مبانی فیبرنوری

قبل از مطالعه این مقاله لازم است اگر اشکالی در آیین نگارش متن وجود دارد ، از حضور مهندسین عزیز عذرخواهی کنیم چون متن هایی که در این وب سایت قرار داده میشود از متون زبان اصلی ترجمه شده است.

مقدمه:

 اختراع ليزر در سال 1960 وساخت فيبر نوري با تلفات کم در سال 1970 باعث رشد و توسعه چشمگيري در حوزه فوتونيک شده است به ويژه فيبر نوري به عنوان يک محيط انتقال براي ارسال داده ها و پيامهاي اطلاعاتي در صنعت مخابرات تحول زيادي به وجود آورده است قبل از فيبر نوري در مخابرات از راديو و ماکس جهت انتقال اطلاعات استفاده مي شد ولي سيستم انتقال راديويي معايب بسياري نسبت به فيبر نوري داشت که تعدادي از آنها را ذکر ميکنيم .

1) ظرفيت بسيار پائين سيستم هاي راديويي نسبت به سيستم هاي نوري (حدود100/1)

2) بوجود آمدن نويز وخرابي زياد به علت شرايط مختلف جوي

3)افزايش تعداد تجهيزات و تقويت کننده ها به علت وجود موانع مانند کوهها و ساختمانهاي بلند

4)خطر ابتلا به بيماري براي کارکناني که در مجاورت تشعشع امواج راديويي قرار دارند

5)کيفيت بسيار پائين تجهيزات راديويي در مقايسه با تجهيزات نوري

6) پهناي باند بسيار وسيع فيبر نوري

به دلايل فوق و چندين دليل ديگر مخابرات شهري و صنعتي به سمت مخابرات نوري روي آورده است لذا آشنايي با تکنولوژي اوليه و دستگاههاي اندازه گيري نوري ضروري به نظر مي رسد.

در کشور ما تاريخچه تحقيقاتي در زمينه فيبر نوري به دهه 60 بر مي گردد به طور بنيادي فعاليت هايي در مرکز تحقيقات مخابرات ايران شروع شده بود . اولين پيوند فيبر نوري بين تهران کرج پياده سازي شد و در حال حاضر شبکه وسيعي از فيبر نوري در سطح کشور نصب و يا در حال انجام است.

اين مقاله جهت معرفي کليات سيستم هاي مخابراتي بر پايه فيبر نوري و دستگاههاي تستر اين سيستم ها نوشته شده است که اميد است اين مقصود را بر آورده سازد.

کليات:

به طور کلي يک سيستم فيبر نوري داراي يک فرستنده محيط انتقال (فيبر نوري) و يک گيرنده نوري است . فرستنده يک سيستم فيبر نوري شامل يک چشمه نوري است که ممکن است توسط يک مدار راه انداز براي ارسال سيگنال مورد نظر مدوله شود. گيرنده آن نيز داراي يک آشکار ساز و به دنبال آن يک تقويت کننده الکتريکي واحد باز سازي سيگنال است . در بسياري از سيستم ها مانند احساسگر نوري ، فرستنده ممکن است فقط شامل يک چشمه نوري ثابت باشد و سيگنالي که در گيرنده آشکار سازي مي شود ممکن است در طول مسير در فيبر توليد شود. در اين حالت گيرنده ممکن است از يک توان سنج که شامل يک آشکار ساز نوري و به دنبال آن يک تقويت کننده و واحد نمايشگر است تشکيل شده باشد براين اساس يک سيستم فيبر نوري پايه بايد شامل يک چشمه نور ، يک آشکار ساز نوري و يک رابط **فيبر نوري باشد.

• چشمه هاي نوري: چشمه هاي نوري ممکن است ** نور گسل (IED)ليزر با يک چشمه باند گسترده مانند يک لامپ هالوژني باشد. انتخاب چشمه نوري بستگي به نياز مصرف کننده دارد ، براي مثال در کاربردهاي آزمايشگاهي يک ليزري مرئي مانند هليوم- نئون ساده تر ترجيح داده مي شود در صورتي که در کاربردهاي تجاري ، يک منبع فشرده و محکم نيم رسانا نوري همچون ديود ليزري((IED يا يک ديود نور گسيل در الويت قرار ميگيرند.

در هر حالت ، قبل از استفاده از چشمه هاي  نوري و الکتريکي براي کاربردهاي خاص،داشتن شناخت و آشنايي با ويژگيهاي آنها حائز اهميت است.حداکثر بازدهي توان نوري، طول موج گسيل ، پهناي خط ، نقش تابشي و پهناي باند مدولاسيون ، برخي پارامترهاي مشخصه نوري هستندکه نياز به بررسي و شناخت دارند.

قبل از روشن کردن يک چشمه ، بايد از اتصال هاي الکتريکي و حداکثر نرخ ولتاژ و جريان الکتريکي مورد نياز اطمينان حاصل شود . براي بکاراندازي ديود ليزري نيز بايد توجه و احتياط ويژه اي اعمال شود تا يک مدار راه انداز مناسب و منبع تغذيه پايدار و بدون ضربه انتخاب شوند.ايمني در مقابل پرتو ليزري نيز از مهم ترين جنبه هايي است که مصرف کننده بايد نسبت به آن آگاه باشد و از عينک هاي ايمني با پوشش محافظ در زمان به کارگيري ليزرهاي توان بالا استفاده کند.

• آشکارسازي نوري:

ديود نوري PIN از متداول ترين نوع آشکار ساز نوري در سيستم هاي فيبر نوري است که مورد استفاده قرار مي گيرد . انواع ديگر آشکار سازها ،ديود نوري بهمني يا لامپ نوري تقويت کننده هستند که براي آشکار سازي سيگنالهاي فوق العاده ضعيف استفاده مي شوند. ويژگيهاي آشکار ساز مانند حساسيت، سطح مقطع فعال، خطي بودن، پهناي باند، طول موج گرايش دهي الکتريکي نيز بايد شناسايي شوند.

براي مثال آشکار سازهاي سيليکوني به طور وسيعي در بازه طول موج 4/0 تا 1 ميکرومتر مورد استفاده قرار مي گيرند در صورتي که در بازه طول موج کاري آشکار سازهاي ديود نوري بهمني يا لامپ تقويت کننده نوري هستند که براي آشکار سازي سيگنال هاي فوق العاده ضعيف استفاده مي شوند . ويژگي هاي آشکار ساز، مانند حساسيت ، سطح مقطع فعال ، خطي بودن پهناي باند طول موج گرايش دهي الکتريکي نيز بايد شناسايي شوند.

براي مثال، آشکار سازهاي سيليکوني به طور وسيعي در بازه طول موج 4/0 تا1 ميکرومتر مورد استفاده قرار مي گيرند در صورتي که بازه طول موج کاري آشکار سازهاي ژرمانيم از 8/0 تا7/1 ميکرومتر است. آشکارسازها با سطح مقطع فعال بزرگ براي اغلب کاربردها بسيار مفيد هستند در حالي که براي آشکارسازي پالسهاي سريع (فرکانس بالا )، به طور معمول از آشکار سازهايي با سطح مقطع کوچک استفاده مي شود تا خازن آشکارسازها کاهش يابد.

• رابط فيبر نوري:

فيبر نوري بعنوان محيط انتقال بين فرستنده و گيرنده و ويژگيهاي آن براي عملکرد سيستم حياتي است.بسته به نياز و نوع کاربرد ،از فيبر نوري تک مد (Single mode )و يا چند مد(Multi Mode)به عنوان محيط انتقال استفاده مي شود.همان طور که از نام فيبر تک مد مشخص است ،اين نوع فيبر فقط يک مد هدايت شده را از خود منتشر مي کند .يعني در طول موج کار فقط يک توزيع ميدان خاص با حداقل تضعيف، در طول فيبر مي تواند انتشار يابد. از طرف ديگر فيبر چند مد مي تواند چندين مد هدايت شده را هم زمان حمل کند. امروزه اکثر رابط هاي مخابراتي راه دور با سرعت بالا براساس طرح فيبر تک مد است که از حداقل تلفات و پاشندگي فيبرهاي سيليکايي بهره مي برد.

 طول موج قطع ، قطع ميدان مد و ضريب تضعيف از ويژگي هاي مهم فيبرهاي تک مد هستند که همه اين پارامترها را مي توان با داشتن ضريب شکست فيبر بدست آورد.

براي توضيح پارامترهاي فيبر نوري لازم است ابتدا قانون اسنل و دکارت را در مورد نور بيان کنيم.

اگر يک شعاع نوري از يک محيط با ضريب شکست بزرگتر (n2 ) بر يک محيط با ضريب شکست کوچکتر( n1 )تابانده شود.

در صورتيکه زاويه تابش از مقدار معيني بنام زاويه بحراني بزرگتر باشد ، شعاع نوري از محيط اول خارج نشده و بازتابش کامل صورت مي گيرد. بنابراين اگر ليزر با زاويه خاصي درون يک محيط با ضريب شکست بالاتر به سمت محيطي با ضريب شکست پائين تر تابانده شود مي توانيم اين شعاع ليزر را انتقال دهيم . در اين روش انتقال همانطور که در شکل زير مشاهده مي شود بعلت اينکه هيچ نوري از محيط (n2 ) خارج نمي شود لذا افت بسيار پائين بوده و مسافت طولاني را ميتواند طي کند.در يک تار نوري به محيط(n2 ) که نور درون آن حرکت ميکند Core گفته مي شود که در فيبرهاي(Single mode )قطر آن 10 ميکرون مي باشد ولي در فيبرهاي مالتي مد قطر هسته (Core)50 ميکرون يا يا 5/62 ميکرون ميباشد محيط ( n1 )غلاف يا Clad)) ناميده مي شود و قطر آن در فيبرهاي (Single mode) فيبرهاي مالتي مد ،125 ميکرون مي باشد.

بر روي اين دومحيط يک روکش پلاستيکي به نام Coating)) قرار ميگيرد ضريب شکست اين پوشش پلاستيکي معمولاً خيلي بيشتر از ضريب شکست غلافClad))مي باشد و علت آن است که اگر جزئي از هسته به درون غلاف نفوذ کرد پس از چند متر در درون پلاستيک جذب شود . از نظر مکانيکي ، پوشش بايستي فيبر نوري را از تاثيرات عوامل خارجي محافظت کند و نيروهاي برشي را که ممکن است در حد ميکروني موجب خمش فيبر و درنتيجه بالا رفتن تضعيف گردند را جذب نمايد.

لذا در عمل ماده اوليه اي بنام پرفورم که از جنس سيليکن ميباشد و به شکل استوانه اي به طول 30cm و قطر10cm است در اثر حرارت و کشش تبديل به 2km تار نوري مي کنند.

بنابراين يک تار نوري از سه قسمت تشکيل شده است :

• هسته يا Core: از ماده شفاف مانند شيشه (Si) ساخته شده با ضريب شکست بزرگتر از ضريب شکستCladو وظيفه آن هدايت نور است.
• غلاف يا Clad : از جنس همان سيلکن مي باشد با اين تفاوت که ضريب شکست آن کمتر از Core است .
• پوشش اوليه يا Coathng :جنس آن بايد به صورتي باشد که جهت اتصال و تطبيق دو فيبر به راحتي برداشته شود.

وظايف اين پوشش:

 الف) افزايش انعطاف پذير تار نوري

ب) شناسايي تارها با استفاده از رنگهاي مختلف آن

در جدول زير خلاصه اي از اندازه هاي اين قسمتها براي فيبرهاي Single modeو Multi Mode آورده شده است.

پارامترهاي انتقال در فيبر نوري(محدود کننده هاي پهناي باند)

• تضعيف LOSS
• پاشندگيDispersion
• اثرات غير خطي Nonlinear Effect

حال هر کدام از اين پارامترها را که در اتصال فيبر،طراحي شبکه هاي فيبر نوري و در کل هر نوع کاري که با فيبر نوري مي خواهد انجام شود بسيار مهم مي باشند، توضيح مي دهيم:

تضعيف:  LOSS

به خروج سيگنال نوري از تار فيبر نوري و از دست رفتن مقداري از آن LOSSگفته مي شود.

عواملي که در تضعيف دخيل ميباشند عبارتند از:

1) جذب (absorbtion) : که خود به دو نوع جذب ذاتي و غيرذاتي تقسيم مي شود.

الف) جذب ذاتي: خود سيلکین اين خاصيت را دارد که نورهاي مادون قرمز تا ماورابنفش را جذب ميکند بنابراين نور در طي مسافت مقداري از انرژي خود را در اثر جذب شدن از دست ميدهد و به صورت افت به ما نشان داده مي شود.

ب) جذب غير ذاتي: در هنگام ساخت ممکن است يونهاي فلزي مانند کروم و برليوم  جذب شده و اين يونها باعث جذب نور مي شوند و همچنين هنگام اتصال دو تار نوري ممکن است ناخالصي در وسط دو تار قرار گرفته و باعث افت درآن قسمت شود. يونهاي غير فلزي يعنيOH  نيز به دليل حرارت و وجود آب در الکل هنگام جوش دادن دو تار نوري به هم فيوژن ممکن است بوجود آيند که اين يونها به دليل هم هارمونيک بودن با مولکول ها باعث جذب مي شوند.

در منحني تضعيف مشاهده مي شود که در طول موج 1310nm و 1550nm  افت تار نوري حداقل مي باشد بنابراين در مخابرات براي ارسال اطلاعات از طريق فيبر نوري از اين دو طول موج استفاده مي شود.

از دو طول موج1310 و  طول موج 1550 امروزه به دليل افت پائين تر در طول موج 1550 نانومتر  ،فقط از اين طول موج استفاده مي شود.

2) پراکنش تشعشع: Ray light  Scattering

دومين عامل جذب Scattering مي باشد . در هنگام ساخت فيبر نوري چون محيط گرم است مولکولها در حالت حرکت و ارتعاش مي باشند، پس از سرد شدن ممکن است  در جايي تجمع مولکولها زياد و در جايي کمتر باشد در جايي که تجمع بيشتر باشد نور از مسير خارج شده و باعث افت مي شود و ممکن است آن قدر اين تجمع زياد باشد که نور به طرف منبع برمي گردد که در اين صورت به آنScattering Raylight Back  مي گويند.

اين خاصيت در طول موجهاي کوتاه بيشتر ديده مي شود ، زيرا طول موج کوتاه يعني فرکانس بالا و لذا برخورد مولکولي افزايش مي یابد. بنابراين علت دوم استفاده 1550 به جاي 1310 اين خاصيت مي باشد.

به طور خلاصه Scattering در لغت به معني پراکندگي يا پراکنش مي باشد و به مفهوم خروج نور از فيبر نوري به علت عدم يکنواختي چگالي مولکولها و اتمها ميباشد.

3 ) شکل هندسي تار نوري(Geometric)

در صورت بهم خوردن تقارن تار نوري و يا تغيير شکل آن چه در اثر عوامل خارجي (فشار-حرارت-عوامل جوي و…) و چه در هنگام ساخت تار نوري ممکن است چند حالت رخ دهد که موجب افزايش تضعيف گردد.

الف) عدم هم محوري Core  و Clad

ب) تغيير شکل سطح مقطع فيبر از دايره به بيضوي

ج) يکسان نبودن قطر دو تار در هنگام فيوژن   

4)خمش ها   Bending  

اگر تار نوري بيش از حد مجاز خمش پيدا کند باعث خروج نور از آن ناحيه شده لذا افت زيادي در آن قسمت حاصل مي شود خمشها نيز در فيبر نوري به دو حالت ممکن است رخ دهد:

الف) Bending Micro-  : فشارهاي روي تار به هر علت ممکن است اين خمشهاي ريز را ايجاد کند. براي مثال خمش تار درون کابل روي قرقره بيش از حد سينوس يا فشار بستي که کابل را به محل اريتنگ متصل مي کند.

ب} Macro-Bending : در اثر خمشهاي بيش از حد مجاز کابل يا تار نوري حاصل مي شود

 حد مجاز خمش :    طبق استاندارد خمش تار نوري يا کابل نبايد از 20 برابر قطر آن بيشتر گردد.

براي مثال قطر کابل نوري تقريباً 2Cm است لذا حلقه کابل نبايد کوچکتر از 40Cm باشد. يا قطر يک تار نوري تقريباً1mm است لذا قطر حلقه تار نوري نبايد کمتراز Cm2 باشد.

5) اتصالات Connections

در هنگام اتصالات ممکن است به علت عوامل متعددي تضعيف افزايش يابد:

الف) تميز نبودن محيط و تارهاي نوري

ب) مناسب نبودن درجه حرارت محيط

ج) وجود گرد وغبار درهواي اطراف محل کار

د) عدم دقت در عمل برش سر فيبر نوري:

ه-عدم برش به صورت قائم

و-عدم تطابق محور دو تار نوري

ز- فاصله بيش از حد استاندارد

اين پنج عامل ، عواملي بودند که موجب تضعيف يا LOSS در مسير نور درون تار مي شود.

پارامترهاي بعدي در فيبر نوري پاشندگي يا Dispersion :

 در لغت پاشندگي و اصطلاحاً به معني پهن شدن يا فشرده شدن پالس مي باشد بدين مفهوم که در صورتي که منبع نوري از نوع مناسب انتخاب نگردد و يا تار نوري با روش مناسبي ساخته نشود، پالسهاي نوري پس از طي مسافتي از مسير شروع به پهن شدن مي نمايد و نهايتاً باعث اعوجاج در سيگنال Dispersion مي شود. در سيستم هاي راديويي اين پديده را به نام ISI  (Inter symbol Interferes) مي نامند. واحد آن ps/km (پيکو ثانيه بر کيلومتر) است.

نکته : تفاوت پراکندگي و پاشندگي: پراکندگي از نوع تضعيف LOSS مي باشد که باعث از بين رفتن سيگنال مي شود ولي پاشندگي Dispersion باعث اعوجاج در سيگنال مي گردد.

براي مثال دیسپرشن ps/km18 يعني پالسها در 18 پيکو ثانيه عريض مي شود.

منتظر ادامه مقالات آموزشی در نوشته های بعدی ما باشید.لطفا اگر مطالب عنوان شده مفید میباشند ما را از نظرات خود آگاه فرمایید. با تشکر