فیبر نوری چیست و چگونه کار میکند؟

 

فیبرنوری رشته های بلند و نازکی از شیشه بسیار خالص به قطر موی انسان است. آن ها در بسته هایی به نام کابل های نوری مرتب شده اند و برای انتقال سیگنال های نور در فواصل طولانی استفاده می شوند.

فیبرنوری یک فناوری برای انتقال ترافیک داده به صورت پالس های نور بر روی فیبر های نوری کوچک است. قطر این الیاف تقریباً به اندازه یک تار موی انسان است و معمولاً از سیلیس خالص ساخته می شوند.

نور از هسته فیبر عبور می کند و با روکش کردن از خارج شدن آن جلوگیری می کند. پوشش برای عایق بندی کابل های فیبرنوری در برابر باران و سایر انواع آسیب ها استفاده می شود.

فرستنده های نوری وسیله ای برای انتقال ترافیک داده در یک شبکه فیبرنوری با تبدیل داده ها به نور هستند.

آن ها به عنوان لیزر های مخصوص طول موج، سیگنال های داده الکتریکی را از سوییچ ها به سیگنال های نوری تبدیل می کنند که می توانند از طریق این نوع کابل ها منتقل شوند.

فیبرنوری نسبت به سایر فناوری ها قادر است داده های بیشتری را با سرعت های بالا تر در فواصل طولانی تر انتقال دهد.

در نتیجه، پایه و اساس انتقال داده های مدرن شده است و به طور فزاینده ای در شبکه های مخابراتی، ارائه دهندگان خدمات اینترنتی و شبکه های مراکز داده سازمانی استفاده می شود.

 تاریخچه ساخت فیبر نوری

اولین کسانی که در قرون اخیر به فکر استفاده از نور برای انتقال اطلاعات افتادند، انتشار نور را در جو زمین تجربه کردند.

اما وجود موانع مختلف نظیر گرد و خاک، دود، برف، باران، مه و… انتشار اطلاعات نوری در جو را با مشکل مواجه ساخت.

بعدها استفاده از لوله و کانال برای هدایت نور مطرح گردید. نور در داخل این کانالها بوسیله آینه‌ها و عدسی‌ها هدایت می‌شد، اما از آنجا که تنظیم این آینه‌ها و عدسی‌ها کار بسیار مشکلی بود این کار نیز غیر عملی تشخیص داده شد و مردود ماند.
شاید اولین تلاش در سیر تکاملی سیستم ارتباط نوری به وسیله الکساندر گراهام بل صورت گرفت که در سال 1880، درست 4 سال پس از اختراع تلفن، اختراع تلفن نوری (فوتوفون) یا سیستمی که صدا را تا فواصل چندین صد متر منتقل می کرد، به ثبت رساند.

تلفن نوری بر مبنای مدوله کردن نور خورشید بازتابیده با به ارتعاش در آوردن آینه ای کار می کرد. گیرنده یک فتوسل بود.

در این روش نور در هوا منتشر می شد و بنابراین امکان انتقال اطلاعات تا بیش از 200 متر میسر نبود. به همین دلیل، اگرچه دستگاه بل ظاهراً کار می کرد اما از موفقیت تجاری برخوردار نبود.
ایده استفاده از انکسار (شکست) برای هدایت نور (که اساس فیبرهای نوری امروزی است) برای اولین بار در سال 1840 توسط Daniel Colladon و Jacques Babinet در پاریس پیشنهاد شد.

همچنین John Tyndall در سال 1870 در کتاب خود ویژگی بازتاب کلی را شرح داد: «وقتی نور از هوا وارد آب می شود به سمت خط عمود بر سطح خم می‌شود و وقتی از آب وارد هوا می شود از خط عمود دور می شود.

اگر زاویه ی پرتو نور با خط عمود در تابش از داخل آب بزرگتر از 48 درجه شود هیچ نوری از آب خارج نمی‌شود در واقع نور به طور کامل از سطح آب منعکس می شود. زاویه ای که انعکاس کلی آغاز می شود را زاویه بحرانی می نامیم.
کاکو و کوکهام انگلیسی برای اولین بار استفاده از شیشه را بعنوان محیط انتشار مطرح ساختند. آنان مبنای کار خود را بر آن گذاشتند که به سرعتی حدود 100 مگابیت بر ثانیه و بیشتر بر روی محیط‌های انتشار شیشه دست یابند.

این سرعت انتقال با تضعیف زیاد انرژی همراه بود. این دو محقق انگلیسی، کاهش انرژی را تا آنجا می‌پذیرفتند که کمتر از 20 دسی بل نباشد.

اگر چه آنان در رسیدن به هدف خود ناکام ماندند، اما شرکت آمریکائی (کورنینگ گلس) به این هدف دست یافت. در اوایل سال 1960 میلادی با اختراع اشعه لیزر ارتباطات فیبرنوری ممکن گردید.

در سال 1966 میلادی، دانشمندان در این نظریه که نور در الیاف شیشه‌ای هدایت می‌شود پیشرفت کردند که حاصل آن از کابلهای معمولی بسیار سودمندتر بود.

چرا که فیبرنوری بسیار سبکتر و ارزانتر از کابل مسی است و در عین حال ظرفیت انتقالی تا چندین هزار برابر کابل مسی دارد.
توسعه فناوری فیبرنوری از سال 1980 میلادی به بعد باعث شد که همواره مخابرات نوری بعنوان یک انتخاب مناسب مطرح باشد.

تا سال 1985 میلادی در دنیا نزدیک به 2 میلیون کیلومتر کابل نوری نصب شده و مورد بهره برداری قرار گرفته ‌است.

 

 

کابل فیبر نوری

 

کابل‌های فیبر نوری از رشته‌های بسیار نازکی از جنس شیشه یا پلاستیک ساخته شده‌اند. یک کابل می‌تواند بیش از 100 فیبر نوری را در خود جای‌ دهد.

هر فیبر نوری (تک رشته) می تواند ضخامتی در حدود یک دهم تار موی انسان داشته باشد. این تک رشته بسیار نازک، توانایی انتقال 25000 تماس تلفی در لحظه را دارد. فوق العاده نیست؟

پیش‌تر بیان کردیم که فیبرهای نوری، اطلاعات را بین دو مکان از طریق نور منتقل می‌کنند. در مقاله «مخابرات نوری –– از صفر تا صد» یک لینک مخابرات نوری مبتنی بر فیبر به طور کامل تشریح شد.

دیدیم که برای انتقال اطلاعات از طریق نور، باید بتوانیم اطلاعات را به نور تبدیل کنیم. البته اصطلاح دقیق‌تر و علمی‌تر این است که اطلاعات را به صورت اپتیکی مدوله کرده تا بتوان آن‌ها را از طریق نور ارسال کرد.

در زبان فارسی ترجمه غالب کلمه اپتیک، نور است. توجه داشته باشید که منظورمان از کلمه نور، صرفاً امواج ناحیه مرئی نبوده و منظور، طیف اپتیکی (مادون قرمز، مرئی و فرابنفش) است.

طول موج‌های استاندارد مخابرات فیبر نوری 1550nm1550𝑛𝑚، 1490nm1490𝑛𝑚 و 1310nm1310𝑛𝑚 است که در ناحیه مادون قرمز قرار دارند.

به عنوان مثالی ساده، فرض کنید که بین اتاق شما و هم‌کلاسی خود یک رشته فیبر نوری وجود دارد. شما اطلاعات تولید شده توسط کامپیوتر خود را توسط یک مبدل، به سیگنال اپتیکی تبدیل کرده و از طریق یک لیزر به درون فیبر نوری ارسال می‌کنید.

دوست شما برای گرفتن اطلاعات به یک آشکارساز نوری (فوتودیود) نیاز دارد تا سیگنال اپتیکی را به الکتریکی تبدیل کرده تا بتواند بر روی کامپیوتر خود نمایش دهد.

ساختار فیبر نوری

یک فیبر نوری از سه عنصر متحد المرکز اصلی تشکیل شده است:

هسته یا (Core) تار نوری معمولاً از شیشه یا پلاستیک ساخته می شود، اگرچه بسته به طیف انتقال مورد نظر، گاهی اوقات از مواد دیگری نیز استفاده می شود.

هسته بخش انتقال نور، فیبر است. روکش معمولاً از همان ماده هسته ساخته می شود، اما با ضریب شکست کمتری (معمولاً حدود 1٪ کمتر).

این اختلاف شاخص باعث می شود تا بازتاب داخلی کل در مرز شاخص در طول فیبر رخ دهد تا نور به پایین فیبر منتقل شود و از دیواره های جانبی خارج نشود.

این پوشش معمولاً شامل یک یا چند لایه از یک ماده پلاستیکی برای محافظت از فیبر در برابر محیط فیزیکی است. گاهی اوقات غلاف فلزی برای محافظت فیزیکی بیشتر به پوشش اضافه می شود.

تارهای نوری معمولاً با اندازه آنها مشخص می شوند که به عنوان قطر خارجی هسته، روکش و پوشش داده می شود.

به عنوان مثال، اندازه 62.5/125/250 به فیبری با هسته قطر 62.5 میکرومتر، روکش با قطر 125 میکرومتر و پوشش بیرونی با قطر 0.25 میلی متر اشاره دارد.

معماری فیبر نوری

معماری فیبر نوری شامل مولفه‌های مختلفی است که به صورت سلسله مراتبی با یکدیگر در ارتباط هستند. برخی از مولفه‌های مهم معماری فیبر نوری به شرح زیر هستند:

  • منبع نور:این مولفه مسئول تولید نور در فیبرنوری را بر عهده دارد. به طور معمول، منابع نور مبتنی بر دیودهای الکتریکی یا لیزرها هستند.
  • کابل فیبرنوری:این مولفه شامل فیبرهای نوری است که به صورت یک رشته بلند و نازک از مواد شیشه‌ای یا پلاستیکی با شاخص شکست نور بالا ساخته شده است.
  • تجهیزات انتقال‌دهنده:این مولفه‌ها تجهیزاتی هستند که مسئولیت انتقال اطلاعات در معماری فیبرنوری را بر عهده دارند. این تجهیزات شامل تقویت‌کننده‌های نوری، مولتی‌پلکسرها، دموال‌ها و تقویت‌کننده‌های نوری (اپتیکی) هستند.
  • تجهیزات نقطه پایانی: شامل تجهیزاتی است که اطلاعات را به دست کاربر می‌رسانند. به عنوان مثال، یک تلفن همراه، یک رایانه شخصی یا یک تلویزیون می‌توانند به عنوان تجهیزات پایانی برای دریافت اطلاعات از فیبرنوری استفاده شوند.

در کل، معماری فیبرنوری برای انتقال اطلاعات بر پایه سرعت و پهنای باند بالا طراحی شده است و همان‌گونه که اشاره شد در بسیاری از سیستم‌های ارتباطی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

انواع کابل فیبر نوری

کابل‌های فیبر نوری هم می‌توانند انواع مختلفی داشته باشند و در ادامه قصد داریم که این مدل‌ها را با توضیح اجمالی بررسی کنیم.

قطر هسته کابل فیبر نوری Single Mode کوچک است. اگر قطر هسته کابل کوچک‌ باشد، نور را به یک پرتو منفرد جدا می کند.

در نتیجه نور در مسیر نسبتاً مستقیم‌ حرکت کرده و سیگنال نوری قادر به طی کردن مسافت بیش‌تری خواهد بود.

هم‌چنین کابل فیبر نوری Single Mode پهنای باند بسیار بالاتری نسبت به کابل فیبر نوری Multi Mode دارد. منبع نور مورد استفاده برای کابل Single Mode معمولاً لیزر است.

از ان‌جایی که تولید نور لیزر در دهانه کوچک‌ آن نیازمند محاسبات دقیق است، قیمت کابل فیبر نوری Single Mode معمولاً گران‌‌تر است.

کابلMulti Mode  در مقایسه با کابل Single Mode برای مسافت‌های کوتاه‌تر استفاده می‌شود. قطر بزرگ‌ هسته این کابل فیبر نوری، باعث افزایش بازتاب و انعکاس سیگنال‌های نوری در طول مسیر می‌شود.

از طرفی قطر بزرگ هسته کابل Multi Mode اجازه می‌دهد چندین پالس نور از طریق یک کابل در یک زمان ارسال شود، که منجر به انتقال داده بیش‌تر می شود.

به این معنی که احتمال از دست دادن، کاهش و یا تداخل سیگنال بالا می‌رود. کابل Multi Mode به نسبت کابل Single Mode قیمت ارزان‌تری دارد، زیرا به جای لیزر از یک LED برای ایجاد پالس نور استفاده می کند.

 

انواع کابل فیبر نوری از نظر جنس مواد

کابل های فیبر نوری از نظر جنس هسته و غالف، سه نوع هستند: فیبر نوری با هسته و غالف شیشه ای، فیبر نوری با هسته و غالف پالستیکی (POF (و فیبر نوری با هسته شیشه ای و غالف پالستیکی .(PCF (اما این سه نوع فیبر نوری چه تفاوت ها و چه مزیت هایی دارند؟

در فیبر نوری شیشه ای یا GOF مخفف Fiber Optical Glass، هم هسته و هم غالف از شیشه ساخته می شود. فیبر نوری شیشه ای مرغوب ترین و اصیل ترین نوع فیبر نوری است.

در ابتدا همه فیبرهای نوری از این نوع بودند. فیبرهای نوری شیشه ای پهنای باند بسیار زیادی دارند و ظرفیت انتقال داده آنها در حد گیگابیت برثانیه است.

چون نرخ تضعیف سیگنال (attenuation (در فیبرهای شیشه ای بسیار کمتر است، برای ارسال داده در فواصل طوالنی مناسب هستند.

سیگنال ها در فیبرهای نوری شیشه ای می توانند تا بیش از ۱۰ کیلومتر نیز پیش بروند. اما فیبرهای نوری شیشه ای معایبی نیز دارند.

برای مثال، تولید و نصب فیبرهای نوری شیشه ای پرهزینه تر و سخت تر است. ضمنا چون هسته و غالف این فیبرها شیشه ای است، شکننده ترند.

مواردی از این دست سبب شد تا استفاده از پلیمر یا پالستیک شفاف به جای شیشه پیشنهاد شود. و نتیجتا فیبرهای نوری POF و PCF ساخته شدند.

در فیبر نوری پلیمری یا ) POF مخفف (Fiber Optical Polymer هم هسته و هم غالف از پلیمر شفاف ساخته می شود.

مزیت مهم فیبر نوری پلیمری بر فیبر نوری شیشه ای (GOF (مقاومت بیشتر آن در برابر خمیدگی و ک شیدگی است.

کابل های فیبر نوری پلیمری (POF( را گاهی فیبر نوری مصرفی (consumer (نیز می نامند زیرا خود کابل ها و هم لینک ها، کانکتورها و نصب شان ارزان تر است.

ضمنا فیبرهای نوری POF در مقایسه با فیبرهای نوری شیشه ای انعطاف پذیرند. اما درعوض، فیبرهای POF کم کیفیت تر از فیبرهای شیشه ای هستند و لذا در فواصل طوالنی، درصد اعواج و تضعیف سیگنال شان بیشتر است.

چون سرعت انتقال داده در کابل های POF کمتر است، در فواصل کوتاه )تا ۱۰۰ متر( به کار می روند. شبکه های خانگی و صنعتی از جمله موارد کاربرد فیبر نوری POF است.

در سا خت حسگرها نیز از این فیبرها استفاده می شود، زیرا در مقایسه با فیبرهای نوری شیشه ای، کم هزینه تر و مقاومت ترند.

  • فیبر نوری با غالف پلیمری (PCF(

در فیبر نوری با غالف پلیمری یا) PCF مخفف (Fiber Clad-Polymer ، هسته از شیشه و غالف از پلیمر ساخته می شود. لذا این نوع کابل، تقریبا آمیزه ای از مزایای فیبر نوری شیشه ای و پلیمری را یک جا دارد. در فیبر نوری PCF ، طول موج سیگنال ها متوسط و نرخ انتقال ) داده کمتر از ۱۰۰ مگابیت برثانیه است. فیبرهای نوری PCF معموال تا حداکثر ۲ کیلومتر کارایی دارند. از فیبرهای نوری PCF می توان در شبکههای محلی و صنعتی بهره برد.

از نظر پهنای باند و طول کابل، فیبر نوری PCF باالتر از فیبر نوری POF و پایین تر از فیبر نوری GOF جای می گیرد.

ساختار روکش‌های فیبر نوری

با توجه به انواع مختلف محیط‌ها، از روکش‌های متنوعی برای کابل‌های فیبر نوری استفاده می‌شود. در محیط‌های خارجی، که تحت تأثیرات آب، گرد و غبار، دماهای متفاوت، و شرایط جوی قرار دارند، روکش‌های مقاوم به آب و UV معمولاً انتخاب می‌شوند.

در مقابل، در محیط‌های داخلی ممکن است از روکش‌هایی با ویژگی‌های حرارتی و مکانیکی خاص استفاده شود.

بنابراین، در انتخاب و استفاده از کابل‌های فیبر نوری، نه تنها نوع فیبر بلکه نوع و ویژگی‌های روکش نیز به دقت باید مورد بررسی قرار گیرد تا به عملکرد بهینه در شرایط محیطی خاص دست یابیم.

روکش‌های فیبر نوری انواع مختلفی دارند که بر اساس محیط استفاده و نیازهای خاص متفاوت هستند. در زیر به برخی از انواع روکش‌های فیبر نوری اشاره می‌شود:

  • روکش PE: روکش‌های با جنس PE (پلی‌اتیلن) به علت مقاومت بالا در برابر آب و رطوبت، همچنین دارا بودن خواص الکتریکی مناسب در طیف گسترده‌ای از دماها، توجه ویژه‌ای جلب کرده‌اند. این نوع روکش همچنین در مقابل سایش مقاومت دارد و به عنوان یک روکش خارجی استاندارد برای کابل‌های مورد استفاده در فضاهای باز به کار می‌رود.
  • روکش PVC: پوشش‌های PVC به عنوان گزینه‌های با هزینه مناسب شناخته می‌شوند؛ این پوشش‌ها انعطاف‌پذیری بالا، مقاومت در برابر نفوذ روغن و شعله آتش، و ساختاری تقریباً سفت دارند. این پوشش‌ها برای هر دو نوع استفاده داخلی و خارجی از کابل‌های فیبر نوری بهره می‌برند.
  • روکش PVDF: پوشش‌های PVDF معمولاً برای کابل‌های پلنوم (plenum) به کار می‌روند. این پوشش دارای ویژگی‌های ضد حرق بهتر نسبت به پوشش‌های PE است و در صورت بروز حرارت یا آتش، کمترین میزان دود تولید می‌کند.
  • روکش LSZH: پوشش‌های LSZH (Low Smoke Zero Halogen) در ترکیب ساختار خود دارای مواد هالوژنه نمی‌باشند. این به معنای این است که در صورت اشتعال، مواد سمی و مسموم‌کننده تولید نمی‌شوند و به هوا منتشر نمی‌شوند. به همین دلیل، این نوع پوشش گزینه‌ای مناسب برای کاربردهای داخلی فیبرهای نوری است. کابل‌هایی که از پوشش LSZH استفاده می‌کنند، به عنوان کابل‌های LSZH شناخته می‌شوند و معمولاً قیمت بالایی دارند.

همانطور که می‌دانید باید امنیت هسته و غلاف را در نظر گرفت. بر روی هسته‌ شیشه‌ای و غلاف، روکش محافظ قرار می‌گیرد که به آن روکش ضربه گیر گفته می‌شود.

در واقع روکش ضربه‌گیر از هسته و غلاف محافظت می‌کند. در انتها برای اینکه مقاومت کابل افزایش پیدا کند از لایه‌ای دیگر به نام روکش خارجی استفاده می‌شود.

درنتیجه می‌توان به این استنباط رسید که ساختار فیبر نوری از چهار جزء هسته، غلاف، روکش ضربه گیر و روکش خارجی تشکیل شده است.

 

Vestanet

Fanamoozan

blog.faradars

digighate

Lavanertebat

Meghdadit

Falnic

barghchi

 

 

بدون دیدگاه

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *