ویژگی های فیبرهای نوری

بعد ازسیگنال های نوری حرکت می کننددر فاصله معینی از فیبر نوری، آنها دچار تضعیف و اعوجاج می شوند و باعث می شود پالس های سیگنال نوری ورودی و خروجی متفاوت باشند. این به صورت تضعیف دامنه و گسترش شکل موج پالس های نوری ظاهر می شود. علت این پدیده وجود اتلاف و پراکندگی در فیبر نوری است. تلفات و پراکندگی مهمترین پارامترهایی هستند که ویژگی های انتقال فیبرهای نوری را توصیف می کنند و فاصله انتقال و ظرفیت سیستم را محدود می کنند. این بخش در درجه اول مکانیسم ها و ویژگی های از دست دادن و پراکندگی فیبر نوری را مورد بحث قرار می دهد.

★ویژگی های فیبرهای نوری (قسمت 2)

ویژگی های از دست دادن فیبر نوری

از دست دادن فیبر نوری منجر به تضعیف سیگنال می شود، از این رو افت فیبر نوری را تضعیف نیز می نامند. با افزایش فاصله در فیبر نوری، شدت سیگنال نور کاهش می یابد، به شرح زیر: P(z)=P(0) /10 - (4) که در آن P(z) توان نوری در فاصله انتقال z است. P(0) ورودی برق نوری به فیبر نوری است، یعنی توان نوری تزریق شده در z=0; (λ) ضریب تضعیف فیبر نوری در طول موج بر حسب dB/km است. و L فاصله انتقال است.

وقتی t=L، ضریب تضعیف فیبر به صورت تعریف می‌شود

(λ)=(10/L) lg[P(0)/P(L)]

هنگامی که طول موج کاری λ dB باشد، اگر ضریب تضعیف بر حسب واحد دسی بل در هر کیلومتر اندازه گیری شود، A(λ) (واحد dB است) به صورت زیر بیان می شود:

A(λ)=10 lg[P(0)/P(L)]

ارتباطات فیبر نوری در کنار پیشرفت های مستمر در تولید فیبر نوری، به ویژه کاهش اتلاف فیبر، توسعه یافته است. از دست دادن فیبر یکی از عوامل اصلی تعیین کننده فاصله رله در یک سیستم ارتباطی فیبر نوری است. عوامل زیادی در از دست دادن فیبر نقش دارند، در درجه اول از دست دادن جذب، از دست دادن پراکندگی، و تلفات اضافی، و مکانیسم های زیربنایی این تلفات بسیار پیچیده هستند. بحث زیر از فیبر نوری سیلیکا به عنوان مثال برای توضیح علل مختلف از دست دادن استفاده می کند.

از دست دادن جذب

کاهش جذب عمدتاً شامل جذب ذاتی، جذب ناخالصی (رادیکال‌های OH) و جذب نقص ساختاری است. جذب ذاتی شامل جذب مادون قرمز و ماوراء بنفش است.

جذب مادون قرمز جذب انرژی نوری است که در اثر رزونانس مولکولی هنگام عبور نور از شیشه کوارتز متشکل از SiO2 ایجاد می شود. به عنوان مثال، پیک جذب Si-O در 9.1 میکرومتر، 12.5 میکرومتر، و 21.3 میکرومتر است، و از دست دادن جذب فیبر نوری تا 10 دسی بل در کیلومتر در 9.1 میکرومتر است. جذب اشعه ماوراء بنفش انرژی جذب می شود که الکترون ها برای انتقال به سطوح انرژی بالاتر توسط امواج نوری برانگیخته می شوند. این جذب در ناحیه فرابنفش اتفاق می افتد و بنابراین معمولاً جذب ماوراء بنفش نامیده می شود. مواد شیشه‌ای حاوی یون‌های فلزات واسطه مانند آهن و مس، و همچنین یون‌های OH- هستند. جذب ناخالصی از دست دادن ناشی از جذب انرژی نور توسط مراحل الکترونی ایجاد شده توسط ارتعاشات یونی تحت تحریک موج نور است. به عنوان مثال، در 1.39 میکرومتر، هنگامی که غلظت یون OH{15}} 1 × 10-6 باشد، میرایی 60 دسی بل در کیلومتر است.

از دست دادن پراکنده

اتلاف پراکندگی اتلافی است که انرژی نوری را به صورت پراکندگی از فیبر نوری خارج می کند. ناشی از چگالی غیریکنواخت-در فیبر است. انواع اصلی تلفات پراکندگی در فیبرهای نوری شامل پراکندگی رایلی، پراکندگی Mie، پراکندگی بریلوین تحریک شده، پراکندگی رامان تحریک شده، عیوب ساختاری اضافی و پراکندگی خمشی و پراکندگی نشتی است.

در طول تولید فیبر نوری، حرکت حرارتی مولکول‌ها در شیشه مذاب باعث نوسانات چگالی و ضریب شکست در ساختار آن می‌شود که به نوبه خود باعث پراکندگی نور می‌شود. پراکندگی ناشی از ذرات بسیار کوچکتر از طول موج نور را پراکندگی ریلی می نامند. پراکندگی ناشی از ذرات هم طول موج نور را پراکندگی Mie می نامند.

پراکندگی رایلی علت اصلی از بین رفتن فیبر است. پراکندگی رایلی دارای خاصیت متناسب بودن با 1/λ از طول موج کوتاه است، یعنی R=K/λ. ثابت تناسب K به ساختار و ترکیب شیشه مربوط می شود. به طور کلی، هر چه دمای انتقال شیشه ای بالاتر باشد و ترکیب آن پیچیده تر باشد، تلفات پراکندگی رایلی بیشتر می شود.

پراکندگی رایلی تحت تأثیر شدت نور فرودی است. از سوی دیگر، پراکندگی بریلوین تحریک‌شده و پراکندگی رامان تحریک‌شده، زمانی اتفاق می‌افتد که چگالی انرژی نور از یک مقدار بالا تجاوز کند و در اثر تعامل بین نور و محیط ایجاد شود.

تلفات اضافی

تلفات اضافی (یا تلفات کاربردی) تلفاتی هستند که از منابع خارجی ناشی می‌شوند، مانند مواردی که در اثر پیچش الیاف یا فشار جانبی در حین ساخت، نصب و بهره‌برداری ایجاد می‌شود، که منجر به خمش ماکرو-خم شدن و میکرو- فیبر می‌شود.

علل از دست دادن فیبر در شکل خلاصه شده است:

ویژگی های پراکندگی فیبرهای نوری

در فیزیک، پراکندگی به پدیده ای اطلاق می شود که نور با رنگ های مختلف پس از عبور از یک محیط شفاف پراکنده می شود. یک پرتو نور سفید پس از عبور از یک منشور به یک نوار هفت-رنگ تقسیم می‌شود. این به این دلیل است که شیشه برای رنگ های مختلف (فرکانس های مختلف یا طول موج های مختلف) ضریب شکست متفاوتی دارد. هر چه طول موج بیشتر باشد (یا فرکانس کمتر)، ضریب شکست شیشه کمتر است. هر چه طول موج کوتاهتر باشد (یا فرکانس بالاتر)، ضریب شکست بالاتر است. به عبارت دیگر، ضریب شکست شیشه تابعی از فرکانس (یا طول موج) موج نور است. وقتی نور سفید متشکل از رنگ‌های مختلف در یک زاویه θ تابیده می‌شود، طبق قانون شکست (n=sinθ/n²)، رنگ‌های مختلف نور به دلیل مقادیر مختلف n² دارای زوایای شکست متفاوتی خواهند بود، بنابراین رنگ‌های مختلف نور از هم جدا می‌شوند و در نتیجه پراکندگی ایجاد می‌شود. از آنجایی که n=c/n (که در آن c سرعت نور است، c=3 × 10-6 m/s)، واضح است که رنگ‌های مختلف نور با سرعت‌های متفاوتی در داخل شیشه حرکت می‌کنند.

در نظریه انتشار فیبر نوری، معنای اصطلاح "پراکندگی" گسترش یافته است. در فیبرهای نوری، سیگنال ها توسط امواج نور با حالت ها یا فرکانس های مختلف حمل و ارسال می شوند. هنگامی که سیگنال به ترمینال می رسد، حالت ها یا فرکانس های مختلف امواج نور، تفاوت تاخیر انتقال را تجربه می کنند که باعث اعوجاج سیگنال می شود. این پدیده در مجموع پراکندگی نامیده می شود. برای سیگنال های دیجیتال، پراکندگی باعث گسترش پالس پس از انتشار یک فاصله معین در فیبر می شود. در موارد شدید، پالس های متوالی با هم تداخل پیدا می کنند و تداخل بین نمادی را ایجاد می کنند. بنابراین، پراکندگی پهنای باند انتقال فیبر نوری را تعیین می کند و سرعت انتقال سیستم یا فاصله تکرار کننده را محدود می کند. پراکندگی و پهنای باند همان ویژگی فیبرهای نوری است که از دیدگاه های مختلف توصیف شده است.

بر اساس علل پراکندگی، پراکندگی فیبر نوری عمدتاً به دو دسته تقسیم می شود: پراکندگی مدال، پراکندگی مواد، پراکندگی موجبر و پراکندگی حالت قطبی که در ادامه معرفی خواهد شد.

پراکندگی حالت

پراکندگی مودال به طور کلی در فیبرهای چند حالته وجود دارد. از آنجایی که حالت‌های متعدد در یک فیبر چند حالته همزیستی دارند و سرعت انتشار گروهی حالت‌های مختلف در امتداد محور فیبر متفاوت است، به ناچار در زمان‌های مختلف به پایانه می‌رسند و در نتیجه اختلاف تأخیر زمانی ایجاد می‌شود و پراکندگی بین‌وجهی شکل می‌گیرد و در نتیجه باعث گسترش عرض پالس می‌شود. گسترش پالس به دلیل پراکندگی مدال در شکل 2 نشان داده شده است-10. برای یک فیبر یک حالت ایده‌آل، از آنجایی که فقط یک حالت (حالت بنیادی - حالت LP یا HE) منتقل می‌شود، پراکندگی مودال وجود ندارد، اما پراکندگی حالت قطبی وجود دارد.

اکنون، ما حداکثر پراکندگی مودال یک فیبر چند حالته پله-را تخمین می زنیم. پراکندگی مودال یک فیبر چند حالته پله{2}}در شکل 2 نشان داده شده است-11. در یک فیبر چند حالته پله{7}}، دو پرتوی سریع و کند انتشار به ترتیب پرتو ① در امتداد محور و پرتو ② با زاویه بحرانی 0 درجه هستند. بنابراین، حداکثر پراکندگی حالت در یک فیبر چند حالته شاخص گام، اختلاف زمانی بین زمان صرف شده توسط پرتو ② (Tmax) و زمان صرف شده توسط پرتو ① (Tmin) برای رسیدن به پایانه، ΔT است._موکس: ΔT_موکس = T_حداکثر / T_دقیقه

با توجه به اپتیک هندسی، در فیبر نوری با طول L، اجازه دهید سرعت پرتوهای نور ① و ② در جهت محوری به ترتیب c/n و sinθ·c/n باشد. بنابراین، پراکندگی مودال فیبر نوری...

در فیبرهای نوری با هدایت ضعیف (فیبرهایی که n_iو n_iتفاوت بسیار کمی دارند)، A=(n_i- n)/n. اگر Δ=1%، n_i= 1.5 برای فیبرهای نوری سیلیس، و طول فیبر 1 کیلومتر است، سپس حداکثر پراکندگی بین وجهی ΔT_mرا می توان 50 ns محاسبه کرد. بنابراین، بدیهی است که هر چه طول الیاف بیشتر باشد، پراکندگی بین وجهی شدیدتر است. و هرچه اختلاف ضریب شکست نسبی Δ بیشتر باشد، پراکندگی بین وجهی شدیدتر است.

پراکندگی مواد

از آنجایی که ضریب شکست مواد فیبر نوری با طول موج نور تغییر می کند، سرعت گروهی فرکانس های مختلف سیگنال نوری متفاوت است و باعث اختلاف تاخیر انتقال می شود، پدیده ای که به عنوان پراکندگی مواد شناخته می شود. این پراکندگی به ویژگی های طول موج ضریب شکست مواد فیبر نوری و پهنای خط منبع نور بستگی دارد.

در سیستم های ارتباطی فیبر نوری دیجیتال، نور خروجی از منبع نور واقعی یک طول موج نیست، بلکه دارای یک پهنای خط طیفی مشخص است. از آنجایی که ضریب شکست ماده فیبر تابعی از طول موج است، سرعت انتشار نور در داخل آن (λ)=c/n(λ) نیز با طول موج متفاوت است. هنگامی که یک پالس نوری ساطع شده از منبع نوری با پهنای خط طیفی معین بر روی یک فیبر حالت منفرد برخورد می‌کند و منتشر می‌شود، پالس‌های نوری با طول‌موج‌های مختلف سرعت انتشار متفاوتی خواهند داشت و در نتیجه زمانی که به انتهای خروجی می‌رسند، اختلاف تاخیر زمانی ایجاد می‌شود و در نتیجه باعث گشاد شدن پالس می‌شود. این مکانیسم پراکندگی مواد است.

اگر سرعت گروه به u=da/dB شناخته شود، آنگاه تاخیر گروه در واحد طول T=1/v،=n،/c است. بنابراین، پراکندگی مواد یک فیبر نوری به طول L است...

در فرمول، c سرعت نور در خلاء است. λ ضریب شکست هسته فیبر است. λ طول موج نور است. و Aλ پهنای خط طیفی منبع نور است، جایی که Aλ=λ - λ، نشان دهنده محدوده طول موج در مرکز A است. به طور کلی، ضریب پراکندگی برای اندازه‌گیری بزرگی پراکندگی استفاده می‌شود. ضریب پراکندگی D (واحد: ps/(nm·km)) به صورت...

مشاهده می شود که ضریب پراکندگی، پراکندگی ناشی از یک منبع نور با پهنای خط طیفی واحد است که در طول واحد فیبر نوری منتشر می شود. اگر ضریب پراکندگی مواد فیبر نوری مشخص باشد، پراکندگی مواد را می توان به راحتی به صورت ΔTm=DmAAL محاسبه کرد.

مثال 2-1: فرض کنید حداکثر ضریب پراکندگی مواد یک فیبر نوری در طول موج 1.31 متر D=3.5ps/(nm·km) باشد. اگر از یک لیزر نیمه هادی با طول موج مرکزی 1.31 میکرومتر برای تولید نور عبوری با پهنای خط طیفی λ=4nm استفاده شود، پراکندگی مواد ناشی از انتشار این نور در طول یک کیلومتر فیبر نوری را محاسبه کنید.

راه حل: پراکندگی مواد فیبر نوری را می توان به راحتی به صورت زیر محاسبه کرد:

T_m = D_mLΔA=3.5ps/(nm·km) x 1km x 4nm=0.014ns=14ps

همانطور که در مثال 2-1 مشاهده می‌شود، پراکندگی مواد نسبتاً کوچک است، حتی از پراکندگی مودال یک فیبر چند حالته شاخص پله‌ای. همچنین باید توجه داشت که ضریب پراکندگی یک فیبر نوری (نه فقط ضریب پراکندگی مواد) می تواند مثبت یا منفی باشد. در فیبر نوری، تاخیر گروه (A) با طول موج حامل افزایش می یابد. به عبارت دیگر، امواج نور با طول موج کوتاه‌تر سریع‌تر منتشر می‌شوند. در این حالت، ضریب پراکندگی منفی است که به آن پراکندگی منفی می‌گویند. برعکس، امواج نوری با طول موج بلندتر، کندتر از امواج نوری با طول موج کوتاهتر منتشر می شوند.

در اینجا ضریب پراکندگی مثبت است که به آن پراکندگی مثبت می گویند. واضح است که اگر دو فیبر نوری با علائم ضریب پراکندگی مخالف با هم ذوب شوند، پراکندگی مواد بهبود می‌یابد.

پراکندگی موجبر

پراکندگی موجبر ΔTw به یک حالت هدایت شده خاص در یک فیبر نوری اشاره دارد. طول موج های مختلف ثابت های فاز متفاوتی دارند که در نتیجه سرعت های گروهی و در نتیجه پراکندگی متفاوتی ایجاد می شود. پراکندگی موجبر نیز به عوامل مختلفی مانند پارامترهای ساختاری فیبر نوری و اختلاف ضریب شکست نسبی بین هسته و روکش مرتبط است. بنابراین به آن پراکندگی ساختاری نیز می گویند.

پراکندگی حالت پلاریزاسیون

پراکندگی حالت قطبش نوعی پراکندگی منحصر به فرد برای فیبرهای نوری تک حالته-است. از آنجایی که فیبرهای تک حالته در واقع دو حالت قطبی متعامد متعامد را انتقال می دهند، میدان های الکتریکی آنها به ترتیب در امتداد جهت های x و y قطبی می شوند.

پهنای باند فیبر نوری

پراکندگی و پهنای باند فیبرهای نوری همان ویژگی را توصیف می کند. در واقع، پراکندگی میزان گسترش یک پالس نور در امتداد محور زمان پس از انتقال را توصیف می کند. این توصیفی از ویژگی های فیبر در حوزه زمانی است. از طرف دیگر پهنای باند این ویژگی را در حوزه فرکانس توصیف می کند. در حوزه فرکانس، برای یک سیگنال تعدیل‌کننده، فیبر نوری را می‌توان یک فیلتر پایین-در نظر گرفت. هنگامی که اجزای فرکانس{5}بالای سیگنال تعدیل کننده از آن عبور می کنند، به شدت ضعیف می شوند. یعنی اگر دامنه سیگنال ورودی (سیگنال تعدیل کننده) ثابت بماند، اما فقط فرکانس تغییر کند، دامنه سیگنال خروجی پس از ارسال از طریق فیبر با فرکانس سیگنال تعدیل کننده (سیگنال ورودی) تغییر می کند. TTU{8}}توصیه می‌کند که پهنای باند یک فیبر نوری [پهنای باند در هر کیلومتر] باشد.