فناوری جدید، قابلیت اطمینان سیگنال فیبر نوری را افزایش می‌دهد

تصور کنید وسایل نقلیه در یک بزرگراه به تدریج در طول سفر خود قدرت را از دست می دهند و در نهایت به مقصد خود نمی رسند. ارتباطات فیبر نوری با یک چالش مشابه روبرو است - تضعیف. فیبر نوری به عنوان ستون فقرات ارتباطات مدرن، مستقیماً بر راندمان و کیفیت انتقال داده ها تأثیر می گذارد. با این حال، مانند کابل های مسی، فیبر نوری در طول انتقال، تضعیف سیگنال را تجربه می کند که منجر به از دست رفتن اطلاعات می شود. درک و رسیدگی به تضعیف فیبر برای حفظ ارتباطات پایدار و پرسرعت بسیار مهم است.

این مقاله به بررسی علل، اثرات و استراتژی های کاهش تضعیف فیبر نوری می پردازد و بینش هایی را در مورد مکانیسم های اساسی ارتباطات نوری و نحوه بهینه سازی طراحی و نگهداری شبکه ارائه می دهد.

تضعیف فیبر به از دست رفتن انرژی سیگنال های نوری در طول انتقال از طریق کابل های فیبر اشاره دارد. این تلفات به صورت کاهش توان نوری ظاهر می شود که مستقیماً بر مسافت ارتباطی و کیفیت سیگنال تأثیر می گذارد. درک انواع و عوامل تأثیرگذار تضعیف، اقدامات موثری را برای به حداقل رساندن تخریب سیگنال و افزایش عملکرد سیستم فیبر نوری امکان پذیر می کند.

تضعیف فیبر ناشی از پدیده های فیزیکی متعددی است که در ترکیب با هم کار می کنند. سه علت اصلی پراکندگی، جذب و تلفات خمشی هستند.

پراکندگی منبع اصلی تضعیف فیبر را تشکیل می دهد و 95٪ تا 97٪ از کل تلفات سیگنال را تشکیل می دهد. همانطور که نور از فیبر عبور می کند، با ساختارها و ذرات میکروسکوپی موجود در مواد فیبر تعامل می کند و باعث می شود پرتوها در جهات مختلف پراکنده شوند. این پراکندگی، برخی از سیگنال های نوری را از مسیر مورد نظر خود منحرف می کند و در نتیجه باعث از دست رفتن انرژی می شود.

پدیده پراکندگی غالب، پراکندگی ریلی است که اولین بار توسط فیزیکدان بریتانیایی لرد ریلی در اواخر قرن نوزدهم توصیف شد. پراکندگی ریلی مربوط به طول موج نور و اندازه ذرات است - طول موج های کوتاه تر راحت تر پراکنده می شوند. این توضیح می دهد که چرا آسمان آبی به نظر می رسد: طول موج های آبی نور خورشید راحت تر از طریق ذرات جوی پراکنده می شوند.

در فیبر نوری، طول موج های مادون قرمز به دلیل طول موج های بلندتر، پراکندگی کمتری را نسبت به نور مرئی تجربه می کنند و این امر آنها را برای ارتباطات نوری ایده آل می کند.

جذب معمولاً 3٪ تا 5٪ از کل تضعیف فیبر را نشان می دهد. حتی شیشه های بسیار شفاف نیز مقداری نور را جذب می کنند. سطوح جذب به نوع مواد فیبر و طول موج سیگنال بستگی دارد. مشابه نحوه جذب فرکانس های نوری خاص توسط عینک آفتابی، ناخالصی های موجود در فیبر نوری انرژی سیگنال را جذب کرده و آن را به گرما تبدیل می کنند.

آلاینده هایی مانند ذرات فلزی یا رطوبت، انتقال سیگنال را از طریق جذب انرژی مختل می کنند. به حداقل رساندن جذب به شیشه با خلوص بالا، مواد افزودنی تخصصی و حذف دقیق ناخالصی ها در طول تولید نیاز دارد.

تلفات خمشی زمانی رخ می دهد که انحنای فیبر مسیر نور را تغییر می دهد و از رسیدن برخی از سیگنال ها به شرایط انعکاس داخلی کامل جلوگیری می کند. این باعث می شود نور از فیبر خارج شود و در نتیجه باعث از دست رفتن انرژی می شود. تلفات خمشی به دو صورت وجود دارد: میکرو خمشی و ماکرو خمشی.

• تلفات میکرو خمشی: تغییر شکل های نامحسوس در مقیاس های کوچک (شعاع خمشی زیر 1 سانتی متر) ناشی از نوسانات دما، فشار یا تنش مکانیکی. این خمیدگی های میکروسکوپی نور را پراکنده می کنند و کیفیت انتقال را کاهش می دهند. اگرچه برای چشم غیر مسلح نامرئی هستند، اما میکرو خمیدگی ها زاویه تابش نور را تغییر می دهند و باعث می شوند حالت های مرتبه بالاتر در زوایایی منعکس شوند که از انتشار مداوم جلوگیری می کند و منجر به جذب غلاف می شود.
• تلفات ماکرو خمشی: خمیدگی های بزرگ مقیاس قابل مشاهده (شعاع بیش از 1 سانتی متر) ناشی از تغییرات قابل توجه دما، تغییرات فشار یا تنش مکانیکی مانند خم شدن یا کشش کابل. مشابه میکرو خمیدگی اما با شعاع های بزرگتر، ماکرو خمیدگی ها زوایای تابش را به اندازه کافی تغییر می دهند که مقداری نور در خارج از هسته فیبر منعکس می شود و توسط غلاف جذب می شود.

طراحی کابل های تخصصی و تکنیک های نصب، اثرات خم شدن را به حداقل می رساند، از جمله اقدامات حفاظتی مانند گیره های کابل یا سینی ها برای محافظت از فیبرها در برابر تنش های خارجی.

تضعیف بر حسب دسی بل در هر کیلومتر (dB/km) اندازه گیری می شود که برای طول های کابل خاص به مقادیر تلفات (بر حسب دسی بل) قابل تبدیل است.

• تأثیر طول موج: طول موج های کوتاه تر جذب بالاتری را تجربه می کنند و باعث می شود تضعیف فیبر تک حالته در طول های مساوی کمتر از فیبر چند حالته باشد.
• تأثیر طول: فیبرهای بلندتر از پراکندگی و جذب، تلفات انرژی بیشتری را متحمل می شوند. فیبر تک حالته تضعیف کمتری را نسبت به چند حالته در فواصل یکسان حفظ می کند.
• تأثیر محیطی: تضعیف با دما کمی افزایش می یابد اما با رطوبت کاهش می یابد، زمانی که هسته های کابل خشک بمانند.
• تأثیر ساختار فیبر: مراکز کابل در محاسبات، تضعیف بالاتری را نسبت به لبه ها نشان می دهند.

فیبرهای تک حالته و چند حالته ویژگی های تضعیف متمایزی را نشان می دهند. در حالی که فیبر چند حالته تلفات بیشتری را نسبت به تک حالته در طول های مساوی نشان می دهد، در کاربردهای مسافت طولانی (بیش از 100 متر)، تضعیف چند حالته در فواصل بهینه مربوطه آنها در مقایسه با تک حالته کمتر می شود.

تضعیف یک ملاحظه مهم در طراحی و استقرار شبکه فیبر است که مسافت های انتقال حداکثری را قبل از نیاز به تقویت یا بازسازی سیگنال تعیین می کند. به حداقل رساندن تضعیف شامل استفاده از کابل ها و اجزای فیبر با کیفیت بالا است که معمولاً در داخل روکش های محافظ نصب می شوند تا اثرات محیطی ناشی از دما و رطوبت را کاهش دهند. درک جامع تضعیف فیبر، برنامه ریزی بهتر شبکه را امکان پذیر می کند.

در حالی که تضعیف فیبر در ارتباطات نوری اجتناب ناپذیر است، درک کامل علل و عوامل تأثیرگذار آن، استراتژی های کاهش موثر را برای افزایش عملکرد سیستم امکان پذیر می کند. انتخاب طول موج های بهینه، استفاده از مواد با کیفیت بالا، بهینه سازی طراحی و نصب کابل و کنترل شرایط محیطی، همگی به کاهش تضعیف کمک می کنند. تنها با تسلط بر اصول تضعیف می توانیم شبکه های فیبر نوری پایدار و قابل اعتمادی بسازیم که اساس جامعه اطلاعاتی مدرن را تشکیل می دهند.