هنگامی‌که نور به‌عنوان یک موج هدایت‌کننده در هسته فیبر منتشر می‌شود، نور عبوری، مقدار تلفات توان خاصی را تجربه می‌کند. این تلفات هنگام انتقال سیگنال از طریق کابل‌های فیبر نوری برای مسافت‌های 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 به‌خوبی بشناسیم. این مقاله در مورد تلفات ذاتی فیبر و تلفات بیرونی فیبر می‌باشد.

تلفات در فیبر نوری

تلفات سیگنال (Attenuation) و عرض باند دو عامل مهم در ارزیابی سیستم‌های مخابراتی به شمار می‌روند. این دو عامل به جنس فیبر و روش ساخت آن و طول‌موج نور وابسته هستند در اینجا تلفات و گسترش پالس و محدودیت عرض باند موردبررسی قرارگرفته است.

لطفاً مقاله "مقایسه کابل های فیبر نوری، زوج سیم به هم تابیده و کواکسیال" را مطالعه بفرمایید.

به‌صورت تئوری فرض می‌شود که فیبر نوری دارای تضعیف صفر و پهنای باند بی‌نهایت است. ولی در عمل به دلیل محدودیت‌های فیزیکی، پهنای باند فیبر محدود و تلفات آن غیر صفر است.

غیر از تلفات، عامل دیگر محدودکنندهٔ 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 می‌شود تلفات در فیبر نوری از سه منبع ناشی می‌شود:

نوع اول تلفات در اثر مواد سازنده و ناخالصی‌های موجود در فیبر است که باعث اتلاف انرژی نور می‌شود این نوع تلفات، تلفات جذبی نامیده می‌شود. پدیده جذب باعث تبدیل مقداری از انرژی نورانی به حرارتی در داخل فیبر می‌گردد. موادی که در ساخت فیبر به کار می‌روند باعث جذب انرژی به‌صورت ذاتی یا عارضی در نواحی معینی از طول‌موج‌ها می‌گردند. منحنی جذب انرژی در فیبر در پنجره‌های مختلف وجود دارد.

جذب ذاتی به جنس شیشه فیبر بستگی دارد. با هیچ نوع ترکیبی از مواد مختلف نمی‌توان آن را از بین برد. شیشه خالص از جنس Geo2 و Sio در طول‌موج‌های مختلف دارای جذب متفاوتی است. یکی از عوامل جذب انرژی، جذب در اثر ارتعاش و انتقال الکترون‌های اتم شیشه از مداری باانرژی کمتر به مدار باانرژی بیشتر است. این حالت جذب در منطقه ماورای بنفش و در طول‌موج‌های کمتر از 700 نانومتر صورت می‌گیرد. این ناحیه از ناحیه کار سیستم‌های نوری بسیار دور بوده و بی‌اهمیت است. یکی دیگر از عوامل جذب اثر ارتعاش و نوسان مولکول‌های شیشه در مقابل فوتون‌های نور عبوری از آن است که در منطقه بالای مادون‌قرمز در طول‌موج‌های بیشتر از 1700 نانومتر ظاهر می‌گردد؛ بنابراین سیستم‌های مخابرات نوری الزاماً در بین طول‌موج‌های 700 تا 1700 نانومتر محدود می‌گردند. در فیبر نوری تلفات جذبی در طول‌موج 1550 نانومتر در حدود 0.2 دسی‌بل بر کیلومتر قابل حصول است.

جذب عارضی توسط اتم‌های مواد ناخالص به‌خصوص فلزات آهن، کُرم و مس و یون بخارآب (OH) موجود در مواد شیشه‌ای به وجود می‌آید. در ساخت فیبر به روش رسوب بخار جذب عارضی در اثر مواد کم شده تنها جذب موجود مربوط به یون بخارآب (OH) می‌باشد.

تلفات پراکندگی رایلی

از عوامل دیگر افت ذاتی به‌وجودآمدن محل‌های ناهمگون در ساختار فیبر ازنظر 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 می‌شود.

اندازه این محل‌ها خیلی کوچک‌تر از طول‌موج‌های نور عبوری از فیبر هستند. این نوع تلفات به تلفات پراکندگی رایلی با توان چهارم طول‌موج نور عبوری از فیبر نسبت عکس دارد.

تضعیف پراکندگی رایلی در طول‌موج‌های مختلف در جدول زیر نشان داده‌شده است.

تلفات پراکندگی مرزی (Mie)

این پراکندگی هنگام برخورد نور به جسمی با ابعادی بزرگ‌تر از طول‌موج منبع نور که دارای ناهمگونی و بی‌نظمی و خراشیدگی در سطح آن باشد به وجود می‌آید و نور بیشتر در جهت انتشار اولیه پراکنده می‌شود.

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

تلفات خمش فیبر

نوع سوم تلفات ناشی از خمش فیبر یا غیریکنواختی شعاع آن است که منجر به خروج شعاع نوری از فیبر می‌شود. این نوع تلفات هندسی نامیده می‌شود. خم کردن یک فیبر باعث تضعیف نور در آن می‌شود. عبور نور از یک‌خمش تند با شعاع بسیار کم موجب تلفات تشعشعی می‌گردد. خمیدگی‌هایی که در فیبر به وجود می‌آید به دودسته تقسیم می‌شود.

درشت خم‌ها:

درشت خم‌ها، 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 کابل‌کشی در مسیرهای متعدد و مختلف به وجود می‌آید. افت این نوع خمش‌ها را می‌توان جزء افت عارضی دانست.

تلفات درشت خم‌ها با شعاع انحنای بیشتر از 10 سانتی‌متر قابل صرف‌نظر است. در این‌گونه 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 خم‌ها:

ریز خم‌ها خمش‌های میکروسکوپی هستند که معمولاً در مراحل ساخت و تولید و در زمان پوشش دادن رشته فیبر و یا قراردادن آن در لوز های کابل به وجود می‌آیند. رشته فیبر واقعی به‌صورت کاملاً صاف نیست و دارای انحنا جزئی می‌باشد. این نوع تلفات جزء افت ذاتی فیبر هستند. جهت کاهش تلفات ریز خم‌ها یک روکش ضخیم و نرم که بتواند فشار نیروهای خارجی را خنثی کند، روی فیبر کشیده می‌شود. در یک سیستم انتقال نوری چندین نقطه غیر از فیبر وجود دارند که در آن‌ها نیز تلفات رخ می‌دهند. این نقاط در تزویج دهنده ورودی فیبر، پیوندها و متصل‌کننده‌ها هستند.

تلفات اتصالات و مفصل

تلفات در اتصالات دو فیبر به هم به طرق مختلفی به وجود می‌آیند. ازآنجاکه یک اتصال کامل نیاز به هم‌راستایی محوری و زاویه‌ای و تماس کامل و صاف و موازی بودن دو انتهای رشته فیبرها دارد، اگر فیبرهایی با روزنه عددی مختلف یا با قطر هسته‌های متفاوت به هم مفصل شوند، کارایی اتصال ممکن است کاهش و تلفات آن افزایش یابد.

چنانچه هسته‌هایی با مقطع بیضی‌شکل به‌جای دایره‌ها طوری به هم 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 به‌عنوان مرجع برای هم‌راستا کردن اتصال به کار رود تلفات بیشتری به وجود خواهد آمد. تلفات اتصالات دائمی (Fusion) را بادقت می‌توان به مرتبه 0.1 دسی‌بل و تلفات اتصالات قابل‌استفاده مجدد و مکانیکی را به کمتر از 1 دسی‌بل رساند.

بازتابندگی سطوح منعکس‌کننده در موقعیت‌های زیر پیش می‌آیند

• مرز هوا به شیشه که در آن نور از یک منبع به داخل یک فیبر تزویج می‌شود.
• سطح مشترک بین هسته و فیبر و لایه‌ای که آن را احاطه کرده است.
• در مرز هوا شیشه درجایی که یک شکاف هوایی بین دو فیبر که می‌خواهند به هم متصل شوند وجود دارد.

تلفات تزویج

تزویج منبع به فیبر و فیبر به آشکارساز می‌تواند بسیار ناکارآمد و دارای تلفات باشد.

مکانیزم‌های متعددی ازجمله تلف انعکاس و تلف در اثر عدم تطبیق دو سطح و تلف روزنه عددی فیبرها باعث عدم کارایی تزویج می‌شوند.

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 آشکارساز تزویج می‌شود. این سطح را می‌توان بزرگ‌تر از هسته فیبر انتخاب کرد و به تزویج بسیار کارآمدی دست‌یافت. البته تلف کوچکی در اثر انعکاس در سطح جداکننده فیبر و هوا و هوا به آشکارساز وجود دارد. این تلف را می‌توان با پر کردن فاصله هوایی با مواد تطبیق‌دهنده ضریب شکست حذف کرد.

تلفات کانکتورها

در سیستم‌های کابلی برای سهولت نگهداری کابل نوری ورودی را از طریق یک ترمینال به نام FDF (Fiber Distribution Frame) به دستگاه اصلی وصل می‌کنند که این ترمینال‌ها موجب افت اضافی می‌گردند.

تلفات پیکتیل ها (Pictial)

پیکتیل هایی که در مخابرات، کابل نوری را به سیستم‌ها متصل می‌کنند باعث ایجاد افت در طول مسیر آن‌ها می‌شوند.

تلفات حاشیه اطمینان

برای اطمینان از صحت کار دستگاه طول عمر مفید لازم است مقداری حاشیه اطمینان برای جبران تغییر مشخصه دستگاه‌ها و کابل‌های نوری صدمه‌دیده در نظر گرفته شود، تا افت ناشی از این تغییرات در نظر گرفته شود.

پاشندگی و گسترش پالس (Dispersion)

غیر از تلفات، عامل مهم واصلی دیگر محدودکننده 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 می‌باشد.

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 عدم‌تشخیص آن‌ها در مقصد می‌شود.

پاشندگی به دلیل تغییر ضریب شکست محیط مادی شفاف هسته فیبر با طول‌موج نور عبوری از آن می‌باشد که سبب انحراف مسیر پرتوهای نوری درگذر از هسته می‌گردد.

هنگامی‌که موج نوری در محیط پاشنده فیبر نوری که ضریب شکست آن به طول‌موج‌های نور بستگی دارد، حرکت کند، شکسته شده و پراکنده می‌گردد، اگر موج تابش به‌جای اینکه تک‌فام باشد، از ترکیب چند طول‌موج مختلف تشکیل‌شده باشد، هر مؤلفه طول‌موج 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 طول‌موج باشد جذب نور نداریم. اگر مرتبه وابستگی از درجه بالاتر طول‌موج باشد علاوه بر پاشندگی جذب نور نیز خواهیم داشت.

برای روشن شدن موضوع در خصوص فیبر نوری، 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، مجموعه‌ای از تعداد پالس است که به جزء ازنظر طول‌موج از هر نظر دیگر شبیه هم هستند، این پالس‌ها با سرعت‌های گوناگون حرکت می‌کنند و با اختلاف‌زمانی کمی به انتهای فیبر می‌رسند. موقعی که پالس‌های دریافتی در خروجی به هم می‌رسند باهم جمع شده و منجر به یک خروجی که نسبت به پالس ورودی طویل‌تر و گسترده‌تر و کم دامنه‌تر است می‌شوند.

انواع عوامل پاشندگی در فیبر نوری

عوامل پاشندگی در فیبر نوری بسیار متنوع هستند:

1. پاشندگی ماده

پاشندگی ماده ناشی از اختلاف سرعت بین طول‌موج‌های مختلف (رنگ‌های مختلف) موجود در نور در اثر عبور از رشته فیبر نوری 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 تأثیر شدیدی بر میزان پاشندگی ماده دارند و باعث افزایش آن می‌شوند. پاشندگی ماده فیبر در طول‌موج 1310 نانومتر تقریباً صفر است.

2. پاشندگی موج‌بری

پاشندگی موج‌بری ناشی از ساختاری رشته فیبر است. در فیبرهای تک مدی به دلیل کوچک بودن قطر هسته پاشندگی به‌وسیله ساختار موج‌بر فیبر ایجاد شود. در این فیبرها، پاشندگی ناشی از اختلاف جزئی بین ضریب‌های شکست هسته و پوسته رشته فیبر است که باعث انتشار و حرکت نور در دو مسیر هسته و پوسته با سرعت‌های متفاوت می‌شود.

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 می‌دهد. در این فیبرها پاشندگی مربوط به مقادیر مختلف تأخیر زمانی برای گروه مدهای متفاوت در یک طول‌موج (فرکانس) معین می‌باشد.

بدین معنی که وقتی چندین مد در یک طول‌موج (فرکانس) معین در داخل فیبر در حال حرکت هستند همه آن‌ها با سرعت‌های خالص متفاوتی نسبت به محور فیبر حرکت می‌کنند قسمت‌هایی از موج نوری قبل از قسمت‌های دیگر آن به انتهای فیبر می‌رسند، عرض پالس موج خروجی را گسترش و دامنه آن را کاهش خواهند داد. این نوع پاشندگی به پهنای طیف منبع نور بستگی نداشته و هنگامی‌که فیبر به یک مد اجازه انتشار می‌دهد رخ نمی‌دهد.

4. پاشندگی رنگی (Chromatic Dispersion)

پاشندگی رنگی ناشی از طول‌موج‌های مختلف موجود در نور عبوری از رشته فیبر است که با سرعت‌های متفاوت حرکت می‌کنند. این پاشندگی به طول‌موج منبع نور وابسته است.

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

ازآنجایی‌که طبق قانون فوریه یک سیگنال غیر سینوسی از سیگنال‌های سینوسی و کسینوسی تشکیل‌شده است، خروجی لیزر مجموعه‌ای از طول‌موج‌ها خواهد بود که هر یک پس از عبور از فیبر، در گیرنده هرکدام با تأخیر فاز متفاوتی دریافت می‌شوند. نتیجه این پدیده پهن شدن پالس دریافتی در گیرنده در مقایسه با پالس ارسالی خواهد بود.

پهن شدن پالس در گیرنده می‌تواند تداخل سمبل‌ها و اطلاعات را سبب شود. برای رفع آن از تجهیزات خاصی به نام DUC یا DCF استفاده می‌شود. این تجهیزات مقدار زیادی فیبر را با ضریب پاشندگی منفی در خود جای‌داده است تا به‌این‌ترتیب پاشندگی کل مسیر کاهش یابد. تجهیزات DUC یا DCF را می‌توان در فرستنده قبل از ارسال و یا در گیرنده قبل از دریافت سیگنال نوری مورداستفاده قرارداد.

5. پاشندگی پلاریزاسیون مد PMD

پاشندگی مد پلاریزه که در ساده‌ترین حالت ناشی از دایره‌ای کامل نبودن مقطع رشته فیبر است، به دلیل اختلاف بین سرعت انتشار دو مد پلاریزه رخ می‌دهد. این پاشندگی در سرعت‌های بالای 10 گیگابیت بر ثانیه به وجود می‌آید و در سرعت‌های پایین مسئله جدی محسوب نمی‌شود.

منبع لیزر نور را تحت یک زاویه مشخص به داخل فیبر نوری گسیل می‌کند. نور پس از ورود به فیبر به دو مؤلفه عمودی و افقی تقسیم می‌شود که باهم زاویه 90 درجه‌دارند. درصورتی‌که ویژگی‌های فیزیکی فیبر در تمام طول مسیر کاملاً یکنواخت باشد زاویه بین دو مؤلفه تا انتهای فیبر ثابت می‌ماند. ولی چنین فیبری عملاً وجود ندارد؛ بنابراین زاویه این دو مؤلفه سیگنال نوری در حین عبور از فیبر تغییر می‌کند و سبب پلاریزاسیون نور می‌شود.

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

6. پاشندگی سرعت گروهی GVD

این اثر شبیه تأخیر گروهی (Group Delay) در انتقال رادیویی است و ازآنجا ناشی می‌شود که خروجی مدولاتور طیفی از فرکانس‌هاست و فرکانس‌های متفاوت در گیرنده هرکدام با تأخیرهای متفاوت دریافت می‌شوند. پاشندگی سرعت گروهی مشابه پاشندگی رنگ سبب پهن شدن پالس خروجی می‌شود. این اثر را نیز می‌توان با DCF با استفاده فیبر مناسب کاهش داد.

اثر تداخلی فرکانس‌ها FWM (Four Wave Mixing)

در یک فیبر عموماً چندین فرکانس باهم منتقل می‌شوند. تداخل و مدولاسیون بین فرکانس‌ها باعث تولید فرکانس‌های جدید ناخواسته می‌شود که اغلب مخرب هستند. این مؤلفه‌های جدید روی باندهای مختلف ازجمله خود مؤلفه اصلی ظاهر می‌شوند و موجب ایجاد هم شنوایی (Cross Talk) می‌گردند.

مؤلفه‌هایی که خارج از باند قرار می‌گیرند تأثیر چندانی نخواهند داشت. به سایر فرکانس‌های مجاور روی یک فرکانس مفید، شبح فرکانسی (Ghost) گویند.