اپتیک فیبری

تعریف: فن آوری اپتیکی که بر پایه فیبرهای نوری است.
اپتیک فیبری، فن‌آوری است برپایه فیبرهای نوری، یعنی اساساً برپایه‌ی موج‌برهای انعطاف‌پذیر که هدایت نور را انجام می‌دهند. در مقاله با عنوان فیبرهای نوری فن‌آوری مغزی فیبرها، شامل انواع مختلف فیبرهای شیشه‌ای (به عنوان مثال فیبرهای سیلیکانی و فیبرهای فلوئوریدی[۱]) و همچنین فیبرهای نوری پلاستیکی توصیف شده ‌است. جدا از مواد اولیه، فیبرها می‌توانند از جنبه‌های دیگری نیز، به‌ویژه درباب مشخصه‌های انتشار نور در مغزی فیبرها تفاوت داشته باشند. برخی از این موارد در زیر فهرست شده‌اند:

و انواع مختلفی از فیبر‌های خاص نیز در این مقاله آورده شده است. بعضی از موارد متعلق به گروه مهمی از فیبر‌های بلور فوتونیکی (و یا فیبر‌های با ساختار میکرونی) هستند، که شامل حفره‌های کوچک در امتداد مغزی فیبر هستند.

شکل ۱: نور را می‌توان به داخل فیبر فرستاد، نور وارد شده به فیبر می‌تواند به صورت باریکه‌ای با شعاع ثابت تا هنگام خروج از فیبر انتشار یابد. همچنین می‌توان چندین عنصر اپتیک فیبری را در هم ترکیب کرد. در تمام چیدمان‌های فیبری ممکن است نور به طور کامل در موج‌بر باقی بماند.

 
کابل فیبری
فیبرها اغلب در غالب کابل‌های فیبر نوری مورد استفاده قرار می‌گیرند، که فیبر حقیقی درون ساختاری حمایتی جاسازی می‌شود تا در برابر تنش‌های مکانیکی و رطوبت محافظت ‌شود. کابل‌های فیبری اغلب به اتصالات فیبری منتهی می‌شوند، به طوری که می‌توان آنها را به‌صورت مشابه با کابل‌های برق اتصال داد، اگر چه اتصالات فیبر نوری در عمل ظریف‌تر هستند.
کابل‌های فیبری از بسیاری جهات می‌توانند متفاوت باشند:

قطعات اپتیک فیبری
به غیر از فیبرها، انواع مختلفی از قطعات در اپتیک فیبری وجود دارند که ممکن است با استفاده از فیبرهای نوری به یکدیگر متصل شوند. برخی از این قطعات اساساً از فیبرها ساخته شده‌اند، درحالی‌که برخی دیگر، از مواد کاملا متفاوت تشکیل شده‌اند، اما به فیبرها تزویج[۸] شده‌اند، یعنی آنها فیبرها را برای هدف‌های ورودی و خروجی ارائه می‌دهند. نمونه‌هایی از قطعات مورد استفاده در اپتیک فیبری عبارتند از:

 
چیدمان‌های اپتیک فیبری
ممکن است چندین مورد از تجهیزات فیبر نوری به‌صورت ترکیبی برای به‌دست آوردن چیدمان تمام فیبری با قابلیت‌های پیچیده مورد استفاده قرار گیرد. به‌عنوان مثال، می‌توان منابع دمش دیودی (لیزرهای فیبری[۲۱]، پایین را ببینید) را از لیزرهای دیودی تزویج شده به فیبر، فیبرهای آلاییده شده به عناصر خاکی کمیاب و تزویج‌گرهای فیبری مونتاژ کرد. تجهیزات دیگری مانند جاذب‌های اشباع‌پذیر تزویج‌شده به فیبر و فیبرها، با توجه به موضوع جبران پاشندگی، اجازه می‌دهند که عملکرد قفل‌‌مدی[۲۲] را به‌دست آورد، که در آن لیزر قطاری از پالس‌های فوق کوتاه[۲۳] را منتشر می‌کند. همچنین می‌توان از این تجهیزات برای کلیدزنی نوری[۲۴]، پایداری نوری[۲۵]،  تنظیم طول‌موج [۲۶] و مقاصد مختلف دیگر استفاده کرد.
 
تقویت‌ کننده‌های فیبری و لیزرها
در فیبرهای فعال لیزری، که در بیشتر موارد فیبرهای آلاییده شده به عناصر خاکی کمیاب هستند، می‌توان فرآیند تقویت لیزری را بر اساس تابش القایی[۲۷] انجام داد. یون‌های فعال لیزری، به‌عنوان مثال، YB³⁺، Er³⁺ یا Tm³⁺، به‌وسیله‌ی برخی از نورهای دمشی معمول با طول‌موج کوتاه‌تر که به فیبر تزویج‌شده پمپاژ می‌شوند و می‌توانند برخی از نورهای سیگنال را تقویت کنند. تقویت‌کننده‌های فیبری که بر اساس این فن‌آوری کار می‌کنند، به راحتی می‌توانند بهره‌ی[۲۸] توان تا چند ده دسی‌بل، فراهم کنند. نسخه‌های پرتوان که بر اساس فیبرهای دوغلافی هستند، می‌توانند به‌طور متوسط توان خروجی صدها یا حتی هزاران وات تولید کنند. همچنین با بهره‌گیری از بازتابشگرهایی مانند توری‌های براگ فیبری و/یا با ایجاد مشددهای حلقه‌ای، می‌توان لیزرهای فیبری را به تحقق رساند.

شکل ۲: چیدمان لیزری هشت‌ی شکل،. قطعات متعدد اپتیک فیبری به منظور ایجاد چیدمان‌های پیچیده، ترکیب شده است.

با توجه به بهره‌ی بالای لیزرها، اثرات تقویت در روش تابش خودبه‌خودی[۲۹]، رفتار شبه سه ترازی یون‌های فعال لیزری در فیبرها، اثرات اشباعی دربهره‌های بالا و غیره، جزئیات عمل‌کردی تقویت‌کننده‌ها و لیزرهای فیبری اغلب پیچیده‌تر از لیزرهای حجمی هستند. بنابراین، مدل‌سازی لیزری[۳۰] دقیق و به‌دست آوردن درک روشن در این زمینه، که بر اساس آن طراحی دستگاه‌ها را می‌توان بهینه کرد، به‌صورت ویژه مهم است.
 
مقایسه‌ی اپتیک حجمی و اپتیک فیبری
چیدمان‌های اپتیک سنتی قطعات مختلف نوری مجزایی مانند آینه‌ها، عدسی‌ها، قطبش‌گرها، فیلترها، و غیره، را شامل می‌شوند، درحالی‌که قطعات اپتیک فیبری ممکن است در ساخت چیدمان‌های تمام فیبری استفاده شوند.
خط مشی‌های مختلف فن‌آوری در بسیاری از جهات می‌تواند متفاوت باشند:
استحکام چیدمان‌های اپتیک فیبری یک مزیت مهم البته فقط برای فن‌آوری تمام فیبری است.

البته، فن‌آوری اپتیک حجمی و فیبری نیز در فرم مختلط استفاده شده است، به طوری که در مرحله‌ای نور از طریق هوا و قطعات اپتیکی و در مرحله‌ای دیگر از طریق فیبرها منتقل می‌شوند. ممکن است بدین صورت از مزایای هر دو فن‌آوری بهرمند شده و یا معایب آنها عایدشان شود. به‌عنوان مثال، ممکن است استحکام یک روش اپتیک فیبری در نتیجه انتشار درفضای آزاد در قسمتی از چیدمان به طور کامل از دست داده شود (توجه داشته باشید که تزویج دوباره‌ی نور به یک فیبر تک مد نیاز به تنظیم حساس‌تری نسبت به چیدمان‌های اپتیک حجمی دارد.).

کاربردهای مهم اپتیک فیبری
اپتیک فیبری تبدیل به یک زمینه‌ی بسیار مهم از فن‌آوری‌های علم فوتونیک شده است. در زیر ما به ‌صورت خلاصه به بحث پیرامون برخی از زمینه‌های ویژه و مهم می‌پردازیم:
مخابرات فیبر نوری شاید برجسته‌ترین مثال برای اهمیت فراوان اپتیک فیبری است.

مدل‌سازی دستگاه‌های فیبری
مدل‌سازی فیزیکی برای تجزیه و تحلیل و بهینه‌سازی جزئیات بهره‌برداری از دستگاه‌های اپتیک فیبری اغلب بسیار مهم و حائز اهمیت است. بسیاری از جنبه‌های مختلف می‌تواند موضوع این‌چنین مدل سازی‌هایی باشند:

برای بسیاری از جنبه‌های این‌چنینی، نرم‌افزارهای شبیه‌سازی فیبری[۳۸]  به ویژه برای انواع مختلف شبیه‌سازی‌های عددی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
 

---