هسته فیبر نوری چیست؟ مسیر نور توضیح داده شد

را هسته یک فیبر نوری محیط فیزیکی مرکزی است - معمولاً یک رشته بسیار خالص از شیشه یا پلاستیک سیلیکا - که سیگنال‌های نور را در تمام طول کابل حمل می‌کند. این قلب فیبر است، جایی که بیش از 99٪ از قدرت نوری هدایت شده محدود شده و از طریق بازتاب داخلی کل منتشر می شود. بدون هسته، نرخ اطلاعات باورنکردنی ارتباطات مدرن، تصویربرداری پزشکی و سنجش صنعتی غیرممکن خواهد بود.

درک هسته فیبر: تعریف و عملکرد

را core is a cylindrical waveguide whose primary job is to transport modulated light from a transmitter to a receiver with minimal loss and distortion. In a standard glass optical fiber, the core is surrounded by a cladding layer that has a slightly lower refractive index. This precise index difference creates the optical boundary that traps photons inside the core, forcing them to travel along the fiber axis even when the cable bends.

یک فیبر تک حالته معمولی که در مخابرات دوربرد استفاده می شود، نور مادون قرمز را در طول موج های حدود 1310 نانومتر یا 1550 نانومتر حمل می کند. در این طول موج ها تضعیف می تواند به اندازه پایین باشد 0.20 دسی بل در کیلومتر ، به این معنی که یک سیگنال می تواند بیش از 100 کیلومتر را قبل از نیاز به بازسازی طی کند. چنین شفافیتی با کاهش ناخالصی ها - به ویژه آب و یون های فلزی - در داخل ماده هسته به قسمت در میلیارد به دست می آید.

را Role of Refractive Index and Total Internal Reflection

نور در هسته به دلیل پدیده ای به نام محدود می شود بازتاب داخلی کل (TIR). هنگامی که یک پرتو نوری که در هسته حرکت می کند با زاویه ای بیشتر از زاویه بحرانی به مرز روکش هسته برخورد می کند، به جای فرار به داخل روکش، کاملاً به داخل هسته منعکس می شود. این به ضریب شکست هسته نیاز دارد n ₁ به شدت بزرگتر از شاخص روکش فلزی باشد n ₂ .

را numerical aperture (NA) quantifies the light‑gathering ability of the fiber and is given by NA = √(n ₁ ² − n ₂ ²). یک فیبر تک حالته معمولاً NA از خود را نشان می دهد 0.10 - 0.14 ، در حالی که فیبرهای چند حالته که برای اتصال آسان طراحی شده اند دارای یک NA در اطراف هستند 0.20 - 0.29 . یک NA بزرگتر نور بیشتری را می پذیرد اما پراکندگی مودال را نیز گسترش می دهد و پهنای باند را محدود می کند.

را precision of the index profile is engineered during fabrication. شاخص گام پروفایل ها شاخص اصلی را یکنواخت نگه می دارند، در حالی که شاخص درجه بندی شده پروفیل ها به تدریج شاخص را از مرکز به بیرون کاهش می دهند. طرح‌های شاخص درجه‌بندی شده در فیبر چند حالته با پهنای باند بالا استاندارد هستند زیرا با رسیدن مسیرهای نوری مختلف تقریباً در یک زمان، پراکندگی مودال را کاهش می‌دهند.

مواد اصلی: شیشه سیلیکا در مقابل فیبرهای نوری پلاستیکی

را vast majority of communication‑grade fiber cores are made from سیلیس ذوب شده مصنوعی (SiO ₂ ) دوپ شده با دی اکسید ژرمانیوم (GeO ₂ ) یا سایر عوامل افزایش دهنده شاخص. دوپینگ ژرمانیوم ضریب شکست را به اندازه ای افزایش می دهد که هسته را تشکیل دهد، در حالی که روکش سیلیس خالص یا کمی فلوئور شده باقی می ماند. طبق استاندارد IEC 60793-2-50، الیاف تک حالته باید آلودگی هیدروکسیل (OH-) را در زیر حفظ کنند. 0.8 قسمت در میلیارد برای جلوگیری از تضعیف پیک آب در نزدیکی 1383 نانومتر.

از سوی دیگر، هسته‌های فیبر نوری پلاستیکی (POF) از آن ساخته شده‌اند پلی (متیل متاکریلات) (PMMA) یا پلیمرهای پرفلورینه قطر هسته با استانداردهای شیشه ای غول پیکر است - اغلب 0.5 میلی متر تا 1 میلی متر - که اتصال را ساده می کند و POF را در برابر گرد و غبار و لرزش مقاوم می کند. با این حال، هسته های مبتنی بر PMMA از تضعیف بالای اطراف رنج می برند 150 دسی بل در کیلومتر در 650 نانومتر ، دسترسی آنها را به حدود 100 متر محدود می کند. POF پرفلورینه تضعیف را تقریباً کاهش می دهد 10 دسی بل در کیلومتر ، اما هنوز بسیار بالاتر از سیلیس است.

• مزایای هسته سیلیس: تلفات بسیار کم (<0.20 dB/km در 1550 نانومتر)، پایداری در دمای بالا، سازگاری با مالتی پلکسی با طول موج متراکم.
• مزایای هسته پلاستیکی: هسته بزرگ برای تراز آسان، هزینه کم، انعطاف پذیری، عملکرد نور مرئی برای شبکه های صوتی مصرف کننده و خودرو.
• مواد تخصصی: شیشه‌های کالکوژنید یا هسته‌های یاقوت کبود برای انتقال مادون قرمز وسط و تحویل لیزر با قدرت بالا استفاده می‌شوند.

اندازه ها و استانداردهای هسته: تک حالته در مقابل چند حالته

عملکرد فیبر ابتدا توسط ابعاد فیزیکی هسته تعیین می شود. نهادهای استاندارد بین‌المللی (ITU-T، IEC، ISO/IEC) پنجره‌های محکمی را برای قطر هسته، خطای تمرکز، و قطر میدان حالت تعریف می‌کنند تا قابلیت همکاری را تضمین کنند.

ویژگی های اصلی تک حالته

را single‑mode core is designed to support only the fundamental LP ₀₁ حالت، از بین بردن پراکندگی مودال به طور کلی. قطر آن به طور معمول است 8.2 - 9.5 میکرومتر ، با قطر میدان حالت حدود 9.2 میکرومتر در 1310 نانومتر (ITU-T G.652.D). طول موج قطع، نقطه‌ای که در زیر آن فیبر حالت‌های متعدد را پشتیبانی می‌کند، بالای 1260 نانومتر نگه داشته می‌شود تا عملکرد تک حالته واقعی در باندهای 1310 و 1550 نانومتر تضمین شود.

ویژگی های اصلی چند حالته

هسته های چند حالته، استاندارد شده تحت استاندارد ISO/IEC 11801، در دو قطر اصلی وجود دارند: 50 میکرومتر (OM2، OM3، OM4، OM5) و 62.5 میکرومتر (OM1). هسته بزرگ‌تر از صدها حالت فضایی پشتیبانی می‌کند که اتصال به منابع نور کم‌هزینه مانند VCSEL را ساده می‌کند اما پراکندگی مودال را معرفی می‌کند. برای کاهش این موضوع، همه فیبرهای چند حالته مدرن با پهنای باند بالا از پروفایل هسته درجه بندی شده استفاده می کنند و به پهنای باند مودال موثری دست می یابند. 4700 مگاهرتز· کیلومتر در 850 نانومتر برای OM4 و حتی بالاتر برای OM5 در پنجره 953 نانومتری.

جدول 1: پارامترهای اصلی و مقایسه عملکرد بین فیبرهای نوری تک حالته و چند حالته. منبع داده‌ها از استانداردهای ITU-T G.652، G.651.1 و ISO/IEC 11801 است.

هسته های فیبر چگونه ساخته می شوند: پیش فرم برای کشیدن

را core’s purity and precise index profile are born in a multi‑step vapor‑deposition process that builds a glass rod called a preform. The preform is then drawn into hair‑thin fiber while preserving its cross‑sectional geometry exactly.

سه روش اصلی رسوب گذاری استفاده می شود: رسوب بخار شیمیایی اصلاح شده (MCVD) , رسوب بخار خارج (OVD) ، و رسوب محوری بخار (VAD) . در MCVD، گازهای با خلوص بالا (SiCl ₄ ، GeCl ₄ ) در داخل یک لوله سیلیسی دوار جریان می یابد در حالی که یک مشعل تراورس، منطقه را تا حدود 1600 درجه سانتیگراد گرم می کند و باعث می شود دوده لایه به لایه رسوب کند. غلظت ژرمانیوم هسته با هر بار عبور تغییر می کند تا نمایه ضریب شکست مستقیماً در شیشه نوشته شود. پس از رسوب، لوله به یک میله جامد در دمای نزدیک به 2000 درجه سانتیگراد فرو می ریزد.

را OVD and VAD methods build the preform from the outside, enabling larger preforms and higher productivity. A porous soot boule is formed and later sintered into clear glass. The core‑cladding structure is defined by the radial composition of the deposited soot. The final preform — now a solid cylinder about 1 meter long and several centimeters thick — is loaded into a drawing tower. It is heated in a graphite furnace to around 2000 °C and drawn into fiber at speeds of 1200 - 1800 متر در دقیقه . برای محافظت از سطح شیشه ای بکر، یک پوشش اکریلات دو لایه ای با اشعه ماوراء بنفش به کار می رود.

مکانیسم های تضعیف و از دست دادن در داخل هسته

تلفات در هسته ناشی از جذب، پراکندگی و خمش است. حد زیرین اساسی است پراکندگی رایلی ، ناشی از نوسانات چگالی میکروسکوپی که در هنگام خنک شدن در شیشه منجمد شده است. مقیاس تلفات ریلی به صورت λ-4 است، به همین دلیل است که سیستم‌های تک حالته از 1310 نانومتر به 1550 نانومتر مهاجرت کردند: در 1550 نانومتر سهم ریلی تقریباً است. 0.12 - 0.15 دسی بل در کیلومتر ، تقریباً نصف مقدار در 1310 نانومتر.

لبه های جذب مادون قرمز از ارتعاشات پیوند Si-O فراتر از 1600 نانومتر قابل توجه است، در حالی که دم جذب ماوراء بنفش در مادون قرمز ناچیز است. جذب ناخالصی - که معروف‌ترین آن از یون‌های OH- است - یک پیک آب نزدیک به 1383 نانومتر ایجاد می‌کند. در فیبرهای قدیمی، این اوج می تواند از آن فراتر رود 3 دسی بل در کیلومتر ، اما الیاف مدرن "اوج کم آب" (ITU-T G.652.D) آن را زیر سطح 0.35 دسی بل در کیلومتر فرو می نشاند و امکان استفاده از باند E (1360-1460 نانومتر) را برای WDM درشت فراهم می کند.

از دست دادن ماکرو خمش زمانی رخ می دهد که فیبر خیلی محکم پیچیده شود. محصور شدن هسته ضعیف می شود و نور به داخل روکش تابش می کند. برای الیاف غیر حساس به خم G.657، شعاع خمش مجاز می تواند به اندازه 5 میلی متر با تلفات اضافی ناچیز در 1550 نانومتر، به لطف طراحی شاخص روکش با کمک ترانشه یا فرورفتگی در اطراف هسته.

پراکندگی و تأثیر آن بر طراحی هسته

پراکندگی رنگی و پراکندگی مودال هر دو از نحوه تعامل هندسه هسته و مواد با نور ناشی می شوند. در یک هسته تک حالته، پراکندگی رنگی مجموع پراکندگی مواد و پراکندگی موجبر است. با تنظیم قطر هسته و دلتای شاخص، طراحان می توانند طول موج پراکندگی صفر را تغییر دهند. الیاف استاندارد G.652 صفر را در حدود 1310 نانومتر ، در حالی که الیاف تغییر یافته با پراکندگی (G.653) با کاهش ناحیه موثر هسته و تنظیم نمایه شاخص، آن را به 1550 نانومتر منتقل می کنند. این مبادله می‌تواند اثرات غیرخطی را افزایش دهد، بنابراین فیبرهای با پراکندگی غیرصفر (G.655) یک پراکندگی کوچک اما غیرصفر در سراسر باند C برای سرکوب اختلاط چهار موجی حفظ می‌کنند.

در هسته های چند حالته، پراکندگی مودال کشنده پهنای باند غالب است. یک هسته گام شاخص 50 میکرومتری تنها پهنای باند مودال را نشان می دهد 20 - 50 مگاهرتز · کیلومتر . با اعمال یک نمایه شاخص درجه بندی شده سهموی بهینه، پهنای باند به سمت بالا می رود هزاران مگاهرتز کیلومتر ، امکان انتقال 100 گیگابیت بر ثانیه در طول 100 متر با فیبر OM4 را فراهم می کند. هر نسل از فیبر چند حالته، تلورانس های نمایه شاخص را برای یکسان سازی بهتر سرعت های گروه در همه گروه های حالت، سفت می کند.

فناوری های نوظهور هسته ای: فیبرهای توخالی و چند هسته ای

را next revolution in core design departs from solid glass altogether. الیاف باند باند فوتونیک هسته توخالی نور هدایت کننده در یک ناحیه مرکزی پر از هوا احاطه شده توسط روکشی ریزساختاری که یک باند فوتونیک ایجاد می کند. از آنجایی که نور بیشتر در هوا حرکت می کند، زمان تاخیر کاهش می یابد 1.5 µs/km - کاهش 31 درصدی نسبت به فیبر استاندارد - و غیرخطی بودن کاهش می یابد. تحقیقات اخیر کاهش را گزارش کرده است 0.174 دسی بل در کیلومتر در یک فیبر هسته توخالی در 1550 نانومتر، شکاف را با رکوردهای هسته جامد کم می کند. چنین فیبرهایی در حال حاضر برای شبکه‌های معاملاتی مالی با تاخیر بسیار کم و تحویل لیزری با انرژی بالا آزمایش می‌شوند.

الیاف چند هسته ای چندین هسته مستقل را در یک روکش قرار دهید - معمولاً 4، 7 یا حتی 19 هسته در یک آرایه شش ضلعی. هر هسته می‌تواند یک جریان داده جداگانه را حمل کند و ظرفیت فیبر را در تعداد هسته‌ها ضرب کند در حالی که قطر روکش را در استاندارد 125 میکرومتر یا کمی بزرگ‌تر نگه می‌دارد. آزمایش های انتقال بیش از حد 1 پتابیت در ثانیه بیش از یک فیبر چند هسته ای نشان داده شده است که هر هسته از عملیات تک حالته معمولی پشتیبانی می کند. چالش در دستگاه‌های فن‌آوت و مدیریت تداخل بین هسته‌ای باقی می‌ماند، اما سازمان‌های استاندارد در حال تعریف روش‌های مشخصه‌سازی برای فیبرهای چند هسته‌ای هستند.

تجسم هسته فیبر

را illustration below shows a simplified cross‑section of a standard single‑mode fiber. The core occupies the very center, followed by the cladding and the protective buffer coating.

سوالات متداول در مورد هسته فیبر

چرا هسته باید ضریب شکست بالاتری نسبت به روکش داشته باشد؟

بازتاب داخلی کل تنها زمانی رخ می دهد که نور از محیطی با شاخص بالاتر به محیطی با شاخص پایین تر حرکت کند. اگر شاخص هسته برابر یا کمتر از روکش باشد، نور منکسر می شود و فیبر هدایت نمی شود. اختلاف شاخص یک مانع نوری ایجاد می کند که هسته را به یک آینه استوانه ای تبدیل می کند.

چرا هسته تک حالته آنقدر کوچک است؟

را core diameter must be close to the wavelength of light to cut off all higher‑order modes. For operation at 1550 nm, a core diameter around 8–9 µm yields a normalized frequency V < 2.405, guaranteeing single‑mode propagation. A larger core would support multiple modes and introduce modal dispersion, severely limiting bandwidth‑distance product.

آیا یک فیبر نوری می تواند بیش از یک هسته داشته باشد؟

بله. فیبرهای چند هسته ای برای مالتی پلکس کردن تقسیم فضا به کار گرفته می شوند و تا 19 هسته مستقل را در یک قطر روکش استاندارد یکپارچه می کنند. هر هسته به عنوان یک کانال تک حالته جداگانه عمل می کند و ظرفیت داده یک رشته فیبر واحد را چند برابر می کند. این فناوری یک عامل کلیدی برای کابل‌های زیردریایی کلاس پتابیت در آینده است.

چگونه هسته در طول ساخت خالص نگه داشته می شود؟

همه فرآیندهای رسوب بخار از گازهای پیش ساز درجه نیمه هادی استفاده می کنند که تا سطوح زیر میکرون فیلتر می شوند. کل ساخت پریفرم در یک محیط مهر و موم شده و بدون ذرات اتفاق می افتد و شیشه به جای ذوب شدن از مواد خام مستقیماً از بخار سنتز می شود. این رویکرد آلودگی فلزات انتقالی را به زیر محدود می کند 1 قسمت در میلیارد ، که برای رسیدن به کف تلفات 0.2 دسی بل در کیلومتر ضروری است.

را core of an optical fiber may be small — sometimes invisible to the naked eye — but its material, geometry, and index profile decide everything about how fast, how far, and how cleanly light can deliver information. As hollow‑core and multicore designs mature, the fundamental definition of what a core can be is expanding, promising networks that are faster, lower‑latency, and more energy‑efficient than ever before.