فیبر نوری

فیبر نوری (توضیح 2)

نوشته شده توسط Dj-Hamed.J مهندس برق قدرت دانشگاه سراج

از زمانهای ما قبل تاریخ تا حال حاضر، مخابرات نوری تاثیر شگرفی در فرهنگ بشر داشته است. در طی قرنها بشر ابتدایی بوسیله علائم دود و آتش ارتباط بر قرار میکرد. در سال ۱۸۱۵ ، الکساندر گراهام بل وسیله ای برای ارسال صدا از طریق پرتوهای نور خورشید ابداع کرد. امروزه بعد از یک قرن و نیم از تلفن نوری بل، ما بهره برداری کامل از پتانسیل های مخابرات نوری را با استفاده ازفیبر نوری آغاز کرده ایم.

امروزه شما میتوانید فیبر نوری را در هر جایی از سیستمهای تلفنی سالن های بزرگ تا شبکه های کوچک دفاتر داخلی پیدا کنید ، اکنون یک زیر ساختار فیبر نوری جهانی به خانه های شخصی و کامپیوترهای شخصی که توانایی ارائه سرویسهای جدید مهیج که قبلا ممکن نبوده را دارند، نفوذ کرده است. همچنین فیبرهای نوری در کاربردهای زیادی در صنعت و پزشکی برای ماشین بینایی و اندازه گیری تا تحویل دهی پرتوهای لیزر توان بالا در سیستم های برش به کار می رود.

برای دیدن ادامه توضیحات و عکس های مربوطه به ادامه ی مطلب رجوع کنید.

برای درک فیبرهای نوری ما باید مروری در زمینه برخی از مشخصه های مهم نور داشته باشیم. نور مرئی که همه ما با آن آشنا هستیم تنها بخشی از طیف الکترومغناطیسی است که حامل انرژی از امواج رادیویی به اشکال مختلف تا اشعه های X و فراتر از آن میباشد. تمام امواج الکترومغناطیسی با سرعت نور که در حدود ۱۸۶۰۰۰ مایل بر ثانیه میباشد جابجا میشوند، تفاوت در فاصله بین نوک موج های تکی که به عنوان طول موج شناخته میشود، وجود دارد. در بخش مرئی طیف طول موج، رنگ آنرا مشخص میشود. طول موجهای نوری با واحد نانومتر یا یک میلیاردیم متراندازه گیری میشوند. نور آبی دارای طول موجی در حدود ۴۰۰ نانومتر یا نور قرمز دارای طول موجی در حدود تقریبا ۷۰۰ نانومتر میباشد. حوزه مادون قرمز از حود ۸۰۰ نانومتر شروع شده و همزمان با نزدیکی به ناحیه مایکرویوو تا حدود ۱۰۰,۰۰۰ نانومتر افزایش پیدا میکند. در واقع این حوزه مادون قرمز میباشد که ما در بسیاری از کاربردهای فیبر نوری به آن علاقه مند میباشیم.

زمانیکه نور از داخل مواد گوناگون عبور میکند سرعت آن تغییر مینماید، جابجایی نور در یک محیط خلاء سریعتر از جابجایی نور در یک ماده چگالتر مثل شیشه است. کاهش ناگهانی سرعت نور در مرز خلاء و شیشه باعث میشود که کمی خمیدگی پیدا کند که این پدیده به عنوان شکست شناخته میشود. میزان خمیدگی وابسته به نسبت سرعتهای نور در خلاء و شیشه میباشد، این نسبت ضریب انکسار گفته شده و با حرف ” n ” نمایش داده میشود.

شیشه میتواند برای ایجاد موادی با ضرایب شکست مناسب برای کاربردهای خاص، ناخالصسازی شود؛ در این مثال ما محاسبات ضریب شکست برای دو نمونه از شیشه هایی که در فیبر نوری استفاده میشوند را میبینیم. طول موجهای گوناگونی نور دارای پاسخهای متفاوتی به ضریب شکست مواد هستند زمانیکه موج نوری که از طول موجهای گوناگونی تشکیل شده از داخل یک منشور عبور داده میشود ضریب شکست طول موجهای کوتاه تر مثل آبی و بنفش را بیشتر از سبز و قرمز دچار خمیدگی میکند که باعث تشکیل نمایشی از رنگها در رنگین کمان معمولی می شود. هنگامی که یک پرتوی نوری به یک ماده انکساری برخورد میکند جهت نور شکست یافته وابسته به زاویه تابش پرتوی نوری میباشد. اگر این زاویه تغییر کند باعث تعییر جهت نور منکسر شده میشود. در یک زاویه بحرانی مشخص نور دیگر از فصل مشترک بین آن دو واسطه عبور نمیکند، اما آن مشابه حالتی که اگر فصل مشترک آیینه میبود، انعکاس مییابد. زاویه بحرانی برای مواد گوناگون متفاوت بوده و به ضریب شکست بستگی دارد.

زاویه بحرانی برای پدیدههای نوری جذاب که استفاده از فیبر نوری را ممکن میسازد، پاسخگو است. در سال ۱۸۵۴ جان تندال انکسار کلی داخلی را کشف نمود. آزمایش او شامل یک محفظه از آب با یک سوراخ نزدیک انتها و یک منبع نور بود، نور با زاویه بحرانی فصل مشترک آب و هوا وارد جریان آب میشود، به شکل کاملا داخلی انعکاس مییابد، به آب این اجازه را می دهد که به شکل یک راهنما موج نوری عمل کند. فیبرهای نوری مدرن این فرایند طبیعی را بکار میبرند. و فیبرهای نوری از سه بخش تشکیل یافتهاند. اولین لایه یک پوشش ضربهگیر است که از مواد پلاستیکی ساخته شده پوشش یک حفاظت در برابر خمیدگی و ضربات مکانیکی را ایجاد میکند. در زیر پوشش ضربهگیر، لایهای از پوشش شفاف که معمولا از شیشه سیلیکنی خالص ساخته میشود، وجود دارد. داخلیترین بخش هسته نیز از سیلیکن ساخته شده اما برای ایجاد یک ضریب شکست معمولا بیشتر از لایه شفاف، با یک عنصر مشخص ناخالصسازی شده است.

تفاوت در ضرایب شکست بین پوشش شفاف و هسته، باعث شکست داخلی کامل نور در طول راهنمای موج نوری میشود. نور از درون فیبر نوری با زاویه کوچک نسبت به محور ارسال میگردد لذا به انتها دیگر انتقال خواهد یافت. علامت این زاویه، ضریب روزنه گفته میشود که شیپوره قابل قبول در انتها فیبر را مشخص میکند. نوری که وارد فیبر میشود از انتهای شیپوره قابل قبول انتقال نمییابد درعوض از پوشش شفاف به سمت بیرون منعکس یافته و از دست میرود. ساختار و مواد شیمیائی تشکیل دهنده هسته در عملکرد فیبر نوری بسیار حیاتی است. فیبرهای نوری به دو دسته وسیع چند حالته و تک حالته تقسیم میشود. یک تفاوت اساسی بین آنها در قطر مغزی است. فیبر تک حالته قطر مغزی کوچکی در مقایسه با قطر کلی فیبر دارند. مغزی با سایز کوچک نور را وادار به حرکت در یک مسیر و یا پیچش حول محور مینماید.

فیبر چند حالته قطر مغزی بزرگتری داشته که اجازه انتخاب تعدادی مسیر را از یک انتها فیبر به طرف دیگر میدهد. در حالت اساسی حرکت بدور محور فیبر است در صورتی که در حالتهای با مرتبه بالاتر تعدادی مسیر میتواند انتخاب شود. هنگامی که پالس کوتاهی از نور در درون یک فیبر چند حالته ارسال میگردد ابتدا یک پالس حالت محوری در طرف دیگر وارد میشود که بوسیله یک حالت مرتبه بالاتر دنبال میشود. این مسئله بر انبساط پالس نور تاثیر میگذارد که به عنوان حالت پراکندگی شناخته میشود. حالت پراکندگی استفاده از فیبر را در نرخهای بالای انتفال هنگامی که پالسها شروع به برهم افتادگی نموده و اطلاعات اشتباه میگردد، محدود میکند. اثر این پدیده با افزایش فاصله فیبر زیاد میشود. بخاطر این مسئله استفاده از فیبر تک حالته برای مسافتهای طولانی و انتقال با نرخ بیت بالا بخاطر عدم تاثیر حالت پراکندگی ترجیح دارد.