تضعیف در فیبر نوری ؛ چرا نور ضعیف می شود؟

attenuation

تضعیف در فیبر نوری ؛ چرا نور ضعیف می شود؟

در مقاله “فیبر نوری چگونه کار می کند؟” دیدیم که نور بواسطه بازتاب کلی داخلی در فیبر منتشر می شود که بهره این بازتاب ۱۰۰ درصد است، یعنی در فرآیند بازتاب نور از مرز هسته – غلاف، هیچ اتلافی اتفاق نمی افتد؛ اما با این وجود همیشه شدت نور خروجی از فیبر نوری کمتر از شدت نور ورودی به آن است که به این پدیده تضعیف در فیبر نوری می گوییم.

تضعیف یا افت در فیبر نوری به خاطر دو عامل درونی و بیرونی بوجود می آید که دو کلید واژه تخصصی برای آن ها وجود دارد که معمولا با هم اشتباه می شوند:
۱. Attenuation (مربوط به عوامل درونی)
۲. Loss (مربوط به عوامل بیرونی)

در فارسی معمولا به Attenuation تضعیف و به Loss اتلاف می گویند. اما این دو پدیده کاملا با یکدیگر متفاوت هستند.

عوامل بیرونی در تضعیف نور (Loss)

اگر فیبر نوری را بیش از حد خم کنیم، بخشی از نور از قسمت خمش می تواند به بیرون هسته هدایت شود و از دست برود زیرا شرط بازتاب کلی داخلی برای پرتوهایی که به این شعاع خمش می رسند ممکن است برقرار نباشد و بازتاب کلی داخلی رخ ندهد. شکل زیر فرار نور به خارج از هسته را در مواجهه با یک خمش زیاد را نشان می دهد. به اتلاف نور بواسطه خمش بیش از حد فیبر نوری، Bending Loss گفته می شود.

یکی دیگر از عوامل بیرونی اتلاف، اتصالات فیبر نوری شامل نقاط جوش و کانکتورها و آداپتورها است. به خاطر داشته باشید که همواره در هر اتصال فیبر نوری، مقداری اتلاف به خاطر عدم همترازی بین دو هسته فیبر نوری که قرار است به یکدیگر متصل شوند بوجود خواهد آمد، مخصوصا اگر دو فیبر نوری SM را بخواهیم از طریق جوش یا کانکتور به یکدیگر متصل کنیم؛ زیرا همانطور که در مقاله “فیبر نوری چیست؟” دیدیم، فیبرهای نوری تک مد دارای قطر هسته ۵ تا ۹ میکرومتر هستند و همتراز کردن آنها کار بسیار مشکلی خواهد بود و هر میکرومتر عدم تطابق منجر به اتلاف قابل ملاحظه ای خواهد شد. اما فیبرهای نوری مالتی مد دارای هسته بسیار بزرگتری هستند که عدم همترازی بین دو فیبر منجر به اتلاف ناچیزی خواهد شد.

به خاطر داشته باشید، اتلاف در نقاط جوش برای فیبرهای نوری تک مد از مرتبه ۰.۰۱ دسی بل و در نقاط اتصال بوسیله کانکتور و آداپتور، از مرتبه ۰.۱ دسی بل می باشد.

واحد اندازه گیری اتلاف در فیبر نوری

برای نمایش میزان اتلاف در فیبر نوری از واحدی به نام دسی بل استفاده می کنیم. برای این که اتلاف در فیبر نوری را محاسبه کنیم، باید شدت نور خروجی را بر شدت نور ورودی تقسیم کنیم، از آن لگاریتم بگیریم و نتیجه بدست آمده را در عدد ۱۰ ضرب کنیم.

Loss formulla

 

 

عوامل درونی در تضعیف نور (Attenuation)

تضعیف نوری یا attenuation، نتیجه جذب و پراکندگی  نور در فیبر نوری است. جذب یک ویژگی ماده فیبر نوری است که وقتی نور تشدیدهایی را در سطح مولکولی تحریک می کند، بوجود می آید.

در فرآیند جذب، فوتونها از دست می روند و انرژی آنها به گرما تبدیل می شوند. فرآیند ایجاد گرما بدین صورت است که فوتون های جذب شده در شیشه به فونون ها (لرزش شبکه شیشه) تبدیل می شوند. این لرزش های شبکه، شیشه را گرم میکند و سطح گرم شیشه فوتون هایی در طول موج های خیلی بلند در بخش مادون قرمز طیف الکترومغناطیس آزاد می کند.

پراکندگی نیز یک ویژگی ماده است. این پدیده وقتی بوجود می آید که ناخالصی های موجود در فیبر، پرتو را با زاویه ای که دیگر نمی تواند در فیبر هدایت شود، تغییر جهت دهد یا پراکنده کند.

برای کاهش جذب، ناخالصی ای که موجب تشدید اتمی در نزدیکی طول موج ارسال شود، نباید در فیبر وجود داشته باشد. ناخالصی های مضر، بخار آب و ردیف اول فلزات واسطه مثل وانادیم، کرومیوم، آهن، کبالت و نیکل هستند. مشکل با ناخالصی آب ناشی از پیوند O-H است. هنگامی که چگالی این مولکول تنها در حد یک در میلیون باشد، هارمونیک موجود در طول موج ۱۳۹۰ نانومتر منجر به اتلاف ۶۵ دسی بل بر کیلومتر می شود.

o-h absorption

برای اینکه جذب فیبر نوری در طول موج های نزدیک به ۱۰۰۰ نانومتر، کمتر از یک دسی بل بر کیلومتر باشد، تمرکز این ناخالصی ها باید کمتر از یک قسمت در ۱۰ به توان ۹ باشد. دستیابی به این خلوص طنز به نظر میرسد!

واضح است که برای ساخت فیبر نوری با اتلاف کم، تقریبا همه آب باید از شیشه پیش سازه فیبر نوری زدوده شود. در ۱۹۶۰، اتلاف بهترین شیشه نوری ۱۰۰۰ دسی بل بر کیلومتر بود.

در نوامبر ۱۹۶۵، چارلز کااو، مقاله ای نوشت که در آن الزامات یک فیبر نوری برای استفاده در سیستم های مخابراتی را مشخص کرد که شامل ساختار، دلایل تلفات در فیبر، مشخصات مدها، تلفات خمش، پاشندگی و… می شد.

Charls kao

در ۱۹۷۰، تیم شرکت کورنینگ شامل دونالد کک، روبرو مویر و پیتر شوالتز، موفق به ساخت فیبر نوری با کارایی مدنظر چالز کااو شدند. آنها تلفات را از طریق حذف جذب ناخالصی ها به ۲ دسی بل بر کیلومتر کاهش دادند.

برای درک اینکه فیبرهای نوری مدرن چقدر خاص هستند فرض کنید که اقیانوسی به عمق ۸ کیلومتر از شیشه ساخته شده باشد. این اقیانوس دارای تلفات ۱۰۰۰ دسی بل/کیلومتر خواهد بود و کف اقیانوس کاملا سیاه دیده می شود؛ آنقدر سیاه که از ۱۰ به توان ۸۰۵ فوتونی که به سطح اقیانوس برخورد می کند، تنها یک فوتون به کف آن میرسد. اگر اقیانوس از شیشه ای که ۲ دسی بل در هر کیلومتر اتلاف دارد (مثل اولین شیشه نوری که شرکت کورنینگ ساخت)، ساخته شده باشد، کف اقیانوس هنوز سیاه به نظر میرسد. یعنی از هر ۴۱ فوتونی که به سطح اقیانوس برخورد میکند، یکی به کف آن میرسد.
امروزه فیبرهای نوری تک مد با کیفیت دارای تلفاتی در حد ۰.۳۵ دسی بل هستند. با چنین تلفاتی، کف اقیانوس به راحتی قابل دیدن است و کمی بیش از نصف فوتون هایی که به سطح اقیانوس برخورد می کنند، به کف اقیانوس میرسند.

پراکندگی نیز یک ویژگی ماده است. این پدیده وقتی بوجود می آید که ناخالصی های موجود در فیبر، پرتو را با زاویه ای که دیگر نمی تواند در فیبر هدایت شود، تغییر جهت دهد یا پراکنده کند.

وقتی نور در فیبر منتشر میشود، توسط ناخالصی ها و یا مولکول ها پراکنده می شود. سه نوع پراکندگی رو به عقب وجود دارد که اگر وجود نداشتند، ساخت بسیاری از ادوات اندازه گیری و سنسور ها غیر ممکن میشد.

این ۳ پراکندگی عبارتند از:
۱- پراکندگی رایلی (اساس ساخت دستگاه OTDR)
۲- پراکندگی رامان (اساس ساخت سنسور توزیعی دما DTS)
۳- پراکندگی بریلوین (اساس ساخت سنسور توزیعی تنش)

وقتی نور در فیبر منتشر میشود، با مولکول های شیشه برهمکنش میکند و آن را به تراز انرژی بالاتر تحریک میکند. مولکول در مدت زمان بسیار کوتاهی دوباره به تراز انرژی پایه بر میگردد و یک فوتون ساطع میکند.

این فوتون بسته به اینکه مولکول به کدام تراز انرژی برگشته باشد، دارای همان طول موج فرودی (رایلی)، طول موج بیشتر (آنتی استوکس) یا طول موج کمتر (استوکس) خواهد بود

علت آبی بودن آسمان نیز پراکندگی رایلی است. میزان پراکندگی رایلی به عکس توان چهارم طول موج وابسته است و چون طول موج آبی دارای کمترین طول موج در نور سفید است، بیشتر از بقیه رنگ ها پراکنده می شود.

Rayleigh

 

چون پراکندگی رایلی وابستگی شدیدی به طول موج دارد، یک روش برای کاهش تلفات پراکندگی در فیبر نوری، افزایش طول موج انتقال است. برای مثال، تلفات پراکندگی در ۱۳۱۰ دو برابر پراکندگی در طول موج ۱۵۵۰ است. این امر یکی از دلایل اصلی کارکردن خیلی از سیستم های انتقال دوربرد در طول موج ۱۵۵۰ نانومتر است.

هر چند پراکندگی رایلی، رامان و بریلوئن از نظر اتلاف مشکل آفرین است و عاملی مزاحم به شمار می رود، اما این پراکندگی ها برای تست فیبر نوری و ساخت سنسورهای فیبر نوری بسیار سودمند و حیاتی هستند. پراکندگی رایلی اساس کار دستگاه OTDR و پراکندگی رامان و بریلوئن اساس کار دستگاه DTS  را تشکیل می دهد که در مقاله “کاربرد فیبر نوری در ساخت حسگر توزیعی دما” به آن پرداخته ایم.

 

 

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *