فیبرهای چند-مدی
-
فیبرهای چند-مدی[1]

تعریف: فیبرهایی که در جهت قطبش از بیش از یک مد هدایت­ شده پشتیبانی می­کنند.
فیبرهای چند-مدی، فیبرهای نوری هستند که از چندین مد متقاطع هدایت شده در یک فرکانس و قطبش نور پشتیبانی می­کنند. تعداد مدهای هدایت­ شده توسط طول ‌موج و نمودار ضریب شکست تعیین می­شود. در فیبرهایی، با ضریب شکست پله ­ای، شعاع مغزی و گشودگی عددی، عدد V را تعیین می­کنند. وقتی مقدار V بزرگ است، تعداد مدها با توان دو V متناسب است. مخصوصا در فیبرهایی که مغزی نسبتا بزرگی دارند، (تصویر سمت راست شکل 1) تعداد مدها می­تواند بسیار زیاد باشد. چنین فیبرهایی پرتوهای کم کیفیت را هدایت می‌کنند. یعنی می­توانند با یک آرایة دیودی پرتوان یک‌پارچه شوند. اما برای حفظ کیفیت پرتوی منبع نوری با درخشندگی بالا، حتی اگر عملیات تصویر کردن پرتو دشوارتر گردد، بهتر است که از فیبر با مغزی نازک­تر و گشودگی عددی متعادل­تری استفاده شود.
 
شکل 1- در سمت چپ یک فیبر تک-مد دیده می­شود که قطر مغزی آن در مقایسه با غلاف، بسیار کوچک است درحالیکه فیبر چند-مدی سمت راست مغزی قطورتری دارد.
 
در مقایسه با فیبرهای تک-مد، معمولا فیبرهای چند-مدی نه تنها مغزی قطورتری دارند بلکه عموما دارای گشودگی عددی بزرگ‌تری، در حدود 2/0 تا 3/0 هستند. گشودگی عددی بزرگ‌تر منجر به هدایت مقاوم­تری حتی در خمش زیاد می­شود. اما این خصوصیت وقتی که فیبر تحت خمش نیست، افت انتشار زیادی را به دنبال خواهد داشت. همان‌طور که بی­نظمی در حد واسط مغزی و غلاف موجب پراکندگی نور خواهد شد. نمایة ضریب شکست معمولا مستطیل است، مثل فیبرهای با ضریب شکست پله ­ای، اما در مواردی هم سهمی­گون[2] می­شود.
از مشخصات اصلی فیبرهای چند-مدی می­توان به قطر مغزی و قطر خارجی آنها اشاره کرد. انواع متداول فیبرهای نوری مخابراتی 50/125 میکرون و 5/62 /125 میکرون هستند که 50 و 5/62 میکرون به ترتیب قطر مغزی و 125 میکرون قطر خارجی غلاف آنهاست. چنین فیبرهایی از عبور صدها مد هدایت شده، پشتیبانی می‌کنند. البته فیبرهای بزرگتری هم هستند که قطر مغزی آنها به چند صد میکرون می­رسد.
در مقایسه با فیبرهای تک-مد، فرستادن نور به فیبرهای چند-مدی نسبتا ساده است چون دامنه تغییرات مکان و زاویه انتشار نور در آنها بزرگ‌تر است. به بیان دیگر، هم ‌گرایی فضایی خروجی فیبر کاهش می‌یابد و الگوی میدان خروجی به سختی قابل کنترل می­باشد. دلیل این پدیده، در زیر توضیح داده می­شود.

شکل 2 نمایة شدت میدان الکتریکی مدهای هدایت شدة یک طول‌موج خاص را در فیبری با ضریب شکست پله ‌ای، نشان می­دهد. مد اصلیLP01 با توزیع تقریبی شدت گوسی و مدهای درجه بالا با نمایة­ فضایی پیچیده ­تر در شکل دیده می­شود. هر مد، مقدار β متفاوتی دارد. هر میدان توزیع هدایت شده می­تواند مربوط به بر­هم ­نهش مدهای هدایت شده باشد.
توزیع میدان الکتریکی کل در فیبرهای چند-مدی از بر­هم­ نهش توزیع مدهای مختلف بدست می­ آید. نمایة شدت آن نه فقط به توان نوری، در همه مدهای وابسته است، بلکه به فازهای نسبی هم بستگی دارد و می­تواند اثر سازنده یا مخرب مدهای مختلف در مکان­های خاص فیبر باشد. توان و فاز نور در ابتدا از شرایط فرستادن نور در فیبر تعیین می­شود و فازهای نسبی و در نتیجه شرایط تداخل به علت وجود ثوابت انتشار وابسته به مد، بیشتر رشد می­کند. بنابراین الگوی پیچیده شدت همیشه تغییر می­کند. باید خاطر نشان کرد که تغییرات قابل ‌توجه در طول انتشار کمتر از 1 میلی‌متر رخ می­دهد. البته با هر بهبودی که در شرایط فرستادن نور در فیبر، کشش و خمش فیبر، تغییر طول ‌موج نور و دمای فیبر، صورت پذیرد، فازهای نسبی، تغییر می­کنند.
شکل 3، در قالب تصاویر متحرک، توزیع شدت در انتهای فیبر چند-مدی را نشان می­دهد که با تغییر مکان پرتوی ورودی تغییر می­کند.

 
شکل 2- نمایة شدت میدان الکتریکی همة مدهای هدایت شده در فیبرهای نوری. معمولا نوری که درون فیبرهای چند-مدی فرستاده می­شود، برهم­ نهی مدهای متفاوت را تحریک می­کند. این نمودار توسط نرم‌افزار RP Fiber Power ایجاد شده است.

شکل 3- نمایة شدت در انتهای فیبر چند-مدی. پرتوی گوسی ورودی، در امتداد خط افقی (کمی بالاتر از مرکز مغزی فیبر) پایش شده است. این مدل از نرم‌افزار RP Fiber Power بدست آمده است و جزئیات بیشتر آن در مقاله‌ ای جداگانه توصیف می­شود.
 
وقتی پهنای باند نور زیاد است، مثل منبع نور سفید، اگر شدت‌ها، با اجزاء طیفی مختلف، داده ­برداری نشوند، الگوهای پیچیدة شدت، مشاهده نمی­شود. این پدیده به این خاطر است که شکل الگوی شدت برای هر مولفة طول ‌موج، متفاوت است بطوریکه از طول‌ موج‌های مختلف، از نظر زمانی متوسط­گیری می­شود. فیبر بلندتر، پهنای باند نوری کمتری را برای رسیدن به این میانگین نیاز دارد.
 
کیفیت پرتوی مورد نیاز برای فرستادن نور به فیبر چندمدی
فرستادن نور در فیبرهای چند-مدی در مقایسه با فیبرهای تک-مد، آسان‌تر است. مخصوصا وقتی که فیبر از مدهای هدایت شدة بیشتری پشتیبانی کند، سهولت کار بیشتر خواهد شد. برای اینکه فرستادن نور در فیبر کارا باشد، دو شرط زیر باید انجام پذیرد:

  • نور ورودی باید لزوماً به مغزی فیبر برخورد کند و نه به غلاف آن.
  • نور ورودی نباید حاوی مقادیر قابل‌توجهی توان منتشره با زاویه بزرگ‌تر از آرک ­سینوس گشودگی عددی باشد.
اگر مولفه M2 نور ورودی بقدر کافی کوچک باشد، امکان اینکه این دو شرط هم زمان برقرار باشد، وجود دارد. حداکثر مقدار مولفه M2 برای ارسال موثر پرتویی با نمایة فوق‌ گوسی[3] از فرمول زیر قابل تخمین است:
این گزاره وقتی برقرار است که هم نمایة فضایی پرتو و هم توزیع زاویه ­ای (نمایة فضای فوریه) برای ارسال به درون فیبر به خوبی با یک نوع از شکل فوق-گوسی منطبق باشد. در توزیع گوسی مولفه M2 باید تا حدی کوچک­تر باشد. برای اطلاعات بیشتر به مرجع شماره مراجعه شود.
 
فیبرهای چند-مدی برای انتقال نور لیزر
فیبرهای چند-مدی برای انتقال نور از یک منبع لیزر به محل مورد نیاز استفاده می­شود. مخصوصا وقتی که منبع لیزر کیفیت پرتوی کمی دارد و یا وقتی که توان نوری زیاد است و به مغزی ­ای با سطح مقطع بزرگ نیاز دارد، از فیبرهای چند-مدی استفاده می­شود. به عنوان مثال نوری که از لیزرهای پرتوان گوناگون به محل جوش یا برش هدایت می­شود، می­تواند از طریق فیبر به سر خروجی لیزر در بازوی متحرک ربات انتقال یابد. از آنجاییکه کیفیت پرتوی لیزرهای پرتوان آرایه­ ای یا استک[4] دور از حد پراش است، خروجی آنها را به فیبرهای چند–مدی متصل می­کنند. اتصال به فیبر این مزیت را دارد که اجازه می­دهد دیودهای پمپ و متعلقات خنک ‌ساز آنها از سر لیزر جدا باشد، اما لیزرهای دیودی متصل به فیبر، گران هستند، به شکل دهنده پرتو وابسته ‌اند و تلفات قابل توجهی در درخشندگی ایجاد می­کنند.
در چنین کاربردهایی، تعداد مدهای هدایت شده نباید بیشتر از تعداد لازم برای ارسال موثر به درون فیبر باشد. زیرا در غیر این­ صورت ممکن است پرتو لیزر در تعداد زیادی مد توزیع شده و کیفیت پرتو و درخشندگی را کاهش دهد.
در آزمایش، از یک فیبر ساده که نمایة ضریب شکست آن پله­ ای می‌باشد، استفاده می­شود. گشودگی عددی آن اغلب ثابت و در حدود 22/0 و قطر مغزی، بسته به کیفیت پرتو منبع نور انتخاب می­شود. مقادیر متداول قطر مغزی 50 ،100، 200، 400، 600 و 800 میکرون است.
 
فیبرهای چند-مدی برای مخابرات نوری
وقتی بعد مسافت کوتاه است، فیبرهای چند-مدی، نسبت به فیبرهای تک-مد، بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرند. علت را باید در منابع نوری و اتصالات آنها جستجو کرد. برای استفاده از فیبرهای چند-مدی از منابع نوری ساده ­تر مثل LEDها استفاده می­شود. به همین ترتیب تنظیمات ساده­ تر و در نتیجه اتصالات ساده ­تری نیز بکار گرفته میشود. پدیده پراکندگی درون‌ مدی[5]، عامل محدودکنندة نرخ اطلاعات و فاصله ارسال در چنین فیبرهایی است. سرعت گروه[6] به مد منتشر شده، بستگی دارد، بنابراین پالس­های بسیار کوتاه در فیبرهای چند-مدی به پالس­های مختلف، تفکیک شده و در زمان‌های متفاوت می‌رسند، این پدیده شکل پالس را تغییر می‌دهد. برای کاهش این پدیده از فیبرهای چند-مدی، با نمایة ضریب شکست سهمی ­گون، استفاده می­شود (فیبرهای با ضریب‌شکست تدریجی، شکل 4) بنابراین محصولی با طول پهنای باند بسیار بزرگ بدست می ­آید. اما به هر حال نواقص غیر قابل اجتنابی هنوز باقی هستند. استانداردهای ایزو مثل OM1، OM2 و OM3 به توصیف کمی سطح باقیمانده پراکندگی درون ‌مدی می­پردازد. طبق گزارشات، حداکثر کارایی با استاندارد OM3 و با لیزر فیبری بهبود یافته 50/125 میکرون که نمایة ضریب ‌شکست آن به خوبی قابل کنترل است، بدست آمده است. بدین ترتیب فرستنده ­ای حاصل می­شود که بطور معمول دارای VCSEL850 نانومتری است.
 
شکل 4- نمایة سهمی­ گون فیبر چند-مدی با ضریب ‌شکست تدریجی. اگرچه در این تصویر دیده نمی­شود ولی بارها در مرکز این نمایه، افت کوچکی دیده شده است.
 
وقتی بعد مسافت بلند می­شود، استفاده از فیبرهای تک-مد ارجحیت می­یابد. فیبرها با پدیدة پراکندگی درون ‌مدی مواجه نمی­شوند و البته هزینه چنین سیستم‌هایی بسیار بالا خواهد بود.
اتحادیه بین­المللی ارتباطات (ITU)[7] استانداردهای متعددی را برای انواع مختلف فیبرهای نوری مخابراتی توسعه داده است که برای فیبرهای چند-مدی به شرح زیر است:

نام عنوان
G.651 (02/98) مشخصات کابل فیبر نوری چند-مدی ضریب‌شکست تدریجی، 50/125 میکرون،
G.651.1 (07/07) مشخصات کابل فیبر نوری چند-مدی ضریب‌شکست تدریجی، 50/125 میکرون، برای دست‌رسی به شبکة نوری (قبلا منتشر شده)
 
 
فیبرهای چند-مدی فعال
برخی از تقویت ‌کننده ­های پرتوان بر اساس فیبرهای چند-مدی ساخته می­شوند زیرا این ‌گونه فیبرها گسترة مدی بزرگ‌تری دارند[8]. در این فیبرها مدهای هدایت شدة کمی وجود دارد، یعنی در مقایسه با دیگر فیبرهای چند-مدی، مغزی نسبتاً کوچک‌تری دارند. با این مزیت می‌توان، خروجی نزدیک به حد پراش بدست آورد. این امر بواسطه رخداد دو روال زیر است: فرستادن سیگنال نور ورودی به مد اصلی و کمینه کردن تبدیل مدی.
 
مواد و ساخت
مواد مختلفی در ساخت فیبر چند-مدی استفاده می­شود. متداول­ ترین فیبرهای شیشه ‌ای چند مدی، فیبرهای سیلیکایی هستند. در فیبرهای سیلیکایی، مغزی از سیلیکای خالص[9] ساخته شده و با ناحیه‌ ای که به مواد کم ‌کنندة ضریب ‌شکست (مانند فلورین[10]) آلاییده شده، احاطه می‌گردد. همچنین، مغزی نیز می‌تواند به موادی مثل ژرمانیا[11] آلاییده شود، تا ضریب ‌شکست آن افزایش یابد. بخصوص در فیبرهایی که مغزی بزرگی دارند، روش رسوب خارجی پلاسما(POD) [12]، امکان ساخت موثر غلاف‌های فشرده فلورین­ دار فراهم می‌کند. این غلاف‌ها دورتادور مغزیهایی­ از سیلیکای خالص تشکیل می­شوند.
مواد دیگری مثل شیشه ­های فلوراید، شیشه­ های کالگوژنی[13] و پلیمرها[14] هم وجود دارند که برای هدایت نور با طول‌ موج های بزرگ‌تر مناسب هستند. البته بکارگیری آنها مستلزم توسعه روش‌های ساخت و تولید است.
یک راه دیگر استفاده از فیبرهای بلور فوتونی[15] است. در این روش فیبر می‌تواند از شیشه ­های مختلفی ساخته شود و هوا غلاف آن به حساب مي ‌آيد و به طبع آن گشودگی عددی بسيار بزرگی حاصل می‌شود.



[1]Multimode Fibers
[2]Parabolic
[3]Super-Gaussian
[4]Stack
[5]Intermodal dispersion
[6]Group velocity
[7]International Telecommunications Union
[8]Large mode area fibers
[9]Pure silica
[10]Fluorine
[11]Germania
[12]Plasma outside deposition (POD)
[13]Chalcogenide
[14]Polymer optical fiber, POF
[15]PCF

1395/10/14