فیبر نوری
تار نوری یا فیبر نوری رشته باریک و بلندی از یک مادّه شفاف مثل شیشه (سیلیکا) یا پلاستیک است که میتواند نوری را که از یک سر به آن وارد شده، از سر دیگر خارج کند.
فیبر نوری
تار نوری یا فیبر نوری رشته باریک و بلندی از یک مادّه شفاف مثل شیشه (سیلیکا) یا پلاستیک است که میتواند نوری را که از یک سر به آن وارد شده، از سر دیگر خارج کند. فیبر نوری دارای پهنای باند بسیار بالاتر از کابلهای معمولی است و با آن می‌توان داده‌های تصویر، صوت و داده‌های دیگر را به‌راحتی با پهنای باند بالا تا ۱۰ گیگابیت بر ثانیه و بالاتر انتقال داد.امروزه مخابرات نوری، به دلیل پهنای باند وسیع‌تر در مقایسه با کابلهای مسی، و تأخیر کمتردرمقایسه با مخابرات ماهواره‌ای از مهم‌ترین ابزار انتقال اطلاعات محسوب میشود.
تاریخچه ساخت فیبر نوری
رونمایی از مقاله طبعیت در سال ۱۸۸۴ توسط ژان دانیل کلادوناولین 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 شد. نور در داخل این کانالها به وسیله 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 ۱۸۸۰، درست ۴ سال پس از اختراع تلفن، اختراع تلفن نوری (فوتوفون) یا سیستمی که صدا را تا فواصل چندین صد متر منتقل می‌کرد، به ثبت رساند. تلفن نوری بر مبنای مدوله کردن نور خورشید بازتابیده با به ارتعاش درآوردن آینه‌ای کار می‌کرد. گیرنده یک فتوسل بود. در این روش نور در هوا منتشر می‌شد و بنابراین امکان انتقال اطلاعات تا بیش از ۲۰۰ متر میسر نبود. به همین دلیل، اگرچه دستگاه بل ظاهراً کار می‌کرد 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 ۱۸۴۰ توسط Daniel Colladon و Jacques Babinet در پاریس پیشنهاد شد.
همچنین John Tyndall در سال ۱۸۷۰ در کتاب خود ویژگی بازتاب یکلی را شرح داد: «وقتی نور از هوا وارد آب میشود به سمت خط عمود بر سطح خم میشود و وقتی از آب وارد هوا میشود از خط عمود دور میشود.
اگر زاویه پرتو نور با خط عمود در تابش از داخل آب بزرگتر از ۴۸ درجه شود هیچ نوری از آب خارج نمی‌شود در واقع نور به‌طور کامل از سطح آب منعکس میشود. زاویه‌ای که انعکاس کلی آغاز میشود را زاویه بحرانی می‌نامیم .
کاکو و کوکهام انگلیسی برای اولین بار استفاده از شیشه را به عنوان محیط انتشار مطرح ساختند.
آنان مبنای کار خود را بر آن گذاشتند که به سرعتی حدود ۱۰۰ 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 ۲۰ دسی بل نباشد.
اگر چه آنان در رسیدن به هدف خود ناکام ماندند، اما شرکت آمریکایی (کورنینگ گلس) به این هدف دست یافت. در اوایل سال ۱۹۶۰ میلادی با اختراع اشعه لیزر ارتباطات فیبرنوری ممکن شد.
در سال ۱۹۶۶ 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 ۱۹۸۰ میلادی به بعد باعث شد که همواره مخابرات نوری به عنوان یک انتخاب مناسب مطرح باشد. تا سال ۱۹۸۵ میلادی در دنیا نزدیک به ۲ میلیون کیلومتر کابل نوری نصب شده و مورد بهره‌برداری قرار گرفته‌است.
از فیبر نوری (معمولاً از جنس سیلیسیم دی‌اکسید) برای انتقال داده‌ها توسط نور لیزر استفاده میشود.
یک کابل فیبر نوری که کمتر از یک اینچ قطر دارد از مجموعه‌ای از این فیبرها تشکیل شده و میتواند صدها هزار مکالمه صوتی را حمل کند. فیبرهای نوری تجاری ظرفیت ۲٫۵ گیگابایت در ثانیه تا ۱۰ گیگابایت در ثانیه را فراهم می‌سازند. فیبر نوری از چندین لایه ساخته میشود.
سیستم رله فیبر نوری
برای روشن شدن موضوع فرض می کنیم دو ناوگان دریایی بر روی سطح دریا می خواهند با یکدیگر ارتباط برقرار کنند. یکی از ناوها می خواهد پیامی را برای دیگری ارسال کند. بنابراین کاپیتان ناو فوق پیام را برای یک ملوان که بر روی عرشه کشتی مستقر است، ارسال می کند.ملوان فوق پیام دریافتی را به مجموعه ای از کدهای مورس(نقطه و فاصله) ترجمه می نماید و با استفاده از یک نورافکن آن را برای ناو دیگر ارسال می نماید. یک ملوان بر روی عرشه کشتی دوم، کدهای مورس را مشاهده می نماید و آن‌ها را به یک زبان خاص (مثلاً انگلیسی) تبدیل می کند و برای کاپیتان ناو ارسال می کند.
حال اگر فاصله دو ناو فوق از یکدیگر بسیار زیاد (هزاران مایل) باشد، برای برقراری ارتباط بین آن‌ها از یک سیستم مخابراتی مبتنی بر فیبر نوری استفاده می شود.
سیستم رله فیبر نوری از عناصر زیر تشکیل شده است:
فرستنده: مسئول تولید و رمز نگاری سیگنال‌های نوری است.
بازتاب نوری: به منظور تقویت سیگنال‌های نوری در مسافت‌های طولانی استفاده می گردد.
دریافت کننده نوری: سیگنال‌های نوری را دریافت و رمز گشایی می نماید.
مزایای فیبر نوری در مقایسه با سیم‌های مسی
1. قیمت ارزان تر: هزینه فیبر نوری نسبت به سیم‌های مسی در مقیاس‌های بالا کمتر است.
2. اندازه نازک تر: قطر فیبرهای نوری به مراتب کمتر از سیم‌های مسی است.
3. ظرفیت بالا: پهنای باند فیبر نوری به منظور ارسال اطلاعات به مراتب بیشتر از سیم مسی است. لذا فیبر نوری توانایی انتقال داده‌های بیشتری را دارد.
4. تضعیف ناچیز: تضعیف سیگنال در فیبر نوری به مراتب کمتر از سیم مسی است.
5. عدم تداخل: برخلاف سیگنال‌های الکتریکی در یک سیم مسی، عبور سیگنال‌های نوری در یک فیبر تأثیری بر فیبر دیگر نخواهد داشت و تداخل الکترومغناطیسی نخواهیم داشت.
6. مصرف برق پایین: با توجه به این که سیگنال‌ها در فیبر نوری کمتر تضعیف می‌گردند، بنابراین می‌توان از فرستنده‌هایی با میزان برق مصرفی پائین نسبت به فرستنده‌های الکتریکی (که از ولتاژ بالایی استفاده می‌نمایند)، استفاده کرد.
7. اشتعال زا نبودن: با توجه به عدم وجود الکتریسته در فیبر نوری، امکان بروز آتش سوزی در این خصوص وجود نخواهد داشت.
8. وزن سبک: وزن یک کابل فیبر نوری به مراتب کمتر از کابل مسی هم رده آن است و این عامل در کارکردن، نصب و نگهداری فیبر بسیار مهم است.
9. انعطاف پذیر بودن: با توجه به انعطاف پذیری فیبر نوری و قابلیت ارسال و دریافت نور از آنان، در موارد متفاوت نظیر دوربین‌های دیجیتال با موارد کاربردی خاص مانند عکس‌برداری پزشکی و لوله‌کشی و… استفاده می‌گردد.
10. فاصله: از فیبر نوری می‌توان در ارتباط شبکه‌هایی که فاصله زیادی از هم دارند استفاده کرد (اتصال شبکه‌های محلی (LAN) به یکدیگر.
11.شایان ذکر است که قبل از استفاده از کابلهای فیبر نوری ارتباط بین LANها از طریق تلفن یا امواج رادیویی برقرار می‌شد.
12. پایداری: در کابلهای فیبر نوری امکان نفوذ و ایجاد اختلال در انتقال داده‌ها کمتر است و از تأثیرگذاری انواع نویزهای الکترومغناطیسی شامل نویزهای رادیویی و یا نویزهای حاصل از نزدیکی کابل‌ها بر روی داده‌های در حال انتقال جلوگیری می‌کند.بطورکلی تارهای نوری از تداخل و ترویج با سایر کانالهای ارتباطی، خواه نوری و خواه الکتریکی، به خوبی محافظت شده است. یعنی نسبت به تداخل فرکانسهای رادیویی (RFI) و تداخل الکترومغناطیسی (EMI) عدم پذیرش عالی دارند.
13. سرعت: فیبر نوری توانایی در انتقال اطلاعات به مقدار زیاد چه به شکل دیجیتالی و چه به شکل آنالوگ دارند.
14. ترویج نوری: نیاز به زمین مشترک بین فرستنده تاری وگیرنده را منتفی می کند.
15.امکان تعمیر فیبر: (تار) نوری در حالیکه سیستم روشن است، بدون آنکه احتمال اتصال کوتاه شدن مدارهای الکتریکی در فرستنده و یا در گیرنده باشد، وجود دارد.
16.امنیت: فیبرهای نوری درجه‌ای از امنیت و پنهانی بودن را عرضه می کند. چون تارها انرژی تشعشع نمی‌کنند. برای یک مزاحم، آشکار سازی سیگنال ارسالی مشکل است.
17.پهنای باند بالا: این پهنای باند اکنون به 170 گیگابایت در ثانیه رسیده و دانشمندان بر این باورند که قابلیت ارتقاء تا چند صد ترابایت را دارد. فیبرنوری SMF که در حال حاضر مورد استفاده قرار میگیرد از پهنای باند 40 گیگابایتی برخوردار است.
18.عدم استفاده الکتریسیته برای ارتباط: از آنجا که در ابتدای مسیر نوری تولید شده و در انتها این نور دریافت میشود. دیگر نیازی به نیروی اکتریکی نیست و همچنین ایمنی بسیار بالایی را در مقابل نویز دارد.
19.عدم برقراری انشعاب غیر مجاز: از آنجا که برای برقرای انشعاب بایستی ابتدا فیبر قطع شود و گیرنده فیبر نصب شود. و این عمل نیز زمانبر است؛ نگهدارنده‌های بستر با استفاده از ابزارهای خطایابی میتواند به سرعت محل مورد نظر را شناسایی کنند.
20.عدم نیاز به repeater تا چندین کیلومتر: به علت استفاده از نور در صورتی که جنس Core مرغوب باشد تا فواصل چند کیلومتری سیگنال تضعیف زیادی نخواهد داشت.
محدودیت‌ها و نقاط ضعف فیبرهای نوری
1. ضرورت دقت کامل در هنگام کابلکشی
2. امکان شکستن در صورت گذشتن زاویه فیبر از یک حد معین
3. محدود بودن میزان کشش برای فیبرهای با ظرفیت مختلف
4. محافظت کامل در برابر ضربه، برای فیبرهایی که از درون حوضچه می گذرند.
روش اندازه گیری قطر فیبر
قطر فیبر به صورت عددی اعشاری شبیه 60/130 میکرون نمایش داده می شود که 60 نمایانگر قطر core است و 130 نمایانگر قطر Cladding . Buffer Coating در اندازه گیری به حساب نمی آید.
فیبرهای نوری به دو دسته تقسیم می شوند :
تک حالتی single-mode
چند حالتی multi-mode
فیبر سینگل مود یک سیگنال نوری را در هر زمان انتشار می‌دهد. (نظیر تلفن)
فیبر مالتی مود میتواند صدها حالت نور را به طور هم زمان انتقال بدهد. (نظیر شبکه‌های کامپیوتری)
فیبرهای تک حالته دارای یک هسته کوچک (تقریباً 9 میکرون قطر) بوده و قادر به ارسال نور لیزری مادون قرمز (طول موج از 1300 تا 1550 نانو متر) می باشند.
فیبرهای چند حالته دارای هسته بزرگتر (تقریباً 62.5 میکرون قطر) و قادر به ارسال نور مادون قرمز از طریق LED می باشند.
روکش‌های فیبر نوری و اینکه چه چیزی را مشخص می کنند؟
با توجه به رنگ روکش‌های فیبر نوری می توانیم بفهمیم با چه نوع فیبری سروکار داریم .مثلا اگر روکش فیبر زرد بود، فیبر single mode است و اگر نارنجی بود، فیبر multimode است.
مشخصات انواع فیبر
1. فیبر چند مدی با ضریب شکست پله ای
2. فیبر تک مدی با ضریب شکست پله ای
3. فیبر چند مدی با ضریب شکست مرحله ای
4. فیبر چند مدی با غلاف پلاستیکی
5. فیبر چند مدی با غلاف پلاستیکی با ضریب شکست پله ای
6. فیبر چند مدی با غلاف پلاستیکی با ضریب شکست مرحله ای
7. فیبرهای چند مدی تمام پلاستیک
مزایا و معایب فیبرها در مقایسه با هم
مزایای فیبرهای چند مدی در مقایسه با فیبرهای تک مدی :
1. بزرگتر بودن قطر هسته
2. ساده تر بودن تزریق انرژی نور به داخل فیبر
3. امکانات بهتر برای اتصال فیبرها به یکدیگر
4. امکان استفاده از هر دو منبع نور LD و LED در صورتیکه فیبر تک مدی با نور لیزری ”LD“ بهتر کار می کند.
معایب فیبر چند مدی در مقایسه با فیبر تک مدی :
1. فیبر چند مدی دارای اعوجاج بین مدی است.
2. پهنای باند فیبرهای چند مدی، کمتر از فیبر تک مدی است.
3. تلفات یا تضعیف در فیبرهای چند مدی بیشتر است.
4. امکان ساخت فیبرهای چند مدی طولانی(با طول بلند) کمتر است.
کاربردهای فیبر نوری
کاربرد در مخابرات:
یکی از مرسوم ترین کاربردهای فیبر نوری انتقال اطلاعات توسط نور لیزر است.
کاربرد در حسگرها:
استفاده از حسگرهای فیبر نوری برای اندازه گیری کمیت‌های فیزیکی مانند جریان الکتریکی، میدان مغناطیسی، فشار، حرارت، جابجایی، آلودگی آب‌های دریا، سطح مایعات، تشعشعات پرتوهای گاما و ایکس در سال‌های اخیر شروع شده‌است. در این نوع حسگرها، از فیبر نوری به عنوان عنصر اصلی حسگر بهره گیری میشود بدین ترتیب که ویژگی‌های فیبر تحت میدان کمیت مورد اندازه گیری تغییر یافته و با اندازه شدت کمیت تأثیر پذیر میشود.
کاربردهای نظامی:
فیبر نوری کاربردهای بی‌شماری در صنایع دفاع دارد که از آن جمله می‌توان برقراری ارتباط و کنترل با آنتن رادار، کنترل و هدایت موشک‌ها، ارتباط زیردریاییها (هیدروفون) را نام برد.
کاربردهای پزشکی:
فیبرنوری در تشخیص بیماری‌ها و آزمایشهای گوناگون در پزشکی کاربرد فراوان دارد که از آن جمله می‌توان دُزیمتری غدد سرطانی، شناسایی نارسایی‌های داخلی بدن، جراحی لیزری، استفاده در دندانپزشکی و اندازه گیری مایعات و خون نام برد. همچنین تارهای نوری در دستگاه‌هایی به نام درون بین یا آندوسکوپ استفاده میشود تا به درون نای، مری، روده و مثانه فرستاده شود و درون بدن انسان به طور مستقیم قابل مشاهده باشد.
کاربرد فیبرنوری در روشنایی:
از جمله کاربردهای فیبر نوری که در اواخر قرن بیستم به عنوان یک فناوری روشنایی متداول شده و در چند سال قرن اخیر توسعه و رشد فراوانی پیدا کرده‌است کاربرد آن در سیستم‌های روشنایی است. در این فناوری نور از منبع نوری که میتواند نور مصنوعی (نورلامپهای الکتریکی) و یا نور طبیعی (نور خورشید) باشد وارد فیبر نوری شده و از این طریق به محل مصرف منتقل میشود. به این ترتیب نور به هر نقطه‌ای که در جهت تابش مستقیم آن نیست منتقل میشود. امتیاز این نور که موجبات رشد سریع به کارگیری و توجه زیاد به این فناوری شده‌است این است که فاقد الکتریسیته گرما و تشعشعات خطرناک ماورای بنفش بوده (نور خالص و بی خطر) و دیگر اینکه با این فناوری میشود نور روز (بدون گرما و اشعه‌های ماورائ بنفش) را هم به داخل ساختمانها و نقاط غیر قابل دسترسی به نور خورشید منتقل کرد.
انواع برند های رایج کابل فیبر نوری در ایران و جهان
نگزنس، آلفافونت، اینفیلینک، فیبر نوری شهید قندی ، سومیکو ،اچ پی،اچ سی اس، پاناسونیک،اف کی اس