ر سيستمهاي عملي امروزه استفاده مي شود. بنابراين در اين پايان نامه نيز نتايج شبيه سازيها با استفاده از فيبرها و منابع نوري با طول موج سيستمهاي نوين امروزي مي باشد. در انتهاي اين فصل به بررسي سرعت انتقال اطلاعات در فيبر نوري مي پردازيم زيرا همانطوريکه در فصلهاي بعدي مشاهده مي کنيم پديده SBS يا SBS آبشاري مي تواند سرعت پالس نوري را در فيبر نوري تغيير دهد و باعث ايجاد تاخير زماني گرددکه درساخت بافرهاي نوري از اين پديده استفاده مي شود.

3-2- بازتاب کلي داخلي

کلادون، ويلر و تيندال ]17[ در هر يک از آزمايشاتشان به پديده اي به نام بازتاب کلي داخلي که اساس درک انتقال نوري است متکي بودند. بنابراين ما هم مجبوريم که به فيزيک اپتيک بپردازيم.
اگر تکه اي چوب را در آب فرو کنيم متوجه خميدگي ظاهر آن شده و يا حتي آدم گرسنه اي که سعي در شکار ماهي دارد متوجه مي شود که ماهي در جائي که به نظر مي آيد باشد نيست. اين پديده يا شکست نور به علت تفاوت ضريب شکست هوا با آب رخ مي دهد. ضريب شکست، مقدار نسبتي است که بين سرعت نور در خلاء و سرعت نور در محيطي ديگر برقرار است. نور در محيط هاي فيزيکي کند تر از هوا حرکت مي کنند و بدين ترتيب ضريب شکست (n) را مي توان از رابطه زير بدست آورد:
سرعت نور در محيط ديگر/ سرعت نور در خلاء
ضريب شکست هر محيط ديگري بزرگتر از يک است.
اين موضوع چه اهميتي دارد؟ اهميت اين موضوع در آن است که در حقيقت نور هنگامي خم مي شود که از محل تلاقي دو محيطي که داراي ضريب شکست متفاوتي هستند عبور کند. براي مثال اگر يک منبع نور، پرتو نوري را به درون فيبر شيشه اي بتاباند نور خم مي شود زيرا از هوا به درون شيشه عبور مي کند. ميزان خمش نور به دو عامل بستگي دارد: تفاوت ضريب شکست دو محيط و زاويه اي که تحت آن نور به شيشه برخورد مي کند يا همان زاويه تابش. اين زاويه برابر زاويه اي است که خط عمود بر سطح دو محيط با پرتو تابش مي سازد. براي سيستم هاي انتقال فيبر نوري اين موضوع حائز اهميت است. (شکل 3-1)

شکل (3- 1) زاويه تابش و ضريب شکست

رابطه بين زوايه تابش و زاويه شکست قانون اسنل10 نام دارد. اين قانون در سيستم هاي فيبر بسيار مهم بوده زيرا سعي مي شود که نور حاصل از منبع طوري به فيبر تابانده شود که زاويه تابش به حداقل برسد. در صورتي که زاويه تابش بيش از حد بزرگ باشد، نور از شيشه خارج مي شود که در اين حالت افت سيگنال خواهيم داشت (شکل 3-2).

شکل (3- 2) قانون اسنل

بر طبق قانون اسنل، اگر زاويه تابش بيشتراز زاويه حد باشد، شکست اتفاق نمي افتد. اگر نور به سطح جدا کننده محيط هوا و شيشه (ماده اي با ضريب شکست بيشتر) طوري بتابد که زاويه آن به اندازه کافي کم باشد، در اين صورت نور خارج نخواهد شد و دوباره به شيشه بر خواهد گشت. اين فرايند (شکل 3-3) بازتاب کلي ناميده مي شود که اساس انتقال از طريق فيبر نوري است.

شکل (3- 3) بازتاب کلي

هر چه نور بيشتري درون فيبر نگه داشته شود، شدت (توان) سيگنال ارسالي نيز بهتر خواهد بود زاويه اي که تحت آن پرتو تابش به سطح فيبر برخورد مي کند، زوايه پذيرش11 يا روزنه عددي12 نام دارد. اگر هدف ارسال سيگنال به مسافت نسبتا زياد باشد اين زاويه مهم جلوه مي کند. پس لازم است که در هنگام کار با دستگاه هاي ليزر احتياط لازم را مبذول داشت و اطمينان حاصل کرد که وجهي از ليزر که سيگنال را توليد مي کند تا حد امکان با سطح فيبر به ويژه مقطع عرضي فيبر که نور از آن عبور مي کند همتراز باشد. (شکل3-4).

شکل (3- 4) زاويه پذيرش

با دقت بيشتر متوجه مي شويم که فيبر تک مد13 داراي سطح مقطعي با قطر تقريبا 8 ميکرون است پس ليزر نيز بايد حدودا اين قطر را داشته باشد تا بتواند از درون آن عبور کند. توجه کنيد که قطر موي انسان در حدود 50 ميکرون است.
حتي در بهترين سيستم ها، با حدود 4 درصد سيگنال در سطح جدا کننده هوا/ شيشه و بين ليزر و کر فيبر هدر مي رود. در صنعت به اين افت، افت فرنل14 اطلاق مي شود. فيبر نوري به دليل طراحي ويژه اش، نور را به درستي هدايت مي کند. فيبر نوري شامل دو لايه است: سطح مقطع دروني که از ميان آن نور سير مي کند و غلاف خارجي که نور را در درون هسته نگه مي دارد. (شکل3-5)

شکل (3- 5) فيبر نوري

اين پديده با استفاده از قانون اسنل انجام مي گيرد. در يک فيبر نوري، ضريب شکست هسته، کمي بيشتر از ضريب شکست غلاف است. به اين ترتيب، زاويه تابش به حداقل رسيده و نور نا چيزي از هسته، خارج مي شد. اگر غلاف وجود نداشته باشد، بيشتر نور از هسته خارج شده و هدر مي رود.
3-3- منابع نوري

امروزه، متداولترين منابع نوري براي سيستم هاي نوري از نوع ديود هاي نور افشان يا ديود هاي ليزري مي باشند. اگر چه از هر دو استفاده مي شود ولي ديود هاي ليزري به دليل داشتن سيگنال منسجم براي کاربرد هاي پر سرعت مناسب تر هستند. اگر چه در طول ساليان ليزر ها انواع گوناگوني از قبيل سيليکا و هليوم- نئون داشته اند ولي ليزر هاي نيمه رسانا از اوايل دهه 1960 به بعد به دليل هزينه پايين و دوام زيادشان مورد مصرف بيشتري قرار گرفتند.

3-3-1- ديود هاي نور افشان (LEDs)
ديود هاي نور افشان به دو صورت موجودند: LED با انتشار سطحي و LED با انتشار لبه اي. LED با انتشار سطحي (شکل3-6) نور را با زاويه باز15 خارج مي کند، بنابراين مناسب سيستم هاي داده هاي نوري که به انسجام16 بيشتري نياز دارند نمي باشند زيرا متمرکز ساختن نور گسيل شده به دورن مغزي فيبر گيرنده مشکل است.

شکل (3- 6) LED با انتشار سطحي

در عوض بيشتر به عنوان نشانگر ها و دستگاه هاي سيگنال دهنده کاربرد دارند. با اينحال گران نبوده و براي کاربردهاي نه چندان دقيق طراحي شده اند. نوع ديگر از LED ها، LED انتشار لبه اي است (شکل 3-7).

شکل (3- 7) LED با انتشار لبه اي

LED انتشار لبه اي نور را با زاويه باريکتري گسيل کرده و فضاي گسيل آن کوچکتر مي باشد که اين به معناي سهولت تمرکز بر هسته فيبر است. اين قطعات سريعتر از انتشار سطحي مي باشند ولي يک نقص دارند: به دما حساس بوده و بايد در شرايط محيطي کنترل شده نصب شوند تا از پايداري سيگنال ارسالي اطمينان يافت.

3-3-2- ديود هاي ليزري
يک ديود ليزري سطح گسيل کوچکتري دارد و معمولا قطرش بيشتر از چند ميکرون نيست يعني مي توان مقدار زيادي نور گسيل شده را به درون يک فيبر هدايت کرد. به دليل داشتن منبعي منسجم، زاويه گسيل ديود ليزري بي نهايت کوچک است. ديود هاي ليزري سريع ترين قطعه در ميان سه قطعه گفته شده مي باشند ]18[.
انواع گوناگوني از ديود هاي ليزري موجودند. متداول ترين آن ها عبارتند از : ليزر مدوله شده الکترون- جاذب (EML)17 که ليزر داراي موج پيوسته(CW)18 را با يک دستگاه ديافراگم مدوله کننده ترکيب مي کند، ليزر بازخورد توزيعي19 که يک ساختار توري مجتمع براي حفظ فرکانس خروجي در حد معيني مي باشد؛ يک ليزر از نوع گسيل سطحي کاواک عمودي 20(VCSEL) که از فضاي ريز و مدوري نور را ساطع کرده و منجر به توليد پرتوي نوري مي شود که نسبت به انتشار سطحي ها پخش کمتري دارد. VCSELها قطعات چند بسامدي21 و ارزان و با توان پايين محسوب مي شوند.
(شکل 3-8) ويژگي هاي گسيل سه دستگاه را نشان مي دهد.

شکل (3- 8) مقايسه گسيل نور بين LED و ديود ليزري

LED انتشار سطحي گسترده ترين گسيل را داشته و بعد از آن انتشار خطي قرار دارد. ديود ليزري داراي منسجم ترين نور بوده و بنابراين موثرترين نوع نور محسوب مي شود. در حقيقت، توزيع فضايي شدت پرتو خروجي اين LED نسبت به ليزر نسبتا مناسب تر است همان طور که در شکل(3-9) مشخص است. (محور عمودي درجه بندي نشده است)

شکل (3- 9) توزيع فضايي شدت پرتو LED و ليزر

3-4- مزايا و معايب فيبر نوري براي انتقال سيگنال

انواع بسيار متنوعي از فيبر هاي نوري موجود مي باشند، بعضي از آن ها متعلق به نسل قبلي تکنولوژي نوري بوده و هنوز هم کاربرد دارند. در مابقي نيز تغييرات کلي يا جزئي صورت گرفته است.
در حقيقت از دو نوع فيبر استفاده مي شود: چند مدي که ابتدايي ترين فيبر نوري است و قطر مغزي22 آن زياد بوده و در فواصل کوتاه عمل مي کند و پهناي باند کمي دارد. فيبر تک- مد مغزي باريک بوده، پهناي باند بيشتر داشته و مناسب براي فواصل بيشتر است. به جزئيات و انواع اين دو بعدا خواهيم پرداخت.
براي درک دليل وجود اشکالات گوناگون فيبر بايد نکاتي را در نظر گرفت که در ابتدا مهندسان طراح شبکه هاي نوري مواجه با آن بودند.
فيبر نوري مزاياي زيادي نسبت به مس دارد. سبک وزن بوده و پهناي باند آن بيشتر است و در ضمن قدرت کشساني آن بسيار قابل توجه مي باشد و مي تواند بطور همزمان چند کانال را پوشش داده و نسبت به تداخلات الکترو مغناطيسي نيز مقاوم تر است. با اينحال استفاده از فيبر نوري مشکلاتي دارد که نمي توان از آن ها چشم پوشي کرد. اولين مشکل اتلاف يا تضعيف سيگنال ارسالي در طي مسافت است. تضعيف نتيجه دو عامل است: اولي تفرق23 و جذب24 بوده که هر يک اثر ديگري را افزايش مي دهد و دومي پاشندگي25 ناميده مي شود و منظور از آن پخش کردن سيگنال ارسالي مي باشد که مشابه با نويز است.

3-4-1- تفرق
پراکندگي به دليل نا خالصي ها يا بي نظمي هاي موجود در ساختار فيزيکي خود فيبر رخ مي دهد: معروف ترين تفرق، تفرق رايلي26 است که توسط يون هاي فلزي درون شبکه سيليس ايجاد مي شود و منجر به تفرق پرتوهاي نور در جهات مختلف مي شود. اين پديده در (شکل3-10 ) نشان داده شده است.

شکل (3- 10) تفرق نور

تفرق شعاع نور غالبا در حدود طول موج هاي 1000nm رخ مي دهد و مسئول 90 درصد تضعيف نور در سيستم هاي نوري مدرن است. اين پديده هنگامي رخ مي دهد که طول موج هاي نور ارسالي هم اندازه ساختارهاي مولکولي فيزيکي شبکه سيليسي باشند، بدين ترتيب طول موج هاي کوتاه نسبت به طول موج هاي بلند تر بيشتر تحت تاثير تفرق عادي تابش ها قرار مي گيرند. در حقيقت به دليل تفرق عادي تابش ها است که آسمان به نظر آبي مي آيد. طول موج هاي کوتاه تر نور (آبي) بيشتر از طول موج هاي بلند تر نور پراکنده مي شوند.

3-4-2- جذب
جذب در نتيجه سه عامل رخ مي دهد: يون هاي هيدورکسيل (-OH: آب) موجود در سيليس، ناخالصي هاي سيليسي و باقي مانده هاي حاصل از فرآيند توليد. اين ناخالصي ها، انرژي سيگنال ارسالي را جذب کرده و آن را به گرما تبديل مي کنند و منجر به تضعيف سيگنال نوري مي شوند. جذب هيدورکسيل در 25/1 و 39/1 ميکرومتر صورت مي گيرد: در 7/1 ميکرومتر خود سيليس نيز به دليل رزونانس طبيعي دي اکسيد سيلسيوم شروع به جذب انرژي مي کند.

3-4-3- پاشندگي
همان طور که قبلا نيز اشاره شد، پاشندگي يک اصطلاح نوري براي پخش پالس نور ارسال شده در هنگام عبور آن از فيبر است. اين پديده محدود کننده پهناي باند بوده و به دو صورت مي باشد: پاشندگي چند – مد و پاشندگي رنگي27.
پاشندگي رنگي نيز به دو صورت وجود دارد: پاشندگي ماده28 و پاشندگي طول موج29
پاشندگي چند – مد: براي درک پاشندگي چند – مد ابتدا بايد مفهوم مد را متوجه شد. (شکل3-11) ، فيبري را با هسته نسبتا پهن نشان مي دهد.

شکل (3- 11) فيبر با هسته پهن.

به دليل پهناي هسته آن، پرتوهاي نور تحت زواياي گوناگون ( در اين مورد سه تا) وارد فيبر شده و تا گيرنده انتقال مي يابند. به دليل مسير هاي پيموده شده هر پرتوي نور يا مد بطور همزمان به گيرنده نرسيده و سيگنال پراکنده ا

دسته بندی : No category

دیدگاهتان را بنویسید