مؤشر الليف المتدرج Graded Index Fiber 

إنّ الألياف متعددة الأوضاع تُعرف أيضاً باسم ألياف مؤشر الخطوة، حيث تكون وظيفة الموضع الشعاعي هي مؤشر الانكسار، أي أنّها مستقرة في بعض المناطق وتعرض خطوات في مواضع معينة، لذلك تُعرف هذه أيضاً باسم ألياف ذات المؤشر المتدرج؛ لأنّ مؤشر الانكسار يتغير بسهولة داخل الاتجاه الشعاعي كما يمكن تحقيق ذلك من خلال تقنيات تصنيع الألياف.

ما هي الألياف ذات المؤشر المتدرج؟

في اتصالات الألياف الضوئية، تحتوي الألياف الضوئية ذات المؤشر المتدرج على معامل انكسار، وعندما يتم زيادة المسافة الشعاعية من محور الألياف، فإنّ معامل الانكسار سينخفض، ونظراً لأنّ الأجزاء الأساسية أقرب إلى محور الألياف، فإنّ ذلك يحتوي على معامل انكسار مرتفع مقارنة بالأجزاء القريبة من الكسوة، فإنّ أشعة الضوء ستتبع الممرات الجيبية أسفل الألياف.

مؤشر الانكسار الأكثر شيوعاً المستخدم في الألياف ذات المؤشر المتدرج هو القطع المكافئ الذي ينتج عنه إعادة تركيز متكرر للانبعاثات داخل الوسط ويقلل التشتت النمطي، كما يمكن تصميم الألياف الضوئية متعددة الأوضاع باستخدام مؤشر متدرج بخلاف ذلك.

الفائدة الرئيسية للمؤشر المتدرج مقارنةً بمؤشر الخطوة هو الانخفاض الكبير في التشتت النموذجي وعلاوة على ذلك يمكن تقليل هذا التشتت عن طريق اختيار حجم نواة أقل؛ لتشكيل ألياف مؤشر خطوة في وضع واحد، كما يتضمن تصميم الألياف ذات المؤشر المتدرج شكلاً مكافئاً من محور الألياف بعيداً عن موقع شعاعي معين.

مخطط ألياف المؤشر المتدرج:

يٌعد بإنّه نوع واحد من الألياف، حيث تزداد المسافة الشعاعية ثم ينخفض ​​معامل الانكسار ببطء، وفي المقابل يكون عادةً هو الألياف “G.652.D” لديها ملف تعريف لمعامل الانكسار التدريجي، يظهر مخطط التالي مؤشر الألياف المتدرج.

في الألياف ذات المؤشر المتدرج، يكون مؤشر الانكسار للنواة غير مستقر، ولكنّه ينخفض ​​ببطء من قيمته القصوى “n1” في مركز الوسط، وإلى أقل قيمة له “n2” في واجهة الكسوة الأساسية الموضحة في الصورة السابقة، كما يتمثل الهدف الرئيسي لتصميم ألياف المؤشر المتدرج في تقليل تربيعي تقريباً ويتم فحصه من خلال ملف تعريف “α” الذي يتم تقديمه بواسطة الصيغة التالية.

Δ = n12-n22 / 2n12 = n1-n2 / n1

• “ρ” هو الموضع الشعاعي.

• “a” هو نصف قطر النواة.

• “α” هي معلمة الملف الشخصي.

• “Δ” هو الفرق بين عدد الانكسار النسبي.

Δ = n1²-n2²/2n1² = n1-n2/n1

كما تتحقق المعلمة مثل “α” من ملف تعريف الفهرس ويتحرك ملف ألياف مؤشر الخطوة نحو حدود “α” الكبيرة، وتتصل ألياف مؤشر القطع المكافئ بـ “α = 2″، كما من المهم جداً معرفة سبب انخفاض التشتت متعدد المسارات والوسائط المتعددة في هذه الألياف، وفي الرسم البياني السابق يمكن أن تكون الأشعة الثلاثة في الألياف تنتقل في مسارات مختلفة، ولمزيد من الأشعة الزاوية يكون المسار أطول، لكن سرعة الشعاع ستتغير مع المسار بسبب الاختلافات في معامل الانكسار.

وبشكل أكثر تحديداً يأخذ الشعاع الذي يدور على طول محور الألياف أقصر مسار، ومع ذلك فإنّه ينتقل ببطء لأنّ المؤشر الرئيسي على طول هذا المسار، وبدلاً من ذلك تأخذ الأشعة الزاوية مساراً كبيراً على الرغم من أنّها تتضمن جزءاً كبيراً من ممرها عبر معامل الانكسار المنخفض، وبالتالي فهي تتحرك بشكل أسرع، لذلك من الممكن أن تظهر جميع الإشارات مرة واحدة في نهاية الألياف، وبشرط أن نحدد الاختيار المناسب لـ “α” أي ملف تعريف معامل الانكسار.

ألياف متعددة الوسائط متدرجة المؤشر:

في هذا النوع من الألياف، يكون قطر النواة من “50” إلى “100 ميكرومتر”، وعندما يكون للوسط قطر كبير فإنّه يتيح للعديد من الأشعة بالانتشار في جميع أنحاء الألياف، وعندما تنتقل الإشارة الضوئية في الألياف فإنّها ستغير سلوكها بمرور الوقت عند التنقل داخلها، لأنّ معامل انكسار النواة عند المحور أعلى نسبياً مقارنة بالجزء الآخر فيه.

لذلك بمجرد السماح للإشارة الضوئية، ستدور في الألياف وبعد ذلك تنتقل من وسط منخفض الكثافة إلى وسط عالي الكثافة، لذلك تنكسر في الوسط إشارة الضوء على الرغم من انعكاسها، ولذلك ينكسر الضوء المرسل وينحني باستمرار، وفي حالة الألياف متعددة الأوضاع لا تنتشر الإشارات الضوئية عن طريق تتبع خط مستقيم، بل إنّها تتبع مناطق مكافئة بسبب عدم الانتظام داخل مؤشر الانكسار في الوسط.

لكن بعض الأنماط ستنقل في مسار مستقيم أو تكون ذات طبيعة قطع مكافئ منخفضة، ونتيجةً لذلك سوف تنتشر هذه الإشارات الضوئية ببطء، بسبب التحسن في مناطق معامل الانكسار العالي مقارنة بتلك التي تتبع مناطق عالية القطع المكافئ.

والإشارات الضوئية التي تنتشر في جميع أنحاء المنطقة ستخرج من المحور الذي يتحرك خلال منطقة معامل الانكسار المنخفض وتنقل مسافات طويلة ولكنها تدور بسرعة، ونتيجةً لذلك سيقل الوقت الذي تستغرقه الدورة الدموية في جانب آخر من الألياف، ولذلك ستنتقل جميع الإشارات عبر ممرات مختلفة وهذا يزيل احتمال الانتشار في الوسط.

الفرق بين مؤشر الخطوة وألياف المؤشر المتدرج:

مزايا الألياف ذات المؤشر المتدرج:

• باستخدام هذه الألياف، يمكن نقل كمية كبيرة من البيانات.

• بالمقارنة مع مؤشر الخطوة، يكون التشويه صغيراً نسبياً.

عيوب الألياف ذات المؤشر المتدرج

• لديها كفاءة أقل في اقتران الضوء.

• إنّه مكلف مقارنة بالألياف ذات المؤشر التدريجي.

تطبيقات الألياف ذات المؤشر المتدرج:

• يتم اعتماد الألياف متعددة الأنماط ذات المؤشر المتدرج في النطاق الترددي الأقل نسبياً والتطبيقات قصيرة المدى “LAN“التي تعمل بسرعة “1 جيجابت في الثانية” بخلاف ذلك.

• يتم استعمال الألياف الأحادية “SMF” أو في تطبيقات “BW” العالية والتطبيقات طويلة المدى.

ملاحظة:“SMF” هي اختصار “Single-Mode optical Fiber”.

ملاحظة:“LAN” هي اختصار “Local Area Network”.

الألياف مؤشر متدرج متعدد الأوضاع مقابل الألياف مؤشر الخطوة متعددة الأوضاع:

بالنسبة لليف مؤشر الخطوة، يكون معامل الانكسار للنواة منتظماً ويحدث التغيير التدريجي أو المفاجئ في معامل الانكسار عند واجهة الوسط والكسوة في ألياف مؤشر الخطوة، بينما بالنسبة للألياف ذات المؤشر المتدرج، فإنّ معامل الانكسار للنواة غير منتظم وينخفض ​​مؤشر الانكسار للنواة بشكل مكافئ من محور الألياف إلى سطحه.

تنتشر أشعة الضوء بطريقة متعرجة داخل قلب ألياف مؤشر الخطوة، وتنتقل الأشعة في الألياف كأشعة طولية وتعبر محور الألياف لكل انعكاس، لكن أشعة الضوء تنتشر في شكل أشعة منحرفة أو أشعة حلزونية، ولن يعبروا محور الألياف المتدرج.

كانت الألياف متعددة الوسائط ذات مؤشر التدرج هي أول تصميم للألياف، ولكنّها بطيئة جداً في معظم الاستخدامات، بسبب التشتت الناجم عن أطوال المسار المختلفة للأنماط المختلفة، لذلك بالكاد يتم استخدام الألياف ذات المؤشر التدريجي في تطبيقات الاتصالات والبيانات الحالية، كما تُستخدم الألياف متعددة الأنماط ذات المؤشر المتدرج اختلافات في تكوين الزجاج في الوسط لتعويض أطوال المسار المختلفة للأنماط، وإنّه يوفر عرض نطاق ترددي أكبر بمئات المرات من ألياف مؤشر الخطوة.