مقدمه ای بر فیبر نوری

در ارتباطات نوری، موجبر نوری مورد نیاز برای ارسال سیگنال‌های نوری از راه دور، یک موجبر دی الکتریک استوانه‌ای است که فیبر نوری نامیده می‌شود.فیبر نوری). فیبر نوری یک موجبر دی الکتریک است که در فرکانس های نوری کار می کند و انرژی نور را برای انتشار در جهتی موازی با محور خود هدایت می کند.

ساختار و طبقه بندی فیبرهای نوری

△اصل راهنمای فیبر نوری

ساختار فیبر نوری:

فیبر نوری (OF) یک فیبر دی الکتریک شفاف است که برای هدایت نور استفاده می شود. یک فیبر نوری کاربردی از چندین لایه دی الکتریک شفاف تشکیل شده است. ساختار معمولی یک فیبر نوری، همانطور که در شکل 2-1 نشان داده شده است، می تواند به سه لایه تقسیم شود: هسته با ضریب شکست بالاتر، روکش با ضریب شکست کمتر و پوشش بیرونی. ساختار هسته و روکش با الزامات هدایت نور مطابقت دارد و انتشار امواج نور را در امتداد هسته کنترل می کند. این پوشش عمدتاً یک عملکرد محافظتی دارد (از آنجایی که نور را هدایت نمی کند، می توان آن را در رنگ های مختلف رنگ کرد).

(شکل 2-1 ساختار یک فیبر نوری معمولی)

(1) هسته فیبر هسته فیبر در مرکز فیبر نوری (قطر 5 تا 80 میکرومتر) قرار دارد. ترکیب آن دی اکسید سیلیکون با خلوص{4} بالا است و مقادیر کمی از مواد ناخالصی مانند دی اکسید ژرمانیوم و پنتوکسید فسفر به آن اضافه شده است. هدف از افزودن این مقادیر کم مواد ناخالص افزایش مناسب ضریب شکست (n) هسته فیبر است. برای فیبرهای نوری ارتباطی، قطر هسته 5~10μm (فیبر تک حالته) یا 50~80μm (فیبر چند حالته) است.

(2) روکش فلزی: روکش در اطراف هسته فیبر قرار دارد (قطر آن تقریباً 125 میکرومتر است)، و ترکیب آن نیز دی اکسید سیلیکون با خلوص بالا- حاوی مقدار بسیار کمی ماده ناخالص است. نقش ناخالصی (مانند تری اکسید بور) کاهش مناسب ضریب شکست نوری (n2) روکش است و آن را کمی کمتر از ضریب شکست هسته فیبر می کند. برای برآوردن نیازهای مختلف هدایت نور، روکش را می توان به صورت یک لایه یا چند لایه ساخت.

(3) بیرونی ترین لایه فیبر نوری پوشش داده شده یک پوشش متشکل از آکریلات، لاستیک سیلیکون و نایلون است که استحکام مکانیکی و انعطاف پذیری فیبر نوری را افزایش می دهد. پوشش به طور کلی به یک پوشش اولیه و یک پوشش ثانویه تقسیم می شود. پوشش ثانویه یک لایه اضافی از مواد ترموپلاستیک است که بر روی پوشش اولیه اعمال می شود، از این رو به آن روکش نیز می گویند. قطر بیرونی فیبر نوری پوشش داده شده به طور کلی حدود 1.5 سانتی متر است.

ضخامت هسته فیبر، توزیع ضریب شکست مواد هسته، و ضریب شکست مواد روکشی نقش تعیین کننده ای در ویژگی های انتقال فیبر نوری دارند. مواد روکش معمولاً یک ماده همگن با ضریب شکست ثابت است. اگر چند لایه روکش وجود داشته باشد، ضریب شکست هر لایه روکش متفاوت است. ضریب شکست هسته فیبر می تواند یکنواخت باشد یا در امتداد شعاع هسته r تغییر کند. بنابراین، تابع توزیع ضریب شکست n(r) در امتداد شعاع معمولاً برای مشخص کردن تغییر در ضریب شکست هسته استفاده می‌شود.

طبقه بندی فیبرهای نوری:

این هم ترجمه انگلیسی متن از روی تصویر:

در حال حاضر انواع زیادی از فیبرهای نوری وجود دارد، اما روش‌های طبقه‌بندی آنها به طور کلی به 4 دسته تقسیم می‌شود: طبقه‌بندی بر اساس توزیع ضریب شکست فیبر، طبقه‌بندی بر اساس حالت انتقال، طبقه‌بندی بر اساس طول موج کار و طبقه‌بندی بر اساس پوشش و مواد روکش. علاوه بر این، با توجه به ترکیب فیبر نوری، علاوه بر فیبر نوری، متداول‌ترین اجزای فیبر نوری نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند. فیبر و فیبر نوری پلاستیک.

(1) طبقه بندی بر اساس توزیع ضریب شکست فیبر: را می توان به فیبر شاخص مرحله ای (SIF) و فیبر شاخص درجه بندی شده (GIF) تقسیم کرد.

فیبر نوری 1. ضریب شکست: به هسته فیبر و ناحیه روکش اشاره دارد که در آن توزیع ضریب شکست یکنواخت است، مقدار آن ثابت است، و توزیع ضریب شکست ساختاری پله-شبیه لایه‌ای را نشان می‌دهد. تغییر ضریب شکست مرحله-مثل است. توزیع ضریب شکست فیبر نوری با ضریب شکست در شکل 2-2 نشان داده شده است.

بیان توزیع ضریب شکست آن عبارت است از:

n(r) = {n_₁(r کمتر یا مساوی a_₁)

                 {n_₂ (a_₁< r کمتر یا مساوی a_₂)

فیبر نوری شاخص مرحله ای شکل ساختاری اولیه فیبر نوری است. بعداً، در فیبر نوری چند حالته، به تدریج با فیبر نوری شاخص درجه بندی شده جایگزین شد (زیرا فیبر نوری با شاخص درجه بندی شده می تواند تا حد زیادی پراکندگی رنگ مودال فیبر نوری چند حالته را کاهش دهد). با این حال، هنوز هم استفاده از آن برای انتقال نور پالسی در فیبرهای نوری نسبتاً رایج است. در حال حاضر، هنگامی که فیبر نوری تک حالته به تدریج جایگزین فیبر نوری چند حالته به عنوان محصول اصلی فیبر نوری تجاری می شود، ساختار فیبر نوری با شاخص پله به تنها شکل ساختاری فیبر نوری تک حالته تبدیل شده است - باید مانند مرحله- باشد.

2. فیبر نوری با شاخص درجه بندی شده: به فیبر نوری اطلاق می شود که توزیع ضریب شکست آن با شعاع r تغییر می کند. با افزایش فاصله از مرکز و به تدریج کاهش شعاع به تدریج کوچکتر می شود. قانون تغییر آن به طور کلی با قانون نمایی قدرت مطابقت دارد. هنگام رسیدن به هسته فیبر و رابط روکش فلزی، به مقادیر مربوط به روکش کوتاه می شود. در ناحیه روکش، توزیع ضریب شکست آن یکنواخت است، یعنی n2. توزیع ضریب شکست فیبر نوری درجه بندی شده در شکل 2-3 نشان داده شده است.

توزیع ضریب شکست آن به صورت زیر بیان می شود:

"در معادله، g عدد توزیع ضریب شکست است؛ مقادیر متفاوتی را در توزیع‌های ضریب شکست مختلف نشان می‌دهد؛ n1 ضریب شکست در مرکز هسته فیبر است؛ n2 ضریب شکست روکش است؛ a1 شعاع هسته است؛ Δ1 ضریب شکست نسبی است ({20} - n₂²)/2n1²=(n1 - n2)/n1.

دلیل اصلی کاهش پراکندگی بین وجهی فیبر نوری شاخص درجه بندی شده این است که پراکندگی مودال را کاهش می دهد، فاصله انتقال را افزایش می دهد و ظرفیت انتقال را افزایش می دهد.

(2) طبقه بندی بر اساس حالت انتقال:را می توان به فیبر چند حالته (MMF) و فیبر تک حالته (SMF) تقسیم کرد. همانطور که از نام آن پیداست، فیبر نوری چند حالته می‌تواند حالت‌های چندگانه را منتقل کند، در حالی که فیبر نوری تک حالته تنها می‌تواند حالت‌های حالت بنیادی و میدان الکتریکی را منتقل کند. عموماً اعتقاد بر این است که نسل جدید راه حل های انتقال باید تحت سلطه فیبر نوری تک حالته- باشد زیرا می تواند بسیار دورتر از فیبر نوری چند حالته ارسال کند. هنگامی که تلفات و پراکندگی رسانه انتقال یکسان است، ظرفیت حمل اطلاعات پس از مدولاسیون تک حالته بسیار بیشتر از مدولاسیون چند حالته است.

تحت شرایط خاص طول موج کاری، حالت های انتقال زیادی در فیبر نوری وجود دارد و این حالت های فیبر فیبرهای نوری چند حالته هستند. ضریب شکست مودال فیبر نوری چند حالته تقریباً مشابه ضریب شکست هسته فیبر است و تعداد حالت ها تقریباً متناسب با مربع V (فرکانس نرمال شده) است. بنابراین به آن فیبر نوری چند حالته درجه بندی شده نیز می گویند. بعداً به تدریج به فیبر نوری درجه بندی شده تبدیل شد.

تحت شرایط طول موج کاری معین، اگر فقط یک حالت انتقال در فیبر نوری وجود داشته باشد، آن را فیبر نوری تک حالته-می نامند. فیبر نوری تک حالته فقط می‌تواند حالت اصلی (حالت محوری) را انتقال دهد و هنگام ارسال در این حالت، پراکندگی بین‌وجهی وجود ندارد. در مقایسه با فیبر نوری چند حالته با تعداد زیادی حالت‌های مرتب-، این برای سیستم‌های ارتباطی فیبر نوری با سرعت- بسیار مفید است.

(3) طبقه بندی بر اساس طول موج کار: می توان به فیبر نوری با طول موج کوتاه- و فیبر نوری با طول موج بلند- تقسیم کرد.

1. فیبر نوری با طول موج کوتاه: در مرحله اولیه توسعه ارتباطات فیبر نوری، طول موج رایج بین 0.6 تا 0.9 میکرومتر بود. دلیل اصلی در آن زمان این بود که منابع نور لیزر نیمه هادی و آشکارسازهایی که در این باند طول موج کار می کردند نسبتاً بالغ بودند و فیبر نوری با طول موج کوتاه- محصول اصلی بود. در حال حاضر، به ندرت استفاده می شود.

2. فیبر نوری با طول موج{1} بلند: با ادامه کار تحقیقاتی، هنگام ورود به باندهای طول موج 1.31 میکرومتر و 1.55 میکرومتر، این دو باند طول موج تلفات کم، پراکندگی صفر و حداقل تلفات خمشی را نشان می‌دهند. بنابراین کارهای تحقیقاتی به تدریج به سمت این دو باند طول موج سوق پیدا کرده و فیبرهای نوری با عملکرد بهتر به وجود آمده اند. تمرین‌ها ثابت کرده‌اند که در طول‌موج‌های 1.0 تا 2.0 میکرومتر، فیبرهای نوری در مقایسه با فیبرهای نوری با طول موج کوتاه{8}} تلفات کمتری دارند.

(4) فیبرهای نوری با طول موج بلند-به ویژه برای ارتباطات فیبر نوری در فواصل طولانی و با ظرفیت بالا به دلیل مزایایی مانند تضعیف کم و پهنای باند وسیع مناسب هستند.

1. فیبر نوری معمولی: به فیبر نوری اطلاق می شود که هسته فیبر آن با ژرمانیوم دوپ شده است، روکش ها و توزیع ضریب شکست هسته در یک نسبت مشخص ترکیب شده اند. از آنجایی که این نوع فیبر نوری ویژگی های خوبی دارد و تولید نسبتاً آسانی دارد، چندین نسل پیشرفت را پشت سر گذاشته است.

این به دلیل ضریب انبساط بالای مواد با ژرمانیوم به عنوان ماده اولیه است. در دماهای پایین چروکیده و ترک می خورد. شکست مضاعف استرس رخ خواهد داد و عدم تقارن را به فیبر نوری اضافه می کند.

2. Dispersion-shifted optical fiber: به فیبر نوری اطلاق می‌شود که پس از دوپینگ با ژرمانیوم تحت عملیات حرارتی قرار می‌گیرد و نقطه پراکندگی صفر-را به یک طول موج منتقل می‌کند، نه سه یا سه برابر طول موج.

فرآیند تولید این نوع فیبر نوری نسبتاً پیچیده است. در میان آنها، قطر هسته باید با درجه دوپینگ مطابقت داشته باشد تا فیبر نوری بهینه شود. بنابراین هنوز به طور گسترده مورد استفاده قرار نگرفته است.»