بررسی جذب نور (absorption) در فیبر نوری

بررسی جذب نور (absorption) در فیبر نوری،‌ یکی دیگر از ویژگی های فیزیکی نور که به جهت حرکت نور در فیبر نوری رخ می دهد، جذب ( Absorption ) نور توسط مواد موجود در ساختار فیبر نوری است.( Material absorption ) همانطور که از نام آن پیداست، درصد کمی از شدت نور اولیه توسط ناخالصی های داخلی در طول هسته فیبر جذب می شود. هرچه خلوص فیبر بیشتر باشد، جذب کمتری اتفاق می‌افتد، به این معنی که یک مواد با کیفیت بالاتر منجر به تضعیف سیگنال (یا نوری) کمتری در اثر جذب نور می‌شود. البته محاسبه میزان جذب نور بسیار پیچیده است ، اما به لحاظ اینکه یکی از مکانیزم های اصلی بازگشت نور به آشکارساز در دستگاه OTDR فرایند جذب می باشد به طور مختصر به بررسی آن می پردازیم.

 

بررسی جذب نور (absorption) در فیبر نوری
فهرست مطالب:

  1. بررسی جذب نور در فیبر نوری
  2. افت جذب مواد در تار شیشه سلیکا (فیبر نوری)
  3. جذب ذاتی فیبر نوری
  4. جذب بیرونی فیبر نوری
  5. مکانیزم جذب نور و اندازگیری OTDR
  6. مکانیزم معادلات فرنل و بازتاب نور در OTDR
  7. اثر پراکندگی رایلی و پراکندگی برگشتی – OTDR

بررسی جذب نور (absorption) در فیبر نوری

 

برخلاف تصوری که جذب نور معمولا یکنواخت است، به دلیل فرایند تولید تار فیبر نوری جذب نور در تارهای فیبر نوری و در فواصل مختلف آن متفاوت می باشد، البته نکته بسیار مورد پسند در فرایند انتقال نور استفاده از طول موج ثابت است. بیشتر تارهای فیبر نوری در طول موج ثابت ای مانند 1310 یا 1550 نانومتر میزان جذب یکسانی از خود نشان می دهند، تفاوت یک فیبر نوری با کیفیت با فیبر کیفیت پایین زمانی مشخص می شود که شما از تقسیم کانال استفاده می نمایید، روش هایی مانند WDM ، DWDM و .. ، در این حالت پارمترهای برخورد، پراکندگی رنگی، پراکندگی رایلی و ضرایب همگی متغیر می شوند و تنها فیبر های با کیفیت نقش مهم خود را به عنوان بستر انتقال نمایان می سازند، که متاسفانه در کشورهای در حال توسعه بدلیل قیمت پایین فیبر های نوری بی کیفیت بسیار بیشتر مورد استفاده می باشند. یک ساختار یکسان از ماده معین همیشه همان کسر نور را در طول موج یکسان جذب می نماید. اگر سه بلوک از یک نوع شیشه، هر کدام 1 سانتی متر ضخامت داشته باشید، هر سه کسری از نور عبوری از خود را جذب می نمایند.

با توجه به موارد بالا جذب  نور بصورت تجمعی می باشد، بنابراین به مقدار کل ماده ای که نور از آن عبور می نماید بستگی دارد. اگر جذب 1% در سانتی متر باشد، 1% از نور را در سانتی متر اول جذب می شود و 1% از نور باقیمانده را در سانتی متر بعدی جذب می کند و به همین ترتیب.

 

افت جذب مواد در تار شیشه سیلیکا (فیبر نوری)

جذب مواد یک مکانیسم تضعیف مربوط به ترکیب مواد و فرآیند ساخت و تولید فیبر نوری است که منجر به اتلاف بخشی از توان نوری ارسالی به شکل گرما در موج بر ( waveguide ) می شود. جذب نور ممکن است ذاتی (ناشی از تعامل با یک یا چند جزء اصلی شیشه) یا بیرونی (ناشی از ناخالصی های درون شیشه) باشد.

 

1.جذب ذاتی فیبر نوری

یک شیشه سیلیکات کاملا خالص (فیبر نوری سینگل مد OS2 استاندارد ISO  یا  G.652.D استاندارد ITU ) به دلیل ساختار مواد اولیه آن در ناحیه نزدیک به اشعه مادون قرمز ، جذب ذاتی کمی دارد. با این حال، دارای دو مکانیسم اصلی جذب ذاتی در طول موج‌های نوری است که یک پنجره جذب ذاتی کم را در محدوده طول موج 0.8 تا 1.7 میکرومتر باقی می‌گذارد، همانطور که در شکل زیر مشاهده میفرمایید، تضعیف نوری احتمالی در برابر مشخصه طول موج مطلق نشان داده شده است.

 

طیف تضعیف مکانیسم‌ های افت جذب ذاتی در GeO2-SiO2 خالص

طیف تضعیف مکانیسم‌ های افت جذب ذاتی در GeO2-SiO2 خالص

 

یک لبه جذب نور بنیادی که پیک (قله )‌ آن در ناحیه طول موج فرابنفش متمرکز است مشاهده می شود که به دلیل انتقال الکترون در شیشه توسط القاء انرژی بالاتر است.

همانطور که در شکل فوق مشاهده می نمایید، انتهای این پیک ممکن است در طول موج های کوتاهتر به ناحیه پنجره گسترش یابد. همچنین در ناحیه مادون قرمز و دور تر از آن ، معمولاً در طول موج های بالاتر از 7 میکرومتر، اصول باندهای جذب از برهم کنش فوتون ها با نوسانات مولکولی درون شیشه رخ می دهد.

این برهم کنش فوتون های نور با نوسانات مولکولی پیک های جذبی را ایجاد می نمایند که سپس به ناحیه پنجره گسترش می یابد. نوارهای جذب قوی به دلیل نوسانات واحدهای ساختاری مانند Si-O  (با 9.2 میکرومتر)، P-O  (با 8.1 میکرومتر)، B-O  (با 7.2 میکرومتر) و Ge-O  ( با 11.0 میکرومتر) در داخل شیشه رخ می دهد. از این رو، بالای 1.5 میکرومتر، انتهای این قله‌ های جذب مادون قرمز تا حد زیادی باعث تلفات شیشه خالص می ‌شوند.

با این حال، اثرات هر دو این فرآیند ممکن است با انتخاب مناسب ترکیبات هسته و روکش به حداقل برسد. به عنوان مثال، در برخی از شیشه‌های غیر اکسیدی مانند فلوریدها و کلریدها، پیک جذب مادون قرمز در طول موج‌های بسیار طولانی‌تری رخ می‌دهد که به خوبی در نواحی مادون قرمز  (تا 50 میکرومتر) می‌رسد، که در مقایسه با شیشه‌ های اکسیدی، افت کمتری جهت انتقال طول موج های طولانی ‌تر ایجاد می نماید.

 

2. جذب بیرونی فیبر نوری

 

در فیبرهای نوری کاربردی تهیه شده با تکنیک های ذوب معمولی، منبع اصلی تضعیف سیگنال جذب بیرونی از ناخالصی های عنصر فلزی واسطه است.

برخی از رایج ‌ترین ناخالصی‌ های فلزی موجود در شیشه‌ها در جدول زیر همراه با افت جذب ناشی از یک قسمت نشان داده شده است.

 

تلفات جذب ناشی از برخی از ناخالصی‌ های عناصر فلزی رایج‌ در شیشه‌، که در طول موج های بلندتر جذب کم ‌تر می ‌شود

تلفات جذب در فیبر نوری

همانطور که ملاحظه می نمایید برخی از این ناخالصی‌ها، مانند کروم و مس، در بدترین حالت ظرفیت خود می‌توانند باعث تضعیف بیش از 1dB km-1 در ناحیه پایین مادون قرمز شوند. آلودگی عناصر انتقالی ممکن است به سطوح قابل قبول کاهش یابد (یعنی یک قسمت در 1010) با تکنیک های تصفیه شیشه مانند اکسیداسیون فاز بخار، که تا حد زیادی اثرات این ناخالصی های فلزی را از بین می برد میتوان میزان افت جذب را به مراتب کاهش داد.

 

با این حال، یکی دیگر از مکانیسم های اصلی افت بیرونی ناشی از جذب آب (به عنوان یون هیدروکسیل یا OH) محلول در شیشه است. این گروه های هیدروکسیل به ساختار شیشه ای در فیبر نوری متصل هستند و دارای نوسانات کششی اساسی هستند که در طول موج های بین 2.7 تا 4.2 میکرومتر بسته به موقعیت گروه در شبکه شیشه ای رخ می دهد. همانطور که در شکل زیر مشاهده میفرمایید، نوسانات بنیادی باعث می شوند که فراز ها (هارمونیک ها) تقریباً به طور هماهنگ در 1.38، 0.95 و 0.72 میکرومتر ظاهر شوند. که در واقع طیف جذب نور برای گروه های هیدروکسیل در سیلیس را نشان می دهد.

طیف جذب برای هیدروکسل در سیلیس

طیف جذب برای گروه هیدروکسیل (OH) در سیلیس.

علاوه بر این، ترکیبات بین فراز ها (هارمونیک بالا) و نوسانات بنیادی SiO2 در محدوده 1.24، 1.13 و 0.88 میکرومتر رخ می‌دهد، که طیف جذب نشان‌ داده ‌شده در شکل بالا را تکمیل می نماید. همچنین ممکن است در شکل زیر مشاهده شود که تنها باند جذب قابل توجه در ناحیه زیر طول موج  1 میکرومتر دومین تون در 0.95 میکرومتر است که باعث کاهش حدود dB km-1 1 برای یک قسمت در میلیون (ppm) هیدروکسیل می شود.

 

طیف تضعیف اندازه گیری شده جذب فیبر نوری سینگل مد

طیف تضعیف اندازه گیری شده برای فیبر نوری سینگل مد تلفات پایین Ultra Low Loss (خط خالص) با طیف تضعیف محاسبه شده برای برخی از مکانیسم های تلفاتی که در محاسبه افت کل فیبر نقش دارند.

 

در طول موج‌های بلندتر، اولین فراز در 1.383 میکرومتر و باند جانبی آن در 1.24 میکرومتر، جاذب‌ های قوی هستند که به ترتیب حدود 2dBkm-1 ppm و  4dBkm-1 ppm را کاهش می‌دهند. از آنجایی که بیشتر رزونانس ها با تشدید به اوج می رسند، پنجره های باریک در ناحیه طول موج بلندتر در حدود 1.31 و 1.55 میکرومتر ( 1310 و 1550 نانومتر) وجود دارند که اساساً تحت تأثیر جذب OH قرار نمی گیرند، زمانی که سطح ناخالصی به زیر یک قسمت در 107 کاهش یابد. در واقع این وضعیت در شکل بالا نشان داده شده است، که نشان دهنده طیف افت یک فیبر تک حالته (سینگل مد) با افت بسیار پایین تولید شده در سال 1979 توسط شرکت کورنینگ (اولین فیبر نوری امروزی).

ممکن است مشاهده شود که کمترین افت برای این فیبر در طول موج 1.55 میکرومتر با 0.2dB km−1 رخ می دهد. علیرغم نزدیک شدن این مقدار به حداقل افت ممکن حدود 0.18dB km−1  در طول موج 1.55 میکرومتر، باید توجه داشت که افت انتقال یک فیبر هسته سیلیس خالص بسیار کم تلفات (ultra low loss ) حدود 0.14dB km−1  اندازه گیری شده است. در طول موج کمی بلندتر 1.57 میکرومتر.

 

اگرچه در فیبر های تک حالته استاندارد و مدرن تلفات ناشی از پیک اولیه OH در 1.383 میکرومتر به زیر 1dB km−1 کاهش یافته است، اما همچنان عملکرد را در فواصل قابل ‌توجه به پنجره ‌های افت کمتر در 1.31 و 1.55 میکرومتر محدود می نماید.

جذب فیبر نوری در OTDR

از آنجایی که عناصری که جذب را القا می نمایند ذاتاً غیر بازتابنده هستند، از طریق اندازه گیری های بازتاب فرنل تشخیص داده نمی شوند. درعوض، اثرات جذب از طریق اثر پراکندگی برگشتی ثبت می شود، چراکه نور بازگشتی به منبع متناسب با نور فرودی جذب شده می باشد. بنابر این همواره میزانی از جذب نور در فیبر نوری اجتناب ناپذیر است.

 

مکانیزم معادلات فرنل و بازتاب نور در OTDR

مکانیزم معادلات فرنل و بازتاب نور در OTDR، از مهمترین مکانیزم های بازتاب نور و ایجاد نمودار توسط آشکارساز (فتودیود) در دستگاه OTDR فرایند بازتاب نور بر اساس معادلات فرنل یا اصطلاحا مکانیزم بازتاب فرنل می باشد، اما معادلات فرنل…

 

 

اثر پراکندگی رایلی و پراکندگی برگشتی – OTDR

اثر پراکندگی رایلی Rayleigh و پراکندگی برگشتی – OTDR (بازگشتی یا معکوس)، در فرایند تست با دستگاه OTDR از مهمترین عوامل موثر در سنجش پراکندگی رایلی و پراکندگی برگشتی به شمار می آید،‌ پراکندگی رایلی چیست ؟‌ یکی از اساسی …

 

راهنمای کامل تست فیبر نوری با OTDR

 

اطلاعات بیشتر در مورد کابل های فیبر نوری :

link

اطلاعات بیشتر در مورد کابل های شبکه مسی :

link

تجهیزات فیبر نوری:

link

 

مجتبی منتخبی

 

دیدگاه‌ها (0)

*
*