1. فیبر توخالی چیست؟
در این مقاله به نسل جدید (آینده) فیبرنوری با عنوان فیبر HCF می‌پردازیم، به دلیل تجاری نشدن این نوع فیبر در زمان انتشار این مقاله نامگذاری آن در این متن با عبارات فیبر توخالی، فیبر بدون هسته و یا همان فیبر HCF دارای معانی واحد هستند.
فیبر توخالی(فیبر نوری بدون هسته – هسته توخالی) Hollow-Core Fiber (HCF) از هوا به عنوان رسانه انتقال استفاده می‌کند و جایگزین فیبر نوری سنتی خواهد شد که از «هسته شیشه‌ای» به عنوان رسانه انتقال استفاده می‌کند. فیبر توخالی با تأخیر (Latency) بسیار کم، الگوی غیرخطی (Nonlinearity) بسیار کم، اتلاف بالقوه بسیار کم و پهنای باند وسیع تر، می تواند به سیستم های OTN (Optical Transport Network) کمک کند تا ظرفیت انتقال بیشتر، فاصله انتقال بیشتر و تأخیر زمانی کمتری داشته باشند.
2. اصل هدایت نور در فیبر نوری هسته توخالی
علیرغم اصول بازتاب کلی نور موج‌بر در فیبر نوری معمولی، هسته فیبرهای نوری توخالی، هوا است و هدایت نور کاملاً به محدودیت نور توسط روکش (Cladding) بستگی دارد. به عنوان مثال، نقره با بازتاب بسیار بالا را می توان برای محدود کردن بازتاب نور استفاده کرد، به طوری که فقط بتواند در هسته هوا منتقل شود. این فناوری اولین بار در دهه 1960 ارائه شد. دیواره داخلی یک مویرگ شیشه ای را با یک فیلم بازتابنده می پوشاند و سپس نور مادون قرمز میانی را در وسط ارسال می‌کند. با این حال، از آنجایی که سوراخ (Hole) نسبتاً بزرگ است، پوشاندن آن آسان تر است، اما هرچه سوراخ بزرگتر باشد، حالت های انتقال بیشتری رخ می دهد. در این ساختار، دستیابی به انتقال Single-Mode از راه دور دشوارتر است.
با پیشرفت تکنولوژی، در دهه های 1980 و 1990، ساختارهای روکش دار با طراحی خاص، مانند الیاف کریستال فوتونیک توخالی پیشنهاد شدند. اصل هدایت نور آن اثر شکاف نواری کریستال (Crystal band) فوتونی است. مشابه مفهوم شکاف نواری در نیمه هادی ها، ساختار روکش هوا در این فیبر دارای تناوب شدید است. هنگامی که این ساختار تناوبی با معرفی هسته فیبر از بین می رود، یک حالت نقص یا حالت محلی با پهنای باند مشخص ایجاد می شود و تنها امواج نوری با فرکانس خاص می توانند در این ناحیه نقص منتشر شوند، در حالی که امواج نور فرکانس های دیگر نمی توانند. منتشر می شود و در نتیجه محدودیتی برای نور ایجاد می کند. با استفاده از این ساختار، نیازی به لایه هسته با ضریب شکست بزرگتر از روکش نیست، بنابراین فیبرهای نوری توخالی کاربردی تری با ساختارهای مختلف ظاهر می‌شوند.
شکل 1: Hollow core fiber structure diagram
3. چرا فیبر توخالی مورد نیاز است؟
همانطور که می‌دانیم، نزدیک به نیم قرن، شبکه های نوری که غالبا توسط سیستم های فیبر نوری Single-Mode ارائه می‌شوند، با مزایای خود مانند «ظرفیت زیاد، مصرف انرژی کم و تاخیر کم» یک ارتباط پایه ای قدرتمند در دنیای ارتباطات بوده اند. با این حال، کوارتز (شیشه)، به عنوان یک ماده هسته فیبر نوری، دارای محدودیت‌های ذاتی است، از جمله چالش‌های ظرفیت و محدودیت‌های عملکرد.
- چالش ظرفیت (Capacity bottleneck): به دلیل محدودیت پهنای باند در ماده کوارتز، حداکثر ظرفیت باند تک-فیبر سینگل-مود C+L حدود 100 ترابیت بر ثانیه است. حتی اگر باند O/S/U گسترش یابد، باز هم نمی تواند از سطح P عبور کند.
- محدودیت‌های عملکرد: محدودیت‌های تئوری شامل غیرخطی بودن، تضعیف، تاخیر و غیره وجود دارد که مانع از بهبود بیشتر عملکرد انتقال (مانند فاصله، تاخیر) می‌شوند.
در سال‌های اخیر، با پیشرفت‌های مداوم در فناوری‌های مرتبط با فیبر توخالی، پیش‌بینی می‌شود که ظرفیت انتقال، فاصله و تأخیر سیستم‌های فیبر توخالی در آینده به طور قابل توجهی بهبود یافته و به راهکار فوق العاده‌ای جهت سناریوهای کم-تاخیر مانند مراکز داده و شبکه های قدرتمند محاسباتی تبدیل شود. همچنین بهترین انتخاب برای آزمایشات تجاری خواهد داد.
4. مقایسه فیبر هسته توخالی با فیبر رایج فعلی؟
در مقایسه با فیبر نوری رایج با هسته شیشه ای که در حال حاضر به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد، فیبر نوری توخالی دارای مزایای قابل توجهی در موارد زیر است:
- تأخیر کم: نور عمدتاً در ناحیه هسته نزدیک به روزنه‌های هوا منتقل می شود. ضریب شکست کمتر از شیشه جامد است و سرعت انتقال سریعتر است. تأخیر از 5us/km به 46 us/km کاهش می‌یابد (تأخیر انتقال با فیبرهای نوری موجود مقایسه می شود). تاخیر 30 درصد کاهش یافته است و این ویژگی برای انتقال سرویس‌های حساس به تاخیر فعلی و آینده بسیار اهمیت دارد.
- غیرخطی بسیار کم (Ultra-low nonlinearity): اثر غیرخطی فیبر هسته توخالی 3 تا 4 مرتبه کمتر از فیبر هسته شیشه ای معمولی است، که اجازه می دهد تا توان نوری ورودی تا حد زیادی افزایش یابد و در نتیجه باعث افزایش فاصله انتقال شود. سازندگان تجهیزات مختلف در این صنعت، از جمله ZTE، تحقیقاتی را بر روی سیستم‌های نوری مرتبط بر اساس این ویژگی آغاز کرده‌اند، مانند مدولاسیون 128QAM و فناوری تقویت‌کننده با توان بالا، که انتظار می‌رود ظرفیت سیستم و فاصله انتقال را حداقل تا 2 برابر افزایش دهد.
- تلفات بالقوه فوق العاده کم: تلفات جریان به دست آمده توسط فیبر نوری توخالی 174dB/km است که مشابه عملکرد آخرین نسل فیبر نوری هسته شیشه ای موجود است. در عین حال، حداقل حد تئوری پنجره ارتباطی فیبر نوری توخالی می تواند تا 0.1dB/km باشد که از حد تئوری 0.14dB/km فیبر نوری معمولی با هسته شیشه ای کمتر است.
- باند فرکانس کاری فوق عریض: با بهینه سازی مستمر طراحی ساختار فیبر توخالی، می تواند یک باند فرکانس فوق العاده گسترده بیش از 1000 نانومتر ارائه دهد که به راحتی از باندهای O، S، E، C، L، U و سایر باندها پشتیبانی می‌کند.
5. کاربرد تجاری صنعت فیبر هسته توخالی چیست؟
با توجه به مزایای فنی فیبر نوری توخالی، در حال حاضر دانشگاه ها و شرکت های داخلی و خارجی در زمینه فیبر نوری تحقیقات مربوطه را انجام داده اند. شناخته شده ترین آنها Lumenisity است که یکی از شرکت های تابعه دانشگاه Southampton است که ضریب تضعیف فیبر نوری توخالی را به 0.174dB/km در سال 2022 کاهش داده است که نشان دهنده بالاترین سطح فنی در صنعت است. البته در محدوده بلوغ فناوری فیبر توخالی، از جمله بهبود عملکرد فیبر (کاهش ضریب تضعیف)، بلوغ فرآیند تولید و بهبود استاندارد، در حال حاضر عمدتاً بر روی آزمایش و تحقیقات علمی متمرکز شده است. به عنوان مثال، در سال 2021، British Telecom اعلام کرد که با Lumenisity و شرکت شبکه جهانی Mavenir در آزمایشگاه مخابرات بریتانیا برای آزمایش یک کابل فیبر نوری توخالی به طول 10 کیلومتر همکاری خواهد کرد. بنابراین پیش‌بینی می‌شود که همچنان مدتی طول بکشد تا این فناوری تجاری‌سازی شود.
نظر خود را وارد نمایید