فیبر نوری پیشرفته، شبکه های ارتباطی مدرن را تغییر می دهد

فناوری فیبر نوری به سرعت در حال تکامل است و نقش محوری در عصر اطلاعات دارد.یک کلاس جدید به نام "فایبر های نوری ویژه" در حال ظهور استاین فیبر ها به عنوان نیروهای ویژه در ارتباطات نوری عمل می کنند، و عملکردهای منحصر به فرد و حیاتی در پردازش سیگنال، اتصال دستگاه و سایر کاربردهای تخصصی را انجام می دهند.چه چیزی باعث می شود که این فیبر های ویژه بسیار قابل توجه باشند؟این مقاله چندین فیبر تخصصی را بررسی می کند و اصول فنی، کاربردهای آنها و چالش های آنها را بررسی می کند.

در سیستم های انتقال نوری که توسط فیبرهای استاندارد تک حالت (SMF) تحت سلطه قرار می گیرند، پراکندگی کروماتیک یک چالش قابل توجهی است.کاهش کیفیت سیگنال و محدود کردن فاصله و سرعت انتقالفیبر جبران پراکندگی (DCF) راه حل موثری برای این مشکل فراهم می کند. ویژگی اصلی DCF ارزش پراکندگی منفی بزرگ آن در پنجره طول موج 1550nm است.که باعث جبران پراکندگی مثبت در SMF استاندارد می شود..

به طور خاص، DCF به طور معمول دارای ضریب پراکندگی حدود D ≈ -95 ps / ((nm · km) است. این بدان معنی است که حدود 14 کیلومتر DCF می تواند پراکندگی در 80 کیلومتر SMF استاندارد را جبران کند.در کاربردهای عملی، DCF معمولاً به عنوان یک ماژول جبران پراکندگی (DCM) برای ادغام سیستم آسان تر بسته بندی می شود.

در مقایسه با سایر تکنیک های جبران پراکندگی مانند شبکه های فیبر براگ (FBG) ، DCF مزایای زیادی از جمله پنجره طول موج گسترده، قابلیت اطمینان بالا،و موج بسیار کم پراکندگی همه حیاتی برای سیستم های چندگانه تقسیم طول موج (WDM)علاوه بر این، DCF می تواند برای جبران شیب پراکندگی طراحی شود، که آن را برای برنامه های کاربردی WDM طول موج گسترده ایده آل می کند.

با این حال، DCF دارای محدودیت هایی است. به دلیل مقدار محدود پراکندگی در هر واحد طول، DCF در هنگام نیاز به جبران پراکندگی کل بزرگ کاهش نسبتاً بالا را نشان می دهد. علاوه بر این،برای دستیابی به پراکندگی منفی در پنجره طول موج 1550 nm، منطقه هسته موثر DCF به طور معمول کوچک است (Aeff ≈ 15 μm2) ، حدود یک پنجم از SMF استاندارد. این منجر به اثرات غیرخطی قابل توجهی در DCF می شود.که باید هنگام طراحی دستگاه های اندازه گیری که شامل DCF هستند در نظر گرفته شود..

فیبر های یک حالت ایده آل دارای قطعات متقاطع دایره ای با دو حالت فرسوده هستند که دارای حالت های قطبی orthogonal و ثابت های تکثیر یکسان هستند.فشارهای خارجی می تواند باعث دو شکاف در فیبر شود، که باعث می شود این حالت های فرسوده ثابت های مختلف گسترش را توسعه دهند. The distribution of optical signals between these two polarization modes depends not only on the coupling conditions between the light source and the fiber but also on energy coupling between the modes during propagation—a process that is typically randomدر نتیجه، حتی پس از گسترش فقط چند متر از طریق فیبر، حالت قطبی شدن سیگنال خروجی معمولا تصادفی می شود.حالت اتصال حالت و حالت قطب بندی خروجی به اختلال های خارجی مانند تغییرات دمایی بسیار حساس هستند، تغییرات فشارهای مکانیکی، و هم خم شدن میکرو و میکرو.

برای به حداقل رساندن جفت گیری انرژی بین دو حالت قطب بندی ارتگونال، تفاوت در ثابت های انتشار آنها باید به اندازه کافی بزرگ باشد.این با ترکیب عناصر اضافی در پوشش فیبر برای اعمال فشار نامتقارن به هسته به دست می آیدبه دلیل ضریب گسترش حرارتی مواد مختلف، استرس یک طرفه می تواند در هسته در طول فرآیند کشیدن فیبر ایجاد شود.,فیبر های PM به عنوان نوع "پاندا" یا "بوتی" طبقه بندی می شوند.

مهم است که توجه داشته باشید که فیبرهای PM در اصل فیبرهای بسیار دوقطبی هستند که برای به حداقل رساندن اتصال بین حالت های قطبی orthogonal طراحی شده اند.برای یک فیبر PM برای حفظ حالت قطبی شدن یک سیگنال، قطبی شدن سیگنال ورودی باید با محور آهسته یا سریع فیبر هماهنگ شود. در غیر این صورت هر دو حالت فرسوده تحریک می شوند و با وجود حداقل اتصال انرژی بین آنها،فاز های نوری نسبی آنها هنوز تحت تاثیر اختلالات فیبر خواهد بود.، جلوگیری از حالت قطبی شدن خروجی از حفظ.

بنابراین، هنگام استفاده از فیبرهای PM در سیستم های نوری، تراز دقیق حالت قطبی شدن سیگنال ورودی بسیار مهم است. در غیر این صورت، در مورد ثبات قطبی شدن خروجی،فیبرهای PM ممکن است عملکرد کمتری نسبت به فیبرهای استاندارد تک حالت داشته باشندیک چالش دیگر با فیبرهای PM، مشکل اتصال و پیوند آنها است. هنگام اتصال دو فیبرهای PM، محور دوقطعه سازی آنها باید به طور کامل تراز شود.اشتباه تراز کردن باعث مشکلات مشابهی می شود که در قطب بندی ورودی رخ می دهداسپلایسر های فیبر PM که چرخش محور دقیق و تراز آن را فراهم می کنند، به دلیل پیچیدگی آنها می توانند پنج برابر بیشتر از اسپلایسر های فیبر معمولی هزینه کنند.

فیبر کریستالی فوتونیک (PCF) ، همچنین به عنوان فیبر باندگاپ فوتونیک شناخته می شود، یک نوع فیبر کاملا جدید با مکانیسم موج هدایت اساسا متفاوت از فیبر های معمولی است.PCF به طور معمول دارای حفره های هوایی متعدد به طور دوره ای در برش متقابل آن استمکانیسم هدایت نور PCF به اثرات رزوناسیون براگ در جهت متقابل فیبر متکی استبه این معنی که پنجره های انتقال کم ضرر آن به طور عمده به طراحی ساختار بینگاپ بستگی دارد..

PCF منطقه هسته بزرگ اجازه می دهد تا عملکرد تک حالت را در یک پنجره طول موج استثنایی گسترده (به عنوان مثال 750-1700 nm) در حالی که یک منطقه هسته بزرگ را حفظ می کند.PCF هسته بزرگ دارای پنجره های گسترده تری با ضرر کم استاگرچه پارامتر غیر خطی آن کمتر از SMF استاندارد است، اما معمولا بسیار بالاتر از PCF هسته ای است.

PCF بسیار غیرخطی، با برش متقابل هسته جامد بسیار کوچک، باعث چگالی قدرت بسیار بالا در هسته می شود. به عنوان مثال،یک PCF بسیار غیرخطی با طول موج پراکندگی صفر در λ0 = 710 nm ممکن است قطر هسته ای به اندازه 1 داشته باشد.8 μm و پارامتر غیر خطی γ > 100 W−1 km−1 ¥40 برابر بالاتر از SMF استاندارد.این نوع PCF به طور معمول در کاربردهای پردازش سیگنال نوری غیرخطی مانند تقویت پارامتریک و تولید فوق مستمر استفاده می شود..

PCF های هسته توخالی سیگنال های نوری را از طریق هسته هوا هدایت می کنند. بر خلاف موج های معمولی که به مواد دی الکتریک جامد با شاخص انشعاب بالا نیاز دارند،ساختار فوتونی پی سی اف در پوشش به عنوان یک آینه مجازی عمل می کند که امواج نور را به هسته هوا محدود می کنددر اکثر PCF های هسته ای، بیش از 95٪ از قدرت نوری از طریق هوا حرکت می کند، به حداقل رساندن تعامل بین قدرت سیگنال و مواد شیشه ای.از آنجایی که عدم خطی بودن هوا حدود سه درجه کمتر از سیلیس است، PCF هسته ای حفره ای می تواند عدم خطی بسیار پایین را نشان دهد، که آن را برای انتقال سیگنال های نوری با قدرت بالا مناسب می کند.

با این حال، PCF با دو چالش اصلی روبرو است: پنجره های انتقال نسبتا باریک (به ویژه برای PCF هسته ای،معمولاً در حدود 200 نانومتر) به دلیل اثرات رزوناسیون قوی ساختارهای دوره ای که انرژی سیگنال را در هسته هوا محدود می کنندو کاهش نسبتا بالا که عمدتاً ناشی از نقص های ساختاری است که منجر به خشکی دیواره سوراخ هوا می شود.منطقه رابط هوا / شیشه ای عظیم در PCF به این معنی است که حتی خشکی سطحی کوچک می تواند باعث از دست دادن قابل توجهی شوددر نتیجه، PCF همچنان یک نوع فیبر گران قیمت و پیشرفته است که بیشتر به وسیله متر به جای کیلومتر فروخته می شود.شکنندگی و دشواری در استفاده از آنها ناشی از سوراخ های هوا که درمان سطح را پیچیده می کند، پایان دادن، اتصال و جفت گیری، به طور گسترده ای پذیرش را محدود می کند.

اخیراً، یک نوع خاص از PCF هسته ای که به آن فیبر بدون گره های ضد صدا (HC-NANF) می گویند، برای انتقال نوری با سرعت بالا امیدوار کننده است.ساختار هسته ای HC-NANF شامل شش جفت از مواردی است که در اطراف یک هسته هوا قرار دارند.این طراحی آویزان کمک می کند تا میدان حالت را به سمت منطقه مرکزی هسته هوا فشار دهد، تعامل با مواد سیلیس را کاهش می دهد و به طور بالقوه کاهش کاهش می یابد.با طراحی مناسب ضخامت موی مویاز نظر قطر و موقعیت، پهنای باند کم ضایعات HC-NANF می تواند کل پنجره طول موج 1100-1600 nm را پوشش دهد. تکنیک های تولید بهبود یافته در حال حاضر کاهش خفیف HC-NANF را به 0 کاهش داده است.۲۸ دی سی بی/ کیلومتردرنهايت، از اونجايي که ميدان نور در هسته هوا با حداقل تعامل سيليس پخش ميشهاگر تکنیک های تولید بهبود یابد، زیان های ذاتی می تواند بسیار کمتر از الیاف معمولی هسته جامد باشد..

فیبر های هسته ای هول مزایای اضافی را ارائه می دهند: عدم خطی بودن ناچیز اجازه می دهد قدرت سیگنال بالاتر بدون نگرانی از تخریب غیر خطی،و سیگنال های نوری تقریباً ۳۰٪ سریعتر از فیبر های هسته جامد استاندارد به دلیل کاهش شاخص شکنندگی از n≈1 گسترش می یابند..47 به n≈1، کمک به کاهش تاخیر انتقال. آزمایشات انتقال WDM با سرعت بالا نشان می دهد که HC-NANF ممکن است یک جایگزین امیدوار کننده برای SMF فعلی برای سیستم ها و شبکه های نوری WDM باشد.

فیبر نوری پلاستیکی (POF) یک جایگزین ارزان قیمت ارائه می دهد که همچنین آسان برای دست زدن است. هسته های POF به طور معمول از PMMA (پلیمتیل متراکریلات) ، رزین رایج ساخته شده اند.در حالی که پوشش معمولا از پلیمر فلورینی شده با شاخص شکنندگی پایین تر از هسته تشکیل شده است. طرح های قطعی POF انعطاف پذیرتر از الیاف سیلیس هستند و اندازه های مختلف هسته و نسبت هسته / پوشش را امکان پذیر می کنند. به عنوان مثال در POF های بزرگ،95 درصد از برش می تواند هسته برای انتقال نور باشد.

تولید POF نیازی به فرآیند گران قیمت MOCVD برای فیبر های مبتنی بر سیلیس ندارد، که به کاهش هزینه ها کمک می کند. در حالی که فیبر های سیلیس بر مخابرات تسلط دارند،POF به دلیل مقرون به صرفه بودن و انعطاف پذیری خود، کاربردهای فزاینده ای را در مناطق حساس هزینه پیدا می کندهزینه های اتصال و نصب POF به ویژه کم است، که آن را برای کاربردهای فیبر به خانه جذاب می کند.

با این حال، از دست دادن انتقال POF در حدود 0.25 dB / m تقریباً سه درجه بزرگتر از فیبر سیلیس است، که انتقال نوری دور را ممنوع می کند.محدود کردن آنها به سرعت پایین، برنامه های کاربردی کوتاه مدت مانند شبکه های خانگی، ارتباطات بین المللی نوری، شبکه های خودرو، و راه حل های انعطاف پذیر نورپردازی / ابزار.