهای نوری) باشد، نور توسط فرآیندی به نام بازتاب داخلی، در کل کابل بازتاب می‌شود (شکل زیر).

حالت ها

هنگامی که نور به سمت پایین فیبر هدایت می شود (همانند امواج مایکروویو که به سمت پایین موج بر هدایت می شوند)، تغییر فاز در هر مرز بازتابی رخ می دهد. مسیرهای محدودی در فیبر نوری (معروف به حالت‌ها) وجود دارند که تغییر فاز را ایجاد کرده و انتقال را تقویت می نمایند. از آنجایی که هر حالت، در زاویه متفاوتی نسبت به محور فیبر رخ می دهد، هر یک طول متفاوتی را در فیبر، از ورودی به خروجی، طی می کند. فقط یک حالت، حالت مرتبه صفر (zero-order)، طول فیبر را بدون انعکاس از دیواره های جانبی طی می کند. این به عنوان یک فیبر تک حالته (single-mode) شناخته می شود. تعداد واقعی حالت هایی که می توان در یک فیبر نوری معین منتشر کرد، با طول موج نور، قطر و شاخص شکست هسته فیبر تعیین می شوند.

Attenuation

تضعیف (Attenuation) به پدیده از دست دادن توان نوری متوسط گفته می شود. سیگنال ها با انتشار در فیبر قدرت خود را از دست می دهند و پدیده تضعیف رخ می دهد. Attenuation بر حسب دسی بل (dB) و با استفاده از این رابطه اندازه گیری می شود:

Pin و Pout اشاره به قدرت نوری دارد که به فیبر وارد و از آن خارج می شود. جدول زیر قدرت از دست رفته در فیبر را بر حسب دسی بل نشان می دهد.

تضعیف وابسته به طول موج است. در انتهای منحنی انتقال، جذب چند فوتونی غالب است. تضعیف معمولاً بر حسب دسی بل در کیلومتر در یک طول موج مشخص بیان می شود. مقادیر معمولی از 10 دسی بل در کیلومتر برای فیبرهای step-index در 850 نانومتر تا چند دهم دسی بل در کیلومتر برای فیبرهای تک حالته (single-mode) در 1550 نانومتر متغیر است.

در ادامه دلایل اصلی پدیده تضعیف در فیبرهای نوری را شرح خواهیم داد:

1. پراکندگی رایلی - تغییرات در مقیاس میکروسکوپی در ضریب شکست ماده هسته می تواند باعث پراکندگی قابل توجهی در پرتو شود که منجر به از دست رفتن میزان قابل توجهی از توان نوری می شود. پراکندگی رایلی وابسته به طول موج بوده و در طول موج های بلندتر اهمیت کمتری دارد.

2. جذب – فیبرهای نوری با روش های نوینی تولید می شوند که جذب ناشی از ناخالصی ها (به ویژه آب) را بسیار کاهش داده است. در باند انتقال فیبر، تلفات جذب ناچیز است.

3. خمیدگی – در بعضی موارد هنگام تولید فیبرهای نوری، خمیدگی های کوچکی ممکن است در هندسه الیاف ایجاد شود. گاهی اوقات این خم‌ها به اندازه‌ای بزرگ هستند که باعث می‌شوند نور درون هسته با زاویه کمتر از زاویه بحرانی به رابط هسته/روکش برخورد کند تا نور در مواد روکشی از بین برود. این همچنین می تواند زمانی رخ دهد که فیبر در یک شعاع محکم (مثلاً کمتر از چند سانتی متر) خم شود.

همانطور که در تصویر زیر مشاهده می کنید، دیافراگم عددی به زاویه ورود پرتوها به فیبر و به قطر هسته بستگی دارد.

روزنه عددی

دیافراگم عددی (NA)، که در شکل 4 نشان داده شده است، اندازه گیری حداکثر زاویه ای است که در آن پرتوهای نور وارد فیبر شده و به سمت پایین هدایت می شوند. NA با استفاده از فرمول زیر بدست می آید:

پراکندگی

همانطور که پالس‌های نوری طول فیبر را طی می‌کنند، با گذشت زمان بازتر یا طولانی‌تر می‌شوند. به این پدیده پراکندگی گفته می شود. پالس‌ها در عملکرد یکدیگر تداخل ایجاد می کنند و داده ها را نابود می کنند و پراکندگی نیز موجب ایجاد محدودیت بیشتر می شود. سه دلیل اصلی برای این گسترش وجود دارد:

1. پراکندگی رنگی - طول موج ها با سرعت های مختلف در فیبر حرکت می کنند. از آنجایی که منابع نوری معمولی به جای یک خط طیفی مجزا، انرژی را در یک سری یا محدوده طول موج ارائه می‌کنند، پالس‌ها باید در طول فیبر پخش شوند. لیزرهای پرسرعت مورد استفاده در ارتباطات دارای مشخصات خروجی طیفی بسیار باریکی هستند که تأثیر پراکندگی رنگی را تا حد زیادی کاهش می دهد.

2. پراکندگی مودال - حالت های مختلف فیبر در زوایای مختلف منعکس می شوند و به سمت پایین فیبر پیش می روند. از آنجایی که هر زاویه مودال طول مسیر متفاوتی را برای پرتو ایجاد می کند، حالت های مرتبه بالاتر به انتهای خروجی فیبر در پشت حالت های مرتبه پایین تر می رسند.

3. پراکندگی موج بر - این دلیل جزئی برای پراکندگی به دلیل هندسه فیبر است و منجر به سرعت های متفاوت انتشار برای هر یک از حالت ها می شود.

پهنای باند

پهنای باند، میزان ظرفیت حمل داده یک فیبر نوری را اندازه گیری می کند و به عنوان حاصل ضرب فرکانس داده و مسافت طی شده (معمولاً MHz-km یا GHz-km) بیان می شود. به عنوان مثال، فیبر با پهنای باند 400 مگاهرتز می تواند 400 مگاهرتز را در مسافت 1 کیلومتر ارسال کند یا می تواند 20 مگاهرتز داده را در 20 کیلومتر ارسال کند. مقادیر معمولی برای انواع مختلف فیبر به شرح زیر است:

انتقال نیرو

مقدار توانی که یک فیبر می تواند منتقل کند (بدون آسیب) معمولاً بر حسب "حداکثر چگالی توان قابل قبول" بیان می شود. چگالی توان حاصل ضرب حداکثر توان خروجی لیزر و مساحت پرتو لیزر است. به عنوان مثال، یک پرتو لیزر 15 واتی که بر روی یک نقطه با قطر 150 میکرومتر متمرکز شده است، چگالی توان تولید می کند.

خروجی لیزر پالسی (معمولاً بر حسب میلی ژول انرژی در هر پالس مشخص می شود) ابتدا باید به توان در هر پالس تبدیل شود. به عنوان مثال، یک لیزر پالسی که 50 میلی ژول را در یک پالس 10 ثانیه ای تولید می کند، توان خروجی برابر است با

سپس چگالی توان را می توان از اندازه نقطه محاسبه کرد.

برای انتقال حداکثر مطلق انرژی به پایین یک فیبر، وجوه انتهایی فیبر باید کاملاً صاف و صیقلی باشد و عمود بر محور فیبر و پرتو نور باشد. همچنین، قطر تیر نباید بیشتر از نیمی از مساحت هسته (یا قطر هسته) باشد. اگر پرتو به طور مناسب متمرکز نشود، ممکن است مقداری از انرژی به داخل روکش بریزد که به سرعت می تواند به الیاف سیلیسی با پوشش پلیمری آسیب برساند. به همین دلیل بهتر است از الیاف سیلیس با روکش سیلیس در کاربردهای با چگالی توان بالاتر استفاده شود.

انواع فیبر

اساساً سه نوع فیبر نوری وجود دارد: تک حالته (single mode)، multimode graded index و multimode step-index. آنها با نحوه حرکت نور در فیبر مشخص می شوند که هم به طول موج نور و هم به هندسه مکانیکی فیبر بستگی دارند. نمونه هایی از نحوه انتشار نور در شکل زیر نشان داده شده است.

تک حالته (Single Mode)

فقط حالت single-order در فیبر تک حالته منتقل می شود. پرتو نور مستقیماً از میان فیبر عبور می کند و هیچ بازتابی از دیواره های جانبی روکش هسته صورت نمی پذیرد. فیبر تک حالته با مقدار cutoff طول موج مشخص می شود که به قطر هسته، NA و طول موج عملکرد بستگی دارد. در زیر طول موج cutoff، حالت های higher-order نیز ممکن است منتشر شوند که ویژگی های فیبر را تغییر می دهند.

از آنجایی که فیبر تک حالته فقط حالت اصلی را منتشر می کند، پراکندگی مودال (علت اصلی همپوشانی پالس) حذف می شود. بنابراین، پهنای باند با فیبر تک حالته بسیار بیشتر از یک فیبر چند حالته است. به این معنی است که پالس ها می توانند در زمان بسیار نزدیک به هم بدون همپوشانی منتقل شوند. به دلیل این پهنای باند بالاتر، فیبرهای تک حالته در تمام سیستم های ارتباطی دوربرد مدرن استفاده می شود. قطر هسته معمولی بین 5 تا 10 میکرومتر است.

تعداد واقعی حالت‌هایی که می‌توان از طریق فیبر منتشر کرد به قطر هسته، دیافراگم عددی و طول موج نور بستگی دارد.

a شعاع هسته، λ طول موج و n شاخص هسته و روکش است. شرط عملکرد تک حالته این است که:

شاید مهمترین و مفیدترین مورد، طول موج cutoff باشد. طول موج cutoff، طول موجی است که به فیبر اجازه انتشار حالت های متعدد را می دهد و می تواند به صورت زیر بیان شود:

یک فیبر معمولاً با طول موج cutoff انتخاب می شود. برای لیزرهایی که معمولاً به عنوان منبع استفاده می شوند (با طول موج های خروجی بین 850 تا 1550 نانومتر)، قطر هسته فیبر تک حالته در محدوده 3 تا 10 میکرومتر است.

Multimode graded index

قطر هسته فیبرهای چند حالته بسیار بزرگتر از فیبرهای تک حالته است. در نتیجه، حالت های higher-order نیز منتشر می شوند.

هسته در یک فیبر درجه بندی شده دارای ضریب شکست است که به طور شعاعی و مداوم از مرکز به سطح مشترک روکش کاهش می یابد. در نتیجه، نور در لبه هسته سریعتر از مرکز حرکت می کند. این امر پراکندگی مودال در فیبر را تا حد زیادی کاهش می دهد.

در نتیجه، فیبرهای درجه بندی شده دارای پهنای باندی هستند که به طور قابل توجهی بیشتر از فیبرهای step-index است، اما همچنان از فیبرهای تک حالته کمتر هستند. قطر هسته معمولی فیبرهای graded-index عبارتند از: 50، 62.5 و 100 میکرومتر وکاربرد اصلی آن ها در ارتباطات میان برد مانند شبکه های محلی است.

Multimode step index

هسته یک فیبر step index دارای ضریب شکست یکنواخت تا سطح مشترک روکش است که در آن شاخص به شکل پله ای تغییر می کند. از آنجایی که حالت‌های مختلف در یک فیبر step index، طول مسیرهای متفاوتی را در سفر خود از فیبر طی می‌کنند، فواصل انتقال داده باید کوتاه باشد تا از مشکلات پراکندگی قابل‌توجهی جلوگیری شود.

الیاف step index با قطر هسته 100 تا 1500 میکرومتر در دسترس هستند. از آنها بطور گسترده در پزشکی و صنایع گوناگون استفاده می گردد.