۴ اصل فیزیکی مهم در عملکرد فیبر نوری (شکست، بازتاب، تداخل و تضعیف)

شکست نور به خم شدن نور هنگام عبور از یک ماده به ماده‌ای دیگر گفته می‌شود.
در حال تمیز کردن استخر خود با یک تور دسته‌بلند هستید که متوجه یک حشره بزرگ می‌شوید که به نظر می‌رسد ۲ فوت زیر سطح آب قرار دارد. تور را در محلی که فکر می‌کنید حشره آنجاست قرار می‌دهید و آن را در آب حرکت می‌دهید، اما وقتی تور را بیرون می‌آورید، خبری از حشره نیست.
چرا تور نتوانست حشره را بگیرد؟
به یاد داشته باشید، شکست نور به‌راحتی زمانی دیده می‌شود که یک چوب را داخل لیوان آب قرار دهید. وقتی از بالا نگاه می‌کنید، چوب شکسته به نظر می‌رسد چون نور در آب آهسته‌تر از هوا حرکت می‌کند. همین اتفاق درباره آن حشره افتاده است. شما حشره را از بالای آب دیده‌اید و نور هنگام خروج از آب دچار شکست شده، بنابراین جای واقعی حشره با جایی که به نظر می‌رسد متفاوت است.

تشخیص بازتاب کامل داخلی

در سال ۱۸۴۰، کولادون و بابینه نشان دادند که نور شدید می‌تواند از طریق جریان‌های باریک آب، با استفاده از پدیده‌ی بازتاب کامل داخلی هدایت شود.
شما ماهی خود را از یک آکواریوم کثیف ۱۰ گالنی خارج کرده‌اید و در حال آماده شدن برای تمیز کردن آن هستید که دوستتان با یک لیزر وارد می‌شود. او لیزر را روشن کرده و نور آن را از کنار آکواریوم به داخل می‌تاباند. نور لیزر ذرات کوچک و کثیف داخل آب را روشن می‌کند و شما و دوستتان می‌بینید که نور از یک طرف وارد شده و از طرف دیگر خارج می‌شود. اما وقتی او لیزر را با زاویه‌ای به سطح آب می‌تاباند، نور از آب خارج نمی‌شود و به‌جای آن، با زاویه‌ای بازتاب می‌شود.
چرا این اتفاق افتاد؟
به یاد داشته باشید، کولادون و بابینه با استفاده از یک لامپ قوسی و ظرف آب، همین پدیده را نشان دادند. شما هم تقریباً همان آزمایش را انجام دادید، با این تفاوت که به‌جای لامپ قوسی، از لیزر استفاده کردید و آکواریوم کثیف به‌جای بشکه‌ی آب بود. چون آب کدر بود، می‌توانستید بازتاب داخلی نور را ببینید. اگر آکواریوم تمیز بود، مشاهده‌ی نور بسیار دشوار می‌شد چون ذراتی برای پخش نور وجود نداشت.
(پدیده‌ی پخش نور در فصل ۵ “ویژگی‌های فیبر نوری” توضیح داده خواهد شد.)

تشخیص تداخل نوری (Crosstalk) بین چند فیبر نوری

تداخل یا کوپلینگ نوری زمانی رخ می‌دهد که نور از یک فیبر به فیبر دیگر نشت کند.
شما شش رشته پلاستیکی شفاف و انعطاف‌پذیر را کنار هم بسته‌اید تا یک وسیله‌ی فیبر نوری برای دیدن داخل دریچه‌ی بخاری ماشینتان بسازید، به این امید که هدست بلوتوث گمشده‌تان را پیدا کنید. وقتی این وسیله را داخل دریچه قرار می‌دهید، تصویر واضحی نمی‌بینید.
یکی از دلایل احتمالی این عملکرد ضعیف چیست؟
در سال ۱۹۳۰، لامم برای اولین‌بار چند فیبر تجاری را کنار هم قرار داد و تصویری ناقص را از یک کابل فیبر نوری کوتاه منتقل کرد. اما این روش چند مشکل داشت. از جمله اینکه سر فیبرها به‌درستی چیده و پرداخت نشده بودند. مشکل مهم‌تر این بود که فیبرهای کوارتز کنار هم بودند و اطراف هر فیبر، محیطی با ضریب شکست پایین وجود نداشت. در نتیجه نور از یک فیبر به فیبر دیگر نشت می‌کرد و تصویر تداخل پیدا می‌کرد. به این پدیده تداخل یا کوپلینگ نوری گفته می‌شود.

تشخیص تضعیف (Attenuation) در فیبر نوری

در سال ۱۹۶۰، بعد از اختراع لیزر، به دلیل تلفات نوری (تضعیف)، فیبر نوری برای انتقال داده مناسب به نظر نمی‌رسید.
شما در حال بررسی گرفتگی یک لوله‌ی تخلیه هستید و چون چراغ‌قوه‌تان بزرگ است و لوله در دسترس نیست، نمی‌توانید داخل آن را ببینید. تصمیم می‌گیرید چراغ‌قوه را طوری تغییر دهید که نور داخل لوله را روشن کند. یک میله‌ی پلاستیکی شفاف و نازک به طول حدود ۱۲ اینچ می‌خرید و یک سر آن را روی LEDهای چراغ‌قوه قرار می‌دهید. اما بعد از روشن کردن چراغ، متوجه می‌شوید که نور خروجی از میله بسیار ضعیف‌تر از حد انتظار است، هرچند باز هم تلاش می‌کنید منبع گرفتگی را ببینید.
چرا چراغ‌قوه‌ی فیبر نوری شما نتوانست لوله را روشن کند؟
در سال ۱۹۶۰، فیبرهای نوری به دلیل تضعیف زیاد برای انتقال سیگنال مناسب نبودند. اما در سال ۱۹۶۶، چارلز کائو اعلام کرد که تلفات نور به دلیل نقص در فرآیند ساخت است. میله‌ی پلاستیکی‌ای که خریدید، برای انتقال نور طراحی نشده و تضعیف زیادی دارد. این همان مشکلی بود که تا پیش از سال ۱۹۷۰ وجود داشت، تا اینکه شرکت کورنینگ فیبری ساخت که فقط ۲۰ دسی‌بل در هر کیلومتر تلفات داشت.