בתקשורת אופטית, מוליך הגל האופטי הנדרש להעברת אותות אופטיים למרחקים- הוא מוליך גל דיאלקטרי גלילי הנקרא סיב אופטי (או פשוטסיב אופטי). סיב אופטי הוא מוליך גל דיאלקטרי הפועל בתדרים אופטיים, ומנחה את אנרגיית האור להתפשט לאורך כיוון מקביל לציר שלו.
מבנה וסיווג של סיבים אופטיים
מבנה של סיב אופטי:
סיב אופטי (OF) הוא סיב דיאלקטרי שקוף המשמש להנחיית אור. סיב אופטי מעשי מורכב משכבות דיאלקטריות מרובות שקופות. ניתן לחלק את המבנה האופייני של סיב אופטי, כפי שמוצג באיור 2-1, לשלוש שכבות: הליבה עם מקדם שבירה גבוה יותר, החיפוי עם מקדם שבירה נמוך יותר והציפוי החיצוני. מבנה הליבה והחיפוי עומד בדרישות להנחיית אור, בקרה על התפשטות גלי האור לאורך הליבה; הציפוי ממלא בעיקר תפקיד מגן (מכיוון שהוא אינו מנחה אור, ניתן לצבוע אותו בצבעים שונים).
(איור 2-1 מבנה של סיב אופטי טיפוסי)
(1) ליבת סיבים ליבת הסיבים ממוקמת במרכז הסיב האופטי (קוטר 5~80 מיקרומטר). ההרכב שלו הוא דו-תחמוצת הסיליקון בטוהר- גבוה, בתוספת כמויות עקבות של דופנטים כגון דו-תחמוצת גרמניום ופנטאוקסיד זרחן. מטרת הוספת הכמויות הקטנות הללו של דופנטים היא להגדיל כראוי את מקדם השבירה (n) של ליבת הסיבים. עבור סיבים אופטיים לתקשורת, קוטר הליבה הוא 5~10 מיקרומטר (סיב אחד במצב -) או 50~80 מיקרומטר (סיב רב-מודד).
(2) חיפוי: החיפוי ממוקם סביב ליבת הסיבים (קוטרו הוא כ-125 מיקרומטר), והרכבו הוא גם דו תחמוצת הסיליקון בטוהר- גבוה המכיל כמות קטנה מאוד של דונט. תפקידו של החומר הדו-חמצני (כגון בורון טריאוקסיד) הוא להפחית כראוי את מקדם השבירה האופטי (n2) של החיפוי, מה שהופך אותו מעט נמוך יותר ממקדם השבירה של ליבת הסיבים. כדי לעמוד בדרישות שונות להנחיית אור, ניתן לבצע את החיפוי כשכבה אחת או מספר שכבות.
(3) השכבה החיצונית ביותר של הסיב האופטי המצופה היא ציפוי המורכב מאקרילט, גומי סיליקון וניילון, מה שמגביר את החוזק המכאני והגמישות של הסיב האופטי. הציפוי מחולק בדרך כלל לציפוי ראשוני וציפוי משני. הציפוי המשני הוא שכבה נוספת של חומר תרמופלסטי המוחל על הציפוי הראשוני, ומכאן שהוא נקרא גם חיפוי. הקוטר החיצוני של הסיב האופטי המצופה הוא בדרך כלל כ-1.5 ס"מ.
עובי ליבת הסיבים, התפלגות מקדם השבירה של חומר הליבה ומקדם השבירה של חומר החיפוי ממלאים תפקיד מכריע במאפייני השידור של הסיב האופטי. חומר החיפוי הוא בדרך כלל חומר הומוגני עם מקדם שבירה קבוע. אם ישנן מספר שכבות חיפוי, מדדי השבירה של כל שכבת חיפוי שונים. מקדם השבירה של ליבת הסיבים יכול להיות אחיד או שהוא יכול להשתנות לאורך רדיוס הליבה r. לכן, פונקציית התפלגות מקדם השבירה n(r) לאורך הרדיוס משמשת בדרך כלל לאפיון השינוי במקדם השבירה הליבה.
סיווג סיבים אופטיים:
הנה התרגום לאנגלית של הטקסט מהתמונה:
"כיום ישנם סוגים רבים של סיבים אופטיים, אך שיטות הסיווג שלהם מחולקות בדרך כלל ל-4 קטגוריות: סיווג לפי חלוקת אינדקס שבירה של סיבים, סיווג לפי מצב שידור, סיווג לפי אורך גל עבודה וסיווג לפי מעיל וחומר חיפוי. בנוסף, על פי הרכב רכיבי הסיבים האופטיים, בנוסף לסיבים האופטיים הנפוצים ביותר של סיליקה וסיבים פלסטיים יש גם סיבים אופטיים פלסטיים.
(1) סיווג לפי התפלגות אינדקס השבירה של סיבים: ניתן לחלק ל-Step Index Fiber (SIF) ו- Graded Index Fiber (GIF).
סיב אופטי של אינדקס שלב: מתייחס לליבת הסיבים ולאזור החיפוי שבו התפלגות מקדם השבירה היא אחידה, הערך הוא קבוע, והתפלגות אינדקס השבירה מציגה מבנה שלב-כמו שכבות. הווריאציה של אינדקס השבירה היא כמו שלב-. התפלגות אינדקס השבירה של סיב אופטי עם אינדקס צעד מוצגת באיור 2-2.
ביטוי התפלגות אינדקס השבירה שלו הוא:
n(r) = {n₁(r פחות או שווה ל-a₁)
{n₂ (a₁< r פחות או שווה ל-a₂)
סיב אופטי עם אינדקס שלב הוא צורה מבנית מוקדמת של סיב אופטי. מאוחר יותר, בסיבים אופטיים מולטי-מודים, הוא הוחלף בהדרגה על-ידי סיב אופטי בעל אינדקס מדורג (מכיוון שסיב אופטי בעל אינדקס מדורג יכול להפחית במידה ניכרת את פיזור הצבעים המודאלי שיש לסיבים אופטיים מולטי-מודים). עם זאת, עדיין נפוץ יחסית להשתמש בו להעברת אור פועם בסיבים אופטיים. נכון לעכשיו, כאשר סיב אופטי יחיד-מחליף בהדרגה סיב אופטי רב-מוד כמו המוצר העיקרי של סיב אופטי מסחרי, מבנה הסיב האופטי עם אינדקס שלב הפך לצורה המבנית היחידה של סיב אופטי -יחיד -, הוא חייב להיות כמו צעד-.
2. סיב אופטי בעל אינדקס מדורג: מתייחס לסיב אופטי שהתפלגות מקדם השבירה שלו משתנה עם רדיוס r. ככל שהמרחק מהמרכז גדל ויורד בהדרגה, הרדיוס הולך וקטן. כלל הווריאציה שלו תואם בדרך כלל את כלל הכוח המעריך. כשמגיעים לליבת הסיבים ולממשק החיפוי, הוא קטוע לערכים המתאימים לחיפוי; באזור החיפוי פיזור מקדם השבירה שלו אחיד, כלומר n₂. התפלגות אינדקס השבירה של סיבים אופטיים מדורגים מוצגת באיור 2-3."
התפלגות אינדקס השבירה שלו מתבטאת באופן הבא:
"במשוואה, g הוא מספר התפלגות מקדם השבירה; הוא מייצג ערכים שונים בהתפלגות אינדקס שבירה שונות; n₁ הוא מקדם השבירה במרכז ליבת הסיב; n₂ הוא מקדם השבירה של החיפוי; a₁ הוא רדיוס הליבה; Δ הוא מקדם השבירה היחסי {{},}} ({{1} n₂²)/2n₁²=(n₁ - n₂)/n₁.
הסיבה העיקרית לפיזור הבין-מודאלי המופחת של סיבים אופטיים מדורגים היא שהוא מפחית את הפיזור המודאלי, מרחיב את מרחק השידור ומגדיל את קיבולת השידור.
(2) סיווג לפי מצב שידור:ניתן לחלק ל-Multi-Mode Fiber (MMF) ו-Single Mode Fiber (SMF). כפי שהשם מרמז, סיב אופטי רב-מצבי יכול לשדר מספר מצבים, בעוד שסיב אופטי במצב- יחיד יכול לשדר רק מצבי יסוד ושדה חשמלי. נהוג להאמין שהדור החדש של פתרונות השידור צריך להיות נשלט על ידי סיב אופטי-יחיד, מכיוון שהוא יכול לשדר הרבה יותר רחוק מסיב אופטי רב-מוד. כאשר האובדן והפיזור של אמצעי השידור זהים, יכולת נשיאת המידע לאחר אפנון- במצב יחיד גבוה בהרבה מזו שלאחר אפנון רב-מצבי.
בתנאי אורך גל עבודה מסוימים, ישנם מצבי שידור רבים בסיבים אופטיים, ומצבי סיבים אלו הם סיבים אופטיים רב-מודים. מקדם השבירה המודאלי של סיב אופטי רב-מודי זהה בערך למקדם השבירה של ליבת הסיב, ומספר המצבים הוא פרופורציונלי בערך לריבוע V (תדר מנורמל). לכן, זה נקרא גם סיב אופטי מולטי-מוד מדורג. מאוחר יותר, הוא הפך בהדרגה לסיב אופטי בעל אינדקס מדורג.
בתנאים מסוימים של אורך גל עבודה, אם יש רק מצב שידור אחד בסיב האופטי, זה נקרא סיב אופטי-יחיד. סיב אופטי חד- יכול לשדר רק את המצב הבסיסי (מצב צירי), ואין פיזור בין-מודאלי בעת שידור במצב זה. בהשוואה לסיבים אופטיים מרובי מצבים עם מספר רב של מצבי-סדר גבוה יותר, זה שימושי מאוד עבור מערכות תקשורת סיבים אופטיים במהירות גבוהה-.
(3) סיווג לפי אורך גל עבודה: ניתן לחלק לסיב אופטי- קצר וסיב אופטי באורך גל ארוך-.
1.סיב אופטי באורך גל קצר-: בשלב הראשוני של פיתוח תקשורת סיבים אופטיים, אורך הגל הנפוץ היה בין 0.6 ~ 0.9 מיקרומטר. הסיבה העיקרית באותה תקופה הייתה שמקורות אור וגלאים של לייזר מוליכים למחצה הפועלים בפס אורך גל זה היו בוגרים יחסית, וסיב אופטי באורך גל קצר- היה המוצר העיקרי. נכון לעכשיו, הוא משמש לעתים רחוקות.
2. סיב אופטי -ארוך: ככל שנמשכת עבודת המחקר, כאשר נכנסים לרצועות אורך הגל של 1.31 מיקרומטר ו-1.55 מיקרומטר, שני פסי אורך הגל הללו הראו מאפיינים של אובדן נמוך, אפס פיזור ואובדן כיפוף מינימלי. לכן, עבודת המחקר עברה בהדרגה לכיוון שני פסי אורך הגל הללו, והופיעו סיבים אופטיים עם ביצועים טובים יותר. שיטות עבודה הוכיחו כי באורכי גל של 1.0 ~ 2.0 מיקרומטר, לסיבים אופטיים יש אובדן נמוך יותר בהשוואה לסיבים אופטיים באורך גל קצר.
(4)סיבים אופטיים-ארוכים מתאימים במיוחד לתקשורת סיבים אופטיים למרחקים-ארוכים,-גבוהה, בשל היתרונות שלהם כגון הנחתה נמוכה ורוחב פס רחב.
1. סיב אופטי קונבנציונלי: מתייחס לסיב אופטי שליבת הסיבים שלו מסוממת בגרמניום, חיפוי ופיזור מקדם השבירה של הליבה משולבים ביחס מסוים. מכיוון שסוג זה של סיבים אופטיים הוא בעל מאפיינים טובים וקל יחסית לייצור, הוא עבר מספר דורות של שיפורים.
זאת בשל מקדם ההתפשטות הגבוה של החומר עם גרמניום כחומר גלם. בטמפרטורות נמוכות הוא יתכווץ ויסדק. תתרחש שבירה כפולה של מתח, מה שמוסיף אסימטריה לסיב האופטי.
2. פיזור-סיב אופטי הוסט: מתייחס לסיב אופטי שעובר טיפול בחום לאחר סימום עם גרמניום, ומזיז את נקודת הפיזור האפס- לאורך גל אחד, לא פי שלושה או פי שלושה מאורך הגל.
תהליך הייצור של סוג זה של סיבים אופטיים הוא מסובך יחסית. ביניהם, קוטר הליבה חייב להתאים למידת הסימום כדי לייעל את הסיב האופטי. לכן, עדיין לא נעשה בו שימוש נרחב".
