تزویج‌گرهای فیبری
تعریف: تزویج‌گرهای فیبری، از ابزارهای فیبر نوری هستند که نور را از یک یا چند فیبر ورودی به یک یا چند فیبر خروجی و یا نور را از فضای آزاد به داخل فیبر نوری تزویج می‌کنند.
تزویج‌گرهای فیبر نوری از اجزای اساسی بیشتر چیدمان‌های اپتیک فیبری[۱]، هستند. باید توجه داشت که واژه‌ی تزویج‌گر فیبری در دو معنی متفاوت بکار می‌رود.
تعریف: تزویج‌گرهای فیبری، از ابزارهای فیبر نوری هستند که نور را از یک یا چند فیبر ورودی به یک یا چند فیبر خروجی و یا نور را از فضای آزاد به داخل فیبر نوری تزویج می‌کنند.
تزویج‌گرهای فیبر نوری از اجزای اساسی بیشتر چیدمان‌های اپتیک فیبری[۱]، هستند. باید توجه داشت که واژه‌ی تزویج‌گر فیبری در دو معنی متفاوت بکار می‌رود.
- یک تزویج‌گر فیبری، می‌تواند بصورت یکی از ابزارهای فیبر نوری باشد که دارای یک یا چند فیبر ورودی و یک یا چند فیبر خروجی است. نور می‌تواند از یک ورودی به یک یا چند فیبر خروجی برسد، که توزیع توان آن بصورت بالقوه، به طول‌موج و قطبش نور بستگی دارد.
- همچنین یک تزویج‌گر فیبری می‌تواند بعنوان ابزاری برای تزویج (تزریق) نور از فضای آزاد به داخل فیبر نوری باشد.
این نوشتار به بحث در مورد تزویج‌گرهای فیبری نوع اول که نور را از فیبرهای نوری، به فیبرهای نوری تزویج می‌کنند، می پردازد. چنین تزویج‌گرهایی، با استفاده از روش‌های مختلفی ساخته می‌شوند.
شکل ۱: یک تزویج‌گر فیبری ۲×۲
- برای مثال، می‌توان دو یا چند فیبر نوری را با استفاده از حرارت، باریکتر کرده[۲] و به یکدیگر جوش داد. بنابراین مغزی[۳] این فیبرها، در طول چندین سانتی‌متر در تماس نزدیک با یکدیگر قرار می‌گیرند. همچنین این کار را می‌توان با استفاده از فیبرهای نگهدارنده قطبش[۴] (PM Fibers) انجام داد، که به ساخت تزویج‌گرهای نگهدارنده قطبش[۵] و یا تقسیم کننده ها[۶] منجر می‌شود.
- برخی از تزویج‌گرها، از فیبرهایی که از کنار سائیده شده‌اند[۷]، استفاده می‌کنند، که دسترسی به مغزی فیبر را فراهم می‌کند.
- مدارهای امواج نوری تخت[۸] نیز وجود دارند که شامل دسته موجبرهایی از فیبر هستند که به ورودی‌ها و خروجی‌ها متصل شده‌اند.
- همچنین تزویج‌گرها را می‌توان با استفاده از ابزارهای اپتیکی نیز ساخت. برای مثال در غالب میکرولنزها و تقسیم‌کننده‌های باریکه، که می‌توانند با فیبرها تزویج شوند (مانند فیبرهای دم-موشی[۹]).
شکل ۲، یک شبیه‌سازی عددی انتشار باریکه، برای تزویج‌گر فیبری نوع اول که در بالا توصیف شد را نشان میدهد. در این مورد توزیع نور بین مغزی فیبرها نوسان می‌کند و در نهایت قسمت اعظم توان نوری در فیبر اولیه (بالایی) باقی می‌ماند. همچنین برای نور با طول‌موج‌های دیگر، تزویج، می‌تواند بسیار متفاوت باشد. بنابراین اینچنین تزویج‌گرهایی تنها در پهنای باند اپتیکی محدودی[۱۰] کار می‌کنند. اینها می‌توانند بعنوان تزویج‌گرهای دوفام[۱۱] و یا ترکیب‌کننده‌های باریکه، برای جداسازی و یا ترکیب مولفه‌های دو طول‌موج متفاوت مورد استفاده قرار گیرند. (از قبیل نور دمش و سیگنال در تقویت‌کننده‌ی فیبری[۱۲]).
شکل ۲: یک شبیه‌سازی عددی انتشار باریکه، که با استفاده از نرم‌افزار RP Fiber Power انجام شده و توزیع دامنه‌ی یک تزویج‌گر فیبری را نشان میدهد.
بطور معمول تزویج‌گرهای فیبری، تزویج‌گرهای مستقیم هستند. به این معنی که هیچ توان نوری که در برخی از فیبرهای ورودی ارسال شده است، نمی‌تواند به یکی از شاخه‌های ورودی دیگر برگردد. اغلب یک مشخصه‌ای از اتلاف بازگشت وجود دارد که نشان میدهد نور منعکس شده در جهت مخالف[۱۳]، در مقایسه با نور ورودی، چقدر ضعیف است.
محدودیت‌های ترکیب‌کننده‌های فیبری
اتلاف تزویج
اگر تمامی فیبرهای بکار رفته در ساخت تزویج‌گر فیبری، تک مد[۱۴] باشد (یعنی تنها یک مد انتشار در هر راستای قطبش برای طول‌موج داده شده در داخل فیبر هدایت گردد)، قطعا محدودیت‌های فیزیکی بر روی کارایی یک تزویج‌گر وجود خواهد داشت. در عمل، ترکیب کردن دو یا چند ورودی با فرکانس‌های نوری یکسان در داخل یک خروجی تک قطبش[۱۵]، بدون وجود اتلاف غیرممکن است، مگر اینکه فازهای نوری باریکه‌های ورودی، بطور دقیقی تنظیم شده و پایدار شود. این امر بدین معنی است که دو نور ورودی در صورتی با هم ترکیب می‌شوند که متقابلاً همدوس[۱۶] باشند.
هرچند اینچنین محدودیت‌هایی برای ورودی‌های با طول‌موج‌های مختلف اتفاق نمی‌افتد: تزویج‌گرهایی وجود دارند که می‌توانند دو موج نوری، با طول‌موج‌های مختلف را با هم ترکیب نموده و در یک خروجی تزویج نمایند، بدون اینکه اتلاف قابل ملاحظه‌ای رخ دهد. اینچنین تزویج‌گرهای دوفام، در تقویت‌کننده‌های فیبری برای ترکیب کردن سیگنال ورودی و نور دمش، بکار می‌روند. ممکن است اتلاف ورودی[۱۷] این نوع تزویج‌گرها برای هر دو ورودی، بسیار کم باشد (به مراتب کمتر از ۱ دسی‌بل). دیگر تزویج‌گرهای حساس به طول‌موج[۱۸]، به عنوان همتافتگر در ابزارهای همتافتگری طول‌موج (WDM)[19]، در سیستم‌های ارتباطات[۲۰]، برای ترکیب کانال‌های ورودی متعدد با طول‌موج‌های مختلف و یا برای جداسازی کانال‌ها بکار می‌روند.
ترکیب‌کننده‌های فیبری چند مد[۲۱]، دو باریکه‌ی غیرهمدوس را بدون اتلاف توان با یکدیگر ترکیب می‌کنند، هرچند طی این فرایند، مقداری کاهش درخشندگی[۲۲] اتفاق می‌افتد.
هرچند اینچنین محدودیت‌هایی برای ورودی‌های با طول‌موج‌های مختلف اتفاق نمی‌افتد: تزویج‌گرهایی وجود دارند که می‌توانند دو موج نوری، با طول‌موج‌های مختلف را با هم ترکیب نموده و در یک خروجی تزویج نمایند، بدون اینکه اتلاف قابل ملاحظه‌ای رخ دهد. اینچنین تزویج‌گرهای دوفام، در تقویت‌کننده‌های فیبری برای ترکیب کردن سیگنال ورودی و نور دمش، بکار می‌روند. ممکن است اتلاف ورودی[۱۷] این نوع تزویج‌گرها برای هر دو ورودی، بسیار کم باشد (به مراتب کمتر از ۱ دسی‌بل). دیگر تزویج‌گرهای حساس به طول‌موج[۱۸]، به عنوان همتافتگر در ابزارهای همتافتگری طول‌موج (WDM)[19]، در سیستم‌های ارتباطات[۲۰]، برای ترکیب کانال‌های ورودی متعدد با طول‌موج‌های مختلف و یا برای جداسازی کانال‌ها بکار می‌روند.
ترکیب‌کننده‌های فیبری چند مد[۲۱]، دو باریکه‌ی غیرهمدوس را بدون اتلاف توان با یکدیگر ترکیب می‌کنند، هرچند طی این فرایند، مقداری کاهش درخشندگی[۲۲] اتفاق می‌افتد.
پهنای باند
بسیاری از انواع تزویج‌گرها، تنها در ناحیه محدودی از طول‌موج ها کار می‌کنند (در یک پهنای باند محدود شده[۲۳])، چرا که میزان تزویج، به طول‌موج وابسته است. (همچنین به قطبش نیز وابسته است). این امر یکی از مشخصات نوعی اینچنین تزویج‌گرهایی است که تزویج نور در طول مشخصی اتفاق می‌افتد. پهنای باند نوعی تزویج‌گرهایی که با گداختگی حرارتی ساخته می‌شوند، چند ده نانومتر است. همان‌گونه که در بالا به آن اشاره شد این تزویج‌گرها می‌توانند بعنوان تزویج‌گرهای دوفام و یا ترکیب‌کننده‌ی باریکه، مورد استفاده قرار گیرند، که همچنین گاهی اوقات بعنوان تزویج‌گرهای WDM نامیده می‌شوند (همتافتگری تقسیم طول‌موج).
کاربردهای نوعی
برخی از کاربردهای نوعی تزویج‌گرهای فیبری عبارتند از:
کاربردهای نوعی
برخی از کاربردهای نوعی تزویج‌گرهای فیبری عبارتند از:
- در یک کابل سیستم تلوزیون، سیگنال قدرتمندی از یک فرستنده به یک شکاف دهنده‌ی فیبری[۲۴] ارسال می‌گردد، که توان را برای تعداد زیادی فیبر خروجی، جهت استفاده‌های مختلف، توزیع می‌کند.
- تزویج‌گرهای فیبری می‌توانند در تداخل‌سنج‌های فیبری، بطور مثال برای پرتونگاری نوری همدوس، بکار روند (OCT)[25].
- در داخل مشددهای لیزرهای فیبری، یک تزویج‌گر فیبری دوفام می‌تواند برای تزریق نوردمش و سایر تزویج‌گرهای فیبری بعنوان تزویج‌گر خروجی بکار روند. این تکنیک بویژه در لیزرهای فیبری حلقه‌ای[۲۶]، که هیچ انتهای تشدیدگری ندارند که نور بتواند تزریق شود، بکار می‌روند.
- در تقویت‌کننده‌های فیبری و لیزرهای، تزویج‌گرهای دوفام اغلب برای تزریق کردن نور دمش و یا برای حذف نور دمش باقیمانده از سیگنال خروجی بکار می‌روند.
- در لیزرهای فیبری پرتوان و تقویت‌کننده‌ها، تزویج‌گرهای فیبری چند مد، اغلب می‌توانند برای ترکیب تابش چندین دیود لیزر و ارسال آنها به غلاف داخلی فیبر ماده فعال (یک فیبر دو غلافی[۲۷]) بکار روند.
[۱] Fiber-Optic setup
[۲] Thermally Tapered
[۳] Core
[۴] Polarization-Maintaining Fibers
[۵] PM couplers
[۶] Splitters
[۷] Side-Polished
[۹] fiber pig-tailed
[۱۱] dichroic
[۱۲] fiber amplifier
[۱۳] back-reflected
[۱۴] single-mode
[۱۵] single-polarization
[۱۶] Mutually-coherent
[۱۷] insertion loss
[۱۸] wavelength-sensitive
[۱۹] Wavelength division multiplexing
[۲۰] telecom systems
[۲۱] Multimode fiber combiners
[۲۲] brightness
[۲۳] A limited bandwidth
[۲۴] fiber splitter
[۲۵] optical coherence tomography
[۲۶] fiber ring lasers
[۲۷] double-clad fiber