تاريخچه مخابرات نوري

تاريخچه مخابرات نوري*

نقاط ضعف فيبر نوري

محدوديت ها و نقاط ضعف فيبر نوري بسيار ناچيز و شامل موارد زير بوده است:

1- دقت كامل در هنگام نصب بسيار ضروري است.

2- اگر زاويه انحناي رشته هاي فيبر از حد معيني بيشتر شود، (مثلاً قطر انحناي آن از 30 سانتي متر كمتر شود) ممكن است بشكند.

3- كشش وارده كه مقدار آن براي كابل هاي با ظرفيت مختلف تفاوت مي كند نبايد از حد معيني بيشتر شود.

4- كابل هايي كه از داخل حوضچه ها عبور مي كنند بايد كاملاً حفاظت شده باشند و گروه هاي كابل كش بايد با دقت متوجه اين كابل ها باشند و به طريقي كه هيچ نوع ضربه اي به اين كابل ها وارد نشود.

تعاريف و قوانين نوري

1- ضريب شكست16

ضريب شكست يكي از پارامترهاي نوري اجسام است. سرعت نور به دو عامل فركانس(f) و طول موج(l) بستگي دارد.                                                                         f × l C=

وقتي نور به محيط عايق مثل شيشه وارد مي شود، سرعت آن از سرعت نور در فضا كمتر شده برابر مقدار v مي گردد. نسبت سرعت نور در فضا به سرعت نور در محيط جديد، بر اثر شكست آن محيط است. اگر ضريب شكست را با(n ) نشان دهيم,‌ خواهيم داشت:

n= c∕v

n را همچنين مي توان از رابطه    Öεr n= بدست آورد.

εr ضريب نفوذ پذيري الكتريكي نسبي17 ناميده مي شود.

مقدار n در محيط هاي مختلف متفاوت است. در جدول 1 ضريب شكست بعضي از اجسام مشخص شده است:

جدول 1.

هرچه ضريب شكست محيطي بيشتر باشد، سرعت نور در آن محيط كمتر است. چون ضريب شكست به سرعت و سرعت نيز به طول موج بستگي دارد، در نتيجه ضريب شكست نيز بستگي به طول موج دارد. يعني هرچه ضريب شكست كمتر شود،‌ طول موج بيشتر مي شود.

تغييرات طول موج نسبت به ضريب شكست براي شيشه خالص(Sio2) در زير آمده است:

2- زاويه پذيرش18 در فيبر نوري

زاويه پذيرش زاويه اي است كه نور مي بايستي در محدوده آن به فيبر نوري تابانده شود، به عبارت ديگر، زاويه اي است كه نور تابيده شده به فيبر با محور طولي ايجاد مي كند، به طوري كه پس از ورود به فيبر در مرز مغزي19 و پوشش خارجي بشكند و تماماً به داخل فيبر منعكس شود. زاويه پذيرش را در فرمولهاي محاسباتي با θα± نمايش مي دهند.

3- مخروط پذيرش نور20 

مجموعه اشعه اي كه در فيبر نوري قابل انتشار مي باشند، در خارج از فيبر مخروطي را تشكيل مي دهند كه به آن مخروط قبولي نور يا پذيرش نور گويند.

4- روزنه عددي21 

طبق تعريف، سينوس بيشينه زاويه پذيرش فيبر را ”روزنه عددي“ گويند.

N.A= Sin θα (max)

N.A  يا روزنه عددي فيبر, بيانگر ميزان توانايي گردآوري نور در فيبر نوري مي باشد، يا به عبارت ديگر,‌ مقدار تواني است كه مي تواند از منبع نور وارد فيبر شود.

نتيجه: هرچه N.A  بيشتر باشد، فيبر نوري, قابليت جذب نورهاي بيشتري را                     خواهد داشت.

مشخصات انتقال فيبرنوري

دو عامل مهم در ارزيابي سيستم هاي مخابراتي عبارتند از :

1.      تضعيف

2.      سيگنال و پهناي باند

كه اين دوعامل به جنس فيبر و روش ساخت بستگي داشته و تابع طول موج نور نيز                مي باشند.

1.       عوامل اصلي پديده تضعيف يا تلفات

تضعيف در فيبر نوري يكي از عوامل در پهناي باند انتقال اطلاعات است كه در ميزان فاصله تكرار كننده ها اثر مي گذارد. اين پارامتر در تعيين حداكثر فاصله بين گيرنده و فرستنده نقش عمده اي را ايفا مي كند. مقدار تضعيف در مقايسه با كابل مسي بسيار كم بوده و در نتيجه فواصل تكرار كننده بسيار زياد شده و عامل مهمي را براي تعيين مقرون به صرفه بودن استفاده از سيستم هاي نوري بيان مي كند.

در حال حاضر تضعيف در طول موج 1550 نانومتر به2/0 دسي بل بركيلومتر رسيده است. با اين مقدار، چنانچه تضعيف مربوط به محدوده  هر تكرار كننده را40 دسي بل فرض كنيم، مقدار فاصله مجاز براي كابل كشي با اين نوع كابل 200 كيلومتر خواهد شد.

عوامل اصلي پديده تضعيف يا تلفات فيبرنوري عبارتند از :

1-1 تلفات جذبي22 

1-2 تلفات پراكندگي به علت ناهمگوني ضريب شكست هسته23 

1-3 تلفات خمش يا تشعشع24 

1-4 تلفات اتصال و مفصل ها25   

1-5 تلفات در ورودي و خروجي فيبر     

حال به توضيح مختصري درباره هريك از عوامل فوق مي پردازيم:

1-1 تلفات جذبي:

اين پديده باعث تبديل مقداري از انرژي نوراني به حرارتي مي گردد. تلفات جذبي در اثر مواد تشكيل دهنده فيبر حاصل مي شود.

1-2 تلفات پراكندگي:

تلفات پراكندگي علاوه بر مواد ساخت فيبر به نا يكنواختي ساختمان فيبر نيز بستگي دارد. اين تلفات عمدتاً‌ از عواملي نظير تغييرات و نوسانات چگالي مواد و تغييرات جزئي در حجم و تركيب مواد فيبر و ناهمگوني هاي ساختماني فيبر نوري كه در موقع ساخت آن به وجود مي آيد ناشي مي شود.

1-3 تلفات خمش:

عبور نور از يك خمش تند با شعاع بسيار كوچك، موجب تلفات خمش يا تشعشع            

مي گردد.

1-4 تلفات اتصال و مفصل:

جهت انتقال به فواصل دور لازم است كه فيبرها را به يكديگر وصل كرد. در اين حالت همه نور خارج شده از فيبر اولي، وارد فيبر دومي نمي شود و باعث تلفات اتصال                 

مي گردد. تلفاتي كه در اثر اتصال فيبرها ايجاد مي شود، تابع دوعامل زير است:

1-4-1 تلفات در اثر تفاوت ساختاري و ذاتي بين دوفيبر.

1-4-2 تلفات در اثر عوامل خارجي كه ناشي از تكنيك كار و عمليات مفصل بندي است.

2.      پهناي باند

عامل مهم ديگر ارزيابي سيستم هاي مخابراتي ” پهناي باند “ است كه ظرفيت انتقال فيبر را تعيين مي كند. در اين جا لازم است در مورد عامل محدود كننده پهناي باند در فيبر نوري به طور مختصر اشاره اي شود.

عامل مهمي كه باعث محدوديت پهناي باند مي گردد ” پاشندگي يا اعوجاج سيگنال “26 مي باشد. محدوديت پهناي باند فيبر تك مدي به خاطر پاشندگي ماده و موج بر مي باشد. ولي محدوديت پهناي باند فيبرهاي چند مدي، به علت تفاوت درسرعت هاي گروهي مدها مي باشد.

ــ پاشندگي (اعوجاج سيگنال )

اگر جسمي داراي ضريب شكست n باشد و n تابعي از طول موج باشد آن جسم           

 ” پاشنده “ است.

از آن جا كه مواد فيبر از دو ضريب شكست متفاوت  n1,n2 ( به ترتيب مربوط به هسته و پوشش) تشكيل يافته است لذا فيبر نوري يك محيط پاشنده است، به طور كلي هرچه اعوجاج يا پاشندگي كمتر باشد پهناي باند بيشتر است.

اعوجاج سيگنال، باعث پهن شدن سيگنال پالس نوري در طول موج فيبر مي شود.  پهن شدن باند ارسالي (ارسال سيگنال آنالوگ) و پهن شدن پالس (ارسال سيگنال ديجيتال) در طول فيبر نوري، باعث تداخل اطلاعات و اعوجاج و بالاخره ” عدم تشخيص “ آن در مقصد مي شود.

انواع اعوجاج

1.      پاشندگي درون مدي27 

2.      اعوجاج بين مدي28 

1ــ پاشندگي يا اعوجاج درون مدي:

پهن شدن يك پالس كه توسط يك مد حمل مي شود را اعوجاج درون مدي و اغلب به نام اعوجاج كروماتيك مي خوانند. اين پديده در نتيجه وابستگي سرعت گروهي به طول موج به وجود مي آيد.

2ــ پاشندگي يا اعوجاج بين مدي:

اين پاشندگي مربوط به مقادير مختلف تأخير گروهي براي مدهاي متفاوت در يك فركانس معين است. يعني تعداد زيادي مد مي تواند در طول فيبر منتشر شود. بنابراين مدهاي مختلف، مسافت هاي متفاوتي را در فيبر طي كرده و در نتيجه در زمان هاي مختلف به انتهاي ديگر مي رسند. اين اختلاف زمان بين شعاع هاي نوري منتشر شده از مسيرهاي مختلف با طول هاي متفاوت به وجود مي آيد و اين تغييرات زمان، باعث پهن شدن پالس، كه گسترش يا پاشندگي29 ناميده مي شود، مي گردد.

فيبر نوري و ساختمان آن

فيبر نوري يك موج بر عايق است كه در فركانس هاي نوري كار مي كند و به شكل استوانه مي باشد. انرژي الكترومغناطيس به صورت نور در بين سطوح آن هدايت شده و نور موازي با محور فيبر منتشر مي گردد.

خصوصيات انتقال در يك موج بر نوري، به مشخصات ساختماني آن بستگي دارد. به عبارت ديگر ساختمان فيبرنوري تعيين كننده ظرفيت اطلاعات و همچنين ميزان اعوجاج فيبر است.

ساختمان فيبر نوري:

1.      هسته19: رشته بسيار نازك استوانه اي شكل، جامد و عايق به شعاع  و ضريب شكست n1 كه مغزي فيبر ناميده مي شود و معمولاً از شيشه ساخته مي شود.

2.      پوشش20: هسته فيبر توسط يك لايه جامد و عايق به نام پوشش يا ضريب شكست n2  و قطر(d) احاطه مي شود، به طوري كه n2  n1 >  است. پوشش را غلاف فيبر نيز مي نامند.

پوشش يا غلاف باعث مي شود كه: تلفات پراكندگي ناشي از پيوستگي هاي مغزي، كاهش پيدا كرده و ثانياً تحمل مكانيكي فيبر افزايش يابد و ثالثاً از ورود و جذب عوامل خارجي به سطح هسته جلوگيري به عمل آيد.

3.      روكش محافظ30: براي حفاظت فيبر در مقابل تنش هاي مكانيكي و ممانعت از تغيير شكل فيبر و جلوگيري از خراشيدگي سطح فيبر، آن را در يك حفاظ پلاستيكي به نام ” روكش محافظ “ قرار مي دهند.

انواع فيبرهاي نوري:

با تغيير در تركيب مواد مربوط به هسته دو نوع فيبر ساخته مي شود:

1.      فيبرهاي نوري با ضريب شكست پله اي31 

2.      فيبرهاي نوري با ضريب شكست مرحله اي 32

فيبرهاي نوري با توجه اشعه اي كه از آن ها عبور مي كند نيز به دو بخش تقسيم مي شوند:

1.      فيبرهاي نوري تك مدي

2.      فيبرهاي چند مدي 

ــ فيبر هاي نوري تك مدي، فيبرهايي هستند كه تنها يك شعاع نوراني را از خود عبور  مي دهند.

ــ فيبرهاي نوري چندمدي، فيبرهايي هستند كه قادر به انتقال يك دسته اشعه نوري              مي باشند.

با توجه به دو نوع تقسيم بندي فوق (از نظر نوع هسته و از نظر نوع اشعه عبوري) فيبرها به چهار دسته اصلي و كلي تقسيم مي شوند:

1.      فيبرهاي نوري تك مدي با ضريب شكست پله اي

2.      فيبرهاي نوري چند مدي با ضريب شكست پله اي

3.      فيبرهاي نوري تك مدي با ضريب شكست مرحله اي

4.      فيبرهاي نوري چند مدي با ضريب شكست مرحله اي

كه عملاً حالت سوم يعني فيبرهاي نوري تك مدي با ضريب شكست مرحله اي، كاربردي در مخابرات ندارد و ساخته نمي شود.

در سيستم مخابرات ايران از فيبرهاي نوع اول يا فيبرهاي نوري تك مدي با ضريب شكست پله اي استفاده مي شود.

خواص مواد مورد استفاده در ساخت فيبر نوري:

موادي كه براي ساخت فيبر نوري انتخاب مي شوند بايد داراي خواص زير باشند:

1.      امكان ساخت فيبر دراز و نازك با قابليت انعطاف زياد با آن ها ممكن باشد.

2.      در طول موج نور مورد نظر، كاملاً شفاف باشند تا بتوانند نور را با بازده مناسب هدايت كنند.

3.      بتوان با افزودن مقدار كمي از مواد مشابه ديگر، ضريب شكست آن را براي هسته و غلاف به طور فيزيكي تغيير داد.

خواص فوق عمدتاً در ماده شيشه قابل دستيابي است

تا كنون شيشه هاي اكسيدي كه كاملاً شفاف هستند براي ساخت فيبر بيشتر از همه استفاده شده اند و معمول ترين اين اكسيدها، اكسيد سيليسيم Sio2 است كه ضريب شكست آن در طول موج 85/0 ميكرون، برابر 458/1 مي باشد. ضمناً اين ماده، يكي از ثابت ترين مواد از نظر شيميايي است و داراي نقطه ذوب بسيار زيادي بوده و از ضريب انبساط حرارتي كم برخوردار است. داراي قدرت مكانيكي كافي بوده و روش هاي سريعي براي توليد آن وجود دارد و قيمت آن نسبتاً كم است.

تنها عيب اين ماده،‌ نارسايي هاي پديده جذب است.

براي توليد فيبر، دوماده مشابه كه ضريب شكست آن ها قدري باهم تفاوت داشته باشد لازم اند. درصدي از مواد ديگر كه  مواد افزودني نام دارند  نظير فلوئور (F) و يا اكسيدهاي مختلف مانند اكسيد بور (B2O3)، اكسيد ژرمانيوم (Geo2)، اكسيد فسفر (P2O5) و اكسيدهاي ديگر به سيليس اضافه مي گردد. اضافه شدن                   Geo2 و P2O5 ، موجب افزايش ضريب شكست و تزريق فلوئور يا B2O3 موجب كاهش آن مي شود.

مواد افزودني را ” مواد تراز كننده “ يا دوپونت33  نيز مي گويند.

16-Refractive Index

17-Premitivity

18-Acceptance Angle‌

19-Core

20-Acceptance Cone

21-Numerical Aperture

22-Absorption Losses

23-Scattering Losses

24-Bend or Radiation Losses

25-Joint and Splices Losses

26-Dispersion

27-Intra modal Dispersion

28-Inter modal Dispersion

29-Modal

30- Buffer Jacket

31- Step Index Fiber Optic

32- Graded Index Fiber Optic

33- Dupont