اصول کارکرد فیبر نوری

= **[[فیبر نوری|فیبر]] نوری** =
فیبر نوری یک **موج** **راهنمای دیالکتریک استوانه ای** (غیر رسانا) است که نور را از طریق **پدیده بازتاب داخلی کلی** در امتداد محور خود منتقل میکند. این فیبر از یک **هسته** (core) و یک **روکش** (cladding)  تشکیل شده که هر دو از مواد دیالکتریک ساخته شدهاند. برای محدود کردن نور در هسته، **ضریب شکست هسته باید بیشتر از روکش** باشد. مرز بین هسته و روکش میتواند به دو صورت باشد:

**فیبر شاخص-پلهای** (Step-index):  تغییر ناگهانی ضریب شکست.

**فیبر شاخص-تدریجی** (Graded-index):  تغییر تدریجی ضریب شکست.

نور میتواند با استفاده از **لیزرها یا LEDها** به داخل فیبر تزریق شود.

## '''مزایای فیبر نوری نسبت به کابلهای مسی'''
**مصونیت در برابر تداخل الکترومغناطیسی**: هیچ نویز محیطی یا تداخلی بین سیگنالها وجود ندارد. حتی در برابر **پالسهای الکترومغناطیسی ناشی از انفجارهای هستهای** نیز مقاوم است.

**1.عدم هدایت الکتریسیته**: مناسب برای محیطهای با ولتاژ بالا (مانند نیروگاهها) و مناطق مستعد رعد و برق.

**2.ایمنی در محیطهای انفجاری**: چون جرقه ایجاد نمیکند، در محیطهای با بخارات قابل اشتعال قابل استفاده است.

**3.امنیت بالاتر**: استراق سمع (فیبر تپینگ) سختتر از کابلهای مسی است.

**4.عدم سرقت**: برخلاف کابلهای مسی، فیبر نوری ارزش فلزی ندارد.

## '''ضریب شکست و سرعت نور'''
**ضریب شکست** (n)  نشان میدهد نور در یک ماده چقدر کندتر از خلأ حرکت میکند.در خلأ: سرعت نور ≈ ۳۰۰,۰۰۰ کیلومتر بر ثانیه  (n=1) . در فیبر نوری: سرعت نور ≈ ۲۰۰,۰۰۰ کیلومتر بر ثانیه (به دلیل ضریب شکست بالاتر). مثال: یک تماس تلفنی بین **سیدنی و نیویورک** (۱۶,۰۰۰ کیلومتر) حداقل **۸۰ میلیثانیه** تأخیر دارد (به دلیل زمان عبور نور در فیبر).

## '''بازتاب داخلی کلی و نحوه هدایت نور'''
اگر نور در یک محیط با ضریب شکست بالا (مثل هسته فیبر) با **زاویه بیشتر از زاویه بحرانی** به مرز روکش برخورد کند، **بهطور کامل بازتاب میشود**. این پدیده **بازتاب داخلی کلی** نام دارد.

**1.مخروط پذیرش** (Acceptance Cone):  فقط نورهایی که در محدوده زاویه خاصی وارد فیبر شوند، در هسته باقی میمانند.

**2.عدد دیافراگم** (NA): نشاندهنده زاویه پذیرش فیبر است.

**3.فیبرهای تکحالته** (Single-mode) NA  کوچکی دارند و برای ارتباطات طولانی استفاده میشوند.

**4.فیبرهای چندحالته** (Multi-mode) NA  بزرگتری دارند و کار با آنها آسانتر است.

**5.فیبرهای چندحالته (Multi-mode Fibers)**

فیبرهای نوری با **قطر هسته بزرگ** (بیش از ۱۰ میکرومتر) را میتوان با **اپتیک هندسی** تحلیل کرد. این نوع فیبرها را **فیبرهای چندحالته** مینامند.**فیبر چندحالته شاخص-پلهای (Step-index Multi-mode Fiber)** پرتوهای نور در این فیبرها از طریق **بازتاب داخلی کلی** در طول هسته هدایت میشوند.اگر پرتوها با **زاویهای بزرگتر از زاویه بحرانی** (نسبت به خط عمود بر مرز) به مرز هسته-روکش برخورد کنند، **بهطور کامل بازتاب میشوند**.زاویه بحرانی توسط **تفاوت ضریب شکست** بین هسته و روکش تعیین میشود.پرتوهایی که با زاویه کم برخورد کنند، **دچار شکست شده و در روکش تلف میشوند**.

**عدد دیافراگم (NA)** نشاندهنده زاویه پذیرش فیبر است:NA**بالا** باعث میشود نور در زوایای مختلفی وارد فیبر شود و جفتشدن نور به فیبر کارآمدتر باشد اما **تفرق (dispersion) افزایش مییابد**، زیرا پرتوهای با مسیرهای متفاوت، زمانهای مختلفی برای عبور از فیبر نیاز دارند.

## '''فیبر چندحالته شاخص-تدریجی (Graded-index Fiber)'''
در این فیبرها، **ضریب شکست هسته بهطور پیوسته از محور به سمت روکش کاهش مییابد**. این باعث میشود پرتوهای نور بهجای بازتاب ناگهانی، **به آرامی خم شده** و مسیر منحنی شکل بگیرد. این طراحی **تفرق چندمسیری (multi-path dispersion) را کاهش میدهد**، زیرا پرتوهای با زاویه بیشتر از مناطق با ضریب شکست پایینتر (حاشیه هسته) عبور میکنند، نه از مرکز با ضریب شکست بالا. **پروفایل ضریب شکست** بهگونهای انتخاب میشود که تفاوت سرعت انتشار پرتوهای مختلف در امتداد محور فیبر به حداقل برسد. این پروفایل ایدهآل تقریباً **شکل سهمی** دارد (یعنی ضریب شکست با فاصله از محور بهصورت درجه دوم کاهش مییابد).

## '''فیبرهای تکهحالته (Single-mode Fibers) و فیبرهای ویژه''' '''فیبرهای با هسته باریک (تحلیل امواج الکترومغناطیسی)'''
فیبرهایی با **قطر هسته کمتر از حدود ۱۰ برابر طول موج نور** را نمیتوان با اپتیک هندسی تحلیل کرد. در عوض، این فیبرها باید به عنوان **یک ساختار موجبر الکترومغناطیسی** و با استفاده از **معادلات ماکسول** (به شکل معادله موج الکترومغناطیسی) بررسی شوند. به عنوان یک **موجبر نوری**، این فیبرها یک یا چند **مود عرضی محدودشده** را پشتیبانی میکنند که نور از طریق آنها در فیبر منتشر میشود. فیبری که فقط **یک مود** را هدایت کند، **تکهحالته (Single-mode)** نامیده میشود. تحلیل موجبر نشان میدهد که انرژی نور کاملاً در هسته محدود نمیشود، بلکه بخش قابل توجهی از آن (به ویژه در فیبرهای تکهحالته) به صورت **موج نفوذی (evanescent wave)** در روکش حرکت میکند. متداولترین نوع فیبر تکهحالته، **قطر هسته‌ای بین ۸ تا ۱۰ میکرومتر** دارد و برای استفاده در محدوده **مادون قرمز نزدیک** طراحی شده است. در مقایسه، فیبرهای **چندحالته (Multi-mode)** با قطر هسته **۵۰ میکرومتر تا چند صد میکرومتر** ساخته میشوند.

## '''فیبرهای ویژه (Special-purpose Fibers)'''
برخی از فیبرهای نوری برای کاربردهای خاص طراحی شده‌اند و **ساختار غیراستوانه‌ای** دارند:

**1.فیبرهای حفظ قطبش (Polarization-maintaining fibers)**:

دارای هسته یا روکش **بیضوی یا مستطیلی** هستند.در **سنسورهای نوری** و سیستم‌های حساس به قطبش نور استفاده میشوند.

**2.فیبرهای بلور فوتونیکی (Photonic-crystal fibers)**:

دارای الگوی منظمی از تغییرات ضریب شکست هستند (معمولاً به صورت **حفره‌های استوانه‌ای** در طول فیبر). به جای (یا علاوه بر) بازتاب داخلی کلی، از **اثرات پراش (diffraction)** برای محدود کردن نور در هسته استفاده میکنند. خواص این فیبرها را میتوان برای **طیف گسترده‌ای از کاربردها** تنظیم کرد، از جمله فیبرهای با **تلفات بسیار پایین** یا قابلیت‌های غیرخطی ویژه.
## منابع

* Nonlinear effects in optical fibers: limitations and benefits
* Mário F. S. Ferreira
* Department of Physics, University of Aveiro, 3810-193 Aveiro, Portugal.
* NONLINEAR EFFECTS IN OPTICAL FIBERS: ORIGIN,
MANAGEMENT AND APPLICATIONS
* S. P. Singh † and N. Singh
* Department of Electronics and Communication
University of Allahabad
Allahabad-211002, India.


رده:انتقال نوری
رده:تجهیزات مخابرات
رده:تولید شیشه
رده:فیبرهای نوری
رده:فیزیک نور
رده:مهندسی شیشه