فیبرهای نوری سیلیکا با روکش پلیمری PCS
فیبرهای نوری سیلیکا با روکش پلیمری PCS مخفف polymer-clad silica fiber سال هاست که با موفقیت در مهندسی اتوماسیون صنعتی مورد استفاده قرار می گیرند. نرخ داده مورد کاربری تا چند سال پیش حداکثر 12 مگابیت بر ثانیه بود، اگرچه پهنای باند فیبر هیچ نقشی در این صنعت تا به امروز نداشته است. با این حال در سال های اخیر پتانسیل PCS جهت ارائه سرعت داده بسیار بالاتر مورد بررسی قرار گرفته است، به عنوان مثال، جهت استفاده در شبکه های خودرویی آینده. مزایای PCS در شعاع خمشی کوچک تر، مقاومت بالاتر در برابر گرما و قابلیت استفاده در محدوده مادون قرمز نزدیک است که VCSEL های بهتری در دسترس هستند.
برای اینکه بتوان از افت کمتر PCS حتی در نرخ بیت بالاتر استفاده نمود، PCS با ضریب شاخص نیمه درجه بندی شده توسط Sumitomo و OFS تولید می شود. طراحی و تولید فیبر نوری PCS از سال 1995 با ارائه یک سیستم انتقال داده با فیبرهای جدید ارائه گردید. یک منبع نوری VCSEL با طول موج 850 نانومتری به عنوان فرستنده و یک فتودیود InGaAs-APD با سطح کوچک به عنوان گیرنده استفاده شد. 3000 مگابیت بر ثانیه می تواند بیش از 100 متر منتقل شود. این نرخ در مسافت بیش از 1000 متر همچنان بالای 1500 مگابیت بر ثانیه بود.
فیبرهای نوری سیلیکا با روکش پلیمری PCS
فهرست مطالب:
فیبر نوری شیشه ای 200 میکرون با روکش پلیمری
به لطف تولید ساده و استحکام بالا، تار های فیبر نوری شیشه ای سیلیکا با روکش پلیمری برای مدت های طولانی مورد استفاده قرار گرفته اند. شکل A.1 ساختار اصلی فیبر نوری 200μm با روکش پلیمری را نشان می دهد. یک هسته (با قطر 200 میکرومتر) از SiO2 همگن توسط یک پلیمر شفاف و با استحکام بالا با ضریب شکست کوچکتر (حدود 15 میکرومتر ضخامت) احاطه شده است.
شکل A.1 – فیبر نوری شیشه ای 200 میکرون با روکش پلیمری
تولید آن بسیار آسان است چراکه هسته از یک استوانه شیشه ای کوارتز ساخته شده است. روکش پلیمری پس از سرد شدن توسط اکستروژن اعمال می شود. پیش از هر نکته ای، تمام تار های فیبر شیشه ای نسبت به آب بسیار حساس هستند و باید با پوشش پلاستیکی تا حد امکان ضخیم محافظت شوند. علاوه بر این، فیبرهای نوری شیشه ای خالص از قابلیت بار مکانیکی زیادی برخوردار نیستند. روکش پلیمری به فیبر ظرفیت تحمل بارهای شدید را می دهد. بنابراین، فیبر پوشش داده شده به سختی می تواند خرد شود. فیبر های شیشه ای خالص (هسته شیشه ای با روکش شیشه ای نوری) همیشه توسط لایه های محافظ مشابه احاطه شده اند، به عنوان مثال. آکریلات هایی که با این حال، عملکرد نوری ندارند.
به دلیل ضریب شکست و افت آن، روکش پلیمری تا حد زیادی پارامترهای نوری PCS را تعیین می نماید. در محدوده‌های طول موج کوتاه، تضعیف تقریباً با فیبر نوری SiO2 خالص مطابقت دارد. بالاتر از حدود 1000 نانومتر افت در پلیمرها آنقدر زیاد است که تضعیف موثر PCS نیز به سرعت افزایش می یابد. شیشه سیلیکا می تواند تا دمای 1000 درجه سانتیگراد را تحمل نماید، در مقابل روکش پلیمری این توانایی را دارا نمی باشد. در نتیجه، ماده پوشش اولیه ویژگی های حرارتی و شیمیایی را تعیین می نماید. اکثر PCS های موجود در بازار برای دمای کاربردی +70°C (درجه سانتیگراد) تعبیه شده اند. برخی از انواع جدیدتر جهت استفاده در شبکه های خودرویی برای دماهای تا +125°C (درجه سانتیگراد) طراحی شده اند. مشخصات مربوط به چنین PCS هایی را می توان به عنوان مثال در استاندارد EN 60793-2-40-2011 یافت. شکل A.2 از کار اخیر گرفته شده است. شما به وضوح می توانید تشخیص دهید که طیف افت PCS های مختلف چقدر می تواند به مواد روکش انتخاب شده وابسته باشد.
شکل A.2 – تضعیف PCS های مختلف 200 میکرومتر
درست مانند فیبر های نوری مخابراتی (شیشه-شیشه)، فقدان آب نقش مهمی برای PCS ها جهت پایین نگه داشتن افت به ویژه در محدوده امواج بلند دارند. بر همین اساس فیبرهای تمام سیلیسی که روکش نوری آن از شیشه سیلیکا تشکیل شده است در دماهای بالا استفاده می شوند. این فیبر ها همچنین جهت انتقال توان نور بسیار بالا (کار با لیزر) استفاده می شوند چراکه بسیار مهم است که هیچ نوری در لایه رابط هسته-پوشش جذب نشود.
جدول A.11 برخی از انواع شناخته شده برگرفته از تعدادی از انواع مختلف PCS را فهرست می نماید که در مواد روکش، قطر هسته و NA متفاوت می باشند.
| Parameter | Unit | All Silica High OH | All Silica Low OH | HCS High NA | HCS Low OH | PCS |
|---|---|---|---|---|---|---|
| producer | OFS | OFS | OFS | OFS | Polymicro | |
| core/ cladding | μm | 200/240
365/400 550/600 940/1000 |
200/240
365/400 550/600 940/1000 |
200/230
400/430
|
125/140
200/230 300/330 400/430 |
200/230
|
| NA | – | 0.22 | 0.22 | 0.43 | 0.37 | 0.37 |
| α (820 nm) | dB/km | 10
10 10 10 |
8
8 8 10 |
6
8 |
12
6 8 8 |
6
|
| bandwidth | MHz km | n. a. | n. a. | n. a. | 20
20 15 13 |
20
|
| bend radius (long term) | mm | 14
47 94 118 |
14
47 94 118 |
16
47 |
15
16 24 47 |
16
|
| temperature | °C | -65..+135 | -65..+135 | -65..+125 | -65..+125 | -40..+125 |
جدول A.11 – ویژگی های PCS های مختلف
PCS ها به طور عمول در طول حداکثر تا 200 متر استفاده می شوند. در این صورت، افت تنها به چند دسی بل می رسد که در بیشتر موارد نادیده گرفته می شود. چنانچه از یک منبع LED به عنوان فرستنده استفاده شود، نور کمتری به فیبر نسبت به یک POF یا فیبر پلیمری 1 میلی متری وارد می شود. از سوی دیگر، نور را می توان به طور موثرتری به فتودیود انتقال داد. سازندگان مختلف حتی سیستم‌های انتقالی را ارائه می‌دهند که می‌توانند با ساختار کانکتور ها و اتصالات یکسان با POF و همچنین با PCS 200 میکرومتر فعالیت نمایند.
شکل A.3 – بودجه توان برای POF و PCS
شکل A.3 بودجه توان را برای هر دو احتمال نشان می دهد که هر کدام فرستنده ها و گیرنده های یکسانی دارند (سیستم برای 125 مگابیت بر ثانیه).
در نتیجه برای PCS یک افت نوری مجاز حداقل 11 دسی بل – با در نظر گرفتن حاشیه سیستم – به لطف توان ورودی بیشتر است. به این ترتیب می توان حداقل 20 متر از POF را متصل نمود. افت تضمین شده برای PCS ها فقط 7 دسی بل است. با این حال، حداقل 100 متر فیبر را می توان متصل نمود، که در اینجا به دلیل پهنای باند محدود شده است.
شکل A.4 – پارامترهای سیستم HP-system با POF و PCS
پهنای باند PCS نشان داده شده در اطلاعات فنی این کابل ها بایستی با درجه خاصی از شک و تردید مشاهده شود. اندازه‌گیری‌های انجام‌شده در POF-AC نشان می‌دهد که تمام PCSهایی که با An = 0.37 در هنگام راه‌اندازی کامل بررسی شده‌اند دارای BLP در محدوده 5-7 مگاهرتز در کیلومتر هستند. میزان فوق به وضوح کمتر از داده های مشخص شده 10-20 مگاهرتز در کیلومتر است. با این حال، این یک نقص به شمار نمی آید، چراکه هیچ یک از تولید کنندگان برای احتیاط هیچ اطلاعاتی در مورد شرایط اندازه گیری ارائه ننموده اند. یکی از دلایل ممکن است این باشد که PCS برای سرعت داده نسبتا پایین (10 مگابیت بر ثانیه و کمتر) ساخته شده است. بنابراین پهنای باند فیبر هیچ نقشی ایفا نمی نماید، در حالی که POF نیز از همان ابتدا برای نرخ داده بالاتر طراحی شده بود. اطلاعات و انتشارات متنوعی در مورد پهنای باند برای فیبر های نوری پلیمری مختلف وجود دارد که در مقلات تکمیلی به آن خواهیم پرداخت. جدیدترین پیش نویس استانداردسازی PCS توسط IEC دارای پهنای باند 5 مگاهرتز در کیلومتر برای فیبرهایی با NA 0.40 ± 0.04 است.
یک از مشکلات خاص PCS در گذشته این بود که ضرایب دمایی شیشه و پلاستیک به طور قابل توجهی از یکدیگر انحراف داشتند. در مورد برخی از فیبر ها این امر منجر به اختلاف ضریب شکست – و همچنین NA متضاد می گشت که در دماهای پایین به صفر کاهش یافت. این اثر در شکل A.5 نشان داده شده است.
توزیع میدان دور در شکل در دماهای مختلف پس از طی 2 متر در فیبر نشان داده شده است. پارامتر ها با تحریک لیزر در زوایای تغییر یافته اندازه گیری شده اند. در این مورد روکش نوری یک پلاستیک سیلیکونی می باشد. فیبر های PCS مدرن و امروزی دیگر این اثر را نشان نمی دهند.
شکل A.5 وابستگی به دما PCS-NA، در میدان دور ارائه شده است
فیبر نوری شیشه ای با شاخص نیمه درجه بندی شده
تا مدت ها این نوع از فیبر نوری تنها به عنوان محصولی از سازنده Sumitomo در دسترس بود. غیر از نوع معرفی شده، این فیبر با PCS معمولی مطابقت دارد. تغییرات شاخص با افزودن ژرمانیوم که برای شیشه سیلیکا نیز معمول است به دست می آید. حتی با فیبر نوری معمولی GI 50 میکرومتر، میزان ژرمانیوم عامل هزینه قابل توجهی می باشد. با این حال، PCS نیمه GI دارای سطح مقطع 16 برابری است. این نوع فیبر هنوز هم بسیار گران است. در این بین، OFS به عنوان سازنده دوم ظاهر شده است.
شکل B.1 – تضعیف طیفی فیبر نوری PCS نیمه GI
شکل B.1 و B.2 منحنی میرایی و پاسخ پالس نیمه GI-PCS بر اساس اندازه گیری های انجام شده در POF-AC را نشان می دهد. جدول زیر پارامترهای برگه داده را نشان می دهد – شعاع خمش و دمای عملیاتی مشخص نشده است. اندازه‌گیری پهنای باند و حداکثر نرخ داده در بخش‌های مربوطه بررسی می‌شود.
شکل B.2 پاسخ پالس Semi-GI-PCS
| Parameter | Unit | HG-series Sumitomo | Semi-GI V2 OFS |
|---|---|---|---|
| core | μm | 200 | 200 |
| cladding | μm | 230 | 230 |
| core structure | n. a. | n. a. | 230 VAD/MCVD GI |
| NA | – | 0.40 | 0.36 |
| GI-NA | n. a. | 0.275 | |
| α(820 nm) | dB/km | 6 | 8 |
| bandwidth | MHz km | 100 | 48 (overfilled) |
جدول B.1 پارامترهای Semi-GI-POF
پلاستیک فایبر
کابل های فیبر نوری
تجهیزات فیبر نوری
نظرات کاربران