فیبر نوری چیست؟ بررسی فنی و جامع فناوری فیبر نوری

ساختار فیبر نوری

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.

اصول عملکرد فیبر نوری 

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.

حالت‌ها

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.

تضعیف

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 P_in و P_out 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:

• پراکندگی رایلی (Rayleigh Scattering): تغییرات در مقیاس میکروسکوپی در شاخص (ضریب) شکست ماده هسته می‌تواند باعث پراکندگی قابل‌توجهی در پرتو شود و منجر به تلفات قابل‌توجهی در توان نوری شود. پراکندگی رایلی وابسته به طول‌موج است و در طول‌موج‌های بلندتر اهمیت کمتری دارد. این مهم‌ترین مکانیسم تلفات در فیبرهای نوری مدرن است که به‌طورکلی تا 90٪ از اتلافات را تشکیل می‌دهد.
• جذب (Absorption): روش‌های فعلی تولید، جذب ناشی از ناخالصی‌ها (به‌ویژه آب موجود در فیبر) را به سطوح بسیار پایین کاهش داده است. در باند گذر انتقال فیبر، تلفات جذب ناچیز است.
• خمش (Bending): روش‌های تولید می‌توانند خمیدگی‌های کوچکی را در هندسه فیبر ایجاد کنند. گاهی اوقات این خم‌ها به‌اندازه‌ای بزرگ هستند که باعث می‌شوند نور درون‌هسته به مرز هسته/روکش با زاویه بحرانی برخورد کند تا نور در مواد روکشی از بین برود. این امر همچنین می‌تواند زمانی رخ دهد که فیبر در یک شعاع محکم (مثلاً کمتر از چند سانتی‌متر) خم شود. حساسیت خمشی معمولاً بر حسب تلفات دسی‌بل در کیلومتر برای یک شعاع خمشی و طول‌موج خاص بیان می‌شود.

روزنه عددی

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

پراکندگی

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:

• پراکندگی رنگی (Chromatic Dispersion): طول‌موج‌های مختلف با سرعت‌های مختلف در فیبر حرکت می‌کنند. از آنجایی که منابع نوری معمولی به‌جای یک خط طیفی مجزا، انرژی را در یک سری یا محدوده طول‌موج ارائه می‌کنند، پالس‌ها باید در طول فیبر پخش شوند. لیزرهای پرسرعت مورداستفاده در ارتباطات دارای مشخصات خروجی طیفی بسیار باریکی هستند که تأثیر پراکندگی رنگی را تا حد زیادی کاهش می‌دهد.
• پراکندگی مودال (Modal Dispersion): حالت‌های مختلف فیبر در زوایای مختلف منعکس می‌شوند که به سمت پایین فیبر پیش می‌روند. ازآنجا که هر زاویه مودال طول مسیر متفاوتی را برای پرتو ایجاد می‌کند، حالت‌های مرتبه بالاتر به انتهای خروجی فیبر در پشت حالت‌های مرتبه پایین‌تر می‌رسند.
• پراکندگی موجبر (Waveguide Dispersion): این علت جزئی برای پراکندگی به دلیل هندسه فیبر است و منجر به سرعت‌های انتشار متفاوت برای هر یک از حالت‌ها می‌شود.

پهنای باند

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

انتقال توان 

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.

انواع فیبر نوری 

اساساً سه نوع فیبر نوری وجود دارد:

1. تک حالته (single mode)
2. ضریب درجه‌بندی‌شده چند‌حالته (multimode graded index)
3. ضریب پله‌ای چند‌حالته (multimode step-index)

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

تک‌حالته

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.

ضریب درجه‌بندی‌شده چند حالته

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.

ضریب پله‌ای چند حالته

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.

مزایای فیبر نوری 

از مزایای فیبر نوری می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• جداسازی (ایزولاسیون) الکتریکی: فیبر نوری نیازی به اتصال زمین ندارد. فرستنده و گیرنده هر دو از یکدیگر جدا هستند و بنابراین عاری از مشکلات حلقه زمین هستند. همچنین خطر جرقه یا برق‌گرفتگی وجود ندارد.
• رهایی از EMI: فیبرهای نوری در برابر تداخل الکترومغناطیسی (EMI) مصون هستند و خود هیچ تشعشعی برای ایجاد تداخل دیگر ساطع نمی‌کنند.
• اتلاف کم توان: فیبر نوری امکان اجرای کابل طولانی‌تر و تقویت‌کننده‌های تکرارکننده کمتر را فراهم می‌کند.
• سبکی و کوچک‌تر بودن: فیبر وزن کمتری دارد و به فضای کمتری نسبت به رساناهای فلزی با ظرفیت حمل سیگنال معادل نیاز دارد. سیم مسی حدود 13 برابر سنگین‌تر است. نصب فیبر نیز آسان‌تر است و به فضای کمتری نیاز دارد.

کاربردهای فیبر نوری 

برخی از زمینه‌هایی که فیبر نوری کاربرد اصلی را در آن‌ها دارد، در ادامه شرح داده شده‌اند. 

• ارتباطات: انتقال صدا، داده و ویدئو رایج‌ترین کاربردهای فیبر نوری هستند و این موارد عبارت‌اند از:
  • مخابرات
  • شبکه‌های محلی (LAN)
  • سیستم‌های کنترل صنعتی
  • سیستم‌های اویونیک (الکترونیک هوانوردی)
  • سیستم‌های فرماندهی، کنترل و ارتباطات نظامی
• سنجش: از فیبر نوری می‌توان برای رساندن نور از یک منبع راه دور به یک آشکارساز برای به‌دست‌آوردن فشار، دما یا اطلاعات طیفی استفاده کرد. این فیبر را همچنین می‌توان به طور مستقیم به‌عنوان مبدل برای اندازه‌گیری تعدادی از اثرات محیطی مانند کرنش، فشار، مقاومت الکتریکی و pH استفاده کرد. تغییرات محیطی بر شدت نور، فاز و/یا پلاریزاسیون تأثیر می‌گذارد، به‌گونه‌ای که می‌توان در انتهای دیگر فیبر آن را تشخیص داد.
• سیستم‌های نیرو (توان): فیبرهای نوری می‌توانند سطوح بسیار بالایی از توان را برای کارهایی مانند برش لیزری، جوشکاری، علامت‌گذاری و حفاری ارائه دهند.
• روشنایی: دسته‌ای از فیبرها که با یک منبع نور در یک انتها جمع شده‌اند، می‌توانند مناطقی مانند داخل بدن انسان، همراه با یک آندوسکوپ را که دسترسی به آن‌ها دشوار است، روشن کنند. همچنین، می‌توان از آن‌ها به‌عنوان تابلوی نمایش یا برای نورپردازی تزیینی استفاده کرد.