היתרונות של תקשורת סיבים אופטיים
● יכולת תקשורת גדולה
● מרחק ממסר ארוך
● חסין בפני הפרעות אלקטרומגנטיות
● משאבים בשפע
● קל משקל וקטן של סיבים אופטיים
היסטוריה קצרה של פיתוח תקשורת אופטית
● לפני למעלה מ-2000 שנה: מגדלי משואה - אורות, אותות דגל
● 1880: טלפון אופטי – תקשורת אופטית אלחוטית
● 1970: תקשורת סיבים אופטיים
● 1966: ד"ר קאו קואן, "אבי הסיבים האופטיים", הציע לראשונה את הרעיון של תקשורת סיבים אופטיים.
● 1970: קפרון ממוסד קורנינג ייצר סיבים אופטיים עם אובדן של 20 dB/km.
● 1977: הקו המסחרי הראשון של שיקגו 45 Mb/s.
ספקטרום אלקטרומגנטי
שבירה/השתקפות והשתקפות פנימית מוחלטת של אור
מכיוון שאור נע במהירויות שונות בחומרים שונים, כאשר האור עובר מחומר אחד למשנהו, שבירה והשתקפות מתרחשות בממשק בין שני החומרים. יתר על כן, זווית האור השבור משתנה עם זווית האור הנכנס. כאשר זווית האור הנכנסת מגיעה או עולה לזווית מסוימת, האור שנשבר נעלם, וכל האור הנכנס מוחזר בחזרה; זוהי השתקפות פנימית מוחלטת. חומרים שונים שוברים אור באותו אורך גל בזוויות שונות (כלומר, לחומרים שונים יש מדדי שבירה שונים), ואותו חומר שובר אור באורכי גל שונים בזוויות שונות. תקשורת סיבים אופטיים מבוססת על עקרונות אלו. התפלגות רפלקטיביות: פרמטר חשוב המאפיין חומרים אופטיים הוא מקדם השבירה, המסומן ב-N. היחס בין מהירות האור C בוואקום למהירות האור V בחומר הוא מקדם השבירה של החומר.
N＝C/V
מקדם השבירה של זכוכית הקוורץ המשמשת בתקשורת סיבים אופטיים הוא כ-1.5.
מבנה סיבים אופטיים
כבל סיב אופטי חשוף מורכב בדרך כלל משלוש שכבות:
שכבה ראשונה: ליבת זכוכית -שבירה- גבוהה (קוטר הליבה הוא בדרך כלל 9-10 מיקרומטר, (מצב יחיד) 50 או 62.5 (רב-מוד).
שכבה שנייה: חיפוי זכוכית סיליקון עם אינדקס-שבירה- נמוך באמצע (הקוטר הוא בדרך כלל 125 מיקרומטר).
שכבה שלישית: ציפוי שרף מחזק חיצוני ביותר.
ידע בסיסי באור
1) ליבה: מקדם שבירה גבוה, המשמש להעברת אור;
2) ציפוי: מקדם שבירה נמוך, יחד עם הליבה, יוצרים תנאים להחזרה פנימית מוחלטת;
3) מעיל: חוזק גבוה, יכול לעמוד בפני השפעה גדולה יותר, ומגן על הסיב האופטי.
כבל סיב אופטי 3 מ"מ כתום MM Multimode
SM Singlemode צהוב
מידות כבל סיב אופטי:
הקוטר החיצוני הוא בדרך כלל 125 מיקרומטר (שערה אנושית ממוצעת היא 100 מיקרומטר)
קוטר פנימי: מצב יחיד-9 מיקרומטר, מולטימוד 50/62.5 מיקרון
צמצם מספרי
לא כל האור הנכנס על פני הקצה של סיב אופטי מועבר דרך הסיב; רק אור שנכנס לטווח זוויתי מסוים מועבר. זווית זו נקראת הצמצם המספרי של הסיב האופטי. צמצם מספרי גדול יותר הוא יתרון עבור חיבור סיבים אופטיים. הצמצם המספרי משתנה בין סיבים אופטיים המיוצרים על ידי חברות שונות.
סוגי סיבים אופטיים
בהתבסס על מצב העברת האור בתוך הסיב, ניתן לסווג סיבים אופטיים כ:
מצב רב-(MM)
מצב-יחיד (SM)
סיב רב-מצב: בעל ליבת זכוכית מרכזית עבה יותר (50 או 62.5 מיקרומטר), המאפשרת העברה של מספר מצבי אור. עם זאת, הפיזור הבין-מודאלי שלו משמעותי, מגביל את תדירות האותות הדיגיטליים המשודרים, ומגבלה זו מחמירה עם הגדלת המרחק. לדוגמה, לסיב של 600 מגה-בייט/ק"מ יהיה רק רוחב פס של 300 מגה-בייט/ק"מ ב-2 ק"מ. לכן, לסיבים -רב מצב יש מרחק שידור קצר יחסית, בדרך כלל רק כמה קילומטרים.
סיב אחד במצב-: בעל ליבת זכוכית מרכזית דקה יותר (בדרך כלל בקוטר של 9 או 10 מיקרומטר), המאפשרת העברת אור אחד בלבד. זהו בעצם סוג של סיבי אינדקס-, אבל עם קוטר ליבה קטן מאוד. תיאורטית, הוא מאפשר רק לנתיב יחיד של אור קו ישר- להיכנס לסיב ולהתפשט בקו ישר בתוך הליבה. הרחבת דופק הסיבים היא מינימלית. לכן, הפיזור הבין-מודאלי שלו קטן מאוד, מה שהופך אותו למתאים לתקשורת למרחקים ארוכים. עם זאת, הפיזור הכרומטי שלו משחק תפקיד מרכזי, מה שאומר שלסיב במצב יחיד- יש דרישות גבוהות לרוחב הספקטרלי וליציבות של מקור האור, כלומר, הרוחב הספקטרלי חייב להיות צר והיציבות חייבת להיות טובה.
סיווג סיבים אופטיים
לפי חומר:
● סיבי זכוכית: גם הליבה וגם החיפוי הם זכוכית. אובדן נמוך, מרחק שידור ארוך, עלות גבוהה.
● סיבי סיליקון עם נדן: הליבה היא זכוכית, החיפוי עשוי פלסטיק. מאפיינים דומים לסיבי זכוכית, עלות נמוכה יותר.
● סיבי פלסטיק: גם הליבה וגם החיפוי הם מפלסטיק. הפסד גבוה, מרחק שידור קצר מאוד, מחיר נמוך מאוד. בשימוש נרחב במכשירי חשמל ביתיים, ציוד שמע והעברת תמונות למרחקים קצרים.
● לפי חלון תדר שידור אופטימלי: סיבים בודדים- רגילים ופיזור-מצב בודד-מצב סיב.
● קונבנציונלי: יצרני סיבים מייעלים את תדר השידור של הסיב עבור אורך גל בודד, כגון 1300nm.
● פיזור-הוסט: יצרני סיבים מייעלים את תדר השידור של הסיב לשני אורכי גל, כגון 1300 ננומטר ו-1550 ננומטר.
● הוסט בפתאומיות: מקדם השבירה משתנה בפתאומיות מהליבה לחיפוי הזכוכית. עלות נמוכה, פיזור בין-מודאלי גבוה. מתאים לתקשורת-קצרה,-במהירות נמוכה, כגון בקרה תעשייתית. עם זאת, לסיבים- במצב יחיד יש פיזור בין-מודאלי נמוך מאוד, כך שכולם הם סיבים מדורגים-.
●סיבי אינדקס מדורגים-: מקדם השבירה יורד בהדרגה מהליבה לחיפוי, מה שמאפשר לאור במצב גבוה- להתפשט בצורה סינוסואידית. זה מפחית את הפיזור הבין-מודאלי, מגדיל את רוחב הפס של הסיבים ומרחיב את מרחק השידור, אבל זה יקר יותר. רוב הסיבים המולטי-מודים כיום הם סיבי אינדקס מדורגים-.
