فیبر نوری تو خالی (HCF) Hollow-Core Fiber چیست

قطعا تا به حال واژه فیبر نوری را شنیده اید. فیبرهای نوری دارای ساختار شیشه ای هستند که توسط یک روکش محافظت می شوند. ما در این مقاله قصد داریم درباره فیبر نوری تو خالی یا (HCF) Hollow-Core Fiber صحبت کنیم که از نسل آینده فیبرنوری معمولی به حساب می آیند. شاید برایتان جالب باشد بدانید که در ساختار کابل فیبرنوری، هسته و یا Core وجود دارد که توسط کمپانی های به نام طراحی و تولید گردیده است.

برخی از این کمپانی های مشهور و معتبر همچون کمپانی سیسکو، HP، نگزنس و ..  اقدام به تولید ماژول فیبر نوری، پچ کورد فیبر نوری و برخی لوازم جانبی فیبر نوری کرده اند. در این مقاله روی صحبت ما با کابل فیبر نوری توخالی می باشد، که یکی از به روزترین تکنولوژی های عصر جدید در فناوری اطلاعات، ارتباطات و تجهیزات شبکه به شمار می رود. حال نسل جدیدی از این محصول طراحی شده که می تواند تحولی عظیم در صنعت ارتباطات ایجاد کند. تا انتهای این مقاله با ما همراه باشید تا با مفهوم ” فیبر نوری تو خالی یا (HCF) Hollow-Core Fiber چیست ” بیشتر آشنا شوید.

فیبر نوری تو خالی یا (HCF) Hollow-Core Fiber چیست:

اپراتور بریتانیایی BT با افشای آزمایشات یک فناوری نوری پیشرفته به نام فیبر توخالی (HCF) خبرساز شد. در آن زمان، این شرکت از HCF به عنوان یک ابزار بالقوه برای کمک به کاهش هزینه‌های شبکه و فعال کردن موارد استفاده پیشرفته با الزامات حساس به تأخیر استفاده کرد. اما فیبر توخالی دقیقاً چیست، چگونه ممکن است بازی را تغییر دهد و چه زمانی  این اتفاق رخ می دهد؟

فیبر نوری تو خالی یا Hollow-Core Fiber در حقیقت فیبرنوری بدون هسته است، یعنی هسته آن به صورت تو خالی می باشد. در این نوع از فیبرنوری برای انتقال دادن اطلاعات از هوا استفاده می شود. نسل جدید فیبر نوری، نوع جدیدی از فیبرهای نوری سنتی هستند. همان طور که در بالا گفته شد فیبرهای نوری سنتی دارای هسته شیشه ای بوده و از این طریق اطلاعات را انتقال می دهند.

شریک آزمایشی بی تی،(Lumenisity) یک بازیگر کلیدی در بازار HCF است و در چهار سال گذشته HCF را در شبکه های تولید در آمریکای شمالی و اروپا مستقر کرده است. ایده اصلی پشت هسته توخالی این است که نور سریعتر از شیشه در هوا حرکت می کند. بنابراین، همانطور که از نام آن پیداست، کابل های HCF طوری طراحی شده اند که یک کانال مرکزی پر از هوا داشته باشند که توسط حلقه ای از لوله های شیشه ای احاطه شده باشند. به طور کلی، مقطع کابل هسته توخالی کمی شبیه لانه زنبوری با سوراخ در وسط است.

تا کنون، Lumenisity توانسته است تلفات در هر کیلومتر را به حدود 1 دسی بل کاهش دهد (در مقایسه با حدود 0.2 دسی بل در کیلومتر برای فیبر تک حالته سنتی)، اما فیزیک نشان می دهد که باید تلفات را حتی بیشتر کاهش داد. برای انجام این کار، به دنبال بهبود در نحوه تولید کابل های شبکه هستند. در عوض، HCF برای انجام کارهایی است که کابل فیبر نوری سنتی قادر به انجام آن نیست.

توانایی کابل فیبر نوری تو خالی یا (HCF) Hollow-Core Fiber برای به حداقل رساندن پراکندگی رنگی اجازه می دهد تا طول موج های بیشتری را به یک فیبر واحد بدون اختلاط بین موجی پرتاب کنند، به این معنی که اپراتورها می توانند کانال های بیشتری را برای ظرفیت بالاتر راه اندازی کنند.

این مشخصه همچنین به این معنی است که نیازی به پردازشگرهای سیگنال دیجیتال برای جبران پراکندگی رنگی نیست، که به فرستنده‌ها اجازه می‌دهد ساده‌تر و ارزان‌تر شوند و در نهایت هزینه یک مسیر مشخص را کاهش دهند. همچنین می‌توان از توان بالاتری استفاده کرد، زیرا HCF پراکندگی را به حداقل می‌رساند، که با فرض تلفات مشابه فیبر شیشه، دسترسی طولانی‌تری را فراهم می‌کند.

طیف وسیعی از کاربران از جمله شرکت های مخابراتی، معامله گران با فرکانس بالا و صنعت بازی به این فناوری ابراز علاقه کرده اند. مقیاس‌کننده‌های بزرگ نیز مشتاق هستند، زیرا HCF پتانسیل گسترش دامنه مناطق در دسترس در اطراف مراکز داده را بدون کاهش عملکردِ تأخیر دارد.

مزیت های فیبر نوری تو خالی نسبت به فیبرنوری سنتی دارند:

از مزایای فیبر های نوری خالی عبارتند از:

• دارای تاخیر کم
• الگوی غیر خطی بسیار کم
• اتلاف بسیار کم
• پهنای باند وسیع
• دارای قابلیت OTN بوده و به ظرفیت انتقال بالا، فاصله انتقال بیشتر و تاخیر زمان کمتر، کمک می کند.

نور در فیبر نوری تو خالی یا Hollow-Core Fiber چگونه هدایت می شود:

در هسته فیبر نوری تو خالی یا HCF، هوا وجود دارد، بنابراین هدایت نور به روکش آن بستگی دارد، مثلا نقره دارای بازتاب بالایی است که می توان برای محدود کردن بازتاب نور از آن استفاده کرد، به گونه ای که فقط در هسته هوا انتقال یابد. این روش در سال 1960 به کار گرفته شد که دیواره داخلی قسمت شیشه ای را با یک نور بازتابنده پوشش می دهند و سپس نور مادون قرمز را در میان آن ارسال می کنند. چون سوراخ Hole بزرگ است، پوشش دهی آن کار ساده تری می باشد. زیرا هرچه سوراخ بزرگتر باشد، حالت های انتقال بیشتری در اختیار داریم که انتقال Single-Mode کار سخت تری است.

با پیشرفت روزافزون تکنولوژی، در دهه های 1980 و 1990 ساختار جدیدی با روکش های متفاوت ارائه شد. طرح هایی همچون الیاف کریستال فوتونیک. اصل هدایت نور، شکاف نواری کریستال فوتونی است که همانند شکاف نواری در نیمه هادی ها می باشد که ساختار روکش هوا در این فیبرها تناوب شدیدی دارد. با استفاده از این ساختار، نیازی به لایه هسته با ضریب شکست بزرگ تر از روکش نیست.

به تصویر بالا دقت کنید:

تصویر a فیبر کریستال فوتونیک دارای یک هسته توخالی کوچک است که توسط یک آرایه تناوبی از سوراخ‌های هوای بزرگ احاطه شده است. تصویر b فیبر ریزساختار دارای هسته توخالی با اندازه متوسط ​​که توسط چندین حلقه از سوراخ‌های هوای کوچک احاطه شده است که توسط پل‌هایی در اندازه نانو از هم جدا شده‌اند و تصویر C فیبر براگ دارای هسته توخالی بزرگ است که توسط یک توالی دوره ای از لایه های ضریب شکست بالا و پایین احاطه شده است.

حدود پنجاه سال است که کابل های فیبر نوری از مهم ترین تجهیزات در برقراری ارتباطات به شمار می آیند. شبکه های نوری توسط ارتباطات Single-Mode به وجود می آیند دارای مزایایی همچون ظرفیت بالا، انرژی پایین و تاخیر کم ارائه می دهند. با این اوصاف، شیشه به عنوان ماده هسته فیبر نوری، محدودیت هایی دارد که از جمله این محدودیت ها می توان به چالش های ظرفیت و محدودیت های عملکرد اشاره کرد؛

• چالش ظرفیت: به خاطر محدودیت هایی که در پهنای باند شیشه وجود دارد، می تواند بیشترین ظرفیت فیبرهای سینگل مود حدودا 100 ترابیت بر ثانیه ارائه دهد. اگر باندهای O/S/U گسترش یافته باشند، از سطح P نمی توانند عبور کنند.
• محدودیت های عملکرد: از محدودیت های این فیبرها، غیر خطی بودن، تضیف، تاخیر و … می توان اشاره کرد که از عملکرد بهتر انتقال جلوگیری می کند.

در فیبر نوری تو خالی، ریزساختاری وجود دارد که هدایت آنها با حضور PBG قابل توجیه نیست. فیبر هسته توخالی دارای انحنای منفی است و هسته این فیبر با ساختار کریستال مانند فوتونیک مشخص نمی شود. تجزیه و تحلیل عددی نشان می دهد که این خانواده از الیاف شکاف نواری نیست. محصور شدن حالت‌ها در داخل هسته توخالی مشابه حالت به‌دست‌آمده در HC-PCF است، اما انتشار تلفات بیشتری را نشان می‌دهد، که عدم وجود شکاف باند را توجیه می‌کند.

هر لایه با ضریب شکست بالاتر، مانند پل های سیلیسی که برای ایجاد ساختار استفاده می شود، می تواند به عنوان بخشی از تشدید کننده فابری-پروت جذب شود. وجود رزوناتورهای متعدد می تواند برای توضیح محصور شدن در هسته هوا استفاده شود. به ویژه، طول موج هایی که نمی توانند با پل های سیلیسی تشدید شوند، رد می شوند و در هسته توخالی فیبر محصور می شوند.

این الیاف هسته توخالی ریزساختار، حتی فاقد پوشش کریستال فوتونیک و هدایت PBG، از نظر خواص و کاربردها با HC-PCF مقایسه می شوند. در زمینه سنجش فیبر، در واقع، فیبر هسته توخالی می تواند به طور موثر به عنوان حسگر با پر کردن سوراخ ها با آنالیت برای تشخیص، با عملکرد دیواره سوراخ ها برای شناسایی انتخابی برخی مولکول ها استفاده شود. اصلاح ویژگی‌های سوراخ‌ها باعث تغییر ویژگی‌های هدایتی می‌شود که قابل تشخیص و تجزیه و تحلیل است.

مقایسه فیبر نوری تو خالی با فیبر نوری سنتی:

فیبر نوری تو خالی در مقایسه با فیبر نوری معمولی مزایای ویژه ای دارند؛

• تاخیر کم: در فیبر نوری تو خالی، نور در قسمت هسته، به روزنه های هوا منتقل می شود. ضریب شکست آن کمتر از شیشه جامد است و دارای سرعت انتقال بالاتری می باشد. کابل های فیبرنوری توخالی می توانند تاخیر را از 5us/km به 46us/km کاهش پیدا می کند. می تواند تاخیر را تا 30 درصد کاهش دهند. این ویژگی به شما کمک می کند تا انتقال سرویس های حساس به تاخیر فعلی و تاخیر های آینده اهمیت دهد.
• غیر خطی بودن: تاثیر غیر خطی  بودن در فیبر نوری تو خالی 3 تا 4  مرتبه از فیبرهای نوری معمولی کمتر است. این فیبرهای توخالی به شما این امکان را می دهند تا توان نوری ورودی را بسیار افزایش دهید و فاصله انتقال را افزایش می دهند. انتظار می رود فیبر نوری تو خالی فاصله انتقال را تا2 برابر افزایش دهند.
• تلفات بسیار کم: تلفات فیبرهای نوری تو خالی حدود 174dBkm است که همانند آخرین نسل فیبرهای نوری شیشه ای می باشند. حداقل ارتباط فیبرنوری توخالی 0.1dB/km است و حداقل ارتباط فیبرنوری شیشه ای 0.14dB/km می باشد.
• باند فرکانس عریض: فیبر نوری تو خالی موجب بهینه سازی در ارتباطات می گردد، زیرا می توانند فرکانسی بیشتر از 1000 نانومتر ارائه دهند و از باندهای O، S،E، C، L و U پشتیبانی می کنند.

بیشتر بخوانید: چگونه کابل فیبر نوری بریده شده را تعمیر کنیم همراه با تصویر

کاربرد فیبر نوری تو خالی یا Hollow-Core Fiber در صنعت:

با توجه به مزایایی که در بالا گفته شد، فیبر نوری تو خالی مورد بحث و بررسی زیادی در دانشگاه ها و مراکز تحقیقات قرار گرفته است. کاهش ضریب تضعیف فیبرنوری توخالی به 0.174dB/km موجب شده تا به بالاترین سطح فنی در صنعت دست یابد. با توجه به رشد فیبرنوری توخالی، همچون بهبود عملکرد و کاهش ضریب تضعیف، بهبود استاندارد آن را به گزینه ای برای آزمایش و تحقیق مبدل کرده است.

فیبر نوری تو خالی یک فیبر نوری است اساساً نور را در یک ناحیه توخالی هدایت می کند، به طوری که تنها بخش کوچکی از توان نوری در مواد فیبر جامد (معمولاً یک شیشه) منتشر می شود. با توجه به مکانیزم فیزیکی استاندارد برای هدایت نور در یک فیبر، این امر نباید امکان پذیر باشد: به طور معمول، ضریب شکست هسته فیبر باید بالاتر از مواد روکش اطراف باشد و هیچ راهی برای به دست آوردن ضریب شکست شیشه زیر شیشه هوا یا خلاء، حداقل در ناحیه طیفی نوری وجود ندارد.

الیاف کریستال فوتونیک هسته توخالی (HCPCF) به سی امین سالگرد خود نزدیک می شوند. عملکرد قابل توجه آنها، که در هر دو زمینه اساسی و کاربردی نشان داده شده است، تلاش های زیادی را که توسط جامعه HCPCF برای درک بهتر ویژگی های آنها، بهینه سازی طرح ها و فرآیندهای ساخت آنها، و همچنین ادغام زمینه های کاربردی اختصاص داده شده است، توجیه می کند.

از لحاظ تاریخی، الیاف فوتونیک باند (PBG) اولین HCPCF بودند که به عنوان جایگزینی برای غلبه بر محدودیت اساسی تحمیل شده توسط حد پراکندگی ریلی شیشه و دستیابی به تلفات بسیار کم، به ویژه در محدوده طیف مرئی و فرابنفش، که در آن تضعیف سیلیس به طور چشمگیری افزایش می‌یابد، ظاهر شدند. با این حال، الیاف PBG به‌عنوان کاندیدای واجد شرایط برای پیشی گرفتن از سطوح تلفات الیاف سیلیسی هسته جامد به دلیل محدودیت‌هایی مانند همپوشانی نوری با روکش قوی هسته، وجود حالت‌های سطحی و زبری سطح هسته آن‌ها رد شده‌اند.

علاوه بر این، داشتن الیاف PBG که در طول موج‌های کوتاه (<1μm) هدایت می‌شوند، نیاز به گام‌های روکش کوچک‌تری دارد که فرآیندهای ساخت الیاف PBG را پیچیده‌تر می‌کند. کمترین تلفات گزارش شده برای فیبرهای PBG 1.2 اینچ دسی بل بر کیلومتر در حدود 1600 نانومتر مربع است. در طول موج های کوتاه تر، حداقل تضعیف بسیار بیشتر است: 870 dB/km در 557 nm3.

نتیجه گیری:

فیبرهای نوری شیشه در بسیاری از جنبه های فوتونیک از مخابرات و لیزرهای پرقدرت تا حس کردن محیط فیزیکی را متحول کرده است. علیرغم موفقیت عظیم تکنولوژیکی و تجاری، فیبرهای نوری شیشه به دلیل خواص مواد سیلیس، در معرض تعدادی محدودیت ذاتی هستند که به عنوان مثال، پهنای باند طیفی قابل استفاده، تأخیر سیگنال و سطوح توان نوری را که می تواند بدون آسیب منتقل شود، محدود می کند.

در مقابل، فیبر نوری تو خالی یا Hollow-Core Fiber نور را در هوا یا هسته خلاء هدایت می‌کنند که طیف وسیعی از امکانات هیجان‌انگیز از جمله ارتباطات با تأخیر کم، انتقال لیزری با توان بالا و امکان افزایش یا سرکوب غیرخطی‌بودن را به چند مورد می‌دهد.