ویژگی های فیبرهای نوری (قسمت 2)

خواص هندسی و نوری فیبرهای نوری

خواص هندسی

ویژگی های هندسیفیبرهای نوریارتباط نزدیکی با ساخت و ساز و{0}}اتصالات کم تلفات دارند. این ویژگی های هندسی شامل قطر هسته، ابعاد روکش، متمرکز بودن الیاف و غیر دایره ای بودن است.

(1) قطر هسته: قطر هسته یک نیاز برای فیبرهای نوری چند حالته است. ITU{2}}T قطر هسته فیبرهای نوری چند حالته را (50 ± 3) میکرومتر مشخص می کند.

(2) قطر بیرونی: قطر بیرونی فیبر نوری به قطر فیبر لخت اشاره دارد. صرف نظر از اینکه فیبر چند حالته یا تک حالته باشد، ITU{3}}T قطر بیرونی فیبرهای نوری مورد استفاده برای ارتباط را به صورت ({4}}) میکرومتر مشخص می‌کند.

(3) متمرکز بودن الیاف و دایره بودن{1}}از-: هم مرکز بودن نسبت فاصله بین مرکز هسته و مرکز روکش به قطر هسته است. دایره‌ای-خارج-شامل دایره‌ای بیرون- هسته و روکش است و می‌تواند با فرمول زیر بیان شود:

در فرمول، D_حداکثرو D_دقیقهحداکثر و حداقل قطر هسته (روکش) هستند. D_شرکتقطر استاندارد هسته (روکش) است.

ITU{0}}T مشخص می کند که: خطای تمرکز فیبر چند حالته باید کمتر از 6٪ باشد. غیر دایره‌ای هسته باید کمتر از 6% باشد (شامل حالت تک-). غیر دایره ای روکش باید کمتر از 2% باشد. و خطای تمرکز فیبر یک حالت- باید 1μm باشد.

خواص نوری

خواص نوری فیبرهای نوری عاملی حیاتی در تعیین عملکرد انتقال آنها است.

(1) توزیع ضریب شکست: توزیع ضریب شکست فیبرهای چند حالته پهنای باند فیبر و از دست دادن اتصال را تعیین می کند. توزیع ضریب شکست فیبرهای تک حالته انتخاب طول موج عملیاتی را تعیین می کند. فرمول کلی ضریب شکست فیبرهای نوری به شرح زیر است:

در فرمول، فاصله از محور فیبر است. n(0) ضریب شکست هسته فیبر است که r=0; g ضریب توزیع ضریب شکست است که دارای مقادیر متفاوتی است که منجر به توزیع های مختلف ضریب شکست می شود، همانطور که در شکل 2-2 نشان داده شده است. شعاع هسته فیبر (μm) است. و △اختلاف نسبی ضریب شکست است.

ضریب شکست هسته: وقتی r < ,n(r)=n(0)[1-2△(r/a)^g]^1/2
ضریب شکست روکش: وقتی r بزرگتر یا مساوی n=n(r)=n(0)[1-2△]^1/2

(2) دیافراگم عددی (NA) فیبر نوری ارتباط نزدیکی با راندمان جفت منبع نور، حساسیت از دست دادن فیبر به خم شدن میکرو، و پهنای باند دارد. دیافراگم عددی بزرگتر اتصال را تسهیل می کند، حساسیت میکروخمشی را کاهش می دهد و منجر به پهنای باند باریک تر می شود. حداکثر دیافراگم عددی نظری به صورت زیر تعریف می شود:

در فرمول، n ضریب شکست هسته یکنواخت فیبر استپ-است (ضریب شکست n(0) مرکز هسته فیبر درجه بندی شده-شاخص); ng ضریب شکست روکش یکنواخت است.

(3) قطر میدان حالت قطر میدان حالت را می توان با تابع انتقال میدان حالت اساسی Ea تعریف کرد، یعنی عرض بین دو نقطه 1/é در منحنی رابطه بین تابع انتقال میدان حالت اساسی Ea و r شعاعی قطر میدان مد است.

تخمین قطر میدان قالب: 2S.=2入/(πn√△)

در فیبر حالت تک -به جای قطر هسته از قطر میدان حالت استفاده می شود. دلیل آن این است که الیاف با قطر هسته یکسان، توزیع های میدان حالت متفاوتی تحت توزیع های مختلف ضریب شکست دارند و عملکرد انتقال فیبر به توزیع میدان حالت بستگی دارد.

برای ساخت، اگر قطر میدان حالت در اتصال فیبر مطابقت نداشته باشد، انحراف زیاد باعث افزایش تلفات اتصال خواهد شد. ITU{1}}T قطر میدان حالت را به صورت (9-10) ± 1 میکرومتر مشخص می کند.

(4) طول موج قطع (شرط انتقال یک حالت{1}) طول موج قطع شرطی است که فیبر یک حالته- انتقال یک حالته- را تضمین کند. فراتر از این طول موج، حالت LP مرتبه دوم دیگر منتشر نمی شود. طول موج قطع با سایر پارامترها متفاوت است زیرا ثابت نیست اما با طول تغییر می کند. این مستلزم آن است که طول موج قطع فیبر تک حالته کوچکتر از طول موج عملیاتی سیستم ارتباط نوری باشد. در حال حاضر، طول موج قطع فیبر تک حالته 1.10 تا 1.28 میکرومتر است که با اختلاف ضریب شکست نسبی Δ و شکل مقطع تعیین می‌شود.

اثرات غیر خطی فیبرهای نوری

در سیستم‌های ارتباطی فیبر نوری با ظرفیت{0}بالا-سرعت بالا با تقویت‌کننده‌های فیبر دوپ‌شده اربیوم{{2}(DWDM) امروزی (DWDM)، فیبرهای نوری طول‌موج‌های متعدد و توان بالا را انتقال می‌دهند. این توان نوری بالا به دلیل برهمکنش سیگنال و فیبر می تواند اثرات غیرخطی مختلفی ایجاد کند. اگر این اثرات غیرخطی به درستی سرکوب نشوند، می توانند به شدت بر عملکرد سیستم تأثیر بگذارند و فاصله تکرار شونده قابل بازسازی را محدود کنند. خطی بودن یا غیرخطی بودن به ویژگی های نور در محیط انتقال اشاره دارد، نه ویژگی های خود نور. با این حال، وجود یک میدان نوری خواص محیط را تغییر می دهد. هنگامی که یک محیط تحت یک میدان نوری قوی قرار می‌گیرد، الکترون‌های درون اتم‌ها یا مولکول‌هایی که محیط را تشکیل می‌دهند جابه‌جا می‌شوند یا ارتعاش می‌کنند و باعث قطبش می‌شوند. امواج دوقطبی در محیط پلاریزه ظاهر می‌شوند و این دوقطبی‌ها امواج الکترومغناطیسی با فرکانس یکسان را ساطع می‌کنند که روی میدان فرودی اولیه قرار می‌گیرند و به کل میدان نوری در محیط تبدیل می‌شوند. این نشان می دهد که تغییرات در خواص محیط، به نوبه خود، بر میدان نوری تأثیر می گذارد.

اثرات غیر خطی فیبرهای نوری را می توان به دو دسته تقسیم کرد: پراکندگی تحریک شده و اغتشاش ضریب شکست.

◇ پراکندگی تحریک‌شده در سیستم‌های مدوله‌شده که در آن سیگنال‌های نوری با امواج صوتی یا ارتعاشات سیستم در فیبرهای نوری تعامل دارند، رخ می‌دهد. یعنی میدان نوری مقداری انرژی را به محیط غیرخطی منتقل می کند. پراکندگی رامان تحریک شده و پراکندگی بریلوین تحریک شده از این دسته هستند.

پراکندگی رامان تحریک شده (SRS) توسط مدولاسیون (تعامل) ارتعاشات مولکولی در محیط بر روی نور فرودی (به نام نور پمپ) ایجاد می شود که منجر به پراکندگی نور فرودی می شود. فرکانس نور فرودی را فرض کنید، و فرکانس ارتعاشات مولکولی محیط را ν، سپس فرکانس های نور پراکنده شده ∞=∞∞ و ν=∞، +∞ هستند. این پدیده پراکندگی رامان تحریک شده نامیده می شود. نور پراکنده با فرکانس ∞ موج استوکس نامیده می شود. نور پراکنده با فرکانس ν را موج ضد{6}}استوکس می نامند.

◇در قدرت نوری کم، ضریب شکست فیبر شیشه سیلیس به دلیل اختلال ضریب شکست ثابت می ماند. با این حال، هنگام استفاده از تقویت کننده فیبر بالاست برای به دست آوردن توان نوری بالا، تغییر شدت سیگنال ارسالی می تواند باعث تغییر در ضریب شکست فیبر شود. سه اثر غیرخطی ناشی از اغتشاش ضریب شکست عبارتند از: مدولاسیون خود-فاز (SPM)، مدولاسیون متقاطع-فاز (CPM) و چهار-اختلاط موج.

مدولاسیون خود{0}فاز (SPM) به پدیده ای اشاره دارد که در آن فاز پالس نوری در طول انتقال تغییر می کند و منجر به گسترش طیف پالس می شود. SPM ارتباط نزدیکی با تمرکز بر خود دارد. اگر شدید باشد، در سیستم‌های مالتی پلکسی تقسیم طول موج متراکم (DWDM)، گسترش طیفی می‌تواند به کانال‌های مجاور همپوشانی داشته باشد.

خواص مکانیکی و دمایی فیبرهای نوری

خواص مکانیکی فیبرهای نوری

خواص مکانیکی فیبرهای نوری بسیار مهم است. فیبرهای نوری کوارتز مورد استفاده در ارتباطات رشته های شیشه ای نازکی با قطر بیرونی تقریباً 125 میکرومتر هستند. شیشه یک ماده بسیار سخت، غیر{3}}شکن و شکننده است. حد قدرت آن توسط نیروی پیوند پیوندهای Si-O در ساختار آن تعیین می شود. از نظر تئوری، تنش لازم برای شکستن پیوندهای اتمی Si{7}}O بین 19600-24500 نیوتن بر میلی‌متر مربع تخمین زده می‌شود، بنابراین، یک فیبر نوری با قطر خارجی تقریباً 125 میکرومتر می‌تواند مقاومت کششی 294 نیوتن را تحمل کند. هنگامی که فیبر تحت نیروی خارجی قرار می‌گیرد، حتی یک ترک بسیار کوچک می‌تواند منبسط و منتشر شود و باعث شکستگی فاجعه‌بار شود که قدرت شکستن فیبر را به شدت کاهش می‌دهد (تقریباً 1/4 مقدار نظری). بنابراین، از توسعه تا کاربرد{18}در مقیاس بزرگ فیبرهای نوری، تلاش، منابع و بودجه قابل توجهی برای غلبه بر این چالش‌ها سرمایه‌گذاری شده است. در حال حاضر، بخش‌های تحقیقات، ساخت، کابل‌کشی و ساخت‌وساز در حال بررسی بیشتر چگونگی بهبود استحکام کششی و عمر مفید فیبرهای نوری هستند.

استحکام کششی فیبرهای نوری موجود در بازار نباید کمتر از 2.35 نیوتن نیروی کششی باشد. در حال حاضر، استحکام کششی فیبرهای نوری تجاری موجود به 0.5% کرنش یا 432 گرم نیروی کششی رسیده است. فیبرهای نوری مورد استفاده داخلی برای پروژه های مهندسی معمولاً دارای استحکام کششی بیشتر از 400 گرم نیروی کششی هستند. فیبرهای نوری خارجی با کیفیت بهتر دارای استحکام کششی بیش از 700 گرم نیروی کششی هستند و فیبرهای مورد استفاده برای کابل های زیردریایی به استحکام بیشتری نیاز دارند. این الزامات برای استحکام کششی فیبرهای نوری از طریق روش های غربالگری در طول فرآیند تولید فیبر به دست می آید.

طول عمر فیبر نوری معمولاً به عنوان عمر مفید آن شناخته می شود. از دیدگاه عملکرد مکانیکی، عمر مفید به طول عمر شکستگی آن اشاره دارد. در ساخت و مهندسی فیبرهای نوری و کابل ها، عمر مفید 20 سال به طور کلی طراحی شده است. با این حال، عمر واقعی فیبرهای نوری به دلیل تأثیر محیط عملیاتی (مانند دما، رطوبت، و خستگی استاتیکی و دینامیکی) کاملاً سازگار نیست. برآوردهای فعلی نشان می دهد که فیبرهای نوری طراحی شده برای طول عمر 20 ساله ممکن است در واقع بین 30 تا 40 سال دوام بیاورند.

مشخصات دمایی فیبرهای نوری

ویژگی های دمایی فیبر نوری به تأثیر دماهای بالا و پایین بر اتلاف فیبر اشاره دارد که به طور کلی منجر به افزایش تلفات می شود. اتلاف الیاف در شرایط دمای بالا و پایین افزایش می یابد زیرا مواد مورد استفاده در پوشش و روکش الیاف رزین ها و پلاستیک های آلی هستند که ضریب انقباض و انبساط بسیار بیشتری نسبت به کوارتز دارند. بنابراین، در دماهای پایین، فیبر نیروی فشاری محوری را تجربه می‌کند که باعث خمش میکرو می‌شود، در حالی که در دماهای بالا، نیروی کشش محوری را تجربه می‌کند، تنش ایجاد می‌کند و منجر به افزایش تلفات می‌شود. ویژگی های دمایی فیبر نوری نشان می دهد که با کاهش دما، از دست دادن فیبر نیز افزایش می یابد. هنگامی که دما به حدود -55 درجه کاهش می یابد، تلفات به طور چشمگیری افزایش می یابد و سیستم را غیرقابل استفاده می کند. در حال حاضر، ویژگی‌های دمای پایین{10}}فیبرهای نوری به سطح خوبی رسیده است. به طور کلی، در 20- درجه، افزایش تلفات کمتر از 0.1dB/km و برای الیاف با کیفیت بالا، کمتر از 0.05dB/km است.

عملکرد{0}در دمای پایین فیبرهای نوری بسیار مهم است. برای کابل‌ها و خطوط نوری در مناطق شمالی، عملکرد ضعیف در دمای پایین{2}به شدت بر کیفیت ارتباطات تأثیر می‌گذارد. بنابراین، در طول تولید فیبر نوری، انتخاب مواد پوشش و روکش مناسب و بهبود فرآیندها ضروری است. در طراحی مهندسی، انتخاب فیبرهای نوری با ویژگی های عالی ضروری است.