اگر چه پراکندگی ایجاد شده همگی مشکل ساز بودند ولی استفاده از فیبر های چند - مد مزایایی نیز در بر داشت. مثلا جفت کردن انتهای پهن فیبر چند مدی با منبع نوری بسیار راحت تر از جفت کردن انتهای باریک یک فیبر تک مد است. تولید آن نیز ( و در نتیجه خرید آن) کم هزینه تر است و به LED ها و گیرنده های ارزان آن بستگی دارد تا به دیود های لیزری و قطعات گیرنده فوق حساس آن. با این حال، پیشرفت تکنولوژی سبب کم استفاده شدن فیبر چند مدی و متداول شدن فیبر تک مد شده است.
۳-۵-۲- فیبر تک مد
هسته فیبر تک مد بسیار باریکتر از هسته فیبر چند مدی است. به نظر می رسد که به دلیل باریک بودن هسته آن، قابلیت حمل اطلاعات آن محدودتر باشد. همانطور که از نامش پیداست، یک پرتوی نور یا تک- مد اجازه حرکت در هسته فیبر را دارد. بدین ترتیب مشکلات پراکندگی که فیبرهای چند مدی را مختل می کنند حذف می شود. در حقیقت، فیبر تک مد دارای ضریب شکست پله ای است زیرا ضریب شکست هسته کمی بیش از ضریب شکست غلاف است. این فیبر به یک استاندارد واقعی برای سیستم های انتقال نوری تبدیل شده است و بسته به کاربردش اشکال گوناگونی را پیدا می کند.
قطر مغزی در فیبر تک مد بی نهایت کم است یعنی بین ۷ تا ۹میکرون و قطر غلاف آن ۱۲۵ میکرون می باشد، مزیت این فیبر این است که اجازه انتقال تنها یک مد را می دهد؛ عیب آن این است که کار کردن با آن کمی مشکل می باشد. هسته را باید مستقیما به منبع نور و گیرنده کوپل کرد تا حد اکثر کارائی ایجاد شود. با فرض اینکه کر در حدود یک ششم قطر موی انسان باشد، فرایند مکانیکی این کوپل کردن از نوع هرکولین[۳۸] است.
همانطور که به خاطر می آورید انواع پدیده های غیر خطی را که پیش روی سیستم های نوری قرار دارند بررسی کردیم. در بیشتر موارد، افت و پراکندگی دو عامل کلیدی ایجاد مشکل برای سیستم های سرعت بالا بحساب می آیند ولی خوشبختانه مهندسان نوری موفق به ایجاد فیبر های تک مدی شده اند که به مشکلات غیر خطی غلبه کرده اند.
فیبر تک مد که در اوایل دهه ۱۹۸۰ معرفی گردید، به تناسب تقاضای بازار پهنای باند، تغییراتی را متحمل شد. اولین نوع فیبر تک مد که وارد بازار گردید، فیبر فاقد پراکندگی شیفت داده شده (NDSF) نامیده شد که در پنجره دوم ۱۳۱۰nm کار می کرد. پراکندگی این فیبر ها در این طول موج نزدیک به صفر بود. در نتیجه پهنای باند زیاد و پراکندگی کمی را ارائه می داد. متاسفانه بعد از مدتی قربانی موفقیت خودش گشت. با افزایش تقاضا برای انتقال با پهنای باند بالا، سومین پنجره در ۱۵۵۰ nm برای انتقال از طریق فیبر تک مد نیز ایجاد شد و به دلیل اینکه بیشتر فیبر های نصب شده NDSF بودند میزان تضعیف آن نصف میزان تضعیف در ۱۳۱۰nm شد ولی پراکندگی آن زیاد بود. تنها راه حل موجود باریکتر نمودن پهنای باند لیزرهای به کار رفته در این سیستم ها بود. متاسفانه افزایش توان و کاهش پهنای باند لیزر، پر هزینه است. بدین ترتیب راه حل دیگری پیشنهاد شد.
۳-۵-۳- فیبر های (DSF) dispersion – shifted
راه حل مورد نظر DSF بود. در DSF نقطه حداقل پراکندگی به طور مکانیکی از ۱۳۱۰nm به ۱۵۵۰ nm تغییر می یابد. اینکار با اصلاح طراحی فیبر صورت می گیرد بنابراین پراکندگی موج بر افزایش می یابد. پراکندگی موجبر صورتی از پراکندگی رنگی است که به دلیل متفاوت بودن سرعت نور در هسته و غلاف ایجاد می شود.
یک تکنیک برای ساخت DSF (در بعضی مواقع فیبر با پاشندگی صفر جابجا شده نیز نامیده می شود) ساخت فیبر با چند لایه است. (شکل ۳-۱۶)
شکل (۳- ۱۶) فیبر DSF
در این طرح، هسته دارای بالاترین ضریب شکست می باشد. با حرکت از هسته به سمت لایه های بیرونی، ضریب شکست تا حدی که در غلاف بیرونی به ضریب شکست معادل آن برسد کاهش تدریجی می یابد. در وسط، هسته درونی[۳۹] قرار دارد و روی ان را غلاف بیرونی[۴۰] احاطه کرده است. هسته بیرونی نیز توسط غلاف بیرونی احاطه شده است. این طرح مناسب سیستم های دارای یک طول موج در زمانی که چند طول موج انتقال می یابند می باشد. مانند وقتی که با سیستم های DWDM به کار رود، افت سیگنال دیده می شود. ترکیب چهار موج که پیشتر توضیح داده شد نقص جدی این گونه سیستم ها می باشد. امروزه که سیستم های دارای چند طول موج، سریع عمل می کنند، محدودیت کارکرد در یک موج مانع محسوب می شود.
۳-۶- سرعت انتقال اطلاعات در فیبر نوری
برای سرعت انتقال اطلاعات و یا سرعت انتقال پالس نوری در فیبر نوری تعریفهای مختلفی وجود دارد که از جمله می توان سرعت فاز و سرعت گروه را نام برد]۲۰[ -]۲۴ [.
۳-۶-۱- سرعت فاز
سرعت فاز سرعتی است که هر نقطه از موج با فاز ثابت با آن سرعت حرکت می کند یک میدان الکتریکی مختلط تک فرکانس با فرکانس زاویه ای ثابت را به عنوان تابعی از مکان و زمان به صورت زیر در نظر می گیریم.
(۳-۱)
در اینجا دامنه میدان را نشان می دهد و عدد موج را نشان می دهد و قسمت مزدوج معادله موج می باشد فاز( ) این موج برابر است با
(۳-۲)
چون فاز ثابت می باشد بنابراین تغییرات فاز نسبت به زمان صفر می باشد
(۳-۳)
از اینرو سرعت فاز برابر است با
(۳-۴)
با توجه به رابطه (۳-۴) سرعت فاز در یک محیط تابعی از ضریب شکست می باشد مثلا در خلاء سرعت فاز برای یک موج الکترومغناطیسی برابر با سرعت نور © می باشد.
اگر یک موج شامل فرکاس های متفاوتی باشد به عنوان مثال یک پالس در یک محیط با ضریب شکست وابسته به فرکانس منتشر شود در نتیجه مولفه ها با فرکانس های متفاوت با سرعت های متفاوت در این محیط منتشر می شوند که این فرایند تاثیر بسیار زیادی بر روی شکل پالس می گذارد و باعث می شود که پالس شکل اولیه خود را در طول انتشار از محیط حفظ نکند.
۳-۶-۲- سرعت گروه
سرعت گروه سرعتی است که تمام شکل دامنه موج (پوش موج) با آن حرکت می کند. یک پالس نوری شامل گروهی از موج ها با فرکانس های مختلف می باشد برای بدست آوردن سرعت گروه ما در موج با دامنه و پلاریزاسیون یکسان را در نظر می گیریم مانند معادله (۳-۱) اما در عدد موج و فرکانس به اندازه مقدار کمی با هم اختلاف دارند که فاز آن ها بصورت زیر می باشد.
(۳-۵)
(۳-۶)
اگر این دو موج را با هم جمع کنیم داریم:
(۳-۷)
فاکتور حامل پالس می باشد با سرعت فاز فاکتور دوم پوش پالس را نشان می دهد که با سرعت گروه حرکت می کند اما پالس ها در مخابرات نوری بیش از دو مولفه فرکانسی دارند. ولی اگر باز با یک گروه از موج ها با دامنه و پلاریزاسیون یکسان که عدد موج و فرکانس هر کدام اختلاف کوچکی با w, k دارد را با هم جمع کنیم باز دوباره یک موج حامل با سرعت فاز و یک پوش که با سرعت گروه حرکت می کند بدست می آوریم [۲۰] اگر شبیه به روش بدست آوردن سرعت فاز عمل کنیم سرعت گروه را به صورت زیر بدست می آوریم:
(۳-۸)
حال اگر از k نسبت به w مشتق بگیریم به رابطه زیر می رسیم
(۳-۹)
در اینجا ng ضریب شکست سرعت گروه می باشد در خلاء چون ضریب شکست یک می باشد (n=1) در نتیجه سرعت گروه با سرعت فاز و سرعت نور در خلاء © برابر است. همان طور که از معادله (۳-۹) مشخص است سرعت گروه علاوه بر ضریب شکست، به نسبت تغییرات ضریب شکست نسبت به فرکانس هم وابسته است . در محیط های بدون پراکندگی یا با پراکندگی کم n ثابت بوده و در نتیجه
محیط های معمولی مانند فیبر نوری غالبا محیط های پراکنده کننده می باشند و سرعت گروه پالس به شیب ضریب شکست وابسته است. اگر این شیب با فرکانس تغییر کند بنابراین سرعت گروه هم با فرکانس تغییر می کند بنابراین مولفه های مختلف فرکانس با سرعت های مختلف منتشر می شوند که باعث پهن شدگی طول پالس می شوند. تغییر با تغییر فرکانس را پراکندگی سرعت گروه یا GVD می گویند که به صورت زیر تعریف می شود.
(۳-۱۰)
با توجه به رابطه( ۳-۹) برای سرعت گروه سه حالت می توانیم در نظر بگیریم
۱-اگر ۰<باشد در این حالت سرعت گروه از سرعت فاز کمتر بوده و چون سرعت پا لس کاهش یافته است این حالت به عنوان تاخیر دهنده نوری عمل می کند.
۲-اگرو باشد در این حالت سرعت گروه از سرعت فاز بیشتر بوده و این حالت می تواند به عنوان یک شتابدهنده نور عمل کند.
۳- اگر باشد در این حالت سرعت گروه منفی می باشد یعنی پالس در جهت عکس منتشر می شود. به خاطر سرعت گروه مختلف در یک محیط می توانیم زمان های مختلفی برای گذر پالس از طول (L) یک محیط داشته باشیم. به همین خاطر زمان تاخیر پالس (tdel) را می توانیم بر حسب اختلاف زمان تاخیر گروه (tg) و زمان تاخیر فاز (tph) تعریف کنیم:
(۳-۱۱)
حال می توانیم برای سه حالت محیط سه نوع زمان تاخیر داشته باشیم. ۱- در محیط بدون پراکندگی ضریب شکست ثابت است. بنابراین سرعت فاز و سرعت گروه برابر می شوند در نتیجه می باشد۲- در محیط با پراکندگی معمولی، داریم در نتیجه تاخیر گروه از تاخیر فاز بزرگتر است و یک تاخیر زمانی مثبت داریم ۳- در محیط با پراکندگی غیر معمولی، داریم بنابراین تاخیر فاز بزرگتر از تاخیر گروه می باشد در نتیجه می باشد یعنی اینکه پالس شتاب گرفته است. اگر در این حالت اندازه برابر اندازه n(ωo) شود در نتیجه و tg صفر می شود بنابراین برابر تاخیر فاز شده ولی با یک علامت منفی، این به این معنی است هنگامی که پالس وارد محیط می شود بدون گذشت زمان در انتهای محیط نمایان می شود.
با کنترل سرعت گروه می توان سرعت پالس نوری را کنترل کرد مثلا در محیطی که مقدار مثبت یا منفی بسیار بزرگی دارد می توان سرعت انتشار پالس نوری را بسیار کم [۲۵] یا بسیار زیاد کرد [۲۶] یا حتی به طور کامل آن را متوقف نمود [۲۷]. سرعت گروه با مقادیر خیلی بزرگ بسیار بحث برانگیز هستند.
۳-۷- خلاصه
به منظور مشاهده پدیده SBS آبشاری در فیبر نوری نیازمند استفاده از منبع نوری با طول موج مطلوب و فیبر نوری متداول در سیستمهای نوین امروزی هستیم. بنابراین در این فصل به بررسی ساختار انواع فیبرهای نوری و معایب آنها پرداختیم و نوع فیبری را که امروزه استفاده می شود و طول موج منبع نوری را که می تواند بسیاری از عیوب متداول را رفع کند بدست آوردیم. همانطوریکه بررسی شد امروزه از فیبرهای نوری (DSF ) با منبع نوری با طول موج حدود nm1550 استفاده می شود که در شبیه سازیهای این پایان نامه از این موارد استفاده شده است. در انتهای این فصل به بررسی سرعت انتقال اطلاعات در فیبر نوری پرداختیم. در فصلهای بعدی مشاهده می کنیم که پدیده SBS آبشاری می تواند در سرعت انتقال سیگنال و همچنین تغییر شکل پالس نوری اثر گذار باشد.
فصل چهارم
پراکندگی بریلوین در فیبر نوری و مشخصه های آن
فرم در حال بارگذاری ...
