ارتباطات نوری

فیبر نوری به عنوان محیط انتقال مناسب برای ارتباطات در اواخر دهه 70 میلادی مطرح شد و با گذشت زمان کوتاهی مورد استفاده و استقبال فراوان شرکت های مخابراتی قرار گرفت. بطوریکه در حال حاضر اکثر ترافیک ارتباطی دنیا روی فیبر های نوری برقرار شده و روند تقاضای برقراری ارتباط فیبر نوری افزایشی است. ارتباط نوری از طریق فضای آزاد یا FSO در دهه 80 میلادی مطرح گردید و در ارتباطات پر ظرفیت زمینی و ماهواره ای کاربرد دارد. سیستم های FSO در ارتباطات زمینی به دلیل قابلیت انتقال پهنای باند زیاد و برقراری سریع لینک در مواردی چون ارتباط ایستگاه های خبری با مراکز پخش رادیو تلویزیونی ، کاربردهای اطلاع رسانی نظامی و شبکه های کامپیوتری LAN و MAN مورد استفاده قرار می گیرند.

سیستم‌های FSO می‌توانند در مسافت‌های چند کیلومتری تا زمانی که یک خط دید واضح بین مبدا و مقصد وجود داشته باشد، کار کنند و گیرنده نوری می‌تواند به‌طور قابل‌اطمینانی پیام ارسال‌شده را رمزگشایی کند. سیستم‌های FSO در ارتباطات ماهواره ای می‌توانند با استفاده از زیرسیستم‌های کوچک، کم جرم و کم مصرف، لینک هایی پر سرعت با بردی بلند ارائه دهند که آنها را برای ارتباطات در فضا مناسب می‌سازد. مجموعه‌های ماهواره‌ای مختلفی که برای ارائه پوشش پهنای باند جهانی در نظر گرفته شده‌اند، از این مزایا بهره می‌برند و از ارتباطات لیزری برای لینک های بین ماهواره‌ای بین چند صد تا هزار ماهواره استفاده می‌کنند که به طور مؤثر یک شبکه مش نوری در فضا ایجاد می‌کنند. لینک های FSO به دلیل حساسیت به شرایط جوی باران ، برف و مه و همچنین عبور پرندگان از مسیر عبور لیزر که باعث قطعی یا اختلال در ارتباط می گردند، در ارتباطات زمینی حساس و بلادرنگ کاربرد بسیار کمتری دارند.

مزایای فیبر نوری

فیبر نوری مزایای چشمگیری نسبت به سایر محیط های انتقال دارد. پهنای باند بسیار زیاد و در نتیجه ظرفیت ارتباطی بالا، اتلاف انرژی و تضعیف کم و در نتیجه طولانی تر شدن واصل، مصونیت در مقابل تداخل امواج الکترومغناطیسی (قابل نصب در کنار خطوط فشار قوی برق)، عدم وجود همشنوایی یا Cross talk ، ارزانی و فراوانی مواد اولیه در طبیعت، سادگی توسعه ظرفیت با توجه به احتیاجات روزمره ، طول عمر بیشتر، ایمنی پیام یا امنیت در مقابل استراق سمع و سرانجام آسانی نصب و مرمت کابل ها از جمله مزایای فیبرنوری به شمار می روند.

ساختار فیبرهای نوری

فیبرنوری یک محیط انتقال استوانه ای از جنس شیشه یا پلاستیک است که از دو ناحیه مغزی و غلاف با ضریب شکست های متفاوت و دو لایه پوششی اولیه و ثانویه از جنس پلاستیک تشکیل شده است (شکل 3) . بر اساس قانون اسنل، برای انتشار نور در طول فیبرنوری باید شرط>n2 n1 برقرار باشد که n1و n2به ترتیب ضریب شکست های مغزی و غلاف هستند.

انتشار نور تحت تأثیر عوامل ذاتی و اکتسابی دچار تضعیف می شود. این عوامل عمدتا ناشی از جذب فرابنفش، جذب فروسرخ، پراکندگی ریلی، خمش و فشارهای مکانیکی برآنها هستند. منحنی تغییرات تضعیف بر حسب طول موج در شکل 4 نشان داده شده است.

انواع فیبرهای نوری

فیبرهای نوری از نظر نحوه انتشار نور، به دو دسته عمده فیبرهای چند مدی و فیبرهای تک مدی تقسیم می شوند.

فیبر های چند مدی

این نوع فیبرهای نوری عمدتا” در بخشی از ارتباطات نوری مورد استفاده قرار می گیرند که ارسال داده های مخابراتی راه نزدیک را به عهده دارند که از آن جمله می توان ارتباط بین کامپیوتری و مراکز داده را نام برد. در این نوع فیبر نوری در هنگام گسیل نور به داخل آن، مدهای مختلف به طور همزمان از داخل مغزی انتشار می یابند. قطر مغزی فیبرهای چند مدی موجود معمولا در دو نوع 50 و 62.5 میکرون است. فیبرهای چند مدی از نظر ضریب شکست، به دو گروه ضریب شکست پله ای و ضریب شکست تدریجی تقسیم می شوند.

فیبر نوری با ضریب شکست پله ای

در فیبرهای ضریب شکست پله ای، ضریب شکست در تمام نقاط در ناحیه مغزی یکسان است و از مرز مشترک با ناحیه غلاف ضریب شکست بصورت پله ای تغییر می کند. در فیبرهای اولیه از این طرح ضریب پله ای استفاده شده بود. نقص عمده ای که این نوع فیبرها دارند این است که پرتوهای نوری که همزمان وارد این نوع فیبرها می شوند بعلت اختلاف در زاویه انتشار، مسیرهای نوری متفاوتی را طی میکنند و در نتیجه پرتوهای نوری در انتهای مسیر با زمان های متفاوت خارج می شوند که عملا پدیده ای را به وجود می آورند که اصطلاحا در مخابرات فیبر نوری به “پاشندگی” معروف است. به دلیل پدیده پاشندگی، در بسامدهای بالا و در مسافت های طولانی این گونه فیبرها کاربردی ندارند.

در شکل 5 چگونگی انتشار در فیبرهای چند مدی با ضریب شکست پله ای به طور شماتیک نشان داده شده است که در آن n1و n2 به ترتیب ضریب شکست های مغزی و غلاف هستند.

فیبر نوری با ضریب شکست تدریجی

در فیبر نوری با ضریب شکست تدریجی، ضریب شکست در تمام ناحیه مغزی به تدریج تغییر میکند. بیشترین ضریب شکست در مرکز مغزی بوده و هرچه ضریب شکست به سطح مشترک با غلاف نزدیکتر میشود مقدار آن کمتر میشود و در سطح مشترک ضریب شکست مغزی و غلاف فیبر مساوی می شوند. به علت تغییر تدریجی ضریب شکست، موج نور نیز بتدریج شکسته می شود و به همین دلیل مسیر انتقال نور به صورت نوسانی شکل میگیرد. سرعت نور در نواحی مختلف مغزی بعلت تفاوت ضریب شکست ها، متفاوت خواهد بود. در مرکز مغزی چون ضریب شکست فیبر بالا است سرعت نور طبیعتا کم می شود و در ناحیه دور از مرکز با کاهش تدریجی ضریب شکست، سرعت نور به تدریج افزایش می یابد. در نتیجه پرتوهای مختلف با سرعتهای انتشار تدریجی تقریبا همزمان به انتهای فیبر می رسند و اثر پاشندگی به حداقل مقدار خود خواهد رسید. در شکل6 نحوه انتشار نور در فیبر نوری با ضریب شکست تدریجی نمایش داده شده است که در آن n1و n2 به ترتیب ضریب شکست های مغزی و غلاف هستند.

فیبر نوری تک مدی

فیبرهای نوری تک مدی به طور عمده در مخابرات نوری بکار گرفته می شوند و در مقایسه با فیبرهای چند مدی دارای مغزی کوچکتری هستند. فیبرهای نوری تک مدی انواع متفاوتی دارند و با توجه به طول موج کار تقسیم بندی شده اند. متداول ترین فیبرهای تک مدی بارتند از: تک مدی معمولی با طول موج کار ۱۳۰۰نانومتر، تک مد با پاشندگی انتقال یافته (DSF) با طول موج کار 1550 نانومتر، تک مدی با پاشندگی انتقال یافته غیر صفر (NZDSF)با طول موج کار ۱۵۳۰تا ۱۵۶۵ نانومتر و تک مدی با پاشندگی تخت .(DFF)قطر مغزی در این نوع فیبرها 9 تا 10 میکرون و قطر غلاف آن ١٢۵میکرون است و با پوشش، قطر نهایی به ٢۵٠میکرون می رسد. به علت کوچک بودن قطر مغزی در این نوع فیبرها، بیش از یک مد در آنها انتشار نمی یابد. در فیبرهای تک مد پاشندگی بسیار پایین است و به همین علت این نوع فیبرها برای شبکه مخابرات نوری راه دور مناسب هستند. در شکل7 چگونگی انتشار نور در فیبر تک مدی نشان داده شده است.

تلفات و انواع آن در فیبرهای نوری

امواج نوری در هنگام عبور از فیبرنوری مقداری از انرژی خود را از دست می دهند. تلفات در فیبر یک پارامتر مهم تلقی می شود که می تواند از فرایند تولید، مواد تشکیل دهنده فیبر، خمش ها و تنش ناشی شود. ناخالصی ها در فیبر باعث افزایش تلفات می شوند. مقدار تلفات در فیبر در طول موج های متفاوت تغییر می کند. برای مثال در طول موجهای 1550 و1300 نانومتر تلفات کمتر است. در مخابرات فیبرنوری مطابق شکل 8 این دو طول موج به ترتیب به پنجره های دوم و سوم ارتباطات نوری معروف هستند.

طبق تعریف، تلفات بر حسب دسیبل بر کیلومتر (dB/Km)بیان شده و با رابطه زیر محاسبه می شود.

که در آن Pout توان خروجی نور از فیبر، Pin توان ورودی نور به فیبر و L طول فیبر هستند. به طور کلی تلفات در فیبرهای نوری به دو دسته ذاتی و اکتسابی تقسیم می شوند.

تلفات ذاتی

تلفات ذاتی در فیبر از نوع جذبی است. یعنی اینکه انرژی نوری که در داخل فیبر انتشار می یابد در طول مسیر جذب مواد تشکیل دهنده آن شده و به حرارت تبدیل می شود. تلفات ذاتی بر دو قسم است که به تلفات فرابنفش و فروسرخ معروف هستند. مواد تشکیل دهنده فیبر به طور ذاتی بر حسب فرکانس در محدوده طیف فرا بنفش و فرو سرخ مقداری از انرژی نور را جذب کرده و باعث تلفات می شوند. در طول موج های بین 1.2 الی 1.3میکرون تلفات ناشی از جذب فروسرخ تقریبا وجود ندارد و مقدار تلفات ناشی از جذب فرابنفش نیز در این محدوده قابل اغماض است.

تلفات اکتسابی

تلفات اکتسابی به علت وجود ناخالصی در فیبر ناشی می شود. ناخالصی ها از دو نوع فلزی و غیر فلزی هستند.

ناخالصی نوع فلزی

اگر یون های فلزی آهن و کروم به مغزی فیبر وارد شوند باعث تلفات در فیبر می شوند و مقدار آنها نباید از 1ppbبیشتر باشد. وجود این نوع ناخالصی ها علاوه بر افزایش تلفات کل، باعث کاهش استحکام فیبر می شوند و درصد پارگی فیبر را در آزمون های مکانیکی افزایش می دهند.

نا خالصی نوع غیر فلزی

وجود یون غیرفلزی OHدر شبکه شیشه تشکیل دهنده فیبر باعث تلفات در فیبرنوری می شود زیرا فرکانس نوسانات این مولکول در حد فرکانس نور است. مقدار ناخالصی یون OHدر فیبر نباید از 1ppmتجاوز کند. تلفات ناشی از یون OHدر طول موج 1380nm رخ می دهد و علاوه بر نوسان اصلی، هارمونیک دیگر آن در 1250nm هم باعث افزایش تلفات کل در فیبر می شود. یون OHدر زمان تولید فیبر وارد شبکه شیشه آن می شود.

تلفات پراکندگی ریلی

این نوع تلفات به علت پدیده پراکندگی ریلی در فیبر به وجود می آید. پراکندگی ریلی از وجود افزودنی دی اکسید ژرمانیوم در مغزی فیبر ناشی می شود. وجود دی اکسید ژرمانیوم در مغزی فیبر باعث ناهمگنی در ضریب شکست ناحیه مغزی می شود که قابل مقایسه با طول موج نور است که به نوبه خود باعث پراکندگی نور منتشره در فیبر می شود و به دنبال آن تلفات افزایش می یابد. تلفات پراکندگی ریلی در طول موج های کوچک تر اتفاق می افتد و متناسب است با معکوس توان چهارم طول موج لذا با افزایش طول موج کاهش می یابد .

تلفات موجبر

تلفات موجبر در فیبر نوری به علت ناهمواری سطح مشترک مغزی و غلاف پدید می آید. علت این نوع تلفات را باید در فرایند ساخت جستجو کرد که هم می تواند در زمان ساخت پیش سازه باشد و هم در فرایند کشش. برای اجتناب و یا به حداقل رساندن تلفات موجبر، مراحل مختلف فرایند تولید به طور دقیق باید کنترل شوند.

تلفات ریز- خمش

این تلفات به دلیل خمش های ریزی، که در فرایند ساخت و یا در مرحله کابل سازی در فیبر نوری ایجاد می شوند، بوجود می آیند. مرحله ای از ساخت فیبر نوری که در آن ایجاد ریز-خمش ها رخ می دهد، مرحله کشش فیبر است که به دلیل اعمال نادرست مواد پوشش دهنده اتفاق می افتد. در زمان کابل سازی نیز دقت زیادی نیاز است تا از ایجاد ریز-خمش ها در فیبر نوری جلوگیری شود.

تلفات کل در فیبر های نوری

مجموعه تلفات ذاتی و اکتسابی در یک فیبر نوری، تلفات کل فیبر را تعیین می کند که بخشی از آن در زمان تولید و بخش دیگر در حین کابل سازی و کاربرد آن ایجاد می شود. تلفات کل را می توان با رابطه زیر بیان کرد:

که در آن A ضریب پراکندگی ریلی، B ضریب ثابت و C ضریبی متغیر و تابع طول موج است.

پاشندگی در فیبر نوری

پاشندگی در فیبرهای نوری یک پدیده شناخته شده است که باعث پهن شدن پالس های نوری منتشره در آن می شود. به طور کلی پدیده پاشندگی، با توجه به نوع فیبر، به دو نوع پاشندگی بین مدی و فرامدی یا پاشندگی رنگی تقسیم می شود. در فیبرهای چند مدی، هر دو نوع پاشندگی بین مدی و رنگی وجود دارند ولی در فیبرهای تک مدی پاشندگی فقط از نوع رنگی است.

مطابق شکل 9 پاشندگی بین مدی در فیبر نوری چند مدی به علت نرسیدن همزمان مدهای انتشار نوری به انتهای فیبر ایجاد شده و این پدیده باعث پهن شدگی پالس برآیند در خروجی فیبر نوری می شود. پاشندگی رنگی در فیبرهای تک مدی به سه نوع پاشندگی مواد، موجبر و پروفایل تقسیم می شود.

پاشندگی مواد

مقدار ضریب شکست شیشه بر حسب طول موج نور تغییر می کند. به زبان ریاضی مشتق دوم ضریب شکست فیبر بر حسب طول موج پاشندگی مواد نامیده می شود که به صورت رابطه زیر بیان می شود.

که در آن n، c و λ بترتیب ضریب شکست مغزی فیبر، سرعت نور در خلاء و طول موج نور هستند.

پاشندگی موجبر

چگونگی توزیع مد اصلی در مغزی و غلاف به هنگام گسیل نور به داخل فیبر بستگی به طول موج نور دارد. هر چه طول موج بیشتر باشد جزء بیشتری از مد اصلی در غلاف انتشار می یابد. چون ضریب شکست غلاف کمتر از ضریب شکست مغزی است سرعت مد اصلی در غلاف بیشتر از سرعت آن در مغزی خواهد بود. حال اگر تغییر جزیی در مقدار طول موج نور در زمان انتشار به وجود آید پاشندگی موجبر Dw (λ) ایجاد می شود. معمو لا در فیبرهای تک مدی ، پاشندگی موجبر وجود دارد و تابعی از طول موج است که با رابطه

بیان می شود که در آن V فرکانس نرمالیزه، b ثابت انتشار نرمالیزه، n1 وn2 به ترتیب ضریب شکست های مغزی و غلاف، c سرعت نور و λ طول موج نور در خلاء هستند.

پاشندگی پروفایل

در فیبرهای نوری تک مدی پاشندگی های غالب، پاشندگی مواد و موجبر هستند ولی پاشندگی ناشی از نابسامانی در پروفایل های ترکیبی (مانند فیبرهای دو -غلافه و چهار -غلافه) در محاسبات دقیق نباید نادیده گرفته شود، هر چند مقدار پاشندگی پروفایل کوچک و کمتر از 0.5 ps/nm.km است.

پاشندگی رنگی DT از مجموع پاشندگی مواد DW، پاشندگی موجبر DM و پاشندگی پروفایل DP تشکیل می شود.

در فیبرهای نوری چند مدی، پاشندگی بین مدی، پاشندگی غالب است که ناشی از انتشار غیر همزمان مدهای مختلف در فیبرهای نوری چند مدی است که باعث پهن شدن بیش از حد پالس های نوری می شود به طوری که این نوع فیبرهای نوری را برای مخابرات راه دور نامطلوب می سازد. مقدار پاشندگی فیبرهای نوری تک مد معمولی در طول موج ۱۳۰۰ نانومتر کمتر از 3 ps/nm.km ، و در طول موج ۱۵۵۰ نانومتر 15 ps/nm.km است. قابل ذکر است، دیمانسیون nm در واحد اندازه گیری پاشندگی مربوط به پهنای طیف چشمه نور است.