Technical information
1395/02/14 10:43

درک درست از تلفات نوری برای انتقال بهتر داده ها

 

 

 

 

 

هنگامی که نور به عنوان یک موج هدایت کننده در هسته فیبر منتشر می شود، نور عبوری، مقدار تلفات توان خاصی را تجربه می کند. این تلفات هنگام انتقال سیگنال از طریق کابل های فیبر نوری برای مسافت های زیاد بسیار مهم است. برای مخابره بهتر اطلاعات، ما باید برای کاهش تلفات نوری تمام تلاش خود را کنیم. پس برای شروع، ما نیاز داریم تا تلفات نوری را به خوبی بشناسیم. این مقاله در مورد تلفات ذاتی فیبر و تلفات بیرونی فیبر می باشد.

تلفات توان در فیبر نوری

تلفات در فیبرنوری

تلفات سیگنال (Attenuation) و عرض باند دو عامل مهم در ارزیابی سیستم های مخابراتی به شمار می روند. این دو عامل به جنس فیبر و روش ساخت آن و طول موج نور وابسته هستند در اینجا تلفات و گسترش پالس و محدودیت عرض باند مورد بررسی قرار گرفته است.

بصورت تئوری فرض می شود که فیبرنوری دارای تضعیف صفر و پهنای باند بی نهایت است. ولی در عمل به دلیل محدودیتهای فیزیکی، پهنای باند فیبر محدود و تلفات آن غیر صفر است.

غیر از تلفات، عامل دیگر محدود کننده ی عملکرد بهینه فیبر، پاشندگی است. پاشندگی به زبان ساده عبارت است از پهن شدن پالس نوری در اثر انتشار در طول فیبر، پاشندگی باعث کاهش پهنای باند فیبر نوری می شود تلفات در فیبرنوری از سه منبع ناشی می شود:

نوع اول تلفات در اثر مواد سازنده و ناخالصی های موجود در فیبر است که باعث اتلاف انرژی نور می شود این نوع تلفات، تلفات جذبی نامیده می شود. پدیده جذب باعث تبدیل مقداری از انرژی نورانی به حرارتی در داخل فیبر می گردد. موادی که در ساخت فیبر به کار می روند باعث جذب انرژی به صورت ذاتی یا عارضی در نواحی معینی از طول موج ها می گردند. منحنی جذب انرژی در فیبر در پنجره های مختلف وجود دارد.

جذب ذاتی به جنس شیشه فیبر بستگی دارد. با هیچ نوع ترکیبی از مواد مختلف نمی توان آن را از بین برد. شیشه خالص از جنس Geo2 و Sio در طول موج های مختلف دارای جذب متفاوتی است. یکی از عوامل جذب انرژی، جذب در اثر ارتعاش و انتقال الکترونهای اتم شیشه از مداری با انرژی کمتر به مدار با انرژی بیشتر است. این حالت جذب در منطقه ماورای بنفش و در طول موج های کمتر از 700 نانومتر صورت می گیرد. این ناحیه از ناحیه کار سیستم های نوری بسیار دور بوده و بی اهمیت است. یکی دیگر از عوامل جذب اثر ارتعاش و نوسان مولکول های شیشه در مقابل فوتون های نور عبوری از آن است که در منطقه بالای مادون قرمز در طول موج های بیشتر از 1700 نانومتر ظاهر می گردد. بنابراین سیستم های مخابرات نوری الزاما در بین طول موجهای 700 تا 1700 نانومتر محدود می گردند. در فیبر نوری تلفات جذبی در طول موج 1550 نانومتر در حدود 0.2 دسی بل بر کیلومتر قابل حصول است.

جذب عارضی توسط اتم های مواد ناخالص به خصوص فلزات آهن، کُرم و مس و یون بخار آب (OH) موجود در مواد شیشه ای بوجود می آید. در ساخت فیبر به روش رسوب بخار جذب عارضی در اثر مواد کم شده تنها جذب موجود مربوط به یون بخار آب (OH) می باشد.

تلفات پراکندگی رایلی

از عوامل دیگر افت ذاتی بوجود آمدن محل های ناهمگون در ساختار فیبر از نظر چگالی در هنگام ساخت فیبر که سبب تغییرات موضعی در ضریب شکست در سراسر شیشه هسته فیبر میگردد و باعث پراکندگی نور منتشره در تمام جهات و تضعیف آن در طول فیبر می شود.

اندازه این محل ها خیلی کوچکتر از طول موج های نور عبوری از فیبر هستند. این نوع تلفات به تلفات پراکندگی رایلی با توان چهارم طول موج نور عبوری از فیبر نسبت عکس دارد.

تضعیف پراکندگی رایلی در طول موج های مختلف در جدول زیر نشان داده شده است.

طول موج (نانومتر)

900

1310

1550

تضعیف (دسی بل در کیلومتر)

0.9

0.4

0.2

تلفات پراکندگی مرزی (Mie)

این پراکندگی هنگام برخورد نور به جسمی با ابعادی بزرگتر از طول موج منبع نور که دارای ناهمگونی و بی نظمی و خراشیدگی در سطح آن باشد بوجود می آید و نور بیشتر در جهت انتشار اولیه پراکنده می شود.

این نوع پراکندگی به نام پراکندگی مرزی (Mie) نامیده می شود. چنانچه مرز میان هسته و پوسته فیبر صاف و مستقیم نباشد شعاع نوری که داخل هسته در حال انتشار است در نقاط ناهموار انحراف پیدا کرده سبب پراکندگی مرزی و تبدیل مد و ورود آن به پوسته فیبر می شود.

تلفات خمش فیبر

نوع سوم تلفات ناشی از خمش فیبر یا غیر یکنواختی شعاع آن است که منجر به خروج شعاع نوری از فیبر می شود. این نوع تلفات هندسی نامیده می شود. خم کردن یک فیبر باعث تضعیف نور در آن می شود. عبور نور از یک خمش تند با شعاع بسیار کم موجب تلفات تشعشعی می گردد. خمیدگی هایی که در فیبر بوجود می آید به دو دسته تقسیم می شود.

درشت خم ها:

درشت خم ها، خمش با مقیاس بزرگ هستند، که شعاع آنها در مقایسه با قطر فیبر بزرگ است. مانند، خمشی که در هنگام پیچیدن فیبر روی قرقره یا هنگام کابل کشی در مسیرهای متعدد و مختلف بوجود می آید. افت این نوع خمش ها را می توان جزء افت عارضی دانست.

تلفات درشت خم ها با شعاع انحنای بیشتر از 10 سانتی متر قابل صرف نظر است. در این گونه موارد حداقل شعاع خمش باید بیشتر از 150 برابر قطر رشته فیبر یا 20 برابر قطر خارجی کابل نوری بوده و زاویه خمش بیشتر از 135 درجه باشد.

ریز خم ها:

ریز خم ها خمش های میکروسکوپی هستند که معمولا در مراحل ساخت و تولید و در زمان پوشش دادن رشته فیبر و یا قرار دادن آن در لوز های کابل بوجود می آیند. رشته فیبر واقعی به صورت کاملا صاف نیست و دارای انحنا جزئی می باشد. این نوع تلفات جزء افت ذاتی فیبر می باشند. جهت کاهش تلفات ریز خم ها یک روکش ضخیم و نرم که بتواند فشار نیروهای خارجی را خنثی کند، روی فیبر کشیده می شود. در یک سیستم انتقال نوری چندین نقطه غیر از فیبر وجود دارند که در آنها نیز تلفات رخ می دهند. این نقاط در تزویج دهنده ورودی فیبر، پیوندها و متصل کننده ها هستند.

تلفات اتصالات و مفصل

تلفات در اتصالات دو فیبر بهم به طرق مختلفی بوجود می آیند. از آنجا که یک اتصال کامل نیاز به همراستایی محوری و زاویه ای و تماس کامل و صاف و موازی بودن دو انتهای رشته فیبرها دارد، اگر فیبرهایی با روزنه عددی مختلف یا با قطر هسته های متفاوت بهم مفصل شوند، کارایی اتصال ممکن است کاهش و تلفات آن افزایش یابد.

چنانچه هسته هایی با مقطع بیضی شکل به جای دایره ها طوری بهم متصل شوند که محور اصلی آنها در امتداد هم نباشد تلفات بیشتری پدیدار خواهد شد. اگر هسته فیبر در مرکز پوسته آن قرار نداشته باشد، و بیرون پوسته به عنوان مرجع برای هم راستا کردن اتصال به کار رود تلفات بیشتری بوجود خواهد آمد. تلفات اتصالات دایمی (Fusion) را با دقت می توان به مرتبه 0.1 دسی بل و تلفات اتصالات قابل استفاده مجدد و مکانیکی را به کمتر از 1 دسی بل رساند.

 

باز تابندگی سطوح منعکس کننده در موقعیت های زیر پیش می آیند

  • مرز هوا به شیشه که در آن نور از یک منبع به داخل یک فیبر تزویج می شود.
  • سطح مشترک بین هسته و فیبر و لایه ای که آنرا احاطه کرده است.
  • در مرز هوا شیشه در جایی که یک شکاف هوایی بین دو فیبر که می خواهند به هم متصل شوند وجود دارد.

تلفات تزویج

تزویج منبع به فیبر و فیبر به آشکار ساز می تواند بسیار ناکار آمد و دارای تلفات باشد.

مکانیزم های متعددی از جمله تلف انعکاس و تلف در اثر عدم تطبیق دو سطح و تلف روزنه عددی فیبرها باعث عدم کارایی تزویج می شوند.

تلف روزنه عددی منبع

اگر در فیبرهای چند مدی منبع پرتوهایی با زوایای بزرگتر از زاویه پذیرش فیبر به آن بتاباند تلفات روزنه عددی منبع داریم که در گیرنده نور از فیبر به سطح اشکار ساز تزویج می شود. این سطح را می توان بزرگتر از هسته فیبر انتخاب کرد و به تزویج بسیار کارآمدی دست یافت. البته تلف کوچکی در اثر انعکاس در سطح جدا کننده فیبر و هوا و هوا به آشکار ساز وجود دارد. این تلف را می توان با پر کردن فاصله هوایی با مواد تطبیق دهنده ضریب شکست حذف کرد.

تلفات کانکتورها

در سیستم های کابلی برای سهولت نگهداری کابل نوری ورودی را از طریق یک ترمینال به نام  FDF (Fiber Distribution Frame) به دستگاه اصلی وصل می کنند که این ترمینال ها موجب افت اضافی می گردند.

تلفات پیکتیل ها (Pictial)

پیکتیل هایی که در مخابرات، کابل نوری را به سیستم ها متصل می کنند باعث ایجاد افت در طول مسیر آنها می شوند.

تلفات حاشیه اطمینان

برای اطمینان از صحت کار دستگاه طول عمر مفید لازم است مقداری حاشیه اطمینان برای جبران تغییر مشخصه دستگاه ها و کابل های نوری صدمه دیده در نظر گرفته شود، تا افت ناشی از این تغییرات در نظر گرفته شود.

پاشندگی و گسترش پالس (Dispersion)

غیر از تلفات، عامل مهم و اصلی دیگر محدود کننده عملکرد بهینه و پهنای باند فیبر نوری، پاشندگی است. پاشندگی به زبان ساده عبارت است از پهن شدن پالس نوری و تضعیف آن در اثر انتشار در طول رشته فیبر می باشد.

پاشندگی باعث پهن شدن عرض باند سیگنال ارسالی و تضعیف آن در سیگنال آنالوگ و گسترش پهنای پالس نوری و تضعیف آن در ارسال سیگنال دیجیتال در اثر انتشار در طول فیبر نوری شده و سبب اعوجاج و تداخل اطلاعات دریافتی و بالاخره عدم تشخیص آنها در مقصد می شود.

پاشندگی به دلیل تغییر ضریب شکست محیط مادی شفاف هسته فیبر با طول موج نور عبوری از آن می باشد، که سبب انحراف مسیر پرتوهای نوری در گذر از هسته می گردد.

هنگامی که موج نوری در محیط پاشنده فیبرنوری، که ضریب شکست آن به طول موج های نور بستگی دارد، حرکت کند، شکسته شده و پراکنده می گردد، اگر موج تابش بجای اینکه تکفام باشد، از ترکیب چند طول موج مختلف تشکیل شده باشد، هر مولفه طول موج آن با زاویه شکست متفاوت شکسته شده و پراکنده خواهد شد.

در چنین مواردی دو حالت ممکن است اتفاق بیافتد اگر وابستگی از درجه اول طول موج باشد جذب نور نداریم. اگر مرتبه وابستگی از درجه بالاتر طول موج باشد علاوه بر پاشندگی جذب نور نیز خواهیم داشت.

برای روشن شدن موضوع در خصوص فیبرنوری، وضعیتی را در نظر بگیرید که یک منبع واقعی یک پالس نوری را به داخل یک فیبر با خاصیت پاشندگی بتاباند، چون پالس اصلی طبق سری فوریه، مجموعه ای از تعداد پالس است که به جزء از نظر طول موج از هر نظر دیگر شبیه هم هستند، این پالس ها با سرعت های گوناگون حرکت می کنند و با اختلاف زمانی کمی به انتهای فیبر می رسند. موقعی که پالس های دریافتی در خروجی بهم می رسند با هم جمع شده و منجر به یک خروجی که نسبت به پالس ورودی طویل تر و گسترده تر و کم دامنه تر است می شوند.

انواع عوامل پاشندگی در فیبرنوری

عوامل پاشندگی در فیبرنوری بسیار متنوع هستند:

  • 1-پاشندگی ماده

    پاشندگی ماده ناشی از اختلاف سرعت بین طول موج های مختلف (رنگ های مختلف) موجود در نور در اثر عبور از رشته فیبرنوری است.

    ممکن است بعضی از خواص ماده فیبر نیز باعث تغییر سرعت نور عبوری از آن شود و پاشندگی به وجود آورد. پهنای طیف منبع نور و طول خط انتقال تاثیر شدیدی بر میزان پاشندگی ماده دارند و باعث افزایش آن می شوند. پاشندگی ماده فیبر در طول موج 1310 نانومتر تقریبا صفر است.

  • 2-پاشندگی موجبری

    پاشندگی موجبری ناشی از ساختاری رشته فیبر است. در فیبرهای تک مدی بدلیل کوچک بودن قطر هسته پاشندگی به وسیله ساختار موجبر فیبر ایجاد شود. در این فیبرها، پاشندگی ناشی از اختلاف جزئی بین ضریب های شکست هسته و پوسته رشته فیبر است که باعث انتشار و حرکت نور در دو مسیر هسته و پوسته با سرعت های متفاوت می شود.

  • 3-پاشندگی بین مدی

    پاشندگی بین مدی در رشته فیبرهای چند مدی به علت اختلاف در زمان رسیدن مدهای مختلف به انتهای رشته فیبر رخ می دهد. در این فیبرها پاشندگی مربوط به مقادیر مختلف تاخیر زمانی برای گروه مدهای متفاوت در یک طول موج (فرکانس) معین می باشد.

    بدین معنی که وقتی چندین مد در یک طول موج (فرکانس) معین در داخل فیبر در حال حرکت هستند همه آنها با سرعت های خالص متفاوتی نسبت به محور فیبر حرکت می کنند قسمت هایی از موج نوری قبل از قسمت های دیگر آن به انتهای فیبر می رسند، عرض پالس موج خروجی را گسترش و دامنه آنرا کاهش خواهند داد. این نوع پاشندگی به پهنای طیف منبع نور بستگی نداشته و هنگامی که فیبر به یک مد اجازه انتشار می دهد رخ نمی دهد.

  • 4-پاشندگی رنگی (Chromatic Dispersion)

    پاشندگی رنگی ناشی از طول موج های مختلف موجود در نور عبوری از رشته فیبر است که با سرعت های متفاوت حرکت می کنند. این پاشندگی به طول موج منبع نور وابسته است.

    از آنجا که نوع کدینگ ورودی لیزر از نوع NRZ و نوع مدولاسیون نوری در خروجی آن ASK (Amplitude Shift Keying) می باشد، متناسب با بیت ریت (Bit Rate) ورودی، شدت و ضعف سیگنال نوری تغییر کرده و خروجی لیزر یک سری نقاط روشن و تاریک تولید می کند.

    از آنجایی که طبق قانون فوریه یک سیگنال غیر سینوسی از سیگنال های سینوسی و کسینوسی تشکیل شده است، خروجی لیزر مجموعه ای از طول موج ها خواهد بود که هر یک پس از عبور از فیبر، در گیرنده هر کدام با تاخیر فاز متفاوتی دریافت می شوند. نتیجه این پدیده پهن شدن پالس دریافتی در گیرنده در مقایسه با پالس ارسالی خواهد بود.

    پهن شدن پالس در گیرنده می تواند تداخل سمبل ها و اطلاعات را سبب شود. برای رفع آن از تجهیزات خاصی به نام DUC یا DCF استفاده می شود. این تجهیزات مقدار زیادی فیبر را با ضریب پاشندگی منفی در خود جای داده است تا به این ترتیب پاشندگی کل مسیر کاهش یابد. تجهیزات DUC یا  DCF را می توان در فرستنده قبل از ارسال و یا در گیرنده قبل از دریافت سیگنال نوری مورد استفاده قرار داد.

  • 5-پاشندگی پلاریزاسیون مد PMD

    پاشندگی مد پلاریزه، که در ساده ترین حالت ناشی از دایره ای کامل نبودن مقطع رشته فیبر است، به دلیل اختلاف بین سرعت انتشار دو مد پلاریزه رخ می دهد. این پاشندگی در سرعت های بالای 10 گیگابیت بر ثانیه بوجود می آید و در سرعت های پایین مساله جدی محسوب نمی شود.

    منبع لیزر نور را تحت یک زاویه مشخص به داخل فیبر  نوری گسیل می کند. نور پس از ورود به فیبر به دو مولفه عمودی و افقی تقسیم می شود که با هم زاویه 90 درجه دارند. در صورتی که ویژگی های فیزیکی فیبر در تمام طول مسیر کاملا یکنواخت باشد زاویه بین دو مولفه تا انتهای فیبر ثابت می ماند. ولی چنین فیبری عملا وجود ندارد. بنابراین زاویه این دو مولفه سیگنال نوری در حین عبور از فیبر تغییر می کند و سبب پلاریزاسیون نور می شود.

    از آنجا که در گیرنده سیگنال دریافتی برآیند برداری این دو مولفه است، می توان نتیجه گرفت که سیگنال نوری در حین عبور از فیبر دچار اعوجاج شده و پهن خواهد شد. این اثر نامطلوب که پاشندگی پلاریزاسیون نامیده می شود، را نیز می توان با استفاده DCF مناسب کاهش داد.

  • 6-پاشندگی سرعت گروهی GVD

این اثر شبیه تاخیر گروهی (Group Delay) در انتقال رادیویی است و از آنجا ناشی می شود که خروجی مدولاتور طیفی از فرکانس هاست و فرکانس های متفاوت در گیرنده هر کدام با تاخیرهای متفاوت دریافت می شوند. پاشندگی سرعت گروهی مشابه پاشندگی رنگ سبب پهن شدن پالس خروجی می شود. این اثر را نیز می توان با DCF با استفاده فیبر مناسب کاهش داد.

اثر تداخلی فرکانسها FWM (Four Wave Mixing)

در یک فیبر عموما چندین فرکانس با هم منتقل می شوند. تداخل و مدولاسیون بین فرکانسها باعث تولید فرکانس های جدید ناخواسته می شود که اغلب مخرب هستند. این مولفه های جدید روی باندهای مختلف از جمله خود مولفه اصلی ظاهر می شوند و موجب ایجاد  هم شنوایی (Cross Talk) می گردند.

مولفه هایی که خارج از باند قرار می گیرند تاثیر چندانی نخواهند داشت. به سایر فرکانس های مجاور روی یک فرکانس مفید، شبح فرکانسی (Ghost) گویند.


نظرات

نظر شما
نام :
پست الکترونیکی :
وب سایت :
متن :

تصویر :