چه چیزی لیزری فایبر است

تعریف

لیزر فیبر یک رشته نازک و انعطاف پذیر است که از شیشه (سیلیکا) یا پلاستیک ساخته شده و به طور خاص برای انتقال سیگنال‌های نوری طراحی شده است. با وجود ظاهر لاغر آن، قطر یک لیزر فیبر معمولاً بزرگتر از قطر مو انسان است.

به طور دقیق‌تر، لیزر فیبر به عنوان یک هادی موج عمل می‌کند که امکان انتقال امواج الکترومغناطیسی در شکل نور در فرآیندهای نوری را فراهم می‌کند. این ویژگی منحصر به فرد به آن اجازه می‌دهد تا اطلاعات را با کارایی بالا و کمترین افت سیگنال در فواصل طولانی منتقل کند و آن را به یکی از اصول فناوری‌های ارتباطی مدرن تبدیل می‌کند.

ساختار لیزر فیبر

لیزر فیبر به طور بنیادی از دو جزء کلیدی تشکیل شده است: هسته و پوشش. هسته، یک ساختار دی الکتریکی استوانه‌ای که عمدتاً از شیشه ساخته شده و به عنوان مسیر انتقال نور عمل می‌کند. در این منطقه مرکزی، سیگنال‌های نوری حرکت می‌کنند که توسط اصول انعکاس داخلی کامل هدایت می‌شوند. پوشش که معمولاً از پلاستیک ساخته شده، دور هسته قرار دارد. پوشش نقش مهمی در محصور کردن نور در هسته دارد و اطمینان می‌دهد که سیگنال‌های نوری بدون نشتی یا تخریب قابل توجهی می‌توانند در فواصل طولانی منتقل شوند.

شکل زیر ساختار دقیق یک لیزر فیبر را نشان می‌دهد که لایه‌های متمایز هسته و پوشش و نقش‌های مختلف آنها در تسهیل انتقال کارآمد نور را برجسته می‌کند.

جزئیات ساختار و عملکرد

مجموعه کامل لیزر فیبر در یک جاکت الاستیک قرار دارد که به عنوان یک لایه محافظ عمل می‌کند. این جاکت فیبر را از آسیب‌های فیزیکی، عوامل محیطی و تنش‌های مکانیکی محافظت می‌کند و اطمینان می‌دهد که تمامیت آن در حین نصب، عملیات و مدیریت حفظ شود.

باید توجه داشت که در لیزر فیبر، پوشش مستقیماً در انتقال موج‌های نوری نقشی ندارد؛ بلکه نور تنها از طریق هسته حرکت می‌کند. با این حال، ترکیب هسته و پوشش برای کاهش افت سیگنال‌های ناشی از پراکندگی ضروری است. این به دلیل تفاوت شاخص‌های انکساری بین دو مؤلفه است که امکان هدایت کارآمد نور را فراهم می‌کند. به طور خاص، شاخص انکسار هسته باید بیشتر از شاخص انکسار پوشش باشد. این اختلاف شاخص انکسار اصل اساسی است که امکان انتقال موثر نور در فیبر را فراهم می‌کند.

انتشار نور در لیزر فیبر

لیزر فیبر‌ها برای انتقال سیگنال‌ها در شکل نور (فوتوآنه) طراحی شده‌اند. سوالی که پیش می‌آید این است: نور به چه نحو در یک لیزر فیبر حرکت می‌کند؟ پاسخ در پدیده انعکاس داخلی کامل پیدا می‌شود.

وقتی نور وارد یک لیزر فیبر می‌شود، از طریق هسته حرکت می‌کند و با انعکاس‌های مداوم از پوشش مواجه می‌شود. این انعکاس‌ها انعکاس‌های داخلی کامل هستند که تحت شرایط خاصی رخ می‌دهند. همانطور که قبلاً در مورد انعکاس داخلی کامل بحث شد، این پدیده زمانی رخ می‌دهد که نور از یک مedium با شاخص انکسار بالاتر (هسته متراکم‌تر) به یک مedium با شاخص انکسار پایین‌تر (پوشش کمتر متراکم) با زاویه ورودی بیشتر از زاویه بحرانی حرکت می‌کند.

با چنین زاویه ورودی، به جای اینکه نور به پوشش شکسته شود، ادامه می‌دهد تا از طریق هسته با انعکاس‌های متوالی حرکت کند. شکل استوانه‌ای هسته با قطر نسبتاً کوچک، اطمینان می‌دهد که فقط مقدار کمی از نور از مرز هسته-پوشش انعکاس می‌یابد. این به نوبه خود اطمینان می‌دهد که زاویه ورودی پرتو نوری به طور مداوم بیشتر از زاویه بحرانی باقی می‌ماند و امکان هدایت موثر نور در طول فیبر را فراهم می‌کند.

حالت‌های انتشار در لیزر فیبر

هنگامی که نور در طول یک لیزر فیبر حرکت می‌کند، می‌تواند از یک مسیر یا چند مسیر در طول هسته عبور کند. به طور کلی، "حالت‌های" انتشار به تعداد مسیرهای متمایزی که یک پرتو نوری می‌تواند در طول فیبر دنبال کند اشاره دارد. دو حالت اساسی انتشار در لیزر فیبر‌ها عبارتند از:

فیبر تک حالت

در یک فیبر تک حالت، پرتوهای نوری فقط از طریق یک مسیر در فیبر حرکت می‌کنند. این مسیر واحد انتقال موج به طور قابل توجهی از تحریف سیگنال در طول فرآیند انتقال کاسته می‌کند. چون مسیرهای متعددی برای حرکت پرتوهای نوری وجود ندارد، تمامیت سیگنال می‌تواند در فواصل طولانی حفظ شود و ارتباط با کیفیت بالا را تضمین می‌کند.

هسته یک فیبر تک حالت قطری بسیار کوچک دارد که این امر استفاده از یک پرتو نوری متمرکز شده را الزامی می‌کند. به این دلیل، منابع نوری لیزر بیشتر استفاده می‌شوند، زیرا می‌توانند یک پرتو تیز و همسو تولید کنند که می‌تواند به طور موثر از طریق هسته کوچک بدون واگرایی یا پراکندگی قابل توجه حرکت کند.

فیبر چند حالت

فیبرهای چند حالت دارای هسته‌ای با قطر بسیار بزرگتر نسبت به فیبرهای تک حالت هستند. این هسته گسترده‌تر امکان انتقال پرتوهای نوری از طریق چندین مسیر در هسته را فراهم می‌کند. اگرچه این ویژگی امکان انتقال نور بیشتر به طور همزمان را فراهم می‌کند، اما همچنین احتمال پخش و تضعیف سیگنال را نیز افزایش می‌دهد. پخش سیگنال زمانی رخ می‌دهد که پرتوهای نوری مختلف که از طریق مسیرهای مختلف در هسته حرکت می‌کنند، به مقصد با زمان‌های کمی متفاوت رسیده و سیگنال را محو می‌کنند. تضعیف یا تضعیف سیگنال نیز در فیبرهای چند حالت به دلیل عواملی مانند پراکندگی و جذب در هسته گسترده‌تر بیشتر قابل توجه است. با این حال، قطر گسترده‌تر هسته مزیت ارائه مسیرهای انتشار بیشتر برای موج‌های نوری را فراهم می‌کند و آن را برای کاربردهایی مناسب می‌کند که سادگی و کاهش هزینه بر انتقال فاصله‌ای بسیار طولانی و پهنای باند بالا ارجحیت دارد.

فیبرهای شیشه‌ای چیست؟

شیشه یک جامد بی‌شکل است که با سختی، شفافیت و شکنندگی مشخص می‌شود. این ماده از طریق ذوب ترکیبی از مواد و سپس خنک کردن سریع (سرمازدگی) آن‌ها ساخته می‌شود. برخلاف جامدات بلوری، شیشه ساختار مولکولی منظم و خوش‌تعریفی ندارد. به جای آن، مولکول‌های آن به صورت نامرتب و تصادفی مرتب شده‌اند.

شیشه ویژگی منحصر به فردی دارد: تغییر در ترکیب مادی آن منجر به تغییرات متناظر در خصوصیات آن می‌شود. این انعطاف‌پذیری در خصوصیات شیشه را به ماده‌ای چندمنظوره تبدیل می‌کند، به ویژه وقتی به دنبال ساخت فیبرهای نوری با ویژگی‌های عملکردی خاص هستیم.

مزایای لیزر فیبر

• انتقال سیگنال با مقاومت در برابر تحریف: لیزر فیبر‌ها انتشار موج‌های نوری را تسهیل می‌کنند که این امر امکان انتقال سیگنال‌ها با مقاومت قابل توجه در برابر تحریف را فراهم می‌کند. این امر اطمینان می‌دهد که تمامیت اطلاعات منتقل شده حتی در فواصل طولانی نیز حفظ می‌شود.

• ارتباط امن و در فواصل طولانی: این فیبرها روشی امن برای انتقال داده‌ها در فواصل طولانی ارائه می‌دهند. طبیعت انتقال موج‌های نوری در فیبر سیگنال را محدود می‌کند و احتمال توقف و تداخل را کاهش می‌دهد، که این امر آن را برای کاربردهایی که امنیت داده‌ها بسیار مهم است، مناسب می‌کند.

• عمر طولانی: در مقایسه با سایر انواع کابل‌های انتقال، لیزر فیبر‌ها عمر خدماتی بسیار طولانی‌تری دارند. استقامت و مقاومت آن‌ها در برابر فرسودگی و تخریب به توانایی آن‌ها در حفظ عملکرد قابل اعتماد در طول دوره‌ای طولانی کمک می‌کند و نیاز به تعویض‌های مکرر را کاهش می‌دهد.

معایب لیزر فیبر

• هزینه‌های نصب و نگهداری بالا: نصب اولیه و نگهداری مداوم سیستم‌های لیزر فیبر می‌تواند نسبتاً گران باشد. این شامل هزینه تجهیزات تخصصی، کارگران ماهر برای نصب و نگهداری مداوم برای اطمینان از عملکرد بهینه است.

• حساسیت به عوامل محیطی: به دلیل طبیعت شکننده‌ی لیزر فیبر‌ها، نیاز به محافظت از آن‌ها در برابر شرایط محیطی افزایش می‌یابد. مواجهه با تنش‌های فیزیکی، دماهای حدی، رطوبت و سایر عوامل محیطی می‌تواند باعث آسیب به فیبرها و اختلال در انتقال سیگنال شود.

• نیاز به تقویت‌کننده‌ها: اگرچه لیزر فیبر‌ها می‌توانند سیگنال‌ها را در فواصل طولانی با تحریف کم منتقل کنند، اما استفاده از تقویت‌کننده‌ها در طول انتقال سیگنال معمولاً ضروری است. این تقویت‌کننده‌ها سیگنال را تقویت و بازسازی می‌کنند تا هرگونه تضعیفی که در طول فاصله رخ داده است را جبران کنند، که این امر به پیچیدگی و هزینه کلی سیستم اضافه می‌کند.

لیزر فیبر‌ها معمولاً از سیلیکا ساخته می‌شوند به دلیل ویژگی‌های عملکردی برتر آن. سیلیکا یک ماده شیمیایی پایدار است که امکان می‌دهد در شرایط محیطی سخت بدون تضعیف قابل توجهی تحمل شود. پایداری و ویژگی‌های نوری آن آن را به ماده انتخابی برای کاربردهای ارتباطات نوری تبدیل می‌کند و اطمینان می‌دهد که انتقال سیگنال به طور موثق و کارآمد انجام می‌شود.