فیبر نوری چیست(۱)

فیبرهای نوری اجزاء مرکزی ارتباطات نوری هستند و یکی از بخش های اصلی در پیشبرد تحقیقات علم فوتونیک به حساب می آیند. 

فیبر نوری یکی از انواع هادی های موج است که معمولا از نوعی شیشه ساخته می شود. این سیم های شیشه ای می توانند در مسافت های بسیار طولانی، در مقیاس صدها کیلومتر، کشیده شوند و در مقایسه با بقیه هادی های موج از انعطاف پذیرری بالایی برخوردار هستند. 

هرچند که شیشه معمولا شکننده است، فیبرهای نوری که از شیشه سیلیکا تشکیل شده و بسیار هم باریک هستند به دلیل روکش پلیمری نازکی که روی آن ها کشیده می شود به قدری انعطاف پذریر می شوند که می توان آن ها را دور انگشت دست پیچید بدون آن که آسیب ببینند.

شیشه سیلیکا یا کوارتز (SiO2) معمولا به صورت خالص یا با مقداری ناخالصی به خاطر اتلاف پائین در مسافت های طولانی و مقاومت بالا در برابر کشش یا خمش برای این منظور استفاده می شود.

اکثر فیبرهای نوری که در صنعت لیزر به کار می روند، تشکیل شده از یک هسته یا core و یک کلد (clad). ماده تشکیل دهنده core  ضریب شکست بالاتری نسبت به ماده تشکیل دهنده clad دارد. 

بیرون کلد، یک لایه محافظ از جنس پلیمر قرار دارد که کلد و به طور کلی فیبر را از از رطوبت و آلودگی حفظ کرده و به آن استحکام می دهد. به این لایه بافر یا buffer coating می گویند.

ساده ترین انواع فیبرها آن هایی هستند که ضریب شکست core و clad اعداد ثابتی هستند و step index fiber نامیده می شوند. تفادت این دو ضریب شکست معیاری را مشسخص می کند به نام دهانه عددی یا numerical aperture که معمولا عدد کوچکی است.

نوری که داخل فیبر تابانده شود از طریق هسته منتشر می شود و بخش عمده دامنه آ در همان هسته باقی می ماند؛ هرچند که ممکن است قسمت کوچکی از آن در داخل کلد هم پخش شود. 

فیبرها به هرحال این ویژگی مثبت رادارند که اتلاف سیگنال در آن ها بسیار اندک است و اکثر دامنه موج ورودی، در داخل هسته به حرکت خود ادامه می دهد اما بخش قابل توجهی از دامنه که وارد کلد شده بعد از طی مسافتی، تلف می شود.

اکثر فیرهای نوری یک هسته دارند اما مدل هایی هم هستند که تعداد انگشت شماری یا حتی تعداد زیادی هسته داشته باشند. 

کاربرد ها

ارتباطات/ مخابرات فیبر نوری: 

فیبرهای نوری معمولا برای انتقال اطلاعات در مسافت های طولانی به کار می روند. البته برای فواصل کوتاه هم قابل استفاده هستند. مقدار زیادی اطلاعات را می توان با سرعتی بالا از طریق یک فیبر نوری انتقال داد که از میدان های الکتریی و مغناطیسی هم تاثیر نمی پذیرد.

سیستم های فعال فیبر نوری:

در این سیستم ارتباطی کنترل سیگنال ها به طور غیر خودکار و با دقت بالا و به روش های متعدد صورت می گیرد

در سیستم های اکتیو، علاوه بر فیبرهای سیلیکونی معمولی از فیبرهای داپ شده نیز استفاده می شود. این فیبرها تفاوتی با باقی انواع فیبر دارند: مقداری عناصر کمیاب خاکی در این فیبرها تزریق شده. از جمله این سیستم ها می توان به فیبرهای لیزری و تقیت کننده های فیبر نوری اشاره کرد.

سنسورهای فیبر نوری:

برای اندازه گیری پارامترهای محیطی مثل رطوبت، غلظت، دما و …. در محیط های گوناگون، به منظور پایش و یا هشدار مورد استفاده قرار می گیرند.

سیستم های غیر فعال فیبر نوری:

این ابزارهای اپتیکی معمولا بدون نیاز به منبع انرژی کار می کنند. تقسیم کننده های موج، پمپ های لیزر دیود و … از این دسته هستند. این اجزاء در مخابرات کاربرد دارند و در مسافت های طولانی مطلوب هستند.

انواع فیبر نوری

یک فیبر نوری می تواند یک یا چند مود انتشار را در خود حمل کند که دامنه های آن ها توسط خود هسته یا پیرامون بسیار نزدیک به آن حمل می شود و حتی ممکن است که کلد هم در این انتشار نقش داشته باشد. به علاوه تعدادی مود کلد (clading modes) نیز در فیبر وجود دارد که محدود به هسته نیست.

single mode fiber: 

معمولا یک هسته نسبتا کوچک دارد که قطر آن به چند میکرومتر می رسد و تنها قابلیت حمل یک مود فضایی را دارد. این موج یک نمودار گاوسی دارد.

تغییر زاوه ورود نور به داخل فیبر و یا سایر شرایط آن، تنها روی میزان توان ورودی اثر می کند و این ویژگی های موج از قبیل توزیع گاوسی و مد انتشار، ثابت هستند. 

اگر بخواهیم با توجه به این نکات بهترین بهره وری را این فیبر نوری دریافت کنیم بهتر است برای وارد کردن نور به داخل آن از لیزری با کیفیت بالا و دقیق استفاده شود.

multi mode fiber:

این انواع فیبر هسته بزرگتری دارند و تفاوت ضریب شکست core و clad در آن ها عدد بزرگتری است. بنابراین می توانند چند مود انتشار، با توزیع شدت های مختلف را با خود حمل کنند. در این مورد ویژگی های موج منتشر شونده در داخل فیبر به شرایط ورودی آن بستگی دارد و این شرایط نحوه توزیع توان را هم مشخص می کنند.

در مخابرات دور برد معمولا از فیبرهای تک حالته استفاده می شود چرا که در مسافت های طولانی به خاطر این که سرعت انتشار مد های مختلف با هم تفاوت دارد، روی هم اثر کرده و سیگنال را به هم می ریزند.

در مقابل برای فواصل کوتاه از فیبر مولتی مود استفاده می شود. مثلا برای شبکه های محلی که پهنای باند بالا در آن ها مد نظر است.

در تولید لیزرهای فیبری و تقویت کننده های پالس، معمولا از فیبر سینگل مود استفاده می شودو

از فیبرهای مولتی مود در انتقال نور لیزر استفاده می شود مخصوصا اگر کیفیت نور در گیرند مد نظر نباشد و قصد ما فقط رساندن اکثر توان باشد.

پارامترها

می توان یک فیبر نوری معمولی را با دو پارامتر مشخص کرد: یکی شعاع هسته و دیگری اختلاف ضریب شکست بین هسته و کلد.

برای فیبرهای سینگل مود شعاع هسته چن میکرون و در یبرهای مولتی مود چند ده میکرومتر است. 

برای نشان دادن اختلاف ضرائب شکست معمولا از دهانه عددی استفاده می شود:

که سینوس بزرگترین زاویه قابل قبول پرتو با محور فیبر است که با آن زاویه نور وارد فیبر می شود.  n  ضریب شکست محیط اطراف است (برای هوا  n=0) و همچنین میزان هدایت را نیز نشان می دهد.

برای فیبر سینگل مود معمولی NA برابر با یک دهم و در فیبرهای مولتی مود سه دهم است.

پارامتر مهم دیگر در فیبر نوری  V Number است که یک فرکانس نرمالیزه است. 

در مورد فیبرهای سینگل مود v معمولا کمتر از ۲٫۴۰۵ و برای فیبرهای مولتی مود مقادیر بالاتر از آن است. تعداد مودهای یک فیبرعددی متناسب با v به توان دو است.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *