فیبر نوری چیست (۲)

برای تغییر این متن بر روی دکمه ویرایش کلیک کنید. لورم ایپسوم متن ساختگی با تولید سادگی نامفهوم از صنعت چاپ و با استفاده از طراحان گرافیک است.تاغبالبر

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.

تاریخچه فیبر نوری

پیدایش تئوری فیبرنوری

        هدایت نور بر مبنای انعکاس کامل که اصل اساسی کارکرد فیبرهای نوری است؛ ابتدا در دهه ۱۸۴۰ در پاریس و توسط دنیل کلادان و ژاکوس بابینت ابداع شد. ۱۲ سال بعد یک استاد دانشگاه در لندن برای اولین بار این اصول را وارد طرح درس خود کرد. این فرد که جان تیندال نام داشت در دهه ۱۸۷۰ کتابی در باب معرفی نور نوشت و در این کتاب اصول اولیه بازتاب کلی داخلی را شرح داد. در این بخش می­خوانیم:

        “هنگامی که نور از هوا وارد آب  می شود پرتو شکسته شده و به خط عمود نزدیک می­ شود. وقتی که نور از آب وارد هوا می شود بر اثر شکست، اشعه نور از خط عمود دور می ­شود. اگر زاویه تابش نوری که ابتدا داخل آب است با خط عمود بزرگ­تر از  ۴۸ درجه باشد، نور هرگز از آب خارج نشده و تمام نور با سطح مشترک اب و هوا برخورد کرده و به داخل آب باز می­ گردد. به زاویه ­ای که در آن تمام نور در محیط غلیظ­تر بازتاب داخلی شود زاویه حد گفته می ­شود. زاویه حد برای آب ۴۸:۲۳، برای شیشه ۳۸:۴۱ و برای الماس ۲۳:۴۲ بدست آمده است.”

ازمایش تیندال برای انتقال نور به روش بازتاب کلی داخلی
آزمایش تیندال: انتقال نور در باریکه آب به روش بازتاب کلی داخلی

اولین فیبرهای نوری

        در اواخر قرن ۱۹ و اوایل قرن بیستم، بالاخره عبور نور از داخل یک میله شیشه­ ای ممکن شد و از آن برای بررسی مشکلات داخل بدن استفاده شد. کاربردهای دیگر از جمله نزدیک کردن منبع نور به دندان در دندان­پزشکی، در قرن بیستم رواج یافت. در دهه ۱۹۲۰ یک رادیولوژیست و یک توسعه دهنده شبکه­ های تلوزیونی به طور جداگانه موفق شدند تصاویر را با استفاده از این کابل­ های شیشه ­ای ارسال کنند.

        در دهه ۱۹۳۰که استفاده از میله ­های باریک ­تر شیشه­ ای (چیزی شبیه به فیبر نوری) متداول شده بود یک دانشمند به نام هنریش لم نشان داد که با استفاده از یک دسته فیبر بدون کلد (clad) می توان تصاویر را از جایی به جای دیگر منتقل کرده و از این ویژگی برای تصویر برداری از داخل بدن بهره برد. هرچند نتایج تحقیقات او خیلی زود فراموش شد.

        در سال ۱۹۵۳ دانشمندی هلندی به نام ون هیل، در مقاله ­ای روش انتقال تصاویر به وسیله فیبر نوری را شرح داد و بعد از آن دو استاد دانشگاه امپریال کالج لندن توانستند با یک دسته ۱۰ هزارتایی فیبر، تصاویر را به فاصله ۷۵ سانتیمتر جابجا کنند.

گاستروسکوپ فیبرنوری ابزار تصویربرداری از داخل بدن
اندوسکوپی، کلونوسکوپی، فیبر نوری، تصویربرداری از داخل بدن

        در سال ۱۹۵۶ در میشیگان امریکا، چند محقق توانستند اولین گاستروسکوپ (تصویر برداری از اعضا داخلی بدن) را با یک فیبر شیشه­ ای انعطاف­ پذیر بسازند. در فرآیند بهبود این تصویربردار، لارنس کرتیس اولین فیبر شیشه ­ای با کلد (clad) شیشه­ ای را تولید کرد. تا پیش از آن فیبرهای نوری یا کلد نداشتند و برای محیط با غلظت کم­تر (و ضریب شکست کوچک­ تر) به هوا تکیه داشتند و یا برای این منظور از موم و روغن استفاده می­ شد.

        اولین بار اصطلاح فیبر نوری در دهه ۱۹۶۰ در مقاله­ای در Scientific American  به کار رفت. بعد از آن درباره اپتیک کتاب­ هایی نوشته شد و این موضوع به جامعه معرفی شد.

        اولین سیستم انتقال داده مبتنی بر فیبر نوری در سال ۱۹۶۵ و توسط منفرد برنر ساخته شد و یک سال بعد از آن اولین اختراع در این زمینه به ثبت رسید و مقاله آن هم به چاپ رسید.

 

آغاز پیشرفت های سریع

        اولین کسانی که متوجه شدند اتلاف در فیبر نوری را می ­توان به کم­تر از حد مرسوم در آن زمان یعنی ۲۰ دسیبل در هر کیلومتر رساند دو دانشمند انگلیسی بودند به نام­ های چارلز کاو و جورج هاکام. این کشف در نهایت منجر به پیدایش مخابرات فیبر نوری شد. آن­ها پیشنهاد کردند که اتلاف موجود در فیبرهای آن زمان را می ­توان با افزایش خلوص شیشه کاهش داد. بر اساس این کشف، پراش موجود در فیبر نوری هم از وجود ناخالصی­ ها ناشی می ­شود. در نتیجه این دو نفر اصول اتلاف در فیبر نوری را تالیف کرده و به زودی مواد مناسب برای ساخت فیبر نوری و روش­ های خالص سازی آن­ ها را مشخص کردند. شیشه سیلیکای بسیار خالص اولین ماده ­ای بود که برای ساخت فیبرهای نوری مورد تائید قرار گرفت. نهایتا این تحقیقات نوبل فیزیک سال ۲۰۰۹ را برای کاو به ارمغان آورد.

چارلز کاو برنده نوبل فیزیک بخاطر کار در زمینه فیبر نوری
چارلز کاو برنده نوبل فیزیک سال ۲۰۰۹

        کمترین حد اتلاف که در سال ۱۹۷۰مرسوم بود همان­ طور که پیش­تر ذکر شد در حدود ۲۰ دسیبل به ازای هر کیلومتر بود؛ این محدودیت به زودی شکسته شد و با تزریق تیتانیوم به هسته فیبر به عدد ۱۷ رسید. چند سال بعد فیبری با اتلاف تنها ۴ db/km تولید شد که در ساخت آن از دی اکسید ژرمانیوم استفاده شده بود.

        در سال ۱۹۸۱ شرکت جنرال الکتریک با استفاده از کوره یک شمش کوارتز را ذوب کرد و رشته نازکی از جنس شیشه ساخت که ۲۵ مایل (معادل ۴۰ کیلومتر) طول داشت.

        در ابتدا تولید این فیبرهای نوری با سرعتی معادل دو متر بر ثانیه تولید می­د. در سال ۱۹۸۳ کمپانی Corning موفق شد سرعت تولید فیبر نوری را به ۵۰ متر بر ثانیه برساند. این موفقیت، بازار را برای فیبرهای نوری گشود چرا که قیمت این ادوات به ناگهان از سیم­ های مسی ارزان ­تر شد. همین موضوع ارتباطات را به عصر فیبر نوری معرفی کرد.

مقایسسه حجم سیم الکرتیکی و فیبر نوری مورد نیاز برای انتقال یک میزان برابر از اطلاعات
مقایسه حجم سیم الکتریکی و فیبر نوری مورد نیاز برای انتقال یک میزان برابر از اطلاعات

        در سال ۱۹۷۷ و با همکاری یک مرکز مطالعاتی ایتالیایی به نام CSELT با شرکت Corning، اولین کابل فیبر نوری شهری در شهر تورین مستقر شد.  همچنین این شرکت ایتالیایی یکی از روش ­های ابتدایی جوش دادن دو فیبر نوری را ابداع کرد و آن را springroove  نامید.

       اتلاف در فیبرهای نوری نسل جدید به مراتب کم­تر از کابل­ های مسی است و باعث می ­شود که از فیبرهای نوری برای انتقال اطلاعات در فواصل طولانی استفاده شود. فاصله قابل پیمایش با فیبر نوری بدون تقویت کننده از ۷۰ تا ۱۵۰ کیلومتر است. تویت کننده­ های فیبر نوری شامل ایربیوم، که هزینه­ های شبکه فیبر نوری را در فواصل زیاد، کاهش می­دهند؛ جایگزین مدل­ هایی شدند که سیگنال اپتیکی را دریافت و به سیگنال الکتریکی تبدیل می کردند و بعد از تقویت مجددا آن را به سیگنال اپتیکی تبدیل م ی­کردند. تقویت کننده ­های بر پایه ایربیوم در سال های ۱۹۸۶ و ۱۹۸۷ توسط دو تیم، یکی در دانشگاه Southampton و دیگری در Bell labs  ساخته شدند.

        با ظهور بلورهای فوتونی (Photonic Crystal) فیبر کریستال فوتونی هم اختراع شد. این نوع فیبرها بر اساس پراش نور از یک ساختار تکرار شونده کار می­ کنند. اولین فیبر کریستال فوتونی در سال ۲۰۰۰ به مرحله تجاری سازی رسید. این نوع فیبرها برای حمل توا ن­های بالاتر به کار می­روند و همچنین به دلیل آن که ضریب هدایت این نوع از کریستال به ازای هر طول موج عددی مستقل است، از آن در انتقال دقیق­ تر داده ­ها استفاده می­ شود.

تحقیق و توسعه در زمینه فیبرهای اپتیکی همچنن ادامه دارد...