فیبر نوری چیست؟

فیبر نوری یا تار نوری (به انگلیسی optical fiber) رشته یا سیمی بلند و باریک است که به جای بکارگیری از سیم مسی، در آن از پلاستیک یا شیشه – که نور را از خود عبور می دهند- تشکیل شده است. کاربرد اصلی فیبر نوری در جابجایی اطلاعات با سرعت بسیار بالا (حدود 100 گیگابایت در ثانیه) است. امروزه در مخابرات ماهواره ای و نیز برخی شرکت ها و سازمان ها نیز، از تکنولوژی فیبر نوری استفاده میشود . در این مقاله از علم بلاگ، به بررسی دقیق تر فیبر نوری و کاربرد ها و مزایا و معایب آن می پردازیم.

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 انکسار

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. 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.

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.

 ساختار کابل فیبر نوری چیست؟

فیبر نوری از یک هسته (Core) و یک لایه روکش (Cladding) تشکیل شده که به دلیل تفاوت در ضریب شکست بین این دو، برای انعکاس داخلی کامل انتخاب شده است.

در فیبرهای کاربردی، روکش معمولاً با لایه ای از پلیمر آکریلات یا پلی آمید پوشانده می شود. این پوشش از فیبر در برابر آسیب محافظت می کند اما به خواص موج نوری آن کمک نمی کند.

 

چندین لایه غلاف محافظ، بسته به نوع کاربرد، برای تعیین فرم کابل اضافه می شود. در مونتاژ فیبر گاهی شیشه‌های جذب کننده نور (تیره) را بین فیبرها قرار می‌دهند تا از نوری که از یک فیبر به داخل فیبر دیگر نشت می‌کند، جلوگیری کنند. با قرار دادن این قطعه در فیبر باعث کاهش تداخل داده در فیبرها یا کاهش تداخل نوری در پروسه انتقال نور در فیبر دسته‌ای (چندتایی) می‌شود./ برقچی

انواع کابل فیبر نوری

کابل‌ فیبر نوری به 2 دسته تک‌حالته Single mode و چندحالته Multi mode تقسیم می‌شود.

کابل فیبر نوری سینگل مود

کابل فیبر نوری سینگل مود دسته نور را بصورت مستقیم و بدون شکست عبور می‌دهد. منبع نوری این دسته از کابل‌ها لیزر می‌باشد . شدت نور بالایی دارند. قطر هسته این کابل‌ها بسیار کم و برابر 9 میکرومتر (µm) است.

کابل فیبر نوری مالتی مود

کابل‌های فیبر نوری Multi mode در مقایسه با کابل‌های فیبر نوری تک حالته قطری بسیار بزرگتر و برابر با 50 یا 62.5 (الي ١٠٠) میکرو متر دارند. منبع نوری این کابل‌ها LED است. نور را در پرتوهای متعدد با طول موج‌های مختلفی منتشر می‌کنند. این پرتوها بسته به نوع کابل، شکل انتشارهای مختلفی را در طول کابل دارند.

در شکل زیر نحوه شکستن نور در کابل‌های Multi mode و Single mode و قطر هسته آن‌‌ها را مشاهده می‌کنید:

کابل‌هایSingle mode به 2 دسته OS1 و OS2 تقسیم می‌شوند. که تفاوت آن‌ها در طول موج و نحوه انتشار نور در هسته می‌باشد.

کابل‌هایMulti mode به 5 دسته OM1، OM2، OM3، OM4 ، OM5 تقسیم می‌شوند. در کابل‌های نوع OM1,OM2 نور با برخورد به دیواره clad شکسته می‌شود. طول کابل را طی می‌کند که به تکنولوژی ساخت هسته این کابل‌ها step-index گفته می‌شود./ پرهام

تفاوت کابل های OM4 و OM3 در چیست؟

اما، در کابل‌های نوع OM3,OM4،OM5 هسته کابل با تکنولوژی Graded-index تولید می‌شود . باعث می‌گردد نور پس از چندین بار شکست، هنگامی که به پوشش clad کابل برخورد کرد، با ضریب شکست و انحراف بسیار کمی در طی طول کابل منتشر شود. به این تکنولوژی که کابل‌هایOM3,OM4،OM5 با آن ساخته می‌شوند، تکنولوژی فیبرهای متحد المرکز نیز گفته می‌شود.

عملکرد کابل فیبر نوری چگونه است؟

برای درک بهتر از ماهیت کابل فیبر نوری و پاسخ به سوال کابل فیبر نوری چیست؟ بهتر است کمی در مورد نحوه کار این کابل‌ها بدانید.

کابل فیبر نوری سیگنال‌های ارتباطی را با استفاده از پالس‌های نوری تولید شده توسط لیزرهای کوچک یا ال‌ای‌دی‌ها انتقال می‌دهند.

دو نوع اولیه کابل‌های فیبر نوری، کابل های فیبری single mode و multi-mode هستند. کابل های single mode از رشته‌های بسیار باریک شیشه و یک لیزر برای تولید نور استفاده می‌کنند در حالی که فیبرهای multi-mode از ال‌ای‌دی برای این کار استفاده می‌کنند.

شبکه‌های فیبری single mode معمولا از تکنیک های Wave Division Multiplexing (WDM) برای افزایش دادن میزان انتقال ترافیکی که می‌تواند در طول رشته حرکت کند، استفاده می‌کنند. WDM این اجازه را می‌دهد که نور با طول موج‌های مختلف ترکیب شود (multiplexing) وسپس جدا شود (de-multiplexing) و از این طریق ارتباطات متعددی از طریق یک پالس نور انجام می‌شود.

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:

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.

فیبر نوری در ایران

در ایران در اوایل دهه 60، فعالیت‌های پژوهشی در زمینه فیبر نوری در پژوهشگاه، برپایی مجتمع تولید فیبر نوری در پونک تهران را درپی داشت و در سال 1367، کارخانه تولید فیبر نوری در یزد به بهره برداری رسید. عملاً در سال 1373 تولید فیبر نوری با ظرفیت 50٫000 کیلومتر در سال در ایران آغاز شد. فعالیت استفاده از کابل‌های نوری در دیگر شهرهای بزرگ ایران آغاز شد تا در آینده نزدیک از طریق یک شبکه ملی مخابرات نوری به هم بپیوندند. در همان سال 1367 نخستین خط مخابراتی تار نوری بین تهران و کرج به کار افتاد.

اولین پروژه فیبرنوری با اجرای 700 کیلومتر کابل با 13 هزار کانال بین چندین مسیر با هزینه‌ای بالغ بر 40 میلیارد ریال بین سالهای 69 تا 73 انجام شد. در برنامه دوم توسعه پروژه فیبرنوری با 11600 کیلومتر کابل با 620 هزار کانال بین شهری با هزینه 654 میلیارد ریال در سالهای 74 تا 78 به انجام رسید و نهایتاً در برنامه سوم توسعه 17850 کیلومتر تا 2 میلیون کانال با پروتکشن بین شهرهای کشور با هزینه‌ای بالغ بر 1035 میلیارد در سالهای 79 تا 83 اجرا شد.

مزایای فیبر نوری در مقایسه با سیم‌های مسی

قیمت ارزان تر:

هزینه فیبر نوری نسبت به سیم‌های مسی در مقیاس‌های بالا کمتر است.

اندازه نازک‌ تر:

قطر فیبرهای نوری به مراتب کمتر از سیم‌های مسی است.

ظرفیت بالا:

پهنای باند فیبر نوری به منظور ارسال اطلاعات به مراتب بیشتر از سیم مسی است. لذا این کابل ها توانایی انتقال داده‌های بیشتری را دارد.

تضعیف ناچیز:

تضعیف سیگنال در فیبر نوری به مراتب کمتر از سیم مسی است.

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.

مصرف برق پایین:

با توجه به این که سیگنال‌ها در این کابل ها کمتر تضعیف می‌گردند، بنابراین می‌توان از فرستنده‌هایی با میزان برق مصرفی پائین نسبت به فرستنده‌های الکتریکی (که از ولتاژ بالایی استفاده می‌نمایند)، استفاده کرد.

اشتعال ‌زا نبودن:

با توجه به عدم وجود الکتریسته در آن، امکان بروز آتش ‌سوزی در این خصوص وجود نخواهد داشت.

وزن سبک:

وزن یک کابل نوری به مراتب کمتر از کابل مسی هم ‌رده‌ آن است و این عامل در کارکردن، نصب و نگهداری آن بسیار مهم است.

انعطاف ‌پذیر بودن فیبر نوری:

با توجه به انعطاف ‌پذیری 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.

فاصله:

از فیبر نوری می‌توان در ارتباط شبکه‌هایی که فاصله زیادی از هم دارند استفاده کرد (اتصال شبکه‌های محلی(LAN) به یکدیگر). شایان ذکر است که قبل از استفاده از کابل‌های فیبر نوری ارتباط بین LAN‌ها از طریق تلفن یا امواج رادیویی برقرار می‌شد

پایداری:

در این کابل ها 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.

سرعت:

فیبر نوری توانایی در انتقال اطلاعات به مقدار زیاد چه به شکل دیجیتالی‌ و ‌چه به شکل آنالوگ دارند.

ترویج نوری:

نیاز به زمین مشترک بین فرستنده تاری وگیرنده را منتفی می کند.

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.

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.

پهنای باند بالا:

این پهنای باند اکنون به 170 گیگابایت در ثانیه رسید. 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.

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.

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.

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.