ساختار فیزیکی فیبر نوری

معمولا 6 تا 12 تعداد تار نوری درون یک کابل قرار می گیرند. اساس کار فیبرنوری بر اساس بازتاب کلی شکل می گیرد. به فیزیک اول دبیرستان باز می‌گردیم،  فصل نور. در آنجا خواندید وقتی نور از محیطی با ضریب شکست بالا وارد محیطی با ضریب شکست پایین می‌شود، زاویه پرتو با خط عمود بر سطح افزایش می‌یابد. این افزایش می‌تواند سه حالت کلی داشته باشد. اول اینکه پرتو در نهایت به محیط دوم راه پیدا کند. دوم اینکه پرتو مماس بر دو سطح (زاویه حد) قرار بگیرد. سوم اینکه زاویه تابش پرتو از زاویه حد بیشتر شود که در این صورت پرتو دوباره به داخل محیط اولیه بازتابش می‌شود. فیبر نوری از حالت سوم بهره می‌گیرد و بدین ترتیب امواج در داخل آن منتشر می‌شوند تا به گیرنده برسند.
 

اگر فیبر نوری را برش عرضی بزنیم متوجه ساختار سه لایه آن می شویم. این سه لایه به ترتیب از درون به بیرون برابرند با:

 

هسته و غلاف از ماده ای شفاف مانند شیشه و از جنس سیلیکون ساخته می شوند.هسته و غلاف خواص نوری متفاوتی دارند و از ضریب شکست های مختلفی بهره می گیرند. در ادامه خواهیم گفت که فیبر نوری خود به دو دسته کلی تقسیم می شود و بسته به نوعی که در آن قرار داریم، خواص غلاف و هسته متفاوت خواهد بود و همین تفاوت است که موجب شکل گیری انواع فیبرهای نوری می شود و کاربردهای متفاوتی را برای ما به ارمغان می آورد.

 

قانون کلی در میزان ضریب شکست هسته و غلاف وجود دارد و آن این است که ضریب شکست غلاف از هسته بیشتر است. اما بسته به ضخامت و نحوه انتشار نور، فیبر نوری را می توان به دو دسته زیر تقسیم کرد:

 

خود فیبرهای چند مدی به دو دسته زیر تقسیم می شوند:

* فیبرهای نوری با ضریب شکست پله ای / Step-Index

* فیبرهای نوری با ضریب شکست تدریجی / Graded-Index

 

در فیبرهای نوری، اگر نور وارد شده در زوایای مختلف بازتاب کلی پیدا کند و به این صورت به گیرنده برسد، می گوییم انتشار، انتشار چند مرحله ای یا چند مدی است. در این نوع انتشار از آنجایی که اشعه ها از مسیرهای مختلفی عبور می کنند، با تاخیرهای متفاوتی به گیرنده می رسند.

 

در این فیبر نوری، ضریب شکست هسته در تمامی نقاط یکسان بوده ولی در مرز خسته و غلاف با تغییرات ناگهانی رو به رو می شود. در این مرز ضریب شکست هسته به غلاف تغییر می کند و نور بازتاب کلی می کند. اشکال این روش همان تاخیرهای متفاوت در گیرنده است. اگر یک پالس نوری وارد فیبری از نوع شکست پله ای شود، پالس خروجی پهن شده و سبب محدود شدن نرخ بیتی می شود. پهن شدن پالس خروجی بدین معناست که صفر و یک ها در هم ادغام می شوند و شناسایی و تفکیک آنها از یکدیگر دشوار می شود.

 

در این نوع فیبر نوری بر خلاف نمونه قبلی، هرچه از هسته فیبر فاصله می گیریم، ضریب شکست به صورت تدریجی زیاد می شود. به طوری که مرکز فیبر و هسته دارای بیشترین میزان ضریب شکست بوده و هر چه از آن دورتر می شویم و به مرز مشترک میان غلاف و هسته می رسیم، ضریب شکست کمتر می شود. بنابراین اشعه نور ورودی دفعتا بازتاب نمی شود بلکه به دلیل تغییر تدریجی ضریب شکست، تدریجا شکست پیدا می کند. حرکت منحنی وار در این نوع انتشار، سبب می شود که طول مسیر اشعه های مختلف به هم نزدیک تر شود و اشعه ها با هم به گیرنده برسند.
 

این فیبر در مقایسه با فیبرهای نوری چند مدی قطر کوچک تری دارد. در این نوع فیبر تنها یک زاویه یا مد انتشار می یابد که همان اشعه محوری یا شعاع نوری است که به صورت افقی جا به جا می شود.

از فیبرهای نوری تک مدی در مسیرهای طولانی استفاده می شود. بر خلاف فیبرهای چند مدی با تاخیرهای مختلف در گیرنده رو به رو نیستیم، پالس های نوری پهن نمی شوند بنابراین می توانیم نرخ بیتی بالاتری را ارسال کنیم.