فیبر نوری: درک اصول

هیچ چیز به اندازه توسعه و اجرای فیبر نوری دنیای ارتباطات را تغییر نداده است. این مقاله اصول اولیه مورد نیاز برای کار با این فناوری را ارائه می دهد.
 

کارکنان مهندسی و بازاریابی

فیبرهای نوری از شیشه یا پلاستیک ساخته می شوند. قطر اکثر آنها تقریباً به اندازه یک موی انسان است و ممکن است چندین مایل طول داشته باشد. نور در امتداد مرکز فیبر از یک سر به سر دیگر منتقل می شود و ممکن است یک سیگنال اعمال شود. سیستم های فیبر نوری در بسیاری از کاربردها نسبت به هادی های فلزی برتری دارند. بزرگترین مزیت آنها پهنای باند است. به دلیل طول موج نور، امکان انتقال سیگنالی وجود دارد که حاوی اطلاعات بسیار بیشتری نسبت به یک هادی فلزی - حتی یک هادی کواکسیال - باشد. مزایای دیگر عبارتند از:

• جداسازی الکتریکی - فیبر نوری نیازی به اتصال زمین ندارد. فرستنده و گیرنده هر دو از یکدیگر جدا هستند و بنابراین عاری از مشکلات حلقه زمین هستند. همچنین خطر جرقه یا برق گرفتگی وجود ندارد.

• رهایی از EMI - فیبرهای نوری در برابر تداخل الکترومغناطیسی (EMI) مصون هستند و خود هیچ تشعشعی برای ایجاد تداخل دیگر ساطع نمی کنند.

• اتلاف کم توان - این امکان کارکرد کابل طولانی تر و تقویت کننده های تکرار کننده کمتر را فراهم می کند.

• سبکتر و کوچکتر - فیبر وزن کمتری دارد و به فضای کمتری نسبت به هادی های فلزی با ظرفیت حمل سیگنال معادل نیاز دارد.

سیم مسی حدود 13 برابر سنگین تر است. نصب فیبر نیز آسان تر است و به فضای مجرای کمتری نیاز دارد.

برنامه های کاربردی

برخی از کاربردهای عمده فیبرهای نوری عبارتند از:

• ارتباطات - انتقال صدا، داده و ویدئو رایج ترین کاربردهای فیبر نوری است و این موارد عبارتند از:

- مخابرات
– شبکه های محلی (LAN)
- سیستم های کنترل صنعتی
- سیستم های اویونیک
- سیستم های فرماندهی، کنترل و ارتباطات نظامی

• سنجش - فیبر نوری را می توان برای رساندن نور از یک منبع راه دور به آشکارساز برای به دست آوردن فشار، دما یا اطلاعات طیفی استفاده کرد. فیبر همچنین می تواند به طور مستقیم به عنوان یک مبدل برای اندازه گیری تعدادی از اثرات محیطی مانند کرنش، فشار، مقاومت الکتریکی و pH استفاده شود. تغییرات محیطی بر شدت نور، فاز و/یا پلاریزاسیون تأثیر می‌گذارد به گونه‌ای که می‌توان در انتهای دیگر فیبر تشخیص داد.

• تحویل نیرو - فیبرهای نوری می توانند سطوح بسیار بالایی از قدرت را برای کارهایی مانند برش لیزری، جوشکاری، علامت گذاری و حفاری ارائه دهند.

• روشنایی - دسته ای از الیاف که با یک منبع نور در یک انتها جمع شده اند، می توانند مناطقی را که دسترسی به آنها دشوار است - به عنوان مثال، داخل بدن انسان، همراه با آندوسکوپ، روشن کند. همچنین می توان از آنها به عنوان یک تابلوی نمایش یا به سادگی به عنوان نورپردازی تزئینی استفاده کرد.

 

شکل 1. فیبر نوری از یک هسته، روکش و پوشش تشکیل شده است.

 

ساخت و ساز

یک فیبر نوری از سه عنصر متحدالمرکز اصلی تشکیل شده است: هسته، روکش و پوشش خارجی (شکل 1).

هسته معمولاً از شیشه یا پلاستیک ساخته می شود، اگرچه بسته به طیف انتقال مورد نظر، گاهی اوقات از مواد دیگری نیز استفاده می شود.

هسته بخش انتقال دهنده نور فیبر است. روکش معمولاً از همان ماده هسته ساخته می شود، اما با ضریب شکست کمی کمتر (معمولاً حدود 1٪ کمتر). این اختلاف شاخص باعث می‌شود که بازتاب داخلی کل در مرز شاخص در طول فیبر اتفاق بیفتد تا نور به پایین فیبر منتقل شود و از دیواره‌های جانبی خارج نشود.

 

 

شکل 2.پرتویی از نور که از یک ماده به ماده دیگر با ضریب شکست متفاوت عبور می کند، در سطح مشترک خم یا شکست می شود.

این پوشش معمولاً شامل یک یا چند لایه از یک ماده پلاستیکی برای محافظت از فیبر در برابر محیط فیزیکی است. گاهی اوقات غلاف فلزی برای محافظت فیزیکی بیشتر به پوشش اضافه می شود.

فیبرهای نوری معمولاً با اندازه آنها مشخص می شوند که به عنوان قطر خارجی هسته، روکش و پوشش داده می شود. برای مثال، یک 62.5/125/250 به فیبری با هسته قطر 62.5-µm، روکش قطری 125-µm و 0 اشاره دارد.{{8} پوشش بیرونی با قطر }mm.

 

 

81 تامین کننده فیبر نوری در بازار فوتونیک وجود دارد

 

اصول

مواد نوری با ضریب شکستشان مشخص می شوند که به آن n می گویند. ضریب شکست یک ماده، نسبت سرعت نور در خلاء به سرعت نور در ماده است. هنگامی که یک پرتو نور از یک ماده به ماده دیگر با ضریب شکست متفاوت عبور می کند، پرتو در سطح مشترک خم می شود (یا شکست می شود) (شکل 2).

انکسار توسط قانون اسنل توصیف می شود:

کجاn_Iوn_Rشاخص های شکست موادی هستند که تیر از طریق آنها شکست می شود وIوRزوایای تابش و شکست پرتو هستند. اگر زاویه تابش بیشتر از زاویه بحرانی برای رابط (معمولاً حدود 82 درجه برای فیبرهای نوری) باشد، نور توسط فرآیندی که به عنوان بازتاب داخلی کل شناخته می شود، بدون از دست دادن به محیط فرودی منعکس می شود (شکل 3).

شکل 3.بازتاب داخلی کامل اجازه می دهد تا نور در داخل هسته فیبر باقی بماند.

 

یک تعریف ویدیویی از بازتاب کلی داخلی تماشا کنید.

حالت ها

هنگامی که نور به سمت پایین فیبر هدایت می شود (همانطور که امواج مایکروویو از یک موجبر به سمت پایین هدایت می شوند)، تغییر فاز در هر مرز بازتابی رخ می دهد. تعداد گسسته محدودی از مسیرها در فیبر نوری (معروف به حالت‌ها) وجود دارد که تغییر فاز سازنده (در فاز و بنابراین افزایشی) ایجاد می‌کند که انتقال را تقویت می‌کند. از آنجایی که هر حالت در زاویه متفاوتی نسبت به محور فیبر رخ می دهد، زیرا پرتو در طول طول حرکت می کند، هر یک طول متفاوتی را در فیبر از ورودی به خروجی طی می کند. تنها یک حالت، حالت مرتبه صفر، طول فیبر را بدون انعکاس از دیواره های جانبی طی می کند. این به عنوان یک فیبر تک حالته شناخته می شود. تعداد واقعی حالت هایی که می توان در یک فیبر نوری معین منتشر کرد، با طول موج نور و قطر و شاخص شکست هسته فیبر تعیین می شود.
 

دلایل مختلفی برای تضعیف فیبر نوری وجود دارد:

 

• پراکندگی رایلی - تغییرات در مقیاس میکروسکوپی در شاخص شکست مواد هسته می تواند باعث پراکندگی قابل توجهی در پرتو شود که منجر به تلفات قابل توجهی در توان نوری می شود. پراکندگی رایلی وابسته به طول موج است و در طول موج های بلندتر اهمیت کمتری دارد. این مهم ترین مکانیسم تلفات در فیبرهای نوری مدرن است که به طور کلی تا 90٪ از اتلافات را تشکیل می دهد.

 

• جذب - روش های فعلی تولید، جذب ناشی از ناخالصی ها (به ویژه آب موجود در فیبر) را به سطوح بسیار پایین کاهش داده است. در باند گذر انتقال فیبر، تلفات جذب ناچیز است.

خمش - روش های ساخت می تواند خمیدگی های بسیار کمی در هندسه الیاف ایجاد کند. گاهی اوقات این خم‌ها به اندازه‌ای بزرگ هستند که باعث می‌شوند نور درون هسته با زاویه کمتر از زاویه بحرانی به رابط هسته/روکش برخورد کند تا نور در مواد روکشی از بین برود. این همچنین می تواند زمانی رخ دهد که فیبر در یک شعاع محکم (مثلاً کمتر از چند سانتی متر) خم شود. حساسیت خمشی معمولاً بر حسب تلفات دسی بل در کیلومتر برای یک شعاع خمشی و طول موج خاص بیان می شود.

 

 

شکل 4.دیافراگم عددی به زاویه ورود پرتوها به فیبر و به قطر هسته فیبر بستگی دارد.

 

انواع فیبر

اساساً سه نوع فیبر نوری وجود دارد: تک حالته، شاخص درجه بندی چند حالته و شاخص گام چند حالته. آنها با نحوه حرکت نور در فیبر مشخص می شوند و هم به طول موج نور و هم به هندسه مکانیکی فیبر بستگی دارند. نمونه هایی از نحوه انتشار نور در شکل 5 نشان داده شده است.

 

 

شرکت ما در زمینه تولید فیبرهای نوری پلاستیکی/کابل ها و انواع پچ کوردهای فیبر نوری تخصص دارد، اگر علاقه مند هستید، لطفا با من تماس بگیرید.