افت خمش در کابل فیبر نوری

افت خمش در کابل فیبر نوری،‌ هر گاه یک کابل فیبر نوری از مسیر مستقیم منحرف شود، افت (تلفات) تشعشعی رخ می دهد. یا به عبارت دیگر فیبرهای نوری در پیچ و خم ها و یا خمش های مسیر خود دچار تلفات تابشی می شوند، که در واقع به دلیل فروپاشی یا محو شدن انرژی در دایره خمش و افزایش سرعت نور در روکش ایجاد می شود و مکانیزم هدایت نور (فرایند بازتابش کلی داخلی) مختل می شود و افت نوری به واسطه خمیدگی شکل می گیرد.

افت خمش در کابل فیبر نوری

فهرست مطالب:

1. افت خمش
2. انواع خمش
   1. خم های بزرگ
   2. خم های کوچک
3. افت ماکرو خمش Macrobend 
4. محاسبه خمش
5. افت خمشی میکرو Micro bend loss

فیبرهای نوری به دلایل مختلف به هنگام نصب و استقرار در محل پروژه و به ویژه در زمان سربندی تجهیزات با خمش مواجه می شوند. خم شدن منجر به “نشت” انرژی از هسته فیبر به داخل روکش کلد فیبر می شود که منجر به افت اضافی می شود.

چنانچه فیبر دچار خمش با شعاع انحنای محدود شود،‌و از لحاظ هندسی شعاع خمش قابل اندازه گیری باشد، میتوان با محاسباتی میزان افت خمش را بدست آورد،‌روش دیگر اندازه گیری افت خمش استفاده از دستگاه OTDR می باشد.

انواع خمش

خم های بزرگ یا مایکرو – Macrobend

خم هایی هستند که دارای شعاع هایی می باشند که در مقایسه با قطر فیبر بزرگتر هستند. چنین خم هایی زمانی که فیبر در گوشه ای می چرخد ایجاد می شوند.

خم های کوچک یا میکرو – Microbend

خمیدگی های بسیار کوچک با زوایای بسته و محدود در مقیاس بسیار کوچک در شعاع انحنای فیبر نوری می باشند.

خمش میکرو به دلیل فشار جانبی یکنواخت ایجاد شده در فرایند نصب کابل فیبر نوری رخ می دهد.

افت ماکرو خمش Macrobend 

افت تشعشعی با انحنای زیاد، افت ماکرو خمش نامیده می شود. برای خمیدگی های جزئی افت مضاعف بسیار ناچیز است و در تست OTDR نیز قابل مشاهده نیست، گرچه میتوان با محاسبات رفتار های نور آن را محاسبه نمود که بسیار زمان بر خواهد بود. با کاهش شعاع انحنا، افت بصورت تصاعدی تا جایی که به یک شعاع بحرانی مشخص نزدیک شود افزایش می یابد . چناچه خم پس از رسیدن به این به نقطه آستانه از نظر کمی کوچکتر شود، افت به صورت ناگهانی افزایش چند برابری خواهد داشت.

زمانی که فیبر نوری دچار خم می شود، بدلیل اینکه نور نمی تواند در کلد به جهت خروج از هسته با توجه به ضریب شکست پایین تر کلد با سرعت بیشتری نسبت به هسته فیبر حرکت نماید انرژی تشعشعی در کلد و پس از رسیدن به نقطه  X_c محو میشود،(در شکل بالا پس از رسیدن به یک فاصله بحرانی معین X، از مرکز فیبر نوری.)

مقدار تابش نوری از یک فیبر به شدت خمش X_c و میزان انحنای آن R بستگی دارد.

خمش در فیبر نوری با شعاع خم (r) مشخص می شود – شعاع انحنای خم (شعاع دایره ای که قوس آن به خم نزدیک می شود R). هرچه خم «بسته تر» باشد، شعاع خمش کوچک‌تر و تضعیف نوری بیشتر است. شعاع خمش باید در حد چند سانتی متر باشد تا افت خمشی کم باشد. همچنین تلفات خمشی در 1550 نانومتر بیشتر از 1310 نانومتر است.

استانداردهای ITU-T مشخص می نمایند که افت اضافی در 1550 نانومتر به دلیل خمش باید در محدوده 0.5 تا 1 دسی بل، بسته به نوع فیبر، به ازای 100 دور پیچش فیبر با شعاع 37.5 میلی متر باشد. بنابراین یک خم با شعاع 4 سانتی متر منجر به افت خمشی < 0.01 dB. دسی بل می شود. با این حال، با کاهش شعاع خمش، تلفات به سرعت افزایش می‌یابد، بنابراین باید مراقب بود که از خمیدگی‌های تند و تیز، به‌ویژه در داخل تجهیزات سربندی و نصب کابل، جلوگیری شود.

همانطور که بیان شد فیبر نوری در اثر خمش دچار تلفات تابشی می شود که باعث می شود انرژی نور از فیبر به داخل روکش کلد تابیده شود ( از روکش عبور نماید یا نشت نماید). تصویری از این وضعیت را در شکل پایین مشاهده می فرمایید. بخشی از حالت نور که در خارج از خم قرار دراد بسیار سریعتر از قسمت هسته داخلی حرکت می نماید به طوری که یک جبهه موج عمود بر جهت انتشار حفظ می شود.

اطلاعات بیشتر (لینک های مرتبط):

1. کابل فیبر نوری
2. فیبر نوری
3. شعاع خمش
4. تفاوت فیبر مالتی مد و سینگل مد
5. شناسایی کابل فیبر نوری
6. تار فیبر نوری
7. کل بازتاب داخلی نور
8. تولید فیبر نوری
9. تست فیبر نوری با OTDR

محاسبه خمش در فیبر نوری

بنابراین، با نفوذ بخشی از حالت نور در روکش کلد و لزوم پایداری سرعت که بایستی سریعتر از سرعت نور در هسته فیبر نوری حرکت نماید، و از آنجایی که این موضوع به دلیل ضریب شکست متفاوت روکش کلد امکان پذیر نمی باشد، انرژی مربوط به این بخش از حالت از طریق تشعشع از دست می رود (مطابق شکل بالا به عنوان X radiation ) و افت تابشی در شبکه نوری رخ می دهد. افت تابشی را می توان به طور کلی با یک ضریب تضعیف تشعشع نشان داد که به شکل زیر قابل بیان می باشد:

در معادله مربوطه R شعاع انحنای خم فیبر است و C₁، C₂ مقدار های ثابتی هستند که مستقل از R می باشند. علاوه بر این، افت خمشی گسترده در فیبر های نوری مالتی مد یا چند حالته در شعاع بحرانی انحنای Rc رخ می دهد که از معادله زیر تخمین زده می شود:

در معادله بالا n₂ و n₁  ضریب شکست کلد و هسته نوری می باشند

همچنین با توجه به معادله بالا می توان افت بالقوه خمش را توسط موارد زیر کاهش داد:

• تولید تار فیبر نوری با اختلاف ضریب شکست نسبی بالا.
• کاربرد در کوتاه ترین طول موج ممکن
• استفاده از فیبر های نوری Ultra Low Loss با افت بهینه شده در برابر خمش (برند های متز کانکت و کورنینگ دارای این فناوری می باشند که در برابر خمش افت ناچیزی ایجاد می نمایند)

افت خمشی میکرو Micro bend loss

خم های کوچک میکرو دارای انحرفات تصادفی در موقعیت خط مستقیم اسمی فیبر می باشند. که به شکل زیر میتوان آن ها را نشان داد، میکروخمش باعث افت قابل توجهی در کابل فیبر می شود. افزایش در تضعیف ناشی از خمش میکرو، بدلیل انحنای فیبر باعث ترکیب مکرر انرژی بین حالت های هدایت شده و حالت های نشتی یا غیر هدایت شونده در فیبر می شود.

یک روکش بهینه شده آرمید که بر روکش تار فیبر نوری اکسترود شده باشد، به میزان بسیاری افت خمش را به حداقل می رساند.چنانچه نیروهای جانبی به این نوع کابل ها وارد شود ، روکش اکسترود شده تغییر شکل میدهد و مانع از تغییر خود تار فیبر نوری می شود.

معیارهای فوق جهت کاهش تلفات خمشی در مورد تار فیبر نوری سینگل مد (تک حالته) نیز اعمال می شود. یک نظریه، مبتنی بر مفهوم حالت شبه هدایت‌ شده منفرد، بیانی را ارائه می نماید که از آن می‌ توان شعاع بحرانی انحنای Rcs  فیبر تک حالته را به شکل زیر تخمین زد.

که در آن λc طول موج قطع برای فیبر تک حالته است. از این رو دوباره، برای یک فیبر تک حالته خاص (یعنی یک تفاوت شاخص نسبی ثابت و طول موج قطع)، طول موج بحرانی نور تابیده شده با کاهش شعاع خمشی به تدریج کوتاه‌تر می‌شود.

اطلاعات بیشتر (لینک های مرتبط):

1. مقاومت در برابر له شدگی
2. آشنایی با فناوری فیبر نوری
3. انتخاب کابل فیبر نوری
4. مشخصات فیبر نوری سینگل مد
5. مشخصات فیبر نوری مالتی مد

کابل های فیبر نوری

کابل های شبکه مسی

تجهیزات فیبر نوری