آشنایی با فیبر نوری
فیبر نوری و فرآيند تولید
فیبر یا تار نوری لوله‌ایی شیشه‌ایی بسیار نازک، انعطاف‌پذیر و شفاف است. تار نوری، از کشیدن استوانه‌ای شیشه‌ای به نام پیش سازه (Preform) که از مواد شیمیایی فوق العاده خاص عمد تا (تتراکلرید سیلیکون (SiCI4) و تتراکلرید ژرمانیوم (GeCI4) ساخته شده است تشکیل میگردد.
طول این پیش سازه‌ها عموما 40 سانتی‌متر می باشد. فیبر کشیده در داخل برج کشش دارای تمام خاصیت‌های Preform اولیه است و در حقیقت تمام ویژگی‌های Preform به همان نسبت در فیبر کوچک میگردد.
ترکیب اصلی تمام فیبرهای استاندارد عمدتاً از سیلیس تشکیل شده است و مقادیر مختلفی از ژرمانیوم برای افزایش ضریب شکست فیبر به سطح مورد نظر اضافه شده است. در فیبرهای single mode معمولاً فقط مقادیر کمتری از ژرمانیوم استفاده است آما در فیبرهای multi mode به علت وجود ضریب شکست بالاتر از ژرمانیوم بیشتری استفاده شده است.
تار نوری، از دو قسمت هسته (Core) و غلاف (Cladding) با ضریب شکست‌های n1 و n2 (n1>n2) تشکیل شده است و پوششی پلیمری (Primary Coating) قطر تار نوری را به 250 میکرون می‌رساند. قطر هسته تار نوری در انواع فیبرها متفاوت ولی قطر غلاف ثابت است.
روش‌های ساخت Preform
MCVD = Modified Chemical Vapor Deposition
OVD = Outside Vapor Deposition
VAD = Vapor Axial Deposition
فرآیند کشش Preform در برج کشش
در این مرحله و پس از قراردادن Preform در گیره تغذیه عملیات کشیدن فیبر شروع میگردد. در ابتدا نوک Preform در کوره گرافیت با خلوص بالا حرارت داده شده و به سمت پایین حرکت می‌کند. در این کوره گرمایی نزدیک به 2000 درجه سانتی‌گراد نوک Preform را نرم کرده و با استفاده از نیروی گرانش به سمت پایین برج کشش حرکت کرده تا به یک رشته نازک تبدیل گردد.
اجرا تشکیل دهنده یک ارتباط نوری
یک سیستم ارتباط نوری شامل اجزاء ذیل است:
منبع یا فرستنده نوری
LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
LED: Light-Emitting Diode
یک فرستنده نوری، سیگنال های الکتریکی را به سیگنال های نوری تبدیل کرده و به داخل تار نوری ارسال می کند.
در این فرستنده، سیگنال های الکتریکی مانند Voice، Data یا Video تبدیل به سیگنال‌های نوری می‌شود. اگر ارسال سیگنال‌های نوری به صورت آنالوگ باشد شبیه منبع نوری است که نور آن شدت و ضعف پیدا می کند. اگر ارسال سیگنال های نوری بصورت دیجیتال باشد مانند چراغ قوه‌ای است که به طور مکرر روشن و خاموش می شود.
تارنوری
سیگنال های نوری از طریق تار نوری به سمت گیرنده ارسال می شود.
نکته:
توان سیگنال های نوری ارسال شده درتارنوری، تا رسیدن به گیرنده، به دلیل تضعیف خط، افت نقاط اتصال و… کاهش می یابد.
گیرنده نوری
سیگنال های نوری در گیرنده به وسیله photodiode دوباره تبدیل به سیگنال‌های الکتریکی می شود.
مزایای استفاده از تار نوری در ارتباطات
ارتباطات از طریق تار نوری مزایای زیادی نسبت به ارتباطات از طریق کابل های مسی ویا امواج رادیویی دارد.
امواج الکترومغناطیس (EMR) روی فیبر اثر ندارد.
تارهای نوری وسیستم های مربوط به آن ظرفیت حمل اطلاعات بسیار بیشتری نسبت به کابل های مسی زوجی، کابل های کواکسیال و سیستم های رادیوئی دارد.
کابل نوری نسبت به کابل مسی، وزنی بسیار سبک تر، حجمی بسیار کمتر و قیمتش بسیار ارزانتراست و فضای بسیار کمتری اشغال می کند و درمسافت های بسیار طولانی تر بکار می رود.
انعطاف کابل های فیبرنوری نسبت به کابل های پر ظرفیت مسی بسیار بیشتر است.
عمر تار نوری استاندارد در شرایط مناسب بطور متوسط حدود 25 سال در نظر گرفته شده است.
نحوه انتشار نور در تارنوری
نور را می‌توان به شکل یک شعاع تک فام فرض کرد که برخورد این شعاع با فصل مشترک دو محیط با غلظت‌های مختلف، دو پدیده انعکاس و انکسار به وجود می‌آید.
انعکس و انکسار نور
تصاویر ادامه حرکت هندسی نور در برخورد با فصل مشترک دو محیط با غلظت های مختلف را نشان می دهد:
و در نهایت هنگامی که زاویه تابش شعاع نور به زاویه حد (Critical Angle) برسد نور در فصل مشترک دو محیط منتشر می شود و چنانچه زاویه تابش از زاویه حد کمتر شود، شعاع نور بطورکامل در محیط اول حرکت می کند و انعکاس کلی رخ می دهد.
اجزای تشکیل دهنده تار نوری
انواع تار نوری
تارهای نوری بر اساس عناصر تشکیل دهنده هسته (Core) و سایز هسته و روکش تقسیم بندی می‌گردند. با توجه به این موضوع تارهای نوری به دو دسته اصلی Multimode (Step & Graded index) و single mode تقسیم می‌گردند.
واحدهای اندازه‌گیری در تارهای نوری Micron میباشد که قطر داخلی هسته در تارهای Multi mode برابر با 50 و یا 62.5 میکرون و قطر خارجی آن 125 میکرون است. این اعداد در تارهای single mode برابر با قطر داخلی 9 و قطر خارجی 125 میکرون می باشد.یک میکرون برابر با یک میلیونیوم متر و 125 میکرون برابر 0.005 اینچ می باشد.
انواع تارنوری Multi mode
تارنوری multimode دارای قطر هسته 50 یا 62.5 میکرون می باشد. بهمین علت در این تارها انتشار نور برخلاف تارهای singlemode در چند حالت انجام میگردد. این تارها به دو دسته اصلی Step Index و Graded Index تقسیم می گردند.
Step index multi mode fibers
این تارهای نسل اولیه تولیدی تارهای نوری Multi mode میباشد.به علت تفاوت متریال استفاده شده در سات Core تار نوری با Cladding تضعیف نور در این نوع از تارها بالا بوده و موارد استفاده کمتری را دارد. عموما از این تارها در POF(Plastic optic fiber) و تکنولوژی های صوتی و تصویری استفاده می گردد.
نحوه نحوه انتشار نور در تارهای step index و ضریب شکست پله ایی در این تارها
graded index multi mode fibers
این تارهای نسل پیشرفته تولیدی تارهای نوری Multi mode میباشد.به علت تغییرات در ساختار شیشه ساخته شده , و استفاده از طیف وسیعی از مواد برای Core این تارها دارای پهنای باند بیشتری در حدود 4 گیگاهرتز در کیلومتر نسبت به تارهای step index می باشند. عموما از این تارها در درجه اول برای شبکه های محلی LAN ،FTTD و سیستم های دوربین های مداربسته استفاده می گردد.
مشخصات عمومی
قطر هسته (Core) = 50 µm
قطر غلاف (Cladding) = 125 µm
قطر پوشش پلیمری (پوشش اکریلیت همراه با پوشش نازک کد رنگ) = 250 µm
نحوه انتشار نور در تارهای graded index و ضریب شکست
در جدول زیر به تفاوت میان تارهای Multimode Step&Graded index اشاره شده است: تدریجی در این تارها
مفروضات استاندارد در تارهای نوری Multimode
گروه بندی انواع مختلف تارهای نوری بر اساس استانداردهای بین المللی ISO/IEC 11801 و ITU-T، تارهای نوری Multi-Mode = MM با حروف اختصاری OM با نام های OM1، OM2، OM3، OM4 و جدیدترین آن OM5 معرفی کرده است. دراستاندارد ITU-T تارهای نوری (MM) در گروه G 651 قرار دارند.
اختلاف قطر هسته (Core) تارهای نوری OM با یکدیگر:
قطر هسته (Core) تار نوری OM1 با ضریب شکست پله ای (Step Index=SI) برابر با 5µm است.
قطر هسته (Core) تارهای نوری در مدل های OM2، OM3، OM4 و OM5 با ضریب شکست تدریجی (Graded Index=GI) برابر با 50µm است.
انواع تارنوری Singlemode
تارنوری single mode دارای قطر هسته 9 میکرون می باشد. به همین علت در این تارها انتشار نور برخلاف تارهای multi mode در یک حالت انجام میگردد و این امر باعث برطرف شدن مشکل پاشندگی نور(Modal Dispersion) و ایجاد پهنای باند وسیع تروافت کمتر است و از آن در مسافت های طولانی استفاده می شود.
مشخصات عمومی
تار نوری تک مُدی (Single Mode = SM)
متوسط قطر هسته (Core) = 9 µm
- قطر غلاف (Cladding) = 125 µm
قطرپوشش پلیمری (پوشش اکریلیت همراه با پوشش نازک کد رنگ) = 250 µm
بر اساس استاندارد ITU-T تارهای نوری گروه G 652 در چهار نوع تولید شده است:
G 652 A
G 652 B
G 652 C
G 652 D
تارهای نوری G 652 A و G 652 B نسل قدیمی تارهای Single mode هستند که به علت وجود عامل OH یا Water Peak (WP) دارای محدودیت های اجرایی می باشند.
در تارهای نوریG 652 C و G 652 D عامل OH حذف شده و بصورتLWP (Low Water Peak) و یاZWP (Zero Water Peak) در آمده است.
تارهای نوری OS1 در گروه های G 652 A و G 652 B قرار دارد.
تارهای نوری OS2 در گروه های G 652 C و G 652 D قرار دارد.
عامل-OH یا Water Peak
وجود آب و یا یون OH در فرایند تولید تارهای نوری باعث تضعیف طیفی در طول موج های محدوده 1244 نانومتر تا 1383 نانومتر می گردد. به همین علت و جهت کاهش این تضعیف با تغییرات و دقت بیشتر در فرایند تولید تارها و حذف عامل water peak این مشکل برطرف گردیده است. حذف این عامل دلیل تفاوت اصلی در نسل های G652(A&B) با نسل جدید G652 (C&D) می باشد.
استانداردهای ISO/IEC 11801 تارهای نوری (Standard or Conventional Single mode Fibers=SM) را بعنوان OS1 و OS2 معرفی کرده است.
در استاندارد ITU-T تارهای نوری SM در گروه G 652 قرار دارند. قطر Cladding تارهای نوری مولتی مُد و سینگل مُد 125 µm است ولی در قطرهسته (Core) با یکدیگر اختلاف دارند.
عوامل بازدارنده انتقال نور در ارتباطات نوری
تضعیف
وقتی سیگنال نوری در طول تار نوری حرکت می کند به سبب عوامل ذاتی موجود در فیبر مانند جذب (Absorption)، پاشندگی (Scattering) و ریز خمش ها (Micro Bending)، همچنین افت های مکانیکی مانند بزرگ خمش ها (Macro Bending)، نقاط جوش تارها بیکدیگر (Fusion Splice) و اتصال های مکانیکی (Mechanical Splice)، سیگنال نوری تضعیف می شود.
پاشندگی (Modal Dispersion)
این نوع پاشندگی در تارهای نوری MM بوجود می آید و دلیل آن تقسیم سیگنال نور به مولفه های (Modal) مختلف است که هر یک در درون هسته فیبر مسیر جداگانه ای را طی می کند.
پاشندگی رنگی (Chromatic Dispersion)
عموماً نور منبع های لیزر، طول موج ها را بصورت تکفام ارسال نمی کند لذا خروجی آن بیش از یک طول موج است.
(البته می توان به کمک فیلترهای خاصی نور تکفام در تار نوری ارسال کرد)
پاشندگی رنگی بدلیل سرعت طول موج های مختلف در تارهای نوری MM و SM اتفاق می افتد.
در تصویر زیر سرعت های مختلف دو اتومبیل مصداق سرعت طول موج های مختلف است:
تصاویر زیر نشان دهندۀ سرعت های مختلف طول موج های مختلف در تار نوری است:
PMD = Polarization Mode Dispersion (پاشندگی قطبی)
پدیده PMD پدیده ای پیچیده ای است و در واقع شکلی از پاشندگی رنگی (chromatic dispersion) است، در بیانی ساده تر، سیگنال های نوری ارسال شده درتار نوری دردو محورX وY در دو قطب شکل می گیرند و در طول مسیردر داخل تار نوری بدلیل سرعت های متفاوت هر قطب از یکدیگر فاصله می گیرند.
دلایل بوجود آمدن PMD
عدم یکنواختی در ساخت استوانه ای شکل هسته و غلاف (core و cladding) تار نوری
بیضی شکل شدن هسته یا غلاف و یا هردو
وارد آمدن فشار بر هسته در موقع ساخت
هم مرکز نبودن هسته و غلاف
خمش
فشارهای جانبی بر فیبر
پیچش طولی تار نوری
تغییرات ضریب شکست (IOR) در طول فیبر و …
در تارهای نوری با PMD خارج از حد مجاز، هرچه سرعت و حجم دیتای ارسالی بالاتر و مسافت مسیرطولانی تر باشد، محدودیت هایی در ارسال سیگنال ها ایجاد می شود تا جائیکه ارتباط بطور کامل قطع می گردد. امروزه، بسیاری از کارخانه های تولید کننده تارهای نوری با بکاربردن تکنولوژی پیشرفته، مشکل تفرق قطبی (PMD) فیبر نوری را تقریباً حل کرده اند.
قطردامنه MFD (Mode Field Diameter)
قطردامنه modal سیگنال های نور ارسالی در هسته تار نوری بزرگتر از قطر هسته (Core) است و مقداری از نور ارسالی، داخل غلاف (Cladding) تار نوری می شود.
تصاویر زیر مبین قطر دامنه مُدی است:
پهنای باند
پهنای باند یک کانال انتقال، ظرفیت حمل اطلاعاتی است که آن کانال انتقال می تواند در واحد زمان از خود عبور دهد، هر قدر ظرفیت حمل اطلاعات درثانیه (or bps bit/s) یک کانال بیشتر باشد، پهنای باند آن بیشتر است. به تعریف دیگر پهنای باند اشاره به فرکانسی است که یک کانال انتقال می تواند در واحد زمان از خود عبور دهد.
- کیفیت سیگنال های ارسالی
پالس های نوری طی حرکت در طول تار نوری، پهن یا گسترده می شوند و به نقطه ای می رسند که غیر قابل تشخیص خواهند شد و این بستگی به نرخ بیت در ثانیه (or bps bit/s) و طول خط دارد.
چند مثال تصویری از پهنای باند و فرکانس:
محدودیت های پهنای باند در رابطه با پاشندگی در تار نوری بررسی می شود.
دیگر انواع تارهای single mode
10تارنوری G 653
تار نوری Dispersion Shifted Single Mode Optical Fiber=DSF یا None Dispersion Shifted Fiber=NDSF
در تار نوری DSF پاشندگی رنگی (CD) در طول موج 1550 nm به حداقل رسیده و بدلیل تضعیف کم، این نوع تار نوری مناسب مسافت های طولانی است. طول موج قطع تار نوری فوق 1270 nm است.
تار نوری G 654
در تار نوری Cut-off Shifted Fiber=CSF نیز پاشندگی رنگی (CD) در طول موج 1550 nm به حداقل رسیده است و مناسب مسافت های طولانی مانند کابل های دریائی است و در بازه طول موج های 1500 nm-1600 nm کار می کند. تار نوری G 653 سطح قدرت بیشتری را منتقل می کند و طول موج قطع آن 1530 nm است.
تارنوری G 655
تار نوری Non-Zero Dispersion-Shifted (Single-Mode Optical) Fiber=NZDSF مناسب سیستم های انتقال بر اساس DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) است و در بازه طول موج های 1530nm الی 1560nm کار می کند.
تار نوری G 656
تار نوری G 656 بهینه شده تار نوری G 655 است و در سیستم DWDM حداقل 40 کانال را در کنار هم مالتی پلکس می کند.
تار نوری G 657
تار نوری G 657 از نظر مشخصات عمومی، بغیر از حساسیت به خمش، کاملاً شبیه به G 652 D است. این نوع تار در انواع G 657 A1، G 657 A2، G 657 B2 و G 657 B3 عرضه شده است و بر اساس تصویری که در ادامه می آید، تفاوت آنها با G 652 D در حساسیت به خمش، نشان داده شده است.
