استفاده از فيبر هاي داراي سطح موثر بزرگتر مي توان آن را کاهش داد.

3-5- انواع فيبر نوري

مي دانيم که فيبر ها به مرور زمان و به روش هاي گوناگوني ايجاد شده اند بطوري که به انواع گوناگوني به وجود آمدند تا بتوانند نياز بازار را برطرف کنند.

3-5-1- فيبر چند مدي
اولين فيبر هاي نوري، فيبر هاي چند مدي بودند که به اشکال گوناگوني توليد شدند. دليل نامگذاري آن ها به صورت چند – مد اين بود که امکان انتقال بيش از يک پرتوي نور يا مد مجزا از درون آن ها بطور همزمان وجود داشت. قطر هسته فيبر چند مدي نيز نسبتا زياد بود. (شکل 3-14 و 3-15)

شکل (3- 14) فيبر چند مدي

شکل (3- 15) مقطع عرضي فيبر چند مدي

اگر چه پراکندگي ايجاد شده همگي مشکل ساز بودند ولي استفاده از فيبر هاي چند – مد مزايايي نيز در بر داشت. مثلا جفت کردن انتهاي پهن فيبر چند مدي با منبع نوري بسيار راحت تر از جفت کردن انتهاي باريک يک فيبر تک مد است. توليد آن نيز ( و در نتيجه خريد آن) کم هزينه تر است و به LED ها و گيرنده هاي ارزان آن بستگي دارد تا به ديود هاي ليزري و قطعات گيرنده فوق حساس آن. با اين حال، پيشرفت تکنولوژي سبب کم استفاده شدن فيبر چند مدي و متداول شدن فيبر تک مد شده است.

3-5-2- فيبر تک مد
هسته فيبر تک مد بسيار باريکتر از هسته فيبر چند مدي است. به نظر مي رسد که به دليل باريک بودن هسته آن، قابليت حمل اطلاعات آن محدودتر باشد. همانطور که از نامش پيداست، يک پرتوي نور يا تک- مد اجازه حرکت در هسته فيبر را دارد. بدين ترتيب مشکلات پراکندگي که فيبرهاي چند مدي را مختل مي کنند حذف مي شود. در حقيقت، فيبر تک مد داراي ضريب شکست پله اي است زيرا ضريب شکست هسته کمي بيش از ضريب شکست غلاف است. اين فيبر به يک استاندارد واقعي براي سيستم هاي انتقال نوري تبديل شده است و بسته به کاربردش اشکال گوناگوني را پيدا مي کند.
قطر مغزي در فيبر تک مد بي نهايت کم است يعني بين 7 تا 9ميکرون و قطر غلاف آن 125 ميکرون مي باشد، مزيت اين فيبر اين است که اجازه انتقال تنها يک مد را مي دهد؛ عيب آن اين است که کار کردن با آن کمي مشکل مي باشد. هسته را بايد مستقيما به منبع نور و گيرنده کوپل کرد تا حد اکثر کارائي ايجاد شود. با فرض اينکه کر در حدود يک ششم قطر موي انسان باشد، فرآيند مکانيکي اين کوپل کردن از نوع هرکولين38 است.
همانطور که به خاطر مي آوريد انواع پديده هاي غير خطي را که پيش روي سيستم هاي نوري قرار دارند بررسي کرديم. در بيشتر موارد، افت و پراکندگي دو عامل کليدي ايجاد مشکل براي سيستم هاي سرعت بالا بحساب مي آيند ولي خوشبختانه مهندسان نوري موفق به ايجاد فيبر هاي تک مدي شده اند که به مشکلات غير خطي غلبه کرده اند.
فيبر تک مد که در اوايل دهه 1980 معرفي گرديد، به تناسب تقاضاي بازار پهناي باند، تغييراتي را متحمل شد. اولين نوع فيبر تک مد که وارد بازار گرديد، فيبر فاقد پراکندگي شيفت داده شده (NDSF) ناميده شد که در پنجره دوم 1310nm کار مي کرد. پراکندگي اين فيبر ها در اين طول موج نزديک به صفر بود. در نتيجه پهناي باند زياد و پراکندگي کمي را ارائه مي داد. متاسفانه بعد از مدتي قرباني موفقيت خودش گشت. با افزايش تقاضا براي انتقال با پهناي باند بالا، سومين پنجره در 1550 nm براي انتقال از طريق فيبر تک مد نيز ايجاد شد و به دليل اينکه بيشتر فيبر هاي نصب شده NDSF بودند ميزان تضعيف آن نصف ميزان تضعيف در 1310nm شد ولي پراکندگي آن زياد بود. تنها راه حل موجود باريکتر نمودن پهناي باند ليزرهاي به کار رفته در اين سيستم ها بود. متاسفانه افزايش توان و کاهش پهناي باند ليزر، پر هزينه است. بدين ترتيب راه حل ديگري پيشنهاد شد.

3-5-3- فيبر هاي (DSF) dispersion – shifted
راه حل مورد نظر DSF بود. در DSF نقطه حداقل پراکندگي به طور مکانيکي از 1310nm به 1550 nm تغيير مي يابد. اينکار با اصلاح طراحي فيبر صورت مي گيرد بنابراين پراکندگي موج بر افزايش مي يابد. پراکندگي موجبر صورتي از پراکندگي رنگي است که به دليل متفاوت بودن سرعت نور در هسته و غلاف ايجاد مي شود.
يک تکنيک براي ساخت DSF (در بعضي مواقع فيبر با پاشندگي صفر جابجا شده نيز ناميده مي شود) ساخت فيبر با چند لايه است. (شکل 3-16)

شکل (3- 16) فيبر DSF

در اين طرح، هسته داراي بالاترين ضريب شکست مي باشد. با حرکت از هسته به سمت لايه هاي بيروني، ضريب شکست تا حدي که در غلاف بيروني به ضريب شکست معادل آن برسد کاهش تدريجي مي يابد. در وسط، هسته دروني39 قرار دارد و روي ان را غلاف بيروني40 احاطه کرده است. هسته بيروني نيز توسط غلاف بيروني احاطه شده است. اين طرح مناسب سيستم هاي داراي يک طول موج در زماني که چند طول موج انتقال مي يابند مي باشد. مانند وقتي که با سيستم هاي DWDM به کار رود، افت سيگنال ديده مي شود. ترکيب چهار موج که پيشتر توضيح داده شد نقص جدي اين گونه سيستم ها مي باشد. امروزه که سيستم هاي داراي چند طول موج، سريع عمل مي کنند، محدوديت کارکرد در يک موج مانع محسوب مي شود.

3-6- سرعت انتقال اطلاعات در فيبر نوري

براي سرعت انتقال اطلاعات و يا سرعت انتقال پالس نوري در فيبر نوري تعريفهاي مختلفي وجود دارد که از جمله مي توان سرعت فاز و سرعت گروه را نام برد]20[ -]24 [.

3-6-1- سرعت فاز
سرعت فاز سرعتي است که هر نقطه از موج با فاز ثابت با آن سرعت حرکت مي کند يک ميدان الکتريکي مختلط تک فرکانس با فرکانس زاويه اي ثابت ?=2?F را به عنوان تابعي از مکان و زمان به صورت زير در نظر مي گيريم.
E(z,t)=1/2 (E_0 e^((K(w)z-wt) )+C.C) (3-1)

در اينجا E_0دامنه ميدان را نشان مي دهد و K(w)=K_0×n(w)=w?c×n(w) عدد موج را نشان مي دهد و C.C قسمت مزدوج معادله موج مي باشد فاز( ?) اين موج برابر است با
?(z,t)=K(w)z-wt (3-2)
چون فاز ثابت مي باشد بنابراين تغييرات فاز نسبت به زمان صفر مي باشد [d?/dt=0]
d?/dt=K(w) dz/dt-w (3-3)
از اينرو سرعت فاز برابر است با
V_ph=dz/dt= w/(k(w)) =c/(n(w)) (3-4)
با توجه به رابطه (3-4) سرعت فاز در يک محيط تابعي از ضريب شکست مي باشد مثلا در خلاء سرعت فاز براي يک موج الکترومغناطيسي برابر با سرعت نور (C) مي باشد.
اگر يک موج شامل فرکاس هاي متفاوتي باشد به عنوان مثال يک پالس در يک محيط با ضريب شکست وابسته به فرکانس منتشر شود در نتيجه مولفه ها با فرکانس هاي متفاوت با سرعت هاي متفاوت در اين محيط منتشر مي شوند که اين فرآيند تاثير بسيار زيادي بر روي شکل پالس مي گذارد و باعث مي شود که پالس شکل اوليه خود را در طول انتشار از محيط حفظ نکند.

3-6-2- سرعت گروه
سرعت گروه سرعتي است که تمام شکل دامنه موج (پوش موج) با آن حرکت مي کند. يک پالس نوري شامل گروهي از موج ها با فرکانس هاي مختلف مي باشد براي بدست آوردن سرعت گروه ما در موج با دامنه و پلاريزاسيون يکسان را در نظر مي گيريم مانند معادله (3-1) اما در عدد موج و فرکانس به اندازه مقدار کمي با هم اختلاف دارند که فاز آن ها بصورت زير مي باشد.
?_1=(k+?k)z-(w+?w)t (3-5)
?_1=(k-?k)z-(w-?w)t (3-6)

اگر اين دو موج را با هم جمع کنيم داريم:
(3-7)
E_s (z,t)=E_1 (z,t)+E_2 (z,t)=2E_0 cos(kz-wt)cos(?kz-?wt)
فاکتور cos(kz-wt) حامل پالس مي باشد با سرعت فاز ?/(k(?)) فاکتور دوم پوش پالس را نشان مي دهد که با سرعت گروه حرکت مي کند اما پالس ها در مخابرات نوري بيش از دو مولفه فرکانسي دارند. ولي اگر باز با يک گروه از موج ها با دامنه و پلاريزاسيون يکسان که عدد موج و فرکانس هر کدام اختلاف کوچکي با w, k دارد را با هم جمع کنيم باز دوباره يک موج حامل با سرعت فاز V_ph=?/(k(?)) و يک پوش که با سرعت گروه حرکت مي کند بدست مي آوريم [20] اگر شبيه به روش بدست آوردن سرعت فاز عمل کنيم سرعت گروه V_g را به صورت زير بدست مي آوريم:
V_g=dz/dt=?w/?k=dw/dk (3-8)
حال اگر از k نسبت به w مشتق بگيريم به رابطه زير مي رسيم
V_g=c/(n(?0)+?0 dn/d? )=c/n_g (3-9)
در اينجا ng ضريب شکست سرعت گروه مي باشد در خلاء چون ضريب شکست يک مي باشد (n=1) در نتيجه سرعت گروه با سرعت فاز و سرعت نور در خلاء (C) برابر است. همان طور که از معادله (3-9) مشخص است سرعت گروه علاوه بر ضريب شکست، به نسبت تغييرات ضريب شکست نسبت به فرکانس هم وابسته است dn/d? . در محيط هاي بدون پراکندگي يا با پراکندگي کم n ثابت بوده و در نتيجه V_g=V_ph
محيط هاي معمولي مانند فيبر نوري غالبا محيط هاي پراکنده کننده مي باشند و سرعت گروه پالس به شيب ضريب شکست وابسته است. اگر اين شيب با فرکانس تغيير کند بنابراين سرعت گروه هم با فرکانس تغيير مي کند بنابراين مولفه هاي مختلف فرکانس با سرعت هاي مختلف منتشر مي شوند که باعث پهن شدگي طول پالس مي شوند. تغيير V_g با تغيير فرکانس را پراکندگي سرعت گروه يا GVD مي گويند که به صورت زير تعريف مي شود.
GVD=d/d? (?V_g?^(-1) )=1/C [2 (dn(?))/d?+?0 ( d^2 n (?))/(d?^(2 ) )] (3-10)
با توجه به رابطه( 3-9) براي سرعت گروه سه حالت مي توانيم در نظر بگيريم
1-اگر 0 (dn(?))/d?باشد در اين حالت سرعت گروه از سرعت فاز کمتر بوده و چون سرعت پا لس کاهش يافته است اين حالت به عنوان تاخير دهنده نوري عمل مي کند.
2-اگر (dn(?))/d?<0و |?0 (dn(?))/d?|n(?0) باشد در اين حالت سرعت گروه منفي مي باشد يعني پالس در جهت عکس منتشر مي شود. به خاطر سرعت گروه مختلف در يک محيط مي توانيم زمان هاي مختلفي براي گذر پالس از طول (L) يک محيط داشته باشيم. به همين خاطر زمان تاخير پالس (tdel) را مي توانيم بر حسب اختلاف زمان تاخير گروه (tg) و زمان تاخير فاز (tph) تعريف کنيم:
t_del=t_g-t_ph=L/vg-L/vph=L/C ?0 dn/d? (3-11)
حال مي توانيم براي سه حالت محيط سه نوع زمان تاخير داشته باشيم. 1- در محيط بدون پراکندگي ضريب شکست ثابت است. بنابراين سرعت فاز و سرعت گروه برابر مي شوند در نتيجه t_del=0 مي باشد2- در محيط با پراکندگي معمولي، داريم(dn(?))/d?0 در نتيجه تاخير گروه از تاخير فاز بزرگتر است و يک تاخير زماني مثبت داريم 3- در محيط با پراکندگي غير معمولي، داريم (dn(?))/d?0 بنابراين تاخير فاز بزرگتر از تاخير گروه مي باشد در نتيجه t_del0 مي باشد يعني اينکه پالس شتاب گرفته است. اگر در اين حالت اندازه ?0 dn/d? برابر اندازه n(?o) شود در نتيجه V_g?? و tg صفر مي شود بنابراين t_del برابر تاخير فاز شده ولي با يک علامت منفي، اين به اين معني است هنگامي که پالس وارد محيط مي شود بدون گذشت زمان در انتهاي محيط نمايان مي شود.
با کنترل سرعت گروه مي توان سرعت پالس نوري را کنترل کرد مثلا در محيطي که dn/d? مقدار مثبت يا منفي بسيار بزرگي دارد مي توان

دسته بندی : No category

دیدگاهتان را بنویسید