فیبر نوری

در سال 1880 میلادی الکساندر گراهام بل 4 سال بعد از اختراع تلفن موفق به اخذ امتیاز نامه خود در زمینه مخابرات امواج نوری برای دستگاه خود با عنوان فوتو تلفن گردید. بعد از اختراع لیزر در سال 1960 میلادی، ایده بکارگیری فیبر نوری برای انتقال اطلاعات شکل گرفت.

اولین فیبر نوری در سال 1966 همزمان در انگلیس و فرانسه با تضعیفی برابر با کابل های مسی اعلام شد که عملاً در انتقال اطلاعات مخابراتی قابل استفاده نبود. تا اینکه در سال 1976 با کوشش فراوان محققین تلفات فیبر نوری تولیدی به شدت کاهش داده شد و به مقداری رسید که قابل ملاحظه با سیم های کواکسیال بود. سرعت و دقت از مهم ترین ویژگی های مخابرات فیبرنوری است.

امروزه انتقال سیگنال ها به وسیله امواج نوری به همراه تکنیک های وابسته، شهرت سیستم های انتقال ماهواره ای را به شدت مورد تهدید قرار داده است. دیر زمانی است که نور می تواند برای انتقال اطلاعات مورد استفاده قرار گیرد. امروزه بشر توانسته است از سرعت فوق العاده انتقال سیگنال به وسیله فیبر نوری به بهترین وجه استفاده کند.

مبانی فیبر نوری

فیبر نوری یکی از محیط های انتقال داده با سرعت بالا است. امروزه از فیبر نوری در موارد متفاوتی نظیر؛ شبکه های تلفن شهری و بین شهری، شبکه های کامپیوتری و اینترنت استفاده می شود. فیبر نوری رشته ای از تارهای شیشه ای بوده که هر یک از تارها دارای ضخامتی معادل تار موی انسان را داشته و از آنها برای انتقال اطلاعات در مسافت های طولانی استفاده می شود. تارهای فوق در کلاف هایی دسته شده و کابل های نوری را به وجود می آورند.

یک فیبر نوری از سه بخش متفاوت تشکیل شده است :

• هسته (Core) : هسته نازک شیشه ای در مرکز فیبر که سیگنال های نوری در آن حرکت می نمایند.

• روکش (Cladding) : بخش خارجی فیبر بوده که دور تا دور هسته را احاطه کرده و باعث برگشت نور منعکس شده به هسته می گردد.

• بافر رویه (Buffer Coating) : روکش پلاستیکی که باعث حفاظت فیبر در مقابل رطوبت و سایر موارد آسیب پذیر، است.

صدها و هزاران نمونه از رشته های نوری فوق در دسته هایی سازماندهی شده و کابل های نوری را به وجود می آورند. هر یک از کلاف های فیبر نوری توسط یک روکش هایی با نام Jacket محافظت می گردند.

فیبرهای نوری در دو گروه عمده ارایه می گردند :

فیبرهای تک حالته (Single Mode). به منظور ارسال یک سیگنال در هر فیبر استفاده می شود، نظیر؛ تلفن

فیبرهای چند حالته (Multi Mode). به منظور ارسال چندین سیگنال در یک فیبر استفاده می شود (نظیر شبکه های کامپیوتری)

فیبرهای تک حالته دارای یک هسته کوچک (تقریبا 9 میکرون قطر) بوده و قادر به ارسال نور لیزری مادون قرمز (طول موج از 1300 تا 1550 نانومتر) می باشند.
فیبرهای چند حالته دارای هسته بزرگتر (تقریبا 5.62 میکرون قطر) و قادر به ارسال نور مادون قرمز از طریق LED هستند.

فرض کنید، قصد داشته باشیم با استفاده از یک چراغ قوه یک راهروی بزرگ و مستقیم را روشن نماییم. همزمان با روشن نمودن چراغ قوه، نور مربوطه در طول مسیر مستقیم راهرو تابانده شده و آن را روشن خواهد کرد و با توجه به عدم وجود خم و یا پیچ در راهرو در رابطه با تابش نور چراغ قوه مشکلی وجود نداشته و چراغ قوه می تواند (با توجه به نوع آن) محدود مورد نظر را روشن کند. در صورتی که راهروی فوق داری پیچ و خم باشد، در این حالت می توان از یک آینه در محل پیچ راهرو استفاده کرد تا باعث انعکاس نور از زاویه مربوطه گردد.

در صورتی که راهروی فوق دارای پیچ های زیادی باشد، در چنین حالتی در تمام طول مسیر دیوار راهروی مورد نظر، می باید از آینه استفاده کرد. بدین ترتیب نور تابانده شده توسط چراغ قوه (با یک زاویه خاص) از نقطه ای دیگر حرکت کرده (جهش کرده) و طول مسیر راهرو را طی خواهد کرد. عملیات فوق مشابه آن چیزی است که در فیبر نوری انجام می گیرد. نور، در کابل فیبر نوری از طریق هسته (نظیر راهروی مثال ارایه شده) و توسط جهش های پیوسته با توجه به سطح آبکاری شده (Cladding)(مشابه دیوارهای شیشه ای مثال ارایه شده) حرکت می کند. (مجموع انعکاس داخلی)

با توجه به این که سطح آبکاری شده، قادر به حرکت در مسافت های طولانی است. برخی از سیگنال های نوری بدلیل عدم خلوص شیشه موجود، ممکن است دچار نوعی تضعیف در طول هسته گردند. میزان تضعیف سیگنال نوری به درجه خلوص شیشه و طول موج نور انتقالی دارد. (مثلا موج با طول 850 نانومتر بین 60 تا 75 درصد در هر کیلومتر، موج با طول 1300 نانومتر بین 50 تا 60 درصد در هر کیلومتر، موج با طول 1550 نانومتر بیش از 50 درصد در هر کیلومتر). منحنی زیر رابطه افت سیگنال اپتیک را در طول موج های کوتاه نشان می دهد. این منحنی مربوطه به فیبر شیشه ای HPCF است.

سیستم رله فیبر نوری از عناصر زیر تشکیل شده است :

• فرستنده، مسئول تولید و رمزنگاری سیگنال های نوری است.

• فیبر نوری، مدیریت سیگنال های نوری در یک مسافت را بر عهده می گیرد.

• بازیاب نوری، به منظور تقویت سیگنال های نوری در مسافت های طولانی استفاده می گردد.

• دریافت کننده نوری، سیگنال های نوری را دریافت و رمزگشایی می نماید.

وظیفه فرستنده، مشابه نقش ملوان بر روی عرشه کشتی ناو فرستنده پیام است. فرستنده سیگنال های نوری را دریافت و دستگاه نوری را به منظور روشن و خاموش شدن در یک دنباله مناسب (حرکت منسجم) هدایت می نماید. فرستنده، از لحاظ فیزیکی در مجاورت فیبر نوری قرار داشته و ممکن است دارای یک لنز به منظور تمرکز نور در فیبر باشد.

لیزرها دارای توان به مراتب بیشتری نسبت به LED هستند. قیمت آن ها نیز در مقایسه با LED به مراتب بیشتر است. متداول ترین طول موج سیگنال های نوری، 850 نانومتر، 1300 نانومتر و 1550 نانومتر است.

همان گونه که قبلا اشاره گردید، برخی از سیگنال ها در مواردی که مسافت ارسال اطلاعات طولانی بوده (بیش از یک کیلومتر) و یا از مواد خاص برای تهیه فیبر نوری (شیشه) استفاده نشده باشد، تضعیف و از بین خواهند رفت. در چنین مواردی و به منظور تقویت سیگنال های نوری تضعیف شده از یک یا چندین تقویت کننده نوری استفاده می گردد.

تقویت کننده نوری از فیبرهای نوری متعدد به همراه یک روکش خاص (doping) تشکیل می گردند. بخش دوپینگ با استفاده از یک لیزر پمپ می گردد. زمانی که سیگنال تضعیف شده به روکش دوپینگی می رسد، انرژی ماحصل از لیزر باعث می گردد که مولکول های دوپینگ شده، به لیزر تبدیل می گردند. مولکول های دوپینگ شده در ادامه باعث انعکاس یک سیگنال نوری جدید و قویتر با همان خصایص سیگنال ورودی تضعیف شده، خواهند بود. ( تقویت کننده لیزری)

وظیفه دریافت کننده، مشابه نقش ملوان بر روی عرشه کشتی ناو دریافت کننده پیام است. دستگاه فوق سیگنال های دیجیتالی نوری را اخذ و پس از رمز گشایی، سیگنال های الکترونیکی را برای سایر استفاده کنندگان (کامپیوتر، تلفن .. ) ارسال می نماید.
دریافت کننده به منظور تشخیص نور از یک فتوسل و یا فتودیود استفاده می کند. هم چنین می توان از ابزارهای ویژه برای تقویت و یا بازسازی سیگنال های اپتیک استفاده کرد. تقویت کننده ها دامنه را تقویت می کنند و بنابراین دیستورشن نیز تقویت می شود اما اگر از تکرار کننده ها استفاده شود امکان بازسازی و باز تولید سیگنال اولیه وجود دارد.

فیبر نوری در مقایسه با سیم های مسی دارای مزایای زیر است :

• ارزانتر : هزینه چندین کیلومتر کابل نوری نسبت به سیم های مسی کمتر است.

• نازک تر : قطر فیبرهای نوری به مراتب کمتر از سیم های مسی است.

• ظرفیت بالا : پهنای باند فیبر نوری به منظور ارسال اطلاعات به مراتب بیشتر از سیم مسی است.

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

• سیگنال های نوری، بر خلاف سیگنال های الکتریکی در یک سیم مسی، سیگنال های نوری در یک فیبر تاثیری بر فیبر دیگر نخواهد داشت.

• مصرف برق پایین، با توجه به سیگنال ها در فیبر نوری کمتر ضعیف می گردند، بنابراین می توان از فرستنده هایی با میزان برق مصرفی پایین نسبت به فرستنده های الکتریکی که از فرستنده های الکتریکی که از ولتاژ بالایی استفاده می نمایند، استفاده کرد.

• سیگنال های دیجیتال : فیبر نوری مناسب به منظور انتقال اطلاعات دیجیتالی است.

• غیر اشتعال زا : با توجه به عدم وجود الکتریسیته، امکان بروز آتش سوزی وجود نخواهد داشت.

•  سبک وزن : وزن یک کابل فیبر نوری به مراتب کمتر از کابل مسی (قابل مقایسه) است.

• انعطاف پذیر : با توجه به انعطاف پذیری فیبر نوری و قابلیت ارسال و دریافت نور از آنان، در موارد متفاوت نظیر دوربین های دیجیتال با مواد کاربردی خاص مانند. عکس برداری پزشکی، لوله کشی و … استفاده می گردد.

با توجه به مزایای فراوان فیبر نوری، امروزه از این نوع کابل ها در موارد متفاوتی استفاده می شود. اکثر شبکه های کامپیوتری و یا مخابرات از راه دور در مقیاس وسیعی از فیبر نوری استفاده می نمایند.

مقالات مرتبط :

فیبر نوری چیست؟ معرفی انواع فیبر نوری و کاربرد های آن، بخش دوم