فرکانس در فیبر نوری

فرکانس در فیبر نوری، در شبکه فیبر نوری فرکانس را با (f) و به لاتین Frequency و طول موج را با لاندا (λ) (لمبدا) و به لاتین با Wavelength نشان می دهند که جهت توصیف انرژی الکترومغناطیسی مورد استفاده می باشد. طول موج بیشتر جهت توصیف منبع یا سورس نوری و فرکانس جهت توصیف فاصله بین کانال ها در سیستم‌های مالتی پلکسی تقسیم طول موج متراکم (DWDM) استفاده می‌شود.

فهرست مطالب

1. فرکانس و طول موج
   1. تعریف
   2. انرژی الکترومغناطیسی
   3. معادلات
   4. مشخصه ها
   5. فوتون
   6. طیف الکترومغناطیسی

فرکانس در فیبر نوری

حتی ساده‌ترین لینک فیبر نوری، موفقیتی در طراحی خلاقانه، دقت ساخت و خلاقیت فنی به شمار می آید. یکی از عوامل موثر در سرعت بالای انتقال داده در فیبر نوری با فواصل طولانی ، آگاهی از اصول نور است. در حالی که فیبر نوری رسانه انتقال به شمار می آید، نور حاملی است که سیگنال ها توسط آن حمل می گردند. طول موج‌های کوچک و سرعت انتقال بالا، پهنای باندی را ممکن می‌سازند که با استفاده از سایر اشکال انتقال غیرقابل تصور است. جهت به دست آوردن بهترین عملکرد از هر بخش از لینک فیبر نوری، باید ویژگی های نور و عوامل درون لینک فیبر نوری را که بر آن تأثیر می گذارد، درک نماییم.
از مهمترین مشخصه های اساسی نور، به ویژه نوع نور مورد استفاده در ارتباطات فیبر نوری توضیح فرکانس و طول موج می باشد که به همراه برخی از ویژگی های دیگر ارتباطات فیبر نوری را ممکن می‌سازند، و البته ممکن است برخی از مشکلات که باید بر آنها غلبه نمود، را نیز مطرح نمایند.

نور به عنوان انرژی الکترومغناطیسی

خواه از خورشید کوچک ما در منظومه شمسی و یا از UY Scuti بزرگترین ستاره دیده شده توسط تلسکوپ فضایی با قطری 1700 برابر خورشید و یا یک لامپ الکتریکی و یا لیزری کوچک، تمام نور نوعی انرژی الکترومغناطیسی است. انرژی الکترومغناطیسی از هر جسمی که دمای آن بالاتر از صفر مطلق (273.15- درجه سانتیگراد) است، ساطع می شود، به این معنی که اتم های موجود در آن جسم در حال حرکت اند و این شگفت انگیز است.

الکترون‌ها در حالی که به دور اتم‌ها می‌چرخند، انرژی خود را از حرکت می گیرند و انرژی باعث می‌شود که آنها به مدارهای بالاتر یا سطوح انرژی بالاتری حرکت نمایند. همانطور که آنها به سطح انرژی اولیه خود باز می گردند، دوباره انرژی را آزاد می سازند.

انرژی به دو شکل می باشد:

1. میدان الکتریکی
2. میدان مغناطیسی

هر دو میدان انرژی در زوایای قائم با یکدیگر و در زاویه قائم با مسیر حرکت خود شکل می گیرند، همانطور که در شکل 1.1 نشان داده شده است.

ترکیب میدان های الکتریکی و مغناطیسی یک موج الکترومغناطیسی را ایجاد می نماید که در فضای باز یا هوا با سرعت تقریبی 300,000 کیلومتر بر ثانیه (کیلومتر در ثانیه) حرکت می نماید. درک ماهیت سه بعدی امواج الکترومغناطیسی بسیار مهم است چراکه انواع مختلف انتقال نور در فیبر نوری از این ویژگی ها بهره می برند و چشم انداز شما را به رسانه کنترل شده فیبر نوری تغییر می دهد.

اگرچه انرژی الکترومغناطیسی دارای ماهیت سه بعدی می باشد، اما اغلب به صورت یک موج سینوسی دو بعدی نشان داده می شود، که در آن طول موج (Wavelength) فاصله بین نقاط متناظر در دو موج متوالی است که در شکل 1.2 نشان داده شده است. انرژی الکترومغناطیسی بسته به طول موج آن می تواند به شکل امواج رادیویی، امواج مایکروویو، امواج نور، اشعه ایکس، اشعه گاما و …. نمایان شود.

معادلات طول موج و فرکانس

طول موج از آن جهت مورد اهمیت است که به ما امکان می دهد تا فرکانس انرژی الکترومغناطیسی را محاسبه نماییم، که شامل تعداد امواجی است که از یک نقطه معین در یک ثانیه عبور می نمایند. فرکانس بر حسب سیکل در ثانیه یا هرتز (Hz) اندازه گیری می شود. معادله بیان رابطه بین طول موج و فرکانس بدین شکل است که طول موج برابر است با سرعت موج (v) تقسیم بر فرکانس آن

λ=v÷f

توجه داشته باشید که v سرعت نور در خلاء یا در فضای آزاد و برابر 300000 کیلومتر بر ثانیه است.

به همین ترتیب، می توانیم فرکانس را با استفاده از طول موج با معادله زیر محاسبه نماییم:

f=v ÷ λ

به عنوان مثال، یکی از منابع نور مورد استفاده در شبکه فیبر نوری، سورس مادون قرمز است که دارای طول موج 1310 نانومتر (میلیاردم متر) است که به معنی فرکانس 229 تراهرتز (THz) یا 229 تریلیون هرتز است.

بسیاری از اصطلاحات مورد استفاده برای بیان طول موج ها و فرکانس های الکترومغناطیسی، مضرب بزرگی از چرخه ها یا کسرهای کوچک متر را توصیف می نمایند. جهت درک این اصطلاحات، دانستن پیشوندهای استفاده شده با آنها مفید می باشد. هر پیشوند بیانگر مضرب 10 یا 1 تقسیم بر مضربی از 10 (مانند 1/1000) است که جهت واحد اندازه گیری اعمال می شود، مانند متر یا چرخه.  ممکن است شما با برخی از اصطلاحات از قبل آشنا باشید، مانند کیلومتر، برای هزار متر، یا سانتی متر، برای یک صدم متر.
در اینجا فهرستی از پیشوندها به همراه نام  و معادل های ریاضی آنها به ترتیب نزولی ارائه می گردد:

توجه داشته باشید که با کوچکتر شدن طول موج، امواج بیشتری در یک ثانیه رخ می دهد، به این معنی که با کاهش طول موج، فرکانس افزایش می یابد. با این حال، اگر طول موج بلندتر شود، امواج کوتاه تری در ثانیه رخ می دهد و در واقع با افزایش طول موج، فرکانس کاهش می یابد.

جهت درک بهتر رابطه طول موج و فرکانس مثالی از شبکه رادیویی میزنیم، برای مثال سیگنال ایستگاه رادیویی AM با فرکانس 890 کیلوهرتز (کیلوهرتز)، یا 890000 هرتز، دارای طول موج 337.1 متر است. چنانچه فرکانس بالاتری مانند 960 کیلوهرتز انتخاب نماییم، طول موج به 312.5 متر کاهش می یابد و اگر فرکانس کمتری مانند 560 کیلوهرتز انتخاب نماییم، طول موج به 535.7 متر افزایش خواهد یافت.

اطلاعات تکمیلی

1. مالتی پلکسینگ DWDM
2. فناوری WDM
3. باند های طول موج
4. محاسبه پراکندگی
5. پراکندگی
6. پراکندگی رنگی
7. تفاوت فیبر نوری سینگل مد و مالتی مد
8. فیبر نوری سینگل مد
9. اصول ایمنی نور برای چشم

مشخصه های تششع الکترومغناطیسی

تشعشعات الکترومغناطیسی همانند انرژی های تابشی شامل امواج و ذرات می باشند. یک موج، از طریق یک رسانه و یا در یک محیط کنترل شده و یا کنترل نشده منتشر می گردد و در واقع انرژی را بدون جابجایی دائمی محیط منتقل می نماید. با این حال انرژی می تواند، در ماهیت ذره بدون جرم، به نام فوتون، در یک الگوی موج با سرعت نور حرکت نماید.

فوتونی که با تغییر سطوح انرژی از یک الکترون ساطع می شود، واحد اصلی یا کوانتوم انرژی الکترومغناطیسی به شمار می آید. با این حال، مقدار انرژی در هر فوتون به فرکانس انرژی الکترومغناطیسی وابسته است: هر چه فرکانس بالاتر باشد، انرژی بیشتری در ذره وجود دارد.

فوتون Photon

جهت بیان مقدار انرژی در فوتون از معادله زیر استفاده می نماییم

E = h*f

که در آن E انرژی بیان شده بر حسب وات است، h مقدار ثابت Planck’s برابر با 6.626 × 10^-34 ژول-ثانیه می باشد و f فرکانس انرژی الکترومغناطیسی است.
بنابراین، جهت محاسبه انرژی یک فوتون نور مادون قرمز در 229 تراهرتز:

(2.29 × 1014) (6.626 × 10^-34) = 1.517 × 10-19 W

بسیاری از پارامترهایی که ما در زمینه فیبر نوری بدیهی می دانیم ناشی از فعالیت های پیشگامان حوزه فیزیک در اواخر دهه 1800 و اوایل دهه 1900 است. ژول یک واحد انرژی است که به نام جیمز پرسکات ژول James Prescott Joule، که رابطه بین گرما و مکانیک را مطالعه نمود، نامگذاری شده است. یک ژول برابر است با مقدار فعالیتی که جهت تولید 1 وات در 1 ثانیه لازم است.

ثابت پلانک در سال 1899 توسط ماکس پلانک Max Planck، برنده جایزه نوبل، که به عنوان بنیانگذار نظریه کوانتومی نیز شناخته می شود، تعریف شد.

طیف الکترومغناطیسی Electromagnetic Spectrum

در سال 1964، دانشمندان در یک مرکز آزمایشگاه بل در نیوجرسی به طور تصادفی تابش الکترومغناطیسی مرتبط با آغاز جهان ما را کشف نمودند. تابش پیش‌بینی‌ شده توسط برخی نظریه‌های کیهان‌ شناسی، توسط اتم‌ های هیدروژن در دمایی در حدود 3 درجه در مقیاس کلوین (K) و یا -270.15 درجه سانتی‌گراد ساطع شده است و شاهدی عملی نسبت به اینکه هر ماده ای که دمای آن بالاتر از صفر مطلق است، انرژی الکترومغناطیسی ساطع می نماید به شمار می آید.

طول موج های ساطع شده از اتم های هیدروژن کیهانی، حدود 0.5 میلی متر تا 5 میلی متر، در محدوده امواج مایکروویو طیف الکترومغناطیسی، از نظر فرکانس درست بالاتر از امواج رادیویی و درست زیر نور مادون قرمز قرار دارند.

برخی از خصوصیات انرژی الکترومغناطیسی در فضای آزاد به طول موج بستگی دارد. فضای آزاد معمولاً به این معنی است که رسانه خلاء است. با این حال، در ارتباطات نوری فضای آزاد می تواند به هوا یا برخی از رسانه های مشابه نیز اشاره نماید. همانطور که آموختیم، ارتباط نوری می تواند در یک فضای کنترل شده مانند فیبر نوری نیز انجام شود. در یک انتقال فضای آزاد، ممکن است نتوانید رسانه را همانطور که در یک انتقال فضای کنترل شده می توانید کنترل نمایید. به عنوان مثال، حداکثر فاصله ارسال سیگنال نوری در یک روز مه آلود کمتر از یک روز صاف خواهد بود. با این حال، انتقال از طریق فیبر نوری تحت تأثیر آب و هوا و شرایط محیطی نیست.

طول موج‌ های بلندتر نسبت به طول موج‌ های کوتاه‌تر با همان دامنه، به انرژی کمتری جهت انتشار نیاز دارند، که باعث می‌شود برای ارتباطات مخابراتی بسیار حائز اهمیت باشند. با همان قانون، ذرات پرتو های الکترومغناطیسی با فرکانس بالاتر انرژی بیشتری نسبت به ذرات ناشی از انتشار فرکانس پایین تر با همان دامنه دارند. این واقعیت هنگام تعیین طول موج هایی که در انتقال فیبر نوری استفاده شود، مورد اهمیت می باشد.

فرایند انتقال شامل روشن و خاموش شدن نور یا موج حامل با نرخ سوئیچینگ بسیار بالا است. در نرخ‌های بالاتر و یا مورد نظر جهت ارتباطات نوری، فرکانس‌های بالاتر نور مورد نیاز است تا یک چرخه روشن بسیار کوتاه، انرژی کافی جهت شناسایی داشته باشد.

همچنین به یاد داشته باشید که فرکانس‌های بالاتر می‌توانند داده‌های بیشتری را حمل نمایند، چراکه امواج بیشتر در ثانیه قابلیت انتقال بیت‌های بیشتری در ثانیه را فراهم می نماید. این واقعیت، این اصل را که ابتدا در رادیو و سپس تلویزیون به کار گرفته شده بود، گسترش می‌دهد، که جهت انتقال اطلاعات بیشتر به فرکانس‌های بالاتری متکی بود.

آنچه ما معمولاً نور می نامیم تنها یک بخش کوچک از طیف الکترومغناطیسی است که در شکل 1.3 نشان داده شده است. نور مرئی یک جزء کوچکتر از آن است که با مادون قرمز و با طول موج های طولانی تر آغاز می گردد، و به طیف فرابنفش با طول موج های کوتاه تر محدود شده است.

طول موج هایی که بیشتر در فیبر نوری استفاده می شوند در محدوده مادون قرمز، پنجره های 850 نانومتر (nm)، 1300 نانومتر و 1550 نانومتر قرار دارند. محدوده طیف این طول موج ها ترکیب مهمی از ویژگی ها را فراهم می سازد: میتواند آنچنان بالا باشد که انتقال نرخ داده های بالا را ممکن سازد، البته می تواند به اندازه ای کم باشد که انتقال در فواصل طولانی را با نیاز به توان نسبتاً کم برآورده نماید.

در شبکه فیبر نوری،‌ پنجره هایی با طول موج خاص انتخاب شده اند چراکه بهترین ویژگی های ممکن را جهت انتقال ارائه می دهند. حتی در محدوده بین 850 نانومتر و 1550 نانومتر، مناطق خاصی به دلیل مواد موجود در فیبر، مانند مولکول های آب سرگردان که نور را در طول موج 1380 نانومتر جذب می نمایند، افت زیادی دارند (فیبر های نوری سینگل مد نسل اول OS1 و  NZ ها این ویژگی را دارند از این رو به آنها فیبر های نوری LWPF مخفف Low water peak fiber می گویند). طول موج های دیگر، مانند 1550 نانومتر، به دلیل افت کم مورد علاقه هستند و جهت انتقال در فواصل طولانی تر مناسب می باشند. از سوی دیگر، طول موج‌های نزدیک به 1300 نانومتر کمتر از اشکال مختلف پراکندگی رنج می‌برند.

کابل های فیبر نوری

کابل های شبکه مسی

تجهیزات فیبر نوری