خصائص الألياف الضوئية

بعدتنتقل الإشارات الضوئيةعلى مسافة معينة من خلال الألياف الضوئية، فإنها تخضع للتوهين والتشويه، مما يتسبب في اختلاف نبضات الإشارة الضوئية المدخلة والمخرجة. ويتجلى ذلك في توهين السعة وتوسيع شكل الموجة للنبضات الضوئية. سبب هذه الظاهرة هو وجود الفقد والتشتت داخل الألياف الضوئية. يعد الفقد والتشتت من أهم العوامل التي تصف خصائص نقل الألياف الضوئية، مما يحد من مسافة الإرسال وقدرة النظام. يناقش هذا القسم في المقام الأول آليات وخصائص فقدان الألياف الضوئية وتشتتها.

★خصائص الألياف الضوئية (الجزء الثاني)

خصائص فقدان الألياف الضوئية

يؤدي فقدان الألياف الضوئية إلى توهين الإشارة، ومن ثم يُسمى فقدان الألياف الضوئية أيضًا بالتوهين. مع زيادة المسافة في الألياف الضوئية، تقل شدة الإشارة الضوئية، كما يلي: P(z)=P(0) /10 - (4) حيث P(z) هي الطاقة الضوئية عند مسافة الإرسال z؛ P(0) هو مدخلات الطاقة الضوئية في الألياف الضوئية، أي الطاقة الضوئية المحقونة عند z=0; () هو معامل توهين الألياف الضوئية عند الطول الموجي بوحدة dB/km؛ وL هي مسافة الإرسال.

عندما يكون t=L، يتم تعريف معامل توهين الألياف على أنه

(×)=(10/L) إل جي[P(0)/P(L)]

عندما يكون الطول الموجي العامل  هو dB، وإذا تم قياس معامل التوهين بوحدات dB لكل كيلومتر، يتم التعبير عن A() (الوحدة هي dB) على النحو التالي:

A(π)=10 إل جي[P(0)/P(L)]

لقد تطورت اتصالات الألياف الضوئية جنبًا إلى جنب مع التحسينات المستمرة في تصنيع الألياف الضوئية، وتحديدًا تقليل فقدان الألياف. يعد فقدان الألياف أحد العوامل الرئيسية التي تحدد مسافة الترحيل في نظام اتصالات الألياف الضوئية. تساهم العديد من العوامل في فقدان الألياف، وفي المقام الأول فقدان الامتصاص، وفقدان التشتت، والخسارة الإضافية، والآليات الكامنة وراء هذه الخسائر معقدة للغاية. تستخدم المناقشة التالية ألياف السيليكا الضوئية كمثال لتوضيح الأسباب المختلفة للخسارة.

فقدان الامتصاص

يشمل فقدان الامتصاص بشكل أساسي الامتصاص الداخلي، وامتصاص الشوائب (جذور OH)، وامتصاص العيوب الهيكلية. يشمل الامتصاص الداخلي امتصاص الأشعة تحت الحمراء والأشعة فوق البنفسجية.

امتصاص الأشعة تحت الحمراء هو امتصاص الطاقة الضوئية الناتج عن الرنين الجزيئي عندما يمر الضوء عبر زجاج الكوارتز المكون من SiO2. على سبيل المثال، تصل قمم الامتصاص لـ Si-O إلى 9.1 ميكرومتر، و12.5 ميكرومتر، و21.3 ميكرومتر، ويصل فقدان الامتصاص للألياف الضوئية إلى 10 ديسيبل/كم عند 9.1 ميكرومتر. امتصاص الأشعة فوق البنفسجية هو الطاقة الممتصة عندما يتم تحفيز الإلكترونات للانتقال إلى مستويات طاقة أعلى بواسطة موجات الضوء. يحدث هذا الامتصاص في منطقة الأشعة فوق البنفسجية ولذلك يُسمى عادةً امتصاص الأشعة فوق البنفسجية. تحتوي المواد الزجاجية على أيونات فلزات انتقالية مثل الحديد والنحاس، بالإضافة إلى أيونات OH-. امتصاص الشوائب هو الفقد الناتج عن امتصاص الطاقة الضوئية بواسطة خطوات الإلكترون الناتجة عن الاهتزازات الأيونية تحت إثارة موجة الضوء. على سبيل المثال، عند 1.39 ميكرومتر، يكون التوهين 60 ديسيبل/كم عندما يكون تركيز أيون OH- 1 × 10⁻⁶.

خسارة متناثرة

خسارة التشتت هي الخسارة التي تشع الطاقة الضوئية من الألياف الضوئية في شكل تشتت. يحدث ذلك بسبب الكثافة غير المنتظمة- داخل الألياف. تشمل الأنواع الرئيسية لفقد التشتت في الألياف الضوئية تشتت رايلي، وتشتت مي، وتشتت بريلوين المحفز، وتشتت رامان المحفز، والعيوب الهيكلية الإضافية وتشتت الانحناء، وتشتت التسرب.

أثناء تصنيع الألياف الضوئية، تسبب الحركة الحرارية للجزيئات الموجودة في الزجاج المنصهر تقلبات في الكثافة ومعامل الانكسار داخل بنيته، مما يؤدي بدوره إلى تشتت الضوء. يُطلق على التشتت الناتج عن جسيمات أصغر بكثير من الطول الموجي للضوء اسم تشتت رايلي؛ ويسمى التشتت الناجم عن جسيمات لها نفس الطول الموجي للضوء بتشتت مي.

تشتت رايلي هو السبب الرئيسي لفقدان الألياف. يُظهر تشتت رايلي خاصية التناسب مع 1/ من الطول الموجي القصير، أي R=K/. يرتبط ثابت التناسب K ببنية الزجاج وتكوينه. بشكل عام، كلما ارتفعت درجة حرارة التزجج وكلما زاد تعقيد تركيبه، زادت خسارة تشتت رايلي.

يتأثر تشتت رايلي بشدة الضوء الساقط. من ناحية أخرى، يحدث تشتت Brillouin المحفز وتشتت رامان المحفز عندما تتجاوز كثافة الطاقة الضوئية قيمة عالية معينة ويتم إنتاجها عن طريق التفاعل بين الضوء والوسيط.

خسائر إضافية

الخسائر الإضافية (أو خسائر التطبيقات) هي خسائر تنشأ من مصادر خارجية، مثل تلك الناجمة عن التواء الألياف أو الضغط الجانبي أثناء الإنشاء والتركيب والتشغيل، مما يؤدي إلى الانحناء الكلي-والثني-الجزئي للألياف.

تم تلخيص أسباب فقدان الألياف في الشكل:

خصائص تشتت الألياف الضوئية

في الفيزياء، يشير التشتت إلى الظاهرة التي يتم فيها تشتيت الضوء بألوان مختلفة بعد مروره عبر وسط شفاف. يتم تقسيم شعاع الضوء الأبيض إلى شريط من سبعة ألوان-بعد مروره عبر المنشور. وذلك لأن الزجاج له مؤشرات انكسار مختلفة للألوان المختلفة (ترددات مختلفة أو أطوال موجية مختلفة). كلما زاد الطول الموجي (أو انخفض التردد)، انخفض معامل انكسار الزجاج؛ كلما كان الطول الموجي أقصر (أو كلما زاد التردد)، كلما ارتفع معامل الانكسار. وبعبارة أخرى، فإن معامل انكسار الزجاج هو دالة لتردد (أو الطول الموجي) لموجة الضوء. عندما يسقط الضوء الأبيض المكون من ألوان مختلفة في نفس الزاوية θ، وفقًا لقانون الانكسار (n=sinθ/n²)، فإن ألوان الضوء المختلفة سيكون لها زوايا انكسار مختلفة بسبب اختلاف قيم n²، وبالتالي فصل الألوان المختلفة للضوء، مما يؤدي إلى التشتت. بما أن n=c/n (حيث c هي سرعة الضوء، c=3 × 10⁻⁶ م/ث)، فمن الواضح أن الألوان المختلفة للضوء تنتقل بسرعات مختلفة داخل الزجاج.

في نظرية انتشار الألياف الضوئية، تم توسيع معنى مصطلح "التشتت". في الألياف الضوئية، يتم نقل الإشارات بواسطة موجات ضوئية ذات أوضاع أو ترددات مختلفة. عندما تصل الإشارة إلى المحطة، تواجه الأوضاع أو الترددات المختلفة لموجات الضوء اختلافات في تأخير الإرسال، مما يتسبب في تشويه الإشارة. وتسمى هذه الظاهرة بشكل جماعي التشتت. بالنسبة للإشارات الرقمية، يؤدي التشتت إلى توسيع النبض بعد انتشاره لمسافة معينة عبر الألياف. في الحالات الشديدة، سوف تتداخل النبضات المتتالية، مما يشكل تداخلًا بين الرموز. لذلك، يحدد التشتت عرض نطاق الإرسال للألياف الضوئية ويحد من معدل إرسال النظام أو مسافة المكرر. التشتت وعرض النطاق الترددي هما نفس خاصية الألياف الضوئية الموصوفة من وجهات نظر مختلفة.

بناءً على أسباب التشتت، ينقسم تشتت الألياف الضوئية بشكل أساسي إلى: التشتت المشروط، وتشتت المواد، وتشتت الدليل الموجي، وتشتت وضع الاستقطاب، والتي سيتم تقديمها أدناه.

تشتت الوضع

يوجد التشتت المشروط بشكل عام في الألياف متعددة الأوضاع. نظرًا لوجود أوضاع متعددة في ألياف متعددة الأوضاع، وسرعات انتشار المجموعة للأنماط المختلفة على طول محور الألياف مختلفة، فإنها ستصل حتمًا إلى المحطة في أوقات مختلفة، مما يؤدي إلى اختلاف في التأخير الزمني وتشكيل تشتت متعدد الوسائط، مما يتسبب في توسيع عرض النبض. يظهر اتساع النبض بسبب التشتت المشروط في الشكل 2-10. بالنسبة للليف ذو الوضع -المفرد المثالي، نظرًا لأنه يتم إرسال وضع واحد فقط (الوضع الأساسي - وضع LP أو HE)، فلا يوجد تشتت مشروط، ولكن يوجد تشتت في وضع الاستقطاب.

الآن، نقوم بتقدير الحد الأقصى للتشتت المشروط لخطوة-فهرسة الألياف المتعددة الأوضاع. يظهر التشتت المشروط لخطوة الألياف المتعددة الأوضاع - في الشكل 2-11. في خطوة -فهرسة الألياف متعددة الأوضاع، فإن الشعاعين الأسرع والأبطأ في الانتشار هما الشعاع ① الذي ينتشر على طول المحور والشعاع ② الساقط عند زاوية حرجة قدرها 0 درجة، على التوالي. ولذلك، فإن الحد الأقصى لتشتت الوضع في ألياف متعددة الأوضاع ذات مؤشر خطوة هو الفارق الزمني بين الوقت الذي يستغرقه الشعاع ② (Tmax) والوقت الذي يستغرقه الشعاع ① (Tmin) للوصول إلى المحطة، ΔT_مكس: ΔT_مكس = T_الأعلى / T_دقيقة

وفقًا للبصريات الهندسية، في ألياف ضوئية بطول L، دع سرعات أشعة الضوء ① و② على طول الاتجاه المحوري تكون c/n وsinθ·c/n، على التوالي. وبالتالي فإن التشتت المشروط للألياف الضوئية هو ...

في الألياف الضوئية ضعيفة التوجيه (الألياف حيث n_iو ن_iتختلف قليلاً جدًا)، A=(n_i- ن)/ن. إذا Δ=1%، ن_i= 1.5 بالنسبة للألياف الضوئية السيليكا، وطول الألياف 1 كم، فإن الحد الأقصى للتشتت المتعدد الوسائط ΔT_mيمكن حسابها على أنها 50 نانوثانية. ولذلك، فمن الواضح أنه كلما زاد طول الألياف، كلما زاد التشتت المتعدد الوسائط؛ وكلما زاد فرق معامل الانكسار النسبي Δ، زاد التشتت متعدد الوسائط.

تشتت المواد

نظرًا لأن معامل الانكسار لمواد الألياف الضوئية يختلف باختلاف الطول الموجي للضوء، فإن سرعة المجموعة للترددات المختلفة للإشارة الضوئية تختلف، مما يتسبب في اختلاف تأخير الإرسال، وهي ظاهرة تعرف باسم تشتت المواد. يعتمد هذا التشتت على خصائص الطول الموجي لمؤشر الانكسار لمادة الألياف الضوئية وعرض خط مصدر الضوء.

في أنظمة اتصالات الألياف الضوئية الرقمية، لا يكون الضوء الناتج من مصدر الضوء الفعلي ذو طول موجي واحد ولكن له عرض خط طيفي معين. نظرًا لأن معامل الانكسار لمادة الألياف هو دالة لطول الموجة، فإن سرعة انتشار الضوء داخلها (×)=ج/ن(×) تختلف أيضًا مع طول الموجة. عندما تسقط نبضة ضوئية منبعثة من مصدر ضوء بعرض خط طيفي معين على ليف أحادي الوضع -وتنتشر، فإن نبضات الضوء ذات الأطوال الموجية المختلفة سيكون لها سرعات انتشار مختلفة، مما يؤدي إلى اختلاف في التأخير الزمني عندما تصل إلى نهاية الإخراج، مما يؤدي إلى توسيع النبض. هذه هي آلية تشتت المواد.

إذا كانت سرعة المجموعة معروفة بأنها u=da/dB، فإن تأخير المجموعة لكل وحدة طول هو T=1/v,=n,/c. لذلك، فإن تشتت المادة للألياف الضوئية بطول L هو ...

في الصيغة، c هي سرعة الضوء في الفراغ؛ ε هو معامل الانكسار للألياف الأساسية؛ α هو الطول الموجي للضوء؛ و A lect هو عرض الخط الطيفي لمصدر الضوء، حيث A { {0} { { 1 }} \\، يمثل نطاق الطول الموجي المتمركز عند A. بشكل عام، يتم استخدام معامل التشتت لقياس حجم التشتت. يتم تعريف معامل التشتت D (الوحدة: ps/(nm·km)) على أنه...

يمكن ملاحظة أن معامل التشتت هو التشتت الناتج عن مصدر ضوئي له وحدة عرض خط طيفي ينتشر في وحدة طول الألياف الضوئية. إذا كان معامل تشتت المادة للألياف الضوئية معروفًا، فيمكن حساب تشتت المادة بسهولة كـ ΔTm=DmAAL.

مثال 2-1: افترض أن الحد الأقصى لمعامل تشتت المادة للألياف الضوئية عند طول موجة 1.31m هو D=3.5ps/(nm·km). إذا تم استخدام ليزر أشباه الموصلات بطول موجة مركزية يبلغ 1.31 ميكرومتر لتوليد ضوء نقل بعرض خط طيفي قدره =4 نانومتر، فاحسب تشتت المادة الناتج عن انتشار هذا الضوء في طول 1 كم من الألياف الضوئية.

الحل: يمكن حساب تشتت المواد للألياف الضوئية بسهولة على النحو التالي:

T_m = D_mLΔA=3.5ps/(nm·km) x 1km x 4nm=0.014ns=14ps

كما هو موضح في المثال 2-1، يكون تشتت المادة صغيرًا نسبيًا، حتى أصغر من التشتت المشروط للألياف متعددة الأوضاع ذات مؤشر الخطوة. وتجدر الإشارة أيضًا إلى أن معامل تشتت الألياف الضوئية (وليس فقط معامل تشتت المادة) يمكن أن يكون موجبًا أو سالبًا. في الألياف الضوئية، يزداد تأخير المجموعة (A) مع طول موجة الموجة الحاملة؛ بمعنى آخر، تنتشر موجات الضوء ذات الطول الموجي الأقصر بشكل أسرع. في هذه الحالة، يكون معامل التشتت سالبًا، ويسمى التشتت السلبي؛ وعلى العكس من ذلك، تنتشر موجات الضوء ذات الطول الموجي الأطول بشكل أبطأ من موجات الضوء ذات الطول الموجي الأقصر.

هنا، يكون معامل التشتت موجبًا، ويسمى التشتت الإيجابي. ومن الواضح أنه إذا تم دمج اثنين من الألياف الضوئية مع علامات معامل التشتت المعاكسة معًا، فسيتم تحسين تشتت المواد.

تشتت الدليل الموجي

يشير تشتت الدليل الموجي ΔTw إلى وضع موجه محدد في الألياف الضوئية. الأطوال الموجية المختلفة لها ثوابت طور مختلفة، مما يؤدي إلى سرعات جماعية مختلفة وبالتالي تشتت. يرتبط تشتت الدليل الموجي أيضًا بعوامل مختلفة مثل المعلمات الهيكلية للألياف الضوئية وفرق معامل الانكسار النسبي بين القلب والكسوة؛ لذلك يطلق عليه أيضًا التشتت الهيكلي.

تشتت وضع الاستقطاب

تشتت وضع الاستقطاب هو نوع من التشتت يقتصر على الألياف الضوئية ذات الوضع الواحد-. نظرًا لأن الألياف أحادية النمط - تنقل فعليًا وضعي استقطاب متعامدين بشكل متبادل، فإن مجالاتها الكهربائية مستقطبة على طول الاتجاهين x وy، على التوالي.

عرض النطاق الترددي للألياف الضوئية

يصف تشتت وعرض النطاق الترددي للألياف الضوئية نفس الخاصية. في الواقع، يصف التشتت مدى اتساع نبضة الضوء على طول المحور الزمني بعد الإرسال؛ إنه وصف لخصائص الألياف في المجال الزمني. عرض النطاق الترددي، من ناحية أخرى، يصف هذه الخاصية في مجال التردد. في مجال التردد، بالنسبة لإشارة التعديل، يمكن اعتبار الألياف الضوئية مرشح تمرير منخفض-. عندما تمر مكونات التردد العالي-من خلالها لإشارة التعديل، يتم توهينها بشدة. أي أنه إذا ظلت سعة إشارة الدخل (إشارة التعديل) ثابتة، ولكن تغير التردد فقط، فإن سعة إشارة الخرج بعد الإرسال عبر الألياف ستتغير مع تردد إشارة التعديل (إشارة الإدخال). توصي TTU-T بتحديد أن عرض النطاق الترددي للألياف الضوئية هو [عرض النطاق الترددي لكل كيلومتر].