تزار فیبر نوری و فناوری های فیوژن

تزار فیبر نوری و فناوری های فیوژن، هنگامی که تار های فیبر نوری جهت اتصال فیوژن آماده گردیدند، بایستی آنها به طور دقیق با یکدیگر تراز شوند تا اتصال فیوژن حاصل، عملکرد نوری مطلوبی را از خود نشان دهد، که معمولاً به عنوان افت حداقل و با کمترین بازتاب تعریف می شود. چندین استراتژی جهت تراز نمودن تارهای فیبر نوری یا فناوری های فیوژن که در دسترس می باشند وجود دارد، بیشتر دستگاه های فیوژن تجاری از فناوری های فوق بهره می برند. عمده ترین تفاوت قیمت هزینه های اجرای پروژه های سربندی فیبر و خدمات فیوژن فیبر نوری در فناوری به کار رفته در این دستگاه ها می باشد. در روزهای اولیه ارائه فناوری فیبر نوری، فیبرهای نوری تک حالته (سینگل مُد) بسیار بحث برانگیز در نظر گرفته می شدند، چراکه همراستایی و هم ترازی دو هسته فیبر با قطر بین 8 تا 10 میکرومتر جهت ایجاد یک اتصال فیوژن بسیار دشوار به نظر می رسید. این نگرانی ها به سرعت توسط نسل اول دستگاه های فیوژن فیبر نوری برطرف شد.

فهرست مطالب:

1. تراز فیبر و فناوری دستگاه فیوژن
   1. Passive Alignment
   2. Image-Based Active
   3. PAS
   4. Transmitted-Power
   5. LID

تزار فیبر نوری و فناوری های فیوژن

اکثر دستگاه های فیوژن مدرن، جهت تراز تارها نوک تار فیبر نوری را در نوعی از شیار به شکل حرف V قرار می دهند. این شیارهای V ممکن است به قسمت جدا شده شیشه یا روی پوشش پلیمری محکم گردد. نگه داشتن شیشه می تواند تراز دقیق تری را نسبت به نگه داشتن پوشش پلیمری ایجاد نماید چراکه شیشه معمولاً پیچ خوردگی کمتری نشان می دهد و عدم مطابقت ندارد. از طرف دیگر، گرفتن شیشه می تواند باعث ایجاد عیوب سطحی شود که باعث کاهش استحکام کششی و در نتیجه قابلیت اطمینان طولانی مدت اتصال همجوشی (فیوژن) می شود. به طور معمول محورهای شیارهای v موازی با یکدیگر هستند، چراکه یک فیوژن فیبر نوری با کیفیت بالا معمولاً مستلزم آن است که نوک تار فیبر به طور فعال ACTIVE با یکدیگر تراز شوند. این تراز به طور معمول در دو محور عرضی متعامد رخ می دهد. علاوه بر این، فیبر های نوری ویژه مانند فیبر سینگل مد و یا فیبر PM نیاز به تراز چرخشی نیز دارند.

توجه به این نکته مهم است که اثرات کشش سطحی می تواند به طور قابل توجهی تراز فیبر را تغییر دهد، همانطور که مقاله نیروهای مکانیکی اثر گذار بر فیوژن بحث شد. استراتژی‌های غیرفعال و فعال جهت تراز نمودن فیبرهای نوری در آماده‌سازی جهت اتصال فیوژن در اوایل سال های 2000 میلادی ارائه گردیدند. جزئیات خاص این استراتژی‌های هم ترازی به موضوعات مرتبط، مانند اپتیک اتصالات فیوژن(همجوشی)، اندازه‌گیری افت فیوژن، و تصویربرداری فیبر بستگی دارد که در آینده آنها نیز مورد بحث قرار خواهند گرفت.

تراز غیرفعال “Passive Alignment”

ساده ترین استراتژی تراز تار های فیبر نوری، تراز غیرفعال “Passive Alignment” نامیده می شود و همانطور که از نام آن پیداست، نیازی به مداخله فعال توسط اپراتور یا فیوژن اسپلایسر ندارد. یک اتصال فیوژن تراز شده غیرفعال به پیش‌تراز دقیق شیارهای تار فیبر نوری V که سطح بیرونی نوک تار فیبر را نگه می دارد، متکی می باشد. از مزایای تراز غیرفعال می توان به هزینه بسیار کم، سادگی و سرعت اشاره نمود.
با این حال، تراز فیبر غیرفعال با چندین معایب مهم مشخص می شود. تراز فیبر نوری غیرفعال مستلزم آن است که نوک های تار فیبر خارج از مرکز بسیار پایین، پیچش کم و قطر روکش به خوبی کنترل شده از خود نشان دهند. تراز تارهای غیرفعال زمانی که قطر هسته فیبر بسیار کوچک است کمتر موثر است، چراکه چنین تارهای نوری به ناهماهنگی های هسته کوچک حساس تر هستند مانند تار های فیبر نوری سینگل مد. وقتی شیار v یا سطح فیبر توسط کثیفی آلوده شده باشد، تراز غیرفعال به درستی عمل نخواهد کرد.
به این دلایل، هم ترازی غیرفعال فقط در دستگاه های فیوژن نسل های قبلی یا در اسپلایسرهای فیوژن میدانی ارزان‌تر و یا اسپلایسرهای همجوشی (فیوژن) انبوه یافت می‌شود. بیشتر مشکلات انتقال داده در زیرساخت شبکه های FTTH ، Access ، Campus و ستون فقرات backbone بدلیل کیفیت بسیار پایین همین دستگاه های فیوژن است، البته تقریباً تمام دستگاه های فیوژن فیبر نوری امروزی از نوعی تراز فعال بهره می برند.

تراز فیبر فعال مبتنی بر تصویر

رایج ترین استراتژی جهت انجام تراز فیبر، تراز تار فعال مبتنی بر تصویر است “Image-Based Active Fiber Alignment” که در آن یک ریزپردازنده موقعیت دهنده ها یا نگهدارنده های فیبر را بر اساس یک تصویر دیجیتالی به دست آمده از نوک تارهای فیبر با کمک یک سیستم تصویربرداری متشکل از یک منبع روشنایی، یک میکروسکوپ و یک دوربین دیجیتال، فعال می نماید. چنین سیستم تراز آشکارا گرانتر و پیچیده تر از یک سیستم تراز غیرفعال است، اگرچه بسیار قدرتمندتر و انعطاف پذیرتر است، قادر به جبران مقادیر کمی از پیچش فیبر، خروج از مرکز هسته، تار آلوده و یا شیارهای V، و تغییرات قطر روکش کلد است. علاوه بر این، همان سیستم تصویربرداری مورد استفاده جهت تراز فیبر می تواند به عنوان مبنایی جهت تخمین افت فیوژن توسعه و تکمیل داده شده باشد.

سیستم تراز فیبر فعال مبتنی بر تصویر می تواند نوک تار فیبر را بر اساس موقعیت روکش فیبر تراز نماید. بسیاری از اتصالات فیوژن حتی می توانند از تصویر هسته های فیبر برای تراز نمودن نوک تار فیبر استفاده کنند. این سیستم با نام تراز پروفیل “profile alignment system” به اختصار PAS نامیده می شود، چراکه نوک های فیبر را بر اساس پروفایل های ضریب شکست آنها تراز می نماید.

با این حال، اثرات کشش سطحی در طول اتصال همجوشی می تواند هم ترازی فیبر را بر اساس موقعیت هسته شناسایی شده نابسامان نماید.
سیستم‌های فیوژن انبوه معاصر معمولاً از هم‌ترازی فیبر فعال مبتنی بر تصویر استفاده می نمایند. در مورد کابل های ریبون فیبر نوری این سیستم فرایند را با سهولت پشت سر نمی گذارد چراکه، سیستم هم ترازی فعال هر تار فیبر مجزا  ریبون را، تراز نمی نماید. در عوض، تارهای فیبر مجزا که یک ریبون را تشکیل می‌دهند، در بستری حاوی شیارهای V ثابت نگه داشته می‌شوند. دو بستر متضاد به طور فعال با یکدیگر بر اساس موقعیت متوسط روکش‌های فیبر شناسایی شده در یک راستا قرار دارند (شکل A.2). از آنجایی که این طرح برای تراز به روکش فیبر نوری وابسته است، تمرکز هسته و پایداری قطر روکش می‌تواند تأثیر مهمی بر افت اتصال فیوژن حاصل داشته باشد. این شرایط در مورد فیوژن تک کُر نیز به همین روال می باشد و افت اتصال بیش از پیش بینی دستگاه و اپراتور خواهد بود.

فیبر های نوری سینگل مد PM از نظر چرخشی متقارن نیستند، بنابراین اتصالات فیوژن با کیفیت بالا در مورد این تارهای فیبر نوری معمولاً نیاز دارند که دو نوک فیبر به صورت چرخشی با یکدیگر تراز شوند. این نوع هم ترازی تقریباً همیشه با استفاده از سیستم های تراز مبتنی بر تصویر انجام می شود. اکثر تجهیزات این تارها را بر اساس تصاویر عرضی تراز می نمایند، اگرچه برخی تجهیزات می توانند این تارها را بر اساس تصاویر نمای انتهایی وجه های بریده شده تار خود تراز نمایند. مسائل مربوط به تراز فیبر های سینگل مد مانند فیبر های PM بسیار پیچیده است.

تراز فیبر فعال مبتنی بر توان انتقالی

به جای تکیه بر تصاویر CCD از نوک تارهای فیبر، نوک تار ها را می توان به طور فعال با نظارت بر میزان توان نوری منتقل شده از طریق یک شکاف هوایی کوچک تراز نمود “Transmitted-Power Based Active Fiber Alignment” (شکل B.3). تراز فعال مبتنی بر توان انتقالی ذاتاً شامل اندازه گیری افت نوری است. سیستم های تراز فعال شامل یک منبع نوری، مانند یک دیود لیزر (LD) یا یک دیود ساطع کننده نور (LED) است که در انتهای آزاد یک فیبر کوپل شده است، و یک توان سنج نوری که میزان توان ساطع شده را تشخیص می دهد که توسط انتهای آزاد فیبر دیگر تثبیت شده است. یک ریزپردازنده که با یک الگوریتم مناسب برنامه ریزی شده است، موقعیت دهنده های فیبر را به محل دقیق حداکثر توان ارسالی، که تراز بهینه فیبر فرض می شود، حرکت می دهد. متأسفانه، تراز فعال می تواند منجر به خطاهای تراز ناشی از زوایای شکاف ناقص شود، که نور را در حین عبور از شکاف هوا بین نوک فیبر منعکس می نماید، به طوری که هم ترازی با حداکثر توان ارسالی ممکن است با تراز هسته های فیبر مطابقت نداشته باشد.

نظارت بر توان ارسالی همچنین می‌تواند جهت تعیین زمانی که فیوژن کامل شده ایجاد شده است و یا تعیین زمانی که انتشار ناخالصی افت اتصال را به حداقل رسانده است مورد استفاده قرار گیرد. با این حال، چنانچه منبع نوری مورد استفاده جهت تراز نسبتا ضعیف باشد و یا اگر توان سنج یک آشکارساز باند پهن باشد، تابش ذاتی مادون قرمز جسم سیاه نوک تار فیبر گرم می‌تواند بر اندازه‌گیری افت انتقال تأثیر گذار باشد. تراز فعال اغلب در هنگام اتصال فیبر های پیشرفته سینگل مد نسل های OS2, G652D, G657X و فیبر های سینگل مد EDF و PM استفاده می‌شود، اگرچه توجه به این نکته مهم است که EDF سیگنال‌های نوری را در باند تقویت خود نزدیک به 1550 نانومتر جذب می نماید، به طوری که تراز فعال EDF اغلب در طول موج 1310 نانومتر انجام می‌شود.

یکی دیگر از معایب مهم تراز فعال، خطاهای تراز مرتبط با حاشیه های تداخلی است که از انعکاس های متعدد بین وجه های انتهایی نوک های تارهای فیبر با فاصله نزدیک ایجاد می شود. تفاوت ضریب شکست بین شیشه و هوا تقریباً 4٪ از بازتاب را در یک وجه فیبر انتهایی ایجاد می نماید که مربوط به حدود 0.3 دسی بل افت انتقال است. هنگامی که شکاف هوا به اندازه کافی کوچک باشد (کمتر از حدود 20 میکرون)، بیشتر منابع نوری، از جمله دیودهای ساطع کننده نور (LED) و دیودهای لیزر (LDs)، افت وابسته به طول موج مرتبط با این بازتاب را نشان می‌دهند که بین 0  و 0.6 دسی بل متغیر است.

هرچه پهنای باند منبع نوری وسیع‌تر باشد، فاصله هوای مورد نیاز برای حاشیه‌های تداخلی کمتر است، با این حال تنها منابع نور سفید دارای محتوای طیفی به اندازه کافی گسترده هستند تا از این حاشیه‌ها در طول تراز نهایی فیبر زمانیکه فاصله بین نوک تار فیبر به ترتیب 20 میکرون یا کمتر است جلوگیری نماید. شکل B.4 نشان می دهد که چگونه این حاشیه های تداخلی با فاصله شکاف هوا بین دو نوک تار فیبر تک حالته معمولی (SMF) در 1550 نانومتر تغییر می نماید. شکل نشان می‌دهد که حتی نوک‌های فیبر SMF معمولی کاملاً تراز شده با زوایای شکاف کاملاً عمود بر هم می‌توانند نزدیک به 0.6 دسی‌بل افت را قبل از اتصال فیوژن نشان دهند. تغییرات لحظه ای در جداسازی نوک تارها می تواند در طول تراز جانبی نوک فیبر رخ دهد. از آنجایی که تغییرات به کوچکی 100 نانومتر می تواند چندین دهم دسی بل تغییر در افت انتقال ایجاد نماید، این حاشیه های تداخلی می توانند یک الگوریتم تراز فعال را گمراه نمایند.

شکل B.4 افت انتقال در طول شکاف هوا بین دو نوک تار فیبر تک حالته معمولی در 1550 نانومتر. حاشیه های سینوسی در اثر بازتاب های متعدد بین وجه های انتهایی نوک تار ایجاد می شوند. افزایش تدریجی افت در فواصل شکاف بزرگتر ناشی از شکسته شدن سیگنال نوری هنگام عبور از شکاف هوا است.

فناوری تزریق و تشخیص نور (LID)

فناوری تزریق و تشخیص نور “Light-Injection and Detection Technology” به اختصار LID یک سیستم تراز مبتنی بر توان انتقال است که جهت اتصال نیازی به دسترسی به انتهای آزاد فیبر ندارد. درعوض، قسمتی از فیبر در نزدیکی یکی از نوک تارها را از طریق شعاع محکم خم شده و با تابش لیزر روشن می سازد (شکل C.5). خمش یک تار فیبر نوری، به ویژه فیبر تک حالته، باعث افت می شود چراکه مقداری از نور از فیبر پراکنده می شود. از آنجایی که یک فیبر نوری خم شده می تواند نور را از هسته به محیط خارجی انتقال دهد، نور را نیز می توان از محیط خارجی به هسته مرکزی فیبر متصل نمود. روشن نمودن شدید یک فیبر با قطر خمشی در حدود چند میلی متر می تواند مقدار قابل توجهی نور را به هسته متصل عبور دهد.

به منظور تشخیص میزان نوری که از شکاف هوا بین نوک تار فیبر عبور می نماید، یک خم فیبر مناسب در انتهای دیگر و در نزدیکی یک آشکارساز نوری قرار گرفته است. بخش مناسب خم شده فیبر باید جهت محافظت در برابر شکستگی پوشش داده شود. مانند سایر انواع تراز مبتنی بر توان انتقال، LID به زاویه شکاف حساس است. در اصل، سیستم LID می تواند جهت اندازه گیری افت یک اتصال فیوژن تکمیل شده نیز استفاده شود.

اتصال فیبر نوری مستلزم استریپ اولیه و کلیو نوک تار فیبر است. این مراحل آماده سازی جهت افت اتصال، استحکام کششی و قابلیت اطمینان مکانیکی طولانی مدت مورد اهمیت می باشند.
استریپ فیبر ضروری است چراکه پوشش پلیمری نمی تواند در برابر دماهای بالای تشکیل اتصال مقاومت نماید، و در بسیاری از برداشتن روکش فیبر امکان تراز تار برتر را فراهم می نماید چراکه هندسه شیشه بسیار دقیق تر از پوشش پلیمری لایه احاطه کننده کلد است. برداشتن روکش را می توان با تکنیک های مکانیکی، ترمو مکانیکی، شیمیایی یا تبخیر انجام داد. البته بیشتر اپراتور ها تنها روش مکانیکی را با استریپر فیبر نوری تجربه نموده اند، تکنیک‌های مکانیکی و ترمومکانیکی برای همه انواع اتصالات ذوبی مناسب هستند، با این حال معمولاً عیوب سطحی را ایجاد می نمایند که استحکام کششی و قابلیت اطمینان مکانیکی طولانی‌مدت اتصال فیوژن حاصل را کاهش می‌دهد. تکنیک‌های شیمیایی و تبخیر، استحکام کششی بسیار بالاتر و قابلیت اطمینان مکانیکی بالاتری را امکان‌پذیر می‌سازند، اگرچه خطرناک‌تر و پرهزینه‌تر هستند، بنابراین به اتصالات آزمایشگاهی یا کارخانه‌ای محدود می‌شوند. تکنیک‌های جداسازی شیمیایی و تبخیر جهت اتصال فیوژن با استحکام بالا ضروری هستند.

کلیو یا Cleaving فیبر، شکستگی کنترل شده یک فیبر نوری است که برای دستیابی به یک وجه انتهایی کاملاً عمود بر هم مانند آینه طراحی شده است. حتی بهترین ابزار برش به صورت دوره ای برش هایی با نقص تولید می نماید. عیوب کلیو منبع اصلی جهت تغییرات افت فیوژن بین اتصالات مختلف ساخته شده با پارامترهای فیوژن یکسان است. پردازش تصویر تعبیه شده در اکثر تجهیزات تجاری فیوژن می تواند عیوب کلیو، به ویژه زوایای صورت انتهایی را تشخیص دهد. برش های با کیفیت بالا برای اتصال فیوژن کم افت فیبر های تخصصی با اتصال سخت مانند فیبر سینگل مد (EDF) یا فیبر جبران کننده پراکندگی (DCF) ضروری است.
قبل از ایجاد فیوژن، نوک فیبر نوری باید نسبت به یکدیگر در یک راستا قرار گیرند. برخی از سخت افزارهای اتصال فیوژن از تراز غیرفعال با استفاده از شیارهای v موقعیت ثابت استفاده می نمایند. استراتژی های تراز پیچیده تر شامل تراز فعال مبتنی بر تصویر است که در آن تصاویر میکروسکوپ هسته یا روکش فیبر برای اهداف تراز استفاده می شود. فیبرها همچنین می توانند به طور فعال بر اساس میزان توان نوری منتقل شده از طریق شکاف هوایی بین فیبرها تراز شوند. تزریق و تشخیص نور (LID) امکان تراز فعال بر اساس توان ارسالی را بدون نیاز به دسترسی به انتهای فیبر فراهم می نماید. اتصالات همجوشی فیبر نوری با حفظ قطبش (PM) معمولاً مستلزم این است که نوک فیبر به صورت چرخشی نسبت به یکدیگر تراز شوند.

راهنما دستگاه فیوژن فیبر نوری

فیوژن فیبر نوری