امروزه، هیچچیز بهاندازه توسعه و اجرای فیبر نوری دنیای ارتباطات را تغییر نداده است. فیبرهای نوری از شیشه یا پلاستیک ساخته میشوند. قطر اکثر آنها تقریباً بهاندازه یک موی انسان است و میتوانند چندین کیلومتر طول داشته باشند. نور در امتداد مرکز فیبر از یک سر، به سر دیگر منتقل میشود و میتواند به یک سیگنال اعمال شود. سیستمهای فیبر نوری در بسیاری از کاربردها نسبت به هادیهای فلزی برتری دارند. بزرگترین مزیت آنها پهنای باند است. به دلیل طولموج نور، امکان انتقال سیگنالها وجود دارد که حاوی اطلاعات بسیار بیشتری نسبت به یک هادی فلزی – حتی یک هادی کواکسیال – باشند.
یک فیبر نوری از سه بخش متحدالمرکز اصلی تشکیل شده است: هسته، روکش و پوشش خارجی (شکل 1).
شکل ۱: هسته، روکش و پوشش فیبر نوری
هسته معمولاً از شیشه یا پلاستیک ساخته میشود، اگرچه بسته به طیف انتقال موردنظر، گاهی اوقات از مواد دیگری نیز برای ساخت آن استفاده میشود.
هسته بخش انتقال نور فیبر است. روکش معمولاً از همان ماده هسته ساخته میشود، اما با ضریب شکست کمی کمتر (معمولاً حدود 1٪ کمتر). این اختلاف ضریب باعث میشود که بازتاب داخلی کل در مرز ضریب در طول فیبر اتفاق بیفتد تا نور به درون فیبر منتقل شود و از دیوارههای جانبی خارج نشود.
پوشش معمولاً شامل یک یا چندلایه از مواد پلاستیکی برای محافظت از فیبر در برابر محیط فیزیکی است. گاهی اوقات غلاف فلزی برای محافظت فیزیکی بیشتر به پوشش اضافه میشود.
فیبرهای نوری معمولاً با اندازهشان مشخص میشوند که برای قطر خارجی هسته، روکش و پوشش داده میشود. برای مثال، 62.5/125/250 به فیبری با هسته قطر 62.5 میکرومتر، روکش با قطر 125 میکرومتر و پوشش بیرونی با قطر 0.25 میلیمتر اشاره دارد.
مواد نوری با ضریب شکستشان مشخص میشوند که آن را با n نشان میدهند. ضریب شکست یک ماده، نسبت سرعت نور در خلاء بهسرعت نور در ماده است. هنگامی که یک پرتو نور از یک ماده به ماده دیگر با ضریب شکست متفاوت عبور میکند، پرتو در سطح مشترک خم میشود (یا شکسته میشود) (شکل ۲).
شکل ۲: پرتویی از نور که از یک ماده به ماده دیگر با ضریب شکست متفاوت عبور میکند، در سطح مشترک خم یا دچار شکست میشود.
انکسار (شکست) توسط قانون اسنل (Snell’s law) توصیف میشود:
قانون اسنل (Snell’s law)
که در آن nI و nR ضرایب انکسار موادی هستند که پرتو از طریق آنها دچار شکست میشود و I و R زوایای تابش و شکست پرتو هستند. اگر زاویه تابش بیشتر از زاویه بحرانی برای مرز (معمولاً حدود 82 درجه برای فیبرهای نوری) باشد، نور بدون از دست دادن توسط فرایندی به نام بازتاب داخلی کل (Total Internal Reflection) بازتاب میشود (شکل ۳).
شکل ۳: بازتاب داخلی کل اجازه میدهد تا نور در داخل هسته فیبر باقی بماند.
هنگامی که نور به سمت پایین فیبر هدایت میشود (همانطور که امواج مایکروویو از یک موجبر به سمت پایین هدایت میشوند)، تغییر فاز در هر مرز بازتابی رخ میدهد. تعداد گسسته محدودی از مسیرها در فیبر نوری (معروف به حالتها (Modes)) وجود دارد که تغییر فاز سازنده (همفاز و بنابراین افزایشی) ایجاد میکند که انتقال را تقویت میکند.
ازآنجاکه هر حالت در زاویه متفاوتی نسبت به محور فیبر رخ میدهد، زیرا پرتو در طول حرکت میکند، هر یک طول متفاوتی را در فیبر از ورودی به خروجی طی میکند. فقط یک حالت، یعنی حالت مرتبه صفر، طول فیبر را بدون انعکاس از دیوارههای جانبی طی میکند. این مورد بهعنوان یک فیبر تکحالته شناخته میشود. تعداد واقعی حالتهایی که میتوان در یک فیبر نوری معین منتشر کرد، با طولموج نور و قطر و شاخص یا ضریب شکست هسته فیبر تعیین میشود.
سیگنالها با انتشار در فیبر قدرت خود را از دست میدهند که این مورد بهعنوان تضعیف پرتو (Beam Attenuation) شناخته میشود. میرایی برحسب دسیبل (dB) با رابطه زیر اندازهگیری میشود:
فرمول میرایی
که در آن Pin و Pout به توان نوری وارد شده و خروجی از فیبر اشاره دارد. جدول زیر توان تلفشده در فیبر را برای چندین مقدار تضعیف بر حسب دسیبل نشان میدهد.
جدول توان تلفشده در فیبر
تضعیف فیبر نوری وابسته به طولموج است. در انتهای منحنی انتقال، جذب چند فوتونی غالب است. تضعیف معمولاً بر حسب دسیبل در کیلومتر در یک طولموج مشخص بیان میشود. مقادیر معمولی از 10 دسیبل در کیلومتر برای فیبرهای ضریب گام در 850 نانومتر تا چند دهم دسیبل در کیلومتر برای فیبرهای تکحالته در 1550 نانومتر متغیر است.
دلایل مختلفی برای تضعیف فیبر نوری وجود دارد:
روزنه عددی (Numerical aperture) یا NA که در شکل ۴ نشاندادهشده است، اندازهگیری حداکثر زاویهای است که در آن پرتوهای نور وارد فیبر شده و به سمت پایین هدایت میشوند.
شکل ۴: روزنه عددی به زاویه ورود پرتوها به فیبر و به قطر هسته فیبر بستگی دارد.
این مقدار با معادله زیر نشان داده میشود:
فرمول محاسبه روزنه عددی
همانطور که پالسهای نوری طول فیبر را طی میکنند، از نظر زمان باز یا طولانی میشوند. این پدیده پراکندگی (Dispersion) نامیده میشود. ازآنجاکه پالسها در نهایت بهقدری از مرحله خارج میشوند که شروع به همپوشانی با یکدیگر و خرابکردن دادهها میکنند، پراکندگی یک حد بالایی را برای قابلیتهای انتقال داده فیبر تعیین میکند. سه دلیل اصلی برای این امر وجود دارد:
پهنای باند ظرفیت انتقال داده یک فیبر نوری را اندازهگیری میکند و بهصورت حاصلضرب فرکانس داده و مسافت طی شده (معمولاً MHz-km یا GHz-km) بیان میشود.
بهعنوانمثال، فیبر با پهنای باند 400 مگاهرتز میتواند 400 مگاهرتز را برای مسافت 1 کیلومتر ارسال کند یا میتواند 20 مگاهرتز داده را برای 20 کیلومتر ارسال کند. محدودیت اولیه در پهنای باند، گسترش پالس است که از پراکندگی مودال و رنگی فیبر حاصل میشود. مقادیر معمولی برای انواع مختلف فیبر در جدول زیر آورده شده است.
جدول پهنای باند فیبر نوری
مقدار توانی که یک فیبر میتواند منتقل کند (بدون آسیب) معمولاً بر حسب حداکثر چگالی توان قابلقبول بیان میشود. چگالی توان حاصلضرب حداکثر توان خروجی لیزر و مساحت پرتو لیزر است. بهعنوانمثال، یک پرتو لیزر 15 واتی متمرکز روی نقطهای به قطر 150 میکرومتر، چگالی توان تولید میکند.
معادله انتقال توان فیبر
خروجی یک لیزر پالسی (معمولاً بر حسب میلیژول انرژی در هر پالس مشخص میشود) ابتدا باید به توان در هر پالس تبدیل شود. بهعنوانمثال، یک لیزر پالسی که 50 میلیژول در یک پالس 10 ثانیهای تولید میکند، توان خروجیاش برابر است با:
محاسبه توان خروجی فیبر
سپس چگالی توان را میتوان 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 پرتو نباید از تقریباً نصف مساحت هسته (یا قطر هسته) بیشتر باشد.
اگر پرتو بهدرستی متمرکز نشود، ممکن است مقداری از انرژی به داخل روکش منتقل شود که بهسرعت میتواند به الیاف سیلیس پوشیده شده با پلیمر آسیب برساند. به همین دلیل، بهتر است از الیاف سیلیس با روکش سیلیس در کاربردهای با چگالی توان بالاتر استفاده شود.
اساساً سه نوع فیبر نوری وجود دارد:
این انواع با نحوه حرکت نور در فیبر مشخص میشوند و هم به طولموج نور و هم به هندسه مکانیکی فیبر بستگی دارند. نمونههایی از نحوه انتشار نور در شکل ۵ نشاندادهشده است.
شکل ۵: حالتهای انتقال فیبر
فقط حالت مرتبه صفر اساسی در فیبر تک حالته منتقل میشود. پرتو نور مستقیماً از فیبر عبور میکند و هیچ بازتابی از دیوارههای جانبی روکش هسته ندارد. فیبر تک حالته با مقدار قطع طولموج مشخص میشود که به قطر هسته، NA و طولموج عملکرد بستگی دارد. در زیر طولموج قطع، حالتهای مرتبه بالاتر نیز ممکن است منتشر شوند که ویژگیهای فیبر را تغییر میدهد.
ازآنجاکه فیبر تک حالته فقط حالت پایه را منتشر میکند، پراکندگی مودال (علت اصلی همپوشانی پالس) حذف میشود؛ بنابراین، پهنای باند با یک فیبر تک حالته بسیار بیشتر از یک فیبر چند حالته است.
این امر به این معنی است که پالسها میتوانند در زمان بسیار نزدیک به هم بدون همپوشانی منتقل شوند. به دلیل این پهنای باند بالاتر، فیبرهای تک حالته در تمام سیستمهای ارتباطی دوربرد مدرن استفاده میشوند. قطر هسته معمولی بین 5 تا 10 میکرومتر است.
تعداد واقعی حالتهایی که میتوان از طریق یک فیبر منتشر کرد به قطر هسته، روزنه عددی و طولموج نور ارسالی بستگی دارد. این عوامل ممکن است در پارامتر فرکانسِ نرمالشده یا عدد V ترکیب شوند:
محاسبه تعداد حالت های فیبر
که در آن، a شعاع هسته، λ طولموج و n ضریب هسته و روکش است. شرط عملکرد تک حالته به صورت زیر است:
شرط عملکرد تک حالته فیبر
شاید پارامتر مهمتر و مفیدتر طولموج قطع باشد. طولموج قطع طولموجی است که در زیر آن فیبر اجازه انتشار حالتهای متعدد را میدهد و میتواند بهصورت زیر بیان شود:
طول موج فیبر
یک فیبر معمولاً با طولموج قطع کمی کمتر از طولموج موردنظر انتخاب میشود. برای لیزرهایی که معمولاً بهعنوان منبع استفاده میشوند (با طولموجهای خروجی بین 850 تا 1550 نانومتر)، قطر هسته فیبر تک حالته در محدوده 3 تا 10 میکرومتر است.
قطر هسته فیبرهای چندحالته بسیار بزرگتر از فیبرهای تکحالته است. در نتیجه، حالتهای مرتبه بالاتر نیز منتشر میشوند.
هسته در یک فیبر درجهبندیشده دارای ضریب شکست است که به طور شعاعی به طور مداوم از مرکز به سطح مشترک روکش کاهش مییابد. در نتیجه، نور در لبه هسته سریعتر از مرکز حرکت میکند. حالتهای مختلف در مسیرهای منحنی با زمان سفر تقریباً مساوی حرکت میکنند. این امر پراکندگی مدال در فیبر را تا حد زیادی کاهش میدهد.
در نتیجه، فیبرهای درجهبندیشده دارای پهنای باندی هستند که به طور قابلتوجهی بیشتر از فیبرهای شاخص پلهای است، اما همچنان بسیار کمتر از فیبرهای تک حالته است. قطر هسته معمولی فیبرهای درجهبندیشده 50، 62.5 و 100 میکرومتر است. کاربرد اصلی فیبرهای درجهبندیشده در ارتباطات میانبرد مانند شبکههای محلی است.
هسته یک فیبر ضریب پلهای دارای ضریب شکست یکنواخت تا سطح مشترک روکش است که در آن ضریب به شکل پلهای تغییر میکند. ازآنجاکه حالتهای مختلف در یک فیبر ضریب پلهای، طول مسیرهای متفاوتی را در مسیر خود از طریق فیبر طی میکنند، فواصل انتقال داده باید کوتاه باشد تا از مشکلات پراکندگی معین قابلتوجهی جلوگیری شود.
فیبرهای ضریب پلهای با قطر هسته 100 تا 1500 میکرومتر در دسترس هستند. این فیبرها برای کاربردهایی که به چگالی توان بالا نیاز دارند، مانند تحویل توان لیزری پزشکی و صنعتی، مناسب هستند.
از مزایای فیبر نوری میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
برخی از زمینههایی که فیبر نوری کاربرد اصلی را در آنها دارد، در ادامه شرح داده شدهاند.
نویسنده شو !
سیسوگ با افتخار فضایی برای اشتراک گذاری دانش شماست. برای ما مقاله بنویسید.