دانلود تحقیق مولدها

هر اتم از یک باند ظرفیت و یک باند هدایت تشکیل شده است.

بعد از باند ظرفیت اتم، باند هدایت قرار گرفته است که در حالت عادی خالی است.

الکترونهای باند ظرفیت با گرفتن انرژی کافی به ممانه هدایت رفته یک جفت الکترون حفره ایجاد می‌کنند.

حال اگر الکترونها در معرض تغییرات انرژی کافی در اثر بایار مناسب قرار گیرند.

الکترونها دوباره از باند ممنوعه پرش کرده و به باند مجاور می رود و هنگام این پرش از باند ممنوعه مقداری انرژی از دست می دهند و این اتلاف انرژی همراه با تشعشع به همراه مقداری انرژی مشخص است.

این مکانیزم مدارهای نوری مورد استفاده قرار می گیرد.

2-1- مولدهای نوری
دو نوع ابزار مولد نور مورد استفاده قرار می گیرند که LEDها و لیزرها هستند.

LEDها و لیزرها دو تفاوت اساسی دارند.

1- LED یک ابزار نیمه هادی است که با استفاده از یک فرآیند تبدیل توان به شکل جریان ورودی و فوتون خروجی، نور ساطع می کند در حالیکه لیزر یک ابزار مولد تشدید در حفره است که ممکن است به عنوان واسطه فعال خود، از یک گاز، یک مایع یا یک جسم جامد استفاده کند و به عنوان محصول فرآ‌یند افزایش شار فوتونی نور ساطع نماید.

2- LED نوری با باند عریض ساطع می کند که در آن فوتونها مستقیماً وابسته به فاز نیستند در حالیکه لیزر یک نوع نوری با باند باریک ساطع می کند که در آن فوتونهای تابشی یا فوتونهای مولد همفازند و به همین جهت نور laser برخلاف LED می تواند در یک نقطه دور و بسیار کوچک متمرکز شود و در نتیجه در محل تمرکز نور چگالی توان بسیار بالایی داشته باشد.

در حال حاضر دیودهای نور گسیل نسبت به laser دارای اشکالات بیشتری است از جمله:
الف- قدرت نوی پایین تر
ب- پهنای باند مدولاسیون نسبتاً کوچکی دارند (کمتر از MHZ50)
ج- انحراف هارمونیکی دارند
با وجود اشکالات فوق دیودهای نور گسیل مزایایی دارند که کا ربرد آنها را در مخابرات نوری بسیار برجسته کرده است که عبارتند از:
الف- ساخت ساده تر در آن هیچ تراش منعکس کننده ای وجود ندارد و در بعضی از انواع ساختاری آن Striped Geometry وجود ندارد.

ب- هزینه کمتر بخاطر ساختار ساده تر
ج- وابستگی دمایی کمتر آن.

مشخصات خروجی نور در مقابل جریان آن نسبت به مشخصات لیزر کمتر تحت تاثیر قرار می گیرد و مسائل مربوط به پایداری جریان آستانه و جبران حرارتی را ندارد.

د- خطی بودن.

یک دیود نور گسیل دارای خروجی نوری خطی در قبال مشخصات جریان می باشد (برخلاف لیزر اتصالی) که این امر در مواردی که مدولاسیون آنالوگ مورد نظر است، سودمند است.

3-1- کارایی دیودهای نور گسیل
عدم وجود تقویت نوری از طریق نشر تحریک شده در دیود نور گسیل، سبب محدود شدن کارائی کمی درونی دیود (نسبت فوتونهای تولید شده به الکترونهای تزریق شده) می گردد.

تکیه بر نشر خودبخودی، بدلیل وجود نقص ها و ناخالصی ها اجازه جا گرفتن ترکیبات مجدد غیر تابشی را درون ساختار می دهد و در نتیجه در بهترین حالت، کارایی داخل 50% را برای دستگاههای ساده ای با اتصال Homojvnetion را می دهد اگرچه کارایی کمی درونی می تواند بطور نسبی بالا باشد، ولی شکل نامبرده برای دیود نور گسیلی که از طریق یک سطح مسطح منتشر می شود ضرورتاً به صورت Lambertion می باشد چرا که تشعشع سطحی قدرت تابیده شده از یک فضای واحد به یک زاویه سه بعدی در تمام جهات ثابت می باشد.

توزیع شدت Lambertion در شکل 1-1 نشان داده شده است.

J0 شدت ماکزیمم بر سطح مسطح عمودی می باشد ولی به طرفین کاهش می یابد (متناسب با کسینوس زاویه تصویر 5) این مساله بهره قدرت خروجی را به میزان چند درصد کاهش می دهد.

بهره قدرت خروجی ، به عنوان نسبت قدرت نوری منتشر شده خروجی Pe، به قدرت الکتریکی تامین شده برای دستگاه، P، می باشد که می توان آن را بصورت زیر نوشت:

شکل
همچنین قدرت نوری منتشر شده (Pe) به درون محیطی با مشخصه انکسار پایین، n، از سطح یک دیود نور گسیل مسطح ساخته شده از موادی با مشخصه انکسار nx، تقریباً بصورت زیر داده می شود:

که در این رابطه Pint قدرت تولید شده داخلی و F فاکتور انتقال از سطح مشترک نیمه هادی- خروجی، می باشد.

از این رو تخمین زدن درصد قدرت نوری منتشر شده، ممکن می باشد.

موقعی که خروجی نور به یک فیبر متصل می گردد، اتلاف بیشتری به وجود می‌آید.

اگر برای فیبری با مشخصه پله ای فرض شود که تمام نور به انتهای فیبر، درون زاویه قابل قبول تزویج می شود، در محیط هوا معادله زیر برقرار می گردد.

یعنی زاویه با مقدار NA (روزنه عددی) برابر خواهد بود.

نور در زوایایی بزرگتر از تزویج نخواهد شد.

برای یک منبع Lambertion شدت تابش در یک زاویه ، بصورت زیر داده که در شکل 1-1 نشان داده می شود (I0 شدت تابش در راستای خط می باشد).

منبعی که از هسته فیبر کوچکتر باشد و در مجاورت و نزدیکی آن قرار گیرد، ضریب تزویج آن بصورت زیر برحسب مختصات استوانه ای داده می شود.

(4-1) با جایگذاری رابطه در معادله 4-1 خواهیم داشت: معادله فوق برای ضریب تزویج، اجازه تخمین زدن درصد قدرت نوری تزویج شده به فیبری با مشخصه پله ای نسبت به میزان قدرت نوری منتشر شده از دیود نور گسیل را می دهد.

4-1- قدرت نوری خروجی قدرت خروجی نوری ایده ال در قبال مشخصه جریان برای یک دیود گسیل در شکل 10-1 نشان داده شده است در عمل دیودهای نور گسیل خصوصیات غیر خطی عمده ای را بسته به ساختار مورد استفاده، ارائه می دهند بنابراین استفاده از برخی تکنیکهای خطی کردن مدار ضروری می باشد این عمل برای اطمینان از عملکرد خطی دیود در سیستم انتقال آنالوگ می باشد.

شکلهای (a,b11-1) خروجی نور را در ازاء جریانهای مختلف برای انتشار دهنده های مسطح و اریب به ترتیب نشان می دهد.

نکته قابل توجه آن است که انتشار دهنده مسطح به طور قابل توجهی قدرت نوری بیشتری را نسبت به انتشار دهنده اریب، بدون هوا منتشر می سازد.

5-1- انواع دیودهای نور گسیل ساختارهای متفاوتی برای دیودهای نور گسیل وجود دارد که کاربرد وسیعی در مخابرات نوری پیدا کرده اند از جمله دیودهای نور گسیل مسطح، اریب، گنبدی و Burrus.

1-5-1- دیود نور گسیل مسطح این دیود ساختمان بسیار ساده ای دارد و بوسیله مراحل LPE، UPE بر روی یک سطح GaAS ساخته می شود و با این عمل یک لایه نوع P به درون لایه زیرین نوع n متصل می شود.

جریان جلو رونده جاری شده از طریق محل اتصال، نشر خودبخودی Lambertion را نتیجه می دهد و نور از تمام سطوح دیود منتشر می گردد.

اگرچه فقط بخش محدودی از نور می تواند از داخل ساختمان دیود (به دلیل انکسار داخلی کلی) خارج شود، بنابراین تشعشع بسیار پایین می باشد.

2-5-1- دیود گنبدی شکل ساختار یک دیود نور گسیل گنبدی در زیر نشان داده شده است یک نیم کره نوع N، GaAS بدور یک ناحیه نوع P کشیده شده است قطر گنبد به گونه ای انتخاب می‌شود که میزان نشر داخلی ای را که به درون زاویه بحرانی سطح مشترک GaAS هوا می رسد، ماکزیمم می شود.

از اینرو این نوع دیود نور گسیل دارای ضریب قدرت خروجی بیشتری نسبت به دیود نور گسیل مسطح می باشد.

با این وجود هنسده ساختاری این دیود به گونه ای است که سطح گنبد بسیار بزرگتر از سطح ترکیب مجدد اکتیو می باشد که این امر فضای نشر موثر بزرگتری را ارائه می دهد و در نتیجه میزان تشعشع کاهش می یابد.

3-5-1- دیود نور گسیل منتشر کننده اریب این دیود که در زیر نشان داده شده است نشر کننده اریب DH با ساختار هندسی راه راه می باشد که در مخابرات نوری برای تشعشع زیاد مورد استفاده قرار می گیرد.

لایه های نگه دار شفاف به همراه یک لایه فعال فیلی نازک (50 تا 100 میکرومتر) به منظور پخش نمودن نور تولید شده در لایه های فعال، بدرون لایه های نگه دار شفاف و کاهش دادن خود جذبی در لایه های فعال، در ساختار دیود نور گسیل قرار داده شده اند.

4-5-1- دیود نور گسیل با امیتر سطحی یک روش برای دسترسی به تشعشع بالا، محدود کردن تشعشع به یک ناحیه فعال کوچک درون دیود نور گسیل می باشد این تکنیک بوسیله Burrus و Dawson ابداع شده است.

اساس کار استفاده از یک Etched Well در یک لایه زیرین GaAS به منظور جلوگیری از جذب شدید تشعشع منتشر شده در دیودهای نور گسیل با ساختار مشابه، و تطبیق فیزیکی به فیبر بود.

این ساختار دارای امپدانس حرارتی پایینی در ناحیه فعال می باشد در نتیجه چگالی جریان بالایی دارد و نشر تشعشعی بالا را به فیبر نوری ارائه می دهد.

ساختار یک امیتر سطحی با تابش بالا برای باند طول موجی در شکل 5-1 نشان داده شده است.

جذب داخلی در این دیود نور گسیل در اثر لایه‌های محدود کننده Gardland بزرگتر، خیلی کمتر می باشد.

قدرت تزویج شده به یک فیبر با مشخصه پله ای بصورت زیر تخمین زده می شود.

(6-1) که r ضریب انکسار در سطح فیبر، A سطح مقطع کوچکتر فیبر (ناحیه نشر منبع) و RD تشعشع منبع می باشد البته این قدرت تزویج شده به فاکتورهای زیاد دیگری مثل فاصله، تعادل و تساوی بین ناحیه نشر و فیبر، خصوصاً ناحیه نشر دیود و محیط بین نشر و فیبر وابسته است.

به همین جهت امیترهای سطحی اغلب قدرت نوری بیشتری نسبت به میزان پیش بینی شده در معادله 6-1 را دارند.

چکیده در مدار مورد نظر، ابتدا صورت به روش مدولاسیون فرکانس حول فرکا نس KHZ25، مدوله می شود و سپس بوسیله خط انتقال فیبر نوری ارسال می شود.

در گیرنده نیز پس از آشکارسازی و بازسازی سیگنال فرستاده شده، با بهره گیری از سیستم حلقه قفل فاز، سیگنال صوت بازیابی و تقویت می شود.

به علت محدودیت کار دیودهای فرستنده و گیرنده بازدهی کار در فرکانسهای بالاتر از KHZ25 کاهش می یابد.

فصل دوم آشکارسازهای نوری 1-2- مقدمه آشکار ساز نوری در یک سیستم به عنوان حساسترین قسمت مدار می باشد زیرا اگر دریافت سیگنال به درستی صورت نگیرد عملکرد مدار دچار اختلال می گردد و لذا این قسمت عملکرد تمام مدار را تحت شعاع ق رار می دهد.

آشکارسازها باید فاکتورهایی را دارا باشند که کیفیت آنها را تضمین می کند.

الف- برای تولید دوباره شکل موج سیگنال دریافت شده، مخصوصاً در انتقال آنالوگ پاسخ آشکارساز نوری باید با توجه به سیگنال نوری در یک رنج نسبتاً وسیعی خطی باشد.

ب- زمان کوتاه پاسخ به منظور مشاهده پهناب باند مناسب.

امروزه به سرعتهای تا چندین مگاهرتز دست یافته اند و در آینده فیبرهای تک مدی حتی در چندین گیگاهرتز عمل خواهند کرد.

ج- کمترین نویز: جریانهای نشتی و جریانهای پنهان می بایستی پایین باشند و مدارات و گین درونی باید نویز کمی داشته باشند.

د- پایداری مشخصات عملکردی.

عملکرد نسبت به شرایط محیطی تا حد ممکن استقلال داشته باشد اگرچه در عمل مشخصاتی مانند نویز و گین درونی آنها با دما تغییر می کنند.

برای اینکار باید از جبرانساز حرارتی استفاده کرد.

و- اندازه کوچک.

اندازه فیزیکی آشکارساز برای تزویج موثر با فیبر کوچک باشد.

ی- پاسخ الکتریکی بزرگ نسبت به سیگنال دریافتی.

آشکارساز باید یک سیگنال الکتریکی ماکزیمم را برای میزان قدرت نوری داده شده، تولید نماید.

هـ- ولتاژ بایاس کم و قابلیت اعتماد بالا.

آشکارساز توانایی کارکرد پایدار مداوم در دمای اتاق را برای مدتهای طولانی داشته باشد.

2-2- آشکارسازهای نوری انتشار نور در وسایل نیمه هادی بخصوص در دیودهای نیمه هادی بخوبی انجام می‌شود.

این وسایل دارای پیوندهای نیمه هادی هستند که در آنها حاملهای بار آزاد (الکترونها و حفره ها) با جذب فوتونهای ورودی ایجاد می شوند.

این مکانیزم گاهی اثر فوتوالکتریک داخلی نامیده می شود.

سه وسیله معمول که از این پدیده استفاده می‌کنند عبارتند از: دیود نوری دارای پیوند pn، دیود نوری PIN و دیود نوری بهمنی.

ویژگیهای مهم آشکارسازها عبارتند از: پاسخ دهی، پاسخ طیفی و زمان صعود.

پاسخ دهی برابر است با نسبت جریان خروجی آشکارساز به توان نوری ورودی که بصورت زیر بیان می شود: واحد پاسخ دهی آمپر بر وات است.

پاسخ طیفی به منحنی پاسخ دهی آشکارساز به عنوان تابعی از طول موج اشاره می‌کند.

به علت تغییرات سریع پاسخ دهی با طول موج، در دو ناحیه طیف نوری که تلفات تار کم است آشکارسازهای متفاوتی باید به کار گرفته شود.

زمان صعود عبارت است از زمان لازم برای جریان خروجی آشکارساز تا اینکه از 10% به 90% مقدار نهایی اش تغییر کند به شرطی که تغییرات توان نوری ورودی به شکل پله باشد.

3-2- ضریب جذب جذب فوتونها در دیود فتوالکتریک به منظور تولید جفتهای حامل می باشد که نتیجه آن جریان فتونی ای است که به a0، ضریب جذب نور در نیمه هادی مورد استفاده بستگی دارد.

در یک طول موج ویژه و با فرض اینکه فقط انتقال Bandgap وجود دارد، جریان فتوالکتریک تولید شده، Ip، بوسیله نور تابشی با قدرت نوری P0، بوسیله رابطه زیر محاسبه می شود: که e باریک الکترون، r ضریب انعکاس در سطح مشترک نیمه هادی- هوا و d پهنای ناحیه جذب می باشد.

ضریب جذب مواد به شدت به طول موج وابسته می‌باشد.

تفاوت بین منحنی های جذب مواد، از انرژی Bandgap متفاوت آنها نشات می‌گیرد که مقدار این انرژی در جدول (1-2) نشان داده شده است.

4-2- بهره کوانتمی هر فوتونی که انرژی آن از تابع کار بیشتر باشد الزاماً یک الکترون آزاد نخواهد کرد.

این مشخصه با بهره کوانتمی گسیلند، توصیف می شود که عبارت است از: این ضریب معمولاً کمتر از واحد می باشد.

زیرا همه فوتونهای تابشی برای تولید جفتهای الکترون- حفره جذب نمی شوند.

این ضریب تابعی از طول موج فوتون می‌باشد و بنابراین فقط برای یک طول موج ویژه بیان می شود.

5-2- پاسخ دهی مفهوم بهره کوانتمی، انرژی فوتون را در بر نمی گیرد.

برای مشخص کردن تاثیر انرژی فوتون، از پاسخ استفاده می شود.

با توجه به معادلات (1-2) و (2-2) و معادله انرژی یک فوتون (E=hf) می توان سرعت فوتون تابشی rp را برحسب قدرت نوری و انرژی فوتون به صورت زیر نوشت: (3-2) در ادامه داریم: (4-2) (5-2) (6-2) (7-2) (8-2) (9-2) روابط فوق نشان می دهد که اولاً جریان آشکارساز متناسب با توان نوری است.

ثانیاً اینکه پاسخ بطور مستقیم با بهره کوانتمی، در یک طول موج ویژه متناسب می‌باشد.

شکل (2-2) پاسخ دهی برحسب طول موج را بر ای یک آشکارساز سیلیکونی با بهره کوانتمی واحد در دو حالت ایده ال و عملی نشان می دهد.

6-2- طول موج قطع برای ساخت آشکارسازهای فتوالکتریک لازم است که انرژی فوتونهای تابشی بزرگتر یا مساوی با انرژی Bandgap ماده استفاده شده باشد.

بنابراین انرژی فوتون عبارت خواهد بود از: (10-2) که به نتیجه زیر می انجامد: (11-2) بنابراین آستانه آشکارسازی عموماً به عنوان نقطه طول موج بلند قطع، ، بصورت زیر داده می شود: (12-2) عبارت فوق امکان محاسبه بلندترین طول موج را برای آشکارسازی فوتوالکتریک مواد نیمه هادی مختلف مورد استفاده در ساخت آشکارسازها می دهد.

1-7-2- دیود فتوالکتریک p-n آشکارسازی در یک دیود فتوالکتریک p-n در شکل (3-2) نشان داده شده است.

دیود بصورت معکوس بایاس می شود و میدان الکتریکی حاصله در اطراف اتصال الکترونها و حفره ها را به سمت الکثریت نسبی جارو می کند بنابراین یک لایه تخلیه در هر طرف اتصال بوجود می آید.

که باعث متوقف شدن حاملهای اکثریت در جهت خلاف میدان می شود.

تحت تاثیر همین میدان، حاملهای اقلیت جریان معکوس نشتی دیود را ایجاد می کنند یک تابش الکترونی درون ناحیه محدود کننده این دیود، با انرژی ای بزرگتر از انرژی معادل Bandgap ماده ساخته شده، Eg، الکترونی را از باند ظرفیت به باند هدایت منتقل می کند.

یک جفت حفره- الکترون تولید می شود.

مانند آنچه که در شکل (a3-2) نشان داده شده است.

جفتهای حامل تولید شده در نزدیکی محل اتصال جدا می شوند و تحت تاثیر میدان تولید یک جریان جابجایی در مدار خارجی می نماید که در شکل (b3-2) نشان داده شده است.

تولید نور و جدا شدن یک جفت حامل هم در شکل (c3-2) نشان داده شده است.

شکل (4-2) یک دیود فتوالکتریک p-n را با دو ناحیه نشر و ناحیه محدود کننده نشان می دهد.

پهنای ناحیه محدود کننده به تمرکز تقویت برای بایاس معکوس بکار گرفته شده، بستگی دارد.

فوتونها ممکن است هم در ناحیه محدود کننده و هم در ناحیه انتشار بوسیله ناحیه جذب، جذب شوند.

موقعیت جذب و پهنای آن، به انرژی فوتونهای تابشی و مواد بکار رفته بستگی دارد بنابراین در حالت جذب ضعیف فوتونها، ناحیه جذب بطور کامل وسیع می شود و زوج الکترون- حفره در هر دو ناحیه تولید می‌شوند.

در ناحیه محدود کننده زوجها جدا هستند و در اثر میدان انحراف می یابند در حالیکه در خارج آن حفره ها به سمت ناحیه محدود کننده انتشار می یابند.

انتشار در مقابل انحراف بسیار آهسته تر می باشد و بنابراین پاسخ محدود می شود.

بنابراین مهم این است که فوتونها در ناحیه محدود کننده جذب شوند.

بنابراین تا حد ممکن طولانی تر می سازند.

ناحیه محدود کننده در دیودها معمولاً می باشد.

در انواع سیلیکونی ناحیه محدود کننده در طیف مرئی است و برای ژرمانیم نزدیک مادون قرمز می باشد.

2-7-2- دیود فتوالکتریک p-i-n برای اینکه دیود فتوالکتریک در طول موجهای بلندتر کار کند ناحیه محدود کننده وسیعتری لازم است.

برای رسیدن به این منظور ماده نوع n آنچنان تضعیف می شود که می تواند نیمه هادی ذاتی در نظر گرفته شود.

برای اتصال اهمی با مقاومت کم از یک لایه با آلایش زیاد (n+) استفاده می شود.

این ساختار در شکل (5-2) نشان داده شده است.

تقریباً قسمت اعظم جذب داخل ناحیه محدود کننده می باشد.

به علت قرار رگفتن ناحیه n، ظرفیت خازنی در این حالت نسبت به نوع p-n کاهش می یابد.

در نتیجه سرعت کلید زنی از حدود در حال اول به حدود 10ns در حالت دوم کاهش می یابد.

دیودهای PIN عمدتاً از سیلسیوم ساخته می شوند.

اما برای کار در طول موجهای بالاتر از ژرمانیوم و نیمه هادیهای گروه III-V استفاده می‌شود که پاسخ دهی به میزان قابل توجهی افزایش می یابد.

3-7-2- دیود فتوالکتریک بهمنی دیود نوری بهمنی (APD) یک آشکارساز نیمه هادی پیوندی با بهره داخلی است که پاسخ دهی آن را نسبت به آشکارسازهای pn و PIN بهتر می کند.

اساس کار ایجاد یک جریان بهمنی می باشند.

مکانیزم عملکرد به این صورت است که یک فوتون در ناحیه تهی جذب می شود و یک جفت الکترون- حفره بوجود می آورد.

نیروهای الکتریکی بزرگ در ناحیه تهی باعث شتاب دادن این بارها و کسب انرژی جنبشی توسط آنها می شود.

وقتی بارها با سرعت بالا به اتمهای خنثی برخورد می کنند قسمتی از انرژی جنبشی آنها صرف بالا بردن الکترونها از شکاف انرژی و تولید زوجهای جدید می شود.

یک بار شتابدار قادر به تولید چندبار ثانیه جدید است.

همین طور فرآیند تکرار می شود این فرآیند چند برابر شدن بهمنی است.

پاسخ دهی بهمنی غالباً در حدود 20 تا A/W80 است.

دیودهایAPD در محدوده توانهای نوری از کسری از نانووات تاچندین میکرووات رفتار خطی بسیار خوبی دارند بهره این دیود به دما وابسته است و عموماً با افزایش دما کاهش می یابد.

در گیرنده های APD که در رنج حرارتی وسیعی کار می کنند ممکن است جبران دما لازم باشد.

شکل (7-2) ساختمان یک دیود APD را نشان می دهد.

فصل سوم فیبر نوری 1-3- مقدمه در سیستمهای با سیم، موج حامل که به طریقی ایجاد شده است، بوسیله سیگنال مدوله می شود.

آنگاه موج مدوله شده در داخل کابل هم محور انتشار پیدا می کند که این مدولاسیون می‌تواند از نوع دامنه یا فرکانس باشد و در آشکار ساز دمدوله می‌شود.

در مخابرات تار نوری مدولاسیون براساس شدت نور خروجی استفاده می شود که بوسیله تغییرات جریان الکتریکی تزریق‌شده به داخل منابع نور گسیل یا لیزر نیمه‌هادی حاصل می شود.

این سیگنال مدوله شده بوسیله نور از طریق فیبر نوری انتقال می یابد در سال 1966 موج برهای دی الکتریک و فیبرهای ساخته شده از شیشه تقریباً بطور همزمان ارائه شدند و مشکل افت و از بین رفتن سیگنال به واسطه انتشار در فضای آزاد مرتفع شد.

در آغاز فیبرها افتی شدید حدود 1000 داشتند که در مقابل افت کابلهای کواکسیال در حدود (10-5) قابل مقایسه نبود.

بتدریج با پیشرفت تکنولوژی امروزه تولید کابلهایی با افت کمتر از 2/0 هم ممکن شده است.

از مشکلات جدی در فیبرها تلفات ناشی از اتصال فیبرها می باشد.

بطوریکه هنگام اتصال فیبرها تلفات باید در حد خیلی کمی باشد.

با تکنیکهای مناسب این افت به حدود 2 تقلیل یافته است.

2-3- سیستم مخابرات نوری در شکل (1-3) یک سیستم مخابرات نوری دیجیتال نشان داده شده است.

ابتدا سیگنال آنالوگ به کدهای صفر و یک دیجیتالی کد می شود و این پالسهای کد شده به المان نور گسیل اعمال می شود و نور از طریق خط انتقال فیبر نوری به آشکارساز می رسد این نور با تبدیل به سیگنال الکتریکی و تقویت شدن و بازیابی کامل دیکد می شود و سیگنال ورودی بدست می آید.

3-3- مزایای فیبر نوری انگیزه های خیلی زیادی وجود دارد که مهندسان را به استفاده از فیبر نوری تشویق می‌کند که تعدادی از آنها در ادامه ذکر شده است.

تضعیف کم.

با توسعه فن آوری امروزه دستیابی به فیبرهای با افت 2/0 ممکن شده است که در مقایسه با کابلهای انتقال اطلاعات از افت بسیار کمتری برخوردار است.

این امر باعث کوچک شدن سیستمها در دو طرف خط انتقال می گردد و صرفه جویی خوبی در هزینه ها را در بر دارد.

پهنای باند زیاد.

فرکانس کریر نور در محدوده HZ16 10-13 10 است.

بنابراین پهنای باند وسیعی را در بر می گیرد.

برای مثال یک مقایسه بین یک کابل تلفنی استاندارد و یک کابل تاری این مطلب را بهتر نشان می دهد.

کابل فلزی شامل 900 جفت سیم به هم پیچیده می باشد و قطر آن 70 میلی متر است و هر جفت، 24 کانال صوتی را منتقل می کند (استاندارد T1) با این حساب ظرفیت کابل 21600 کانال است.

در حالیکه یک کابل فیبر که برای تلفن ساخته شده است 7/12 میلی متر قطر داشته و شامل 144 تار است که هر تار 672 کانال را پوشش می دهد و با این حساب ظرفیت کل کابل برابر 96768 کانال تلفنی است.

یعنی فیبر ظرفیتی معادل 5/4 برابر داشته در حالیکه سطح مقطع آن 30 مرتبه کمتر است.

مصونیت از تداخل.

فیبر نوری از جنس شیشه یا پلاستیک است و عایق می باشد.

بنابراین پالسهای الکترومغناطیسی را نمی گیرند و یا منتشر نمی کنند.

بنابراین مشکل تداخل فرکانسهای رادیویی، نویز پذیری و تداخل الکترومغناطیسی را ندارند و حتی می توانند همراه با خطوط انتقال نیرو بکار گرفته شوند.

امنیت اطلاعات.

چون تارها انرژی تشعشع نمی کنند، برای یک مزاحم، آشکاسازی سیگنال ارسالی مشکل است.

برای دسترسی به سیگنال، تار می بایستی بطور فیزیکی شکسته شود.

قطع تار و یا اتصال یک تار جدید به تار ارسال کننده، دسترسی به پرتو را ممکن می سازد.

ایزوله الکتریکی.

به علت عایق بودن، جریان الکتریکی در اثر سیگنال ارسالی و یا در اثر تشعشعات خارجی که به تار برخورد می کنند از آنها نمی گذرد، بنابراین در برابر پدیده هایی مانند رعد و برق و جرقه کاملاً ایمن است.

همچنین می توان آنها را به همراه خطوط قدرت بکار گرفت.

همچنین ارزان بودن سیستم فیبر نوری و قابلیت اعتماد به علت سادگی سیستم، از دیگر مزایای فیبر نوری می باشد.

4-3- فیبر نوری از اوایل قرن بیستم انتقال نور در موج های دی الکتریک مورد بررسی قرار گرفته است.

ابتدا از میله های شیشه‌ای با ضریب شکست 5/1 که پوشش خاصی هم نداشتند استفاده می شد.

اما تلفات ناشی از انتشار در هوا و غیره باعث می شد که کاربرد این موج برها حالت عملی به خود نگیرد.

و لذا فیبرهای با ساختار شکل (2-3) مورد استفاده قرار گیرد.

شکل موج در اصل در لایه میانی که ضریب شکستی برابر n1 دارد، حرکت می کند این لایه آنقدر کوچک است، که به عنوان یک فیلم تلقی می شود این فیلم توسط غلافی با ضریب شکست کوچکتر n2، پوشیده شده است.

اشعه نور توسط انعکاس کامل در مرزهای بین فیلم و غلاف مقید به انتشار درون فیلم می باشد.

انعکاس کامل هم با توجه به شرط n1>n2 رخ می دهد.

بنابراین برای تمام زوایای بزرگتر از زاویه بحرانی و تا زاویه 90 درجه انعکاس کامل وجود دارد.

زاویه بحرانی در مرز هسته و غلاف از رابطه زیر بدست می آید که نام دارد.

در موج بر آن دسته از پرتوها با استفاده از بازتابش کلی قابلیت انتشار را می یابند که با زاویه ای کوچک به موج بر وارد شوند و در واقع با خطوط عمود بر سطح زاویه‌ای بزرگتر از زاویه بحرانی بسازند.

در فیبرها، کمیتی به نام روزنه عددی تعریف می شود که علت ارایه آن رسیدن به تئوری انتشار از دید الکترومغناطیسی است که روابط آن در زیر آمده است.

به شرط حالت بحرانی : البته این رابطه در ظاهر با قطر فیبر ارتباطی ندارد ولی در عمل برای قطرهای کمتر از 8 صادق نیست.

5-3- مدهای موجبرهای ورقه‌ای موج بر ورقه‌ای از یک لایه میانی با ضریب شکست n1 تشکیل شده که توسط دو لایه تحتانی و فوقانی با ضریب شکست برابر n2 پوشیده شده است و لذا شباهت زیادی به یک تار نوری دارد.

پرتوهای نوری هم دارای ضریب انتشاری هستند که می‌توانند به شکل K=k0n1 که در آن k0 ضریب انتشار فضای آزاد است، نوشته شوند.

اگر زاویه محور موج بر با بردار انتشار باشد موج دارای دو مولفه در راستای خواهد بود.

موقعی که نور به عنوان موج الکترومغناطیسی مطرح می شود شامل میدان الکتریکی متغیر E و میدان متغیر مغناطیسی B می باشد که برهم عمودند.

در حالت نشان داده شده فوق، E2=0 و در واقع E بر صفحهن انتشار عمود است و H در راستای انتشار قرار دارد.

این حالتهای انتشار مود TE نامیده می شوند.

در حالتیکه H2=0 باشد و میدان مغناطیسی عمود بر صفحه انتشار باشد مود TM معرف انتشار است.

با بررسی معادلات موج در موجبرها و روابط الکترومغناطیسی که در اینجا از آنها صرفنظر کرده‌ایم به نتایج زیر می رسیم.

در حالت بازتابش کلی، پرتو بازتابش از نظر دامنه با پرتو تابش یکسان است ولی اختلاف فاز خواهند داشت و دوم اینکه دامنه میدان هنگام انتشار در غلاف به فرم نمایی تضعیف می گردد.

انحراف محور موج بر از یک خط، تغییر در قطر هسته و تغییرات نامنظم در ضرایب شکست هسته و غلاف پدیده انتشار را تحت تاثیر قرار می دهند.

این عوامل به همراه عوامل دیگر مانند خمش محور فیبر و یا ناپیوستگی در سطح هسته مرکزی موجب تغییر مد انتشار می گردد و در طول فیبر، تغییر در مود و تبدیل به مودهای مجاور را خواهیم داشت که به آن اثر تلفیق مودها می گویند.

همچنین غلافها باید دارای خصوصیاتی باشند که عبارتند از: 1- غلاف باید برای نور در طول موج کار به عنوان ماده ای شفاف عمل کند.

2- باید دارای ضریب سختی باشد که مانع آسیب رسیدن به خود موج براثر ضربه یا قرار گرفتن در کنار مواد سخت باشد.

3- غلاف باید از ضخامت کافی برخوردار باشد تامیزان کاهش و افت مورد نظر از طریق انتشار در غلاف انجام شود.

6-3- انواع فیبرهای نوری انواع مختلف فیبرهای نوری در جدول (1-3) نشان داده شده است.

فیبرهای نوری عمدتاً به دو دسته تک مدی و چند مدی تقسیم می شوند.

دسته فیبرهای چند مدی خود به دو نوع تقسیم می شوند.

فیبرهای ضریب پله ای و فیبرهای ضریب تدریجی.

اگر جنس ماده تار نوری از سیلیکا باشد نقطه ذوب آن بالا (در حدود 1900) و اگر از شیشه چند مولفه‌ای باشد نقطه ذوب آن در حدود 1200-800 است.

نکته دیگری که در مورد فیبرها باید گفته شود آن است که در همه انواع آن روزنه عددی همیشه نسبت به مرکز فیبر سنجیده می شود.

n ضریب شکست در محور فیبرها می باشد.

1-6-3- فیبرهای تک مدی به فیبرهایی گفته می شود که در آنها موج در یک مسیر امکان انتشار پیدا می کند.

این نوع فیبر دارای پهنای باند بسیار زیادی است لیکن از همه لحاظ دارای برتری بر انواع دیگر تار نوری نیست مثلاً اتصال آنها به یکدیگر مواجه با مشکلاتی است زیرا شعاع هسته آن چند میکرون بیش نیست.

شکل (7-3) معرف یک فیبر تک مد است.

2-6-3- فیبرهای چند مدی به فیبرهایی گفته می شود که نور در هسته آنها امکانت انتشار در مسیرهای مختلفی را می یابد.

پرتوها مسیرهای مختلفی را طی می کنند وبنابراین زمان انتشار برای آنها متفاوت است.

ضریب شکست تابعی از شعاع فیبر است بنابراین پرتوها در خط مستقیم منتشر نمی شوند.

فیبرهای چند مدی دارای هسته ای با شعاع چندین ده الی صد میکرون است و از این لحاظ کارکردن با آنها آسانتر است اما پهنای باند آنها کمتر و در حدود چندین ده مگاهرتز در کیلومتر است.

در شکل (8-3) ساختار یک فیبر چند مدی نشان داده شده است.

3-6-3- فیبرهای ضریب شکست پله‌ای تارهای ضریب شکست پله ای شامل یک هسته درونی با ضریب شکست n1 است که با پوسته ای با ضریب شکست n2 احاطه شده است.

یعنی در مرز بین هسته و پوشش ضریب شکست ناگهان تغییر می کند.

برای هدایت کامل زاویه انعکاس باید بزرگتر یا مساوی زاویه بحرانی باشد.

کسر تغییر ضریب شکست یک پارامتر مهم فیبر است که بیانگر کیفیت انتقال است.

تارهای ضریب شکست پله ای در انواع مختلف موجودند.

یک هسته شیشه‌ای پوشیده شده با شیشه، یک هسته شیشه‌ای پوشیده شده با پلاستیک و یک هسته پلاستیکی پوشیده شده با پلاستیک.

عموماً پله ضریب شکست برای تارهای تمام شیشه، کمترین مقدار و برای تمام پلاستیک بیشترین مقدار را دارد.

تارهای تمام شیشه تلفات کمتری دارند و برای مسیرهای نسبتاً طویل مناسبند.

در شکل (8-3) نمایی از یک تار پله ای نشان داده شده است.

4-6-3- فیبرهای ضریب شکست تدریجی این دسته از فیبرها دارای هسته ای است که ضریب شکست ماده آن با فاصله از محور فیبر تغییر می کند.

ضریب شکست متغیر سبب می شود که اشعه بطور پیوسته به سمت محور تار باز هدایت شوند و بطور تناوبی متمرکز گردند.

شکل (9-3) نمایی از یک تار با ضریب شکست تدریجی را نشان می دهد.

7-3- تلفات انتقال تلفات تار نوری عبارتند از: تلفات جذبی و پراکندگی.

علت عمده تلفات جذبی وجود ناخالصیهای فلزی نظیر Fe، Cu و نیز آب است.

برای کاهش مقدار تلفات تا حدود قابل قبول، لازم است که میزان ناخالصیهای فلزات به کمتر از ppb1 و اخاصی رادیکال آب (oH) به کمتر از ppm1 برسد.

همچنین تلفات پراکندگی نیز وجود دارند که ناشی از تغییرات تراکم و در نتیجه تغییرات ضریب شکست به علت تغییرات ترمودینامیکی است که به هنگام ساخت تار حادث می شود.

در طول موج کمتر از 8/0 تلفات عمدتاً از نوع پراکندگی است.

این تلفات با افزایش طول موج سریعاً کاهش می یابد.