هسته فیبر نوری چیست؟ راهنمای کامل

را هسته یک فیبر نوری ناحیه مرکزی و استوانه‌ای حامل نور فیبر است که از شیشه سیلیکا فوق‌العاده خالص یا پلاستیک تخصصی ساخته می‌شود، که از طریق آن پالس‌های لیزری یا LED کدگذاری‌شده داده‌شده از فرستنده به گیرنده منتقل می‌شوند. در یک فیبر تک حالته که برای ارتباطات راه دور طراحی شده است، این هسته صرفاً اندازه گیری می کند قطر 8 تا 10 میکرون - تقریباً یک دهم ضخامت موی انسان. اطراف هسته لایه ای از شیشه روکش با ضریب شکست کمی کمتر است و مرز بین این دو ماده نور را از طریق اصل فیزیکی بازتاب داخلی کل به دام می اندازد. طبق توصیه G.652 اتحادیه بین‌المللی مخابرات (ITU-T) که پرکاربردترین فیبر نوری تک حالته را استاندارد می‌کند، هسته باید در مرکز روکش‌پوش قرار گیرد تا خطای تمرکز کمتر از 0.6 میکرون برای اطمینان از اتلاف اتصال کم و اتصال نور کارآمد. درک کردن هسته فیبر نوری چیست برای درک اینکه چرا شبکه های فیبر نوری مدرن می توانند انتقال دهند، اساسی است ترابیت در ثانیه داده ها در سراسر اقیانوس ها با تکرار کننده های سیگنال در فاصله بیش از 100 کیلومتر از هم.

را Physical Structure and Material of the Optical Fiber Core

را core is fabricated from highly purified silica glass (SiO₂) that has been doped with small amounts of germanium dioxide or other index-raising elements to create a refractive index slightly higher than that of the surrounding pure silica cladding. را manufacturing process, known as modified chemical vapor deposition or outside vapor deposition, begins with the creation of a preform—a thick glass rod roughly one meter long and two centimeters in diameter. Inside this preform, the core region is formed by depositing layer upon layer of germanium-doped silica soot onto a rotating mandrel inside a lathe, all within a rigorously clean environment to prevent contamination. After the deposition process is complete, the preform is heated to approximately 2000 درجه سانتیگراد (3632 درجه فارنهایت) ، باعث می شود که دوده به یک میله جامد و شفاف که هسته دقیقاً در مرکز آن قرار دارد، جوش بخورد. این پیش‌فرم سپس در یک برج کششی بارگذاری می‌شود، جایی که نوک آن تا دمای نرم شدن گرم می‌شود و یک رشته نازک توسط مکانیزم تراکتور به سمت پایین کشیده می‌شود. فرآیند کشش قطر پریفرم را از سانتی متر به قطر فیبر نهایی کاهش می دهد 125 میکرون ، در حالی که هسته قطر متناسب خود را حفظ می کند - معمولا 9 میکرون برای حالت تک یا 50 تا 62.5 میکرون برای چند حالته فیبر به گفته Corning Incorporated، مخترع فیبر نوری کم تلفات، خلوص هسته شیشه به حدی زیاد است که اگر یک پنجره به ضخامت یک کیلومتر از این ماده ساخته می‌شد، مانند یک شیشه پنجره معمولی شفاف به نظر می‌رسید. ناخالصی‌هایی مانند مولکول‌های آهن، مس و آب به قسمت در میلیارد کاهش می‌یابد، زیرا حتی مقادیر کمی سیگنال نور را پراکنده یا جذب می‌کند و تضعیف غیرقابل قبولی در فواصل طولانی ایجاد می‌کند.

چگونه هسته نور را هدایت می کند: بازتاب کامل داخلی

را core guides light along the fiber by exploiting the optical phenomenon of total internal reflection at the core-cladding boundary: when light traveling in the higher-index core strikes the boundary at a shallow angle, it is reflected entirely back into the core rather than escaping into the cladding. را physics behind this effect is described by Snell's law of refraction. The refractive index of the germanium-doped core is approximately 1.47 تا 1.48 ، در حالی که روکش سیلیس خالص دارای شاخص تقریباً است 1.46 . تفاوت کوچک که به عنوان دلتا شناخته می شود، معمولاً در اطراف است 0.3٪ تا 0.5٪ برای فیبر تک حالته پرتوهای نوری که با زاویه ای کمتر از زاویه پذیرش وارد فیبر می شوند، بیشتر از زاویه بحرانی به سطح مشترک هسته-پوشش برخورد کرده و کاملاً منعکس می شوند. این فرآیند هزاران بار در هر متر تکرار می‌شود و سیگنال نور را در طول فیبر با تلفات فوق‌العاده کم زیگزاگ می‌کند. فیبر نوری مدرن تنها تضعیف را نشان می دهد 0.2 دسی بل در هر کیلومتر در طول موج 1550 نانومتر ، به این معنی که پس از طی 100 کیلومتر، سیگنال حدود 1٪ از قدرت اولیه خود را حفظ می کند. این شفافیت قابل توجه، با خلوص از هسته فیبر نوری دلیل این است که کابل‌های زیردریایی بین قاره‌ای می‌توانند حوضه‌های اقیانوسی را با تقویت تنها در نقاط تکرارکننده گسسته گسترش دهند. نمایه ضریب شکست هسته - چه یک ضریب گام ساده، که در آن شاخص به طور ناگهانی در مرز روکش هسته تغییر می کند، یا یک شاخص درجه بندی شده، که در آن ضریب به تدریج از مرکز به بیرون کاهش می یابد - نحوه انتشار حالت های نور و میزان پراکندگی مودال را تعیین می کند که پهنای باند فیبر را محدود می کند.

Single-Mode در مقابل Multi-Mode Core: قطر همه چیز را تعیین می کند

را diameter of the optical fiber core determines whether the fiber operates as a single-mode waveguide supporting only one optical path or as a multi-mode waveguide supporting hundreds of paths, and this distinction has profound implications for bandwidth, distance capability, and system cost. را table below summarizes the standard core sizes and their corresponding performance characteristics.

چرا اندازه هسته مستقیماً بر پهنای باند و فاصله تأثیر می گذارد؟

را core diameter governs the number of optical modes the fiber can support, and because different modes travel different path lengths through the core, a larger core introduces modal dispersion that spreads light pulses over time and limits the maximum data rate achievable over distance. تک حالته هسته فیبر نوری با قطر 9 میکرون خود به عنوان یک موجبر عمل می کند که نور را به یک حالت فضایی کاملاً مشخص محدود می کند. از آنجایی که تنها یک مسیر وجود دارد، تمام انرژی نور اساساً با سرعت یکسانی در امتداد محور فیبر حرکت می کند و یک پالس کوتاه که در ورودی راه اندازی می شود با حداقل انتشار زمانی به خروجی می رسد. این به سیستم‌های تک حالته اجازه می‌دهد تا داده‌ها را با نرخ‌هایی تعدیل کنند 100 گیگابیت در ثانیه یا بیشتر و آن سیگنال ها را تا 80 کیلومتر بدون بازسازی ارسال کند. در مقابل، یک هسته چند حالته 50 میکرونی به صدها حالت اجازه می دهد تا به طور همزمان منتشر شوند. هر حالت یک مسیر زیگزاگی کمی متفاوت را از طریق هسته دنبال می‌کند و حالت‌هایی که در زوایای تندتر جهش می‌کنند، مسافت کل طولانی‌تری را طی می‌کنند. گسترش پالس حاصل، معروف به پراکندگی مدال، یک فیبر استاندارد OM1 را به حدود محدود می کند. 300 متر با سرعت 10 گیگابیت بر ثانیه . فیبر OM4 بهینه شده با لیزر این امر را با استفاده از نمایه درجه بندی شده در هسته کاهش می دهد، جایی که ضریب شکست به طور سهموی از مرکز به سمت بیرون کاهش می یابد و باعث می شود حالت های بیرونی سریع تر حرکت کنند و زمان رسیدن را محدود می کند. این پالایش دامنه را به 400 متر با سرعت 100 گیگابیت بر ثانیه ، که برای اکثریت قریب به اتفاق اتصالات مرکز داده کافی است. فیزیک از هسته فیبر نوری بنابراین نشان دهنده یک مبادله مستقیم است: یک هسته کوچکتر پهنای باند بالاتری را در فواصل طولانی‌تر ارائه می‌کند، اما نیاز به تراز دقیق‌تر منابع لیزری و کانکتورها دارد، در حالی که یک هسته بزرگ‌تر، هم‌ترازی را آسان‌تر کرده و هزینه‌های اتصال را به قیمت محصول فاصله‌ای پهنای باند کاهش می‌دهد.

سوالات متداول در مورد هسته های فیبر نوری

هسته فیبر نوری از چه چیزی ساخته شده است؟

را هسته یک optical fiber از شیشه سیلیکا فوق خالص آغشته به دی اکسید ژرمانیوم ساخته شده است تا ضریب شکست آن را کمی بالاتر از روکش فلزی بالا ببرد. هسته های فیبر نوری پلاستیکی از پلی متیل متاکریلات یا پلی کربنات ساخته شده اند. خلوص شیشه عامل مهمی است که میرایی پایین مورد نیاز برای ارتباطات از راه دور را ممکن می سازد.

آیا هسته فیبر نوری در صورت شکستن قابل تعمیر است؟

یک شکسته هسته فیبر نوری نمی توان به معنای متصل شدن مجدد به صورت نامرئی ترمیم کرد. روش استاندارد این است که انتهای شکسته را به طور تمیز شکافته و سپس آنها را با استفاده از یک قوس الکتریکی در یک اسپلایسر فیوژن به هم متصل کنید. اتصال به دست آمده هسته ها را تا چند میکرون تراز می کند و یک اتصال شیشه ای پیوسته با افت درج معمولاً در زیر ایجاد می کند. 0.05 دسی بل . اتصالات مکانیکی با استفاده از فیکسچرهای تراز دقیق و ژل مطابق با شاخص جایگزینی برای تعمیرات موقت هستند.

اندازه هسته چگونه بر رنگ کانکتور فیبر تأثیر می گذارد؟

را industry standard color code helps technicians identify the fiber type at a glance. Single-mode connectors and patch cords with a 9-micron core are typically blue (UPC polish) or green (APC polish). Multi-mode connectors with a 50 or 62.5 micron core are beige for OM1, black for OM2, aqua for OM3, and violet for OM4. The connector color does not change the optical properties of the هسته اما از اختلاط پرهزینه انواع الیاف ناسازگار جلوگیری می کند.

چرا یک هسته کوچکتر به جای منبع نور LED به لیزر نیاز دارد؟

را 9-micron هسته یک optical fiber طراحی شده برای عملکرد تک حالته دارای سطح مقطع تنها حدود 60 میکرون مربع است. اتصال نور از یک LED با ناحیه وسیع به چنین دیافراگم کوچکی بسیار ناکارآمد است زیرا بیشتر نور LED خارج از زاویه پذیرش هسته قرار می گیرد. یک دیود لیزر، با پرتوی باریک و بسیار همسو، می تواند درصد بسیار بیشتری از خروجی خود را مستقیماً به هسته متمرکز کند. فیبرهای چند حالته با هسته‌های 50 تا 62.5 میکرون دارای سطح پذیرش بسیار بزرگ‌تری هستند و می‌توانند به طور موثر توسط منابع لیزری ارزان‌تر LED یا حفره عمودی هدایت شوند.

را هسته یک optical fiber عنصر تعیین کننده ای است که تعیین می کند آیا یک فیبر می تواند جریان واحدی از داده ها را در سراسر اقیانوس حمل کند یا سیگنال های با پهنای باند بالا را در یک مرکز داده توزیع کند. قطر، خلوص و نمایه ضریب شکست آن نتیجه دهه‌ها علم مواد و اصلاحات تولیدی است. درک نقش هسته روشن می‌کند که چرا فیبرهای تک حالته و چند حالته در زیرساخت‌های ارتباطی مدرن به چنین جایگاه‌های متفاوتی خدمت می‌کنند.