فیبر نوری چیست و چگونه کار می کند؟

فیبرنوری یکی از روش هایی است که برای انتقال اطلاعات استفاده می شود. وقتی که با یک تلفن ثابت به مکالمه می پردازیم، یک کابل سیمی صدای ما را به یک سوکت در دیوار منتقل می کند و کابل دیگر هم صدا را به مرکز تلفن محلی انتقال می دهد.

تلفن های همراه به روش متفاوتی کار می کنند، بدین صورت که تلفن های همراه با استفاده از امواج رادیویی اطلاعات را ارسال و دریافت می کند و به این تکنولوژی وایرلس گفته می شود چون که کابلی در آن استفاده نمی شود.

فیبرهای نوری با روش دیگری کار می کنند؛ فیبرنوری اطلاعات را را از طریق تابش نور در یک لوله شیشه ای یا پلاستیکی ارسال می کند. فیبرنوری و نحوه کاربرد آن ها به طور کامل در دوره آموزش فیبر نوری آموزشگاه فن آموزان توسط اساتید با تجربه این مجموعه آموزش داده می شود. با ادامه مطلب همراه باشید.

در ابتدا، در دهه 1950 میلادی برای اینکه پزشکان بتوانند داخل بدن انسان را بدون برش ببینند در اندوسکوپی ها از فیبرنوری استفاده شد. در دهه 1960 مهندسان با استفاده از همان فناوری روشی را پیدا کردند که می توانست تماس های تلفنی را با سرعت نور انتقال دهد ( به طور معمول 186000 مایل یا 300000 کیلوومتر در ثانیه در یک خلاء).

از آن جایی که صنعت ارتباطات پیشرفت کرده و مصرف داده به طور تصاعدی افزایش یافته است، روش های انتقال داده اهمیت بیشتری پیدا کرده اند. از نقطه نظر فناوری، فیبر وری به عنوان یک عامل کلیدی این روند ها عمل کرده است و استاندارد جدیدی را برای سرعت، فواصل و پهنای باند انتقال داده تعیین می کند. شبکه های فیبرنوری در حال حاضر به خوبی در سراسر جهان ایجاد شده اند. با این حال، هیچ راه درستی برای طراحی شبکه شما وجود ندارد، زیرا انواع مختلفی از راه حل های فیبرنوری برای موارد استفاده مختلف وجود دارد. در این مقاله ضمن آشنایی با فیبرنوری و انواع کابل های آن، موارد استفاده از آن ها و نحوه کارکرد فیبرنوری را مورد بررسی قرار می دهیم.

فیبرنوری چیست؟

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.

مقایسه فیبرنوری و سیم مسی

در گذشته، داده ها عمدتاً به شکل سیگنال های الکتریکی با استفاده از سیم های مسی منتقل می شدند. کابل ‌های نوری با انتقال داده‌ ها به‌ عنوان نور، پیشرفت ‌های قابل ‌توجهی در کارایی نسبت به مس به شکل پهنای باند بالا تر و تضعیف سیگنال کمتر در همان شکل ارائه می‌ کنند.

در حالی که نصب سیم ‌های مسی ارزان ‌تر است، کابل ‌های فیبرنوری نیازی به نگهداری یا تعویض مکرر ندارند. با این حال، کابل ‌های فیبرنوری شکننده‌ تر هستند، زیرا اگر کابل بیش از چند سانتی‌ متر خم شود، سیگنال از بین می ‌رود. برخلاف سیم‌ های مسی، کابل‌ های فیبرنوری به تداخل الکتریکی و مغناطیسی حساس نیستند و می ‌توانند در محیط‌ های سخت‌ تر مانند زیر آب استفاده شوند. هم چنین کابل ‌های فیبرنوری به طور قابل توجهی سبک ‌تر هستند، انرژی کمتری مصرف می ‌کنند و از ایمنی بیشتری برخوردار هستند، زیرا ضربه زدن به آن ها سخت ‌تر است.

بخش های مختلف فیبرنوری

فیبرنوری از یک میله شیشه ای بسیار نازک تشکیل شده است. میله شیشه ای شامل دو قسمت هسته و لایه اطراف (روکش) است. با ذوب میله شیشه ای در یک برج کششی، فیبرنوری بیرون آورده می شود. با استفاده از تکنیک های مختلف در فرآیند تولید میله شیشه ای، سازندگان قادر به تولید الیاف با ویژگی های مختلف برای کاربرد خاص خود هستند. با وجود این که فیبرنوری قطر بسیار کمی دارند و نازک هستند، از قسمت های مختلفی تشکیل شده است. بخش های مختلف قیبر نوری عبارتند از:

• هسته: مرکز نازک فیبرنوری که نور در آن حرکت می کند.
• روکش: مواد نوری بیرونی اطراف هسته که نور را به داخل هسته بازتاب می دهد را روکش فیبرنوری می نامند.
• بافر: یک پوشش پلاستیکی محافظ که مستقیماً روی فیبرنوری اعمال می شود.
• پوسته اصلی: لایه بیرونی محافظ کابل که از فیبر در برابر آسیب و رطوبت محافظت می کند.

انواع کابل های فیبرنوری

فیبرهای نوری، سیگنال های نوری را که مد نامیده می شوند را با خود به پایین حمل می کنند. روش های مختلفی برای انتقال وجود دارد: یک مد مسیری است که یک پرتو نور از فیبر پایین می آید.

یک مدل این است که مستقیما تا وسط فیبر پایین بیاید و مد دیگر بازتاب فیبر با یک زاویه کم عمق است. حالت های دیگر شامل زاوایای دیگر با شیب های کمتر یا بیشتر است.

ساده ترین نوع فیبرنوری، تک مده یا تک حالته نامیده می شود که دارای هسته های بسیار نازک با قطر 5 تا 10 میکرونی هستند.نوع دیگر کابل فیبرنوری، چند حالته نامیده می شود. هر فیبرنوری در یک کابل چند حالته حدود 10 برابر بزرگتر از یک کابل تک حالته است و این بدان معناست که پرتوهای نور می توانند از طریق هسته مسیرهای مختلف را در حالت های مختلف طی کنند.

کابل های چند حالته می توانند اطلاعات را در فاصله های نسبتا کوتاهی ارسال کنند و برای اتصال شبکه های کامپیوتری به یکدیگر استفاده می شوند.

به طور معمول، کابل فیبرنوری در دو نوع، یعنی کابل فیبرنوری تک حالته (SMF) و کابل فیبرنوری چند حالته (MMF)  وجود دارد. در ادامه با ویژگی ها و مشخصات آن ها آشنا می شویم.

بیشتر بخوانید: کابل کشی فیبر نوری و نکاتی درباره نصب آن

1. کابل فیبرنوری تک حالته

کابل نوری تک حالته، ساده ترین ساختار موجود بین کابل های نوری است. این کابل شامل یک هسته بسیار نازک با قطر حدودا 9 میکرون است و همه سیگنال ها مستقیماً از وسط حرکت می کنند بدون این که از لبه ها پرش کنند. کابل‌ های نوری تک حالته معمولاً برای برنامه‌های CATV، اینترنت و تلفن مورد استفاده قرار می‌ گیرند، جایی که سیگنال‌ ها توسط فیبر های تک حالته پیچیده شده در بسته ‌ای حمل می‌ شوند. این کابل ها اطالاعات را از طریق نور لیزر مادون قرمز با طول موج 1300 تا 1550 نانو متر منتقل می کنند.

رایج ترین کابل در شبکه های مخابراتی در سراسر جهان برای حمل انرژی نور در یک مسیر، کابل نوری تک حالته است که برای استفاده در فواصل طولانی طراحی شده است. از آن جایی که تنها یک مسیر نور را در خود جای می دهد، احتمال کمتری برای هم پوشانی سیگنال ها و اعوجاج وجود دارد.

از سوی دیگر، هسته های کوچکتر کابل های نوری تک حالته، آنها را برای شبکه های دوربرد مناسب می کند. در نتیجه، فیبرنوری تک حالته استاندارد شبکه های اپراتورهای مخابراتی و راه حل های اتصال مرکز داده است. این کابل ها به SMF معروف بوده و مخفف Single Mode Fiber می باشد.

2. کابل فیبرنوری چند حالته

کابل نوری چند حالته نوع دیگری از کابل فیبرنوری است. این کابل حدود 10 برابر بزرگتر از کابل تک حالته است. پرتو های نور می توانند با دنبال کردن مسیر های مختلف یا در حالت های مختلف در هسته حرکت کنند. این نوع کابل ها فقط می توانند داده ها را در فواصل کوتاه ارسال کنند. بنابراین، آن ها در میان سایر برنامه های کاربردی، برای اتصال شبکه های کامپیوتری استفاده می شوند.

از سوی دیگر، دارای یک هسته بزرگ تر با قطر 62.5 میکرون است که دارای انشعابات قابل توجهی برای فواصلی است که می توان از آن ها به طور موثر استفاده کرد. هسته‌های بزرگ ‌تر کابل ‌های فیبرنوری چند حالته امکان عبور چندین حالت نور از آن ها را فراهم می‌ کنند و تعداد بازتاب‌ ها را افزایش می ‌دهند. در عمل، این بدان معناست که می توان از فرستنده و گیرنده های کم هزینه استفاده کرد. این نوع کابل ها برای سیگنال های نوری ساخته شده است که باید مسیر های مختلفی را به طور همزمان طی کنند. معمولاً در فواصل کمتر از یک مایل. به عنوان مثال، مراکز داده و برخی از شبکه‌ های خانگی متصل، فیبر چند حالته را ترجیح می ‌دهند، زیرا می ‌تواند حجم بسیار زیادی از داده‌ ها را به شیوه‌ ای مقرون به صرفه و مدیریت فضای کابل کشی مدیریت کند. این نوع کابل نور مادون قرمز با طول موج 850 تا 1300 نانومتر را از طریق دیود های ساطع کننده نور LED منتقل می کنند. استفاده از کابل چند حالته برای فواصل بیشتر از 200 تا 300 متر فایده چندانی ندارد.

برخی از فیبر های نوری را می توان از پلاستیک ساخت. این الیاف دارای هسته بزرگ با قطر 1 میلی متر هستند و می توان از تراشه های سیلیکونی استفاده کرد. الیاف شیشه به خوبی با سیلیکون کار نمی کند و انطباق با آن پر هزینه است.چهار نوع کابل چند حالته وجود دارد که با OM مشخص می شود. یک انجمن صنعتی آن ها را به عنوان OM1، OM2، OM3 و OM4 تعیین کرد. این کابل ها با نام MMF معروف بوده و در واقع مخفف Multi Mode Fiber می باشد. برای اطلاعات بیشتر مقاله ابزارهای مورد نیاز برای کابل کشی فیبر نوری را بخوانید.

نحوه کار فیبرنوری

در بیشتر کاربرد ها، نور به هسته فیبر شیشه تزریق می شود و به دلیل انعکاس داخلی بین هسته / لبه روکش که به عنوان یک آینه عمل می کند، لکه فیزیکی فیبر را دنبال می کند. هنگامی که هسته فیبر از نظر قطر کوچک تر است، بازتاب هسته و روکش کمتری رخ می دهد که به نور اجازه می دهد تا بیشتر منتقل شود. این امکان سرعت انتقال سریع تر را فراهم می کند.

فیبرنوری بر اساس اصل بازتاب داخلی کامل کار می کند. از پرتو های نور می توان برای انتقال حجم عظیمی از داده ها استفاده کرد، اما مشکلی در این جا وجود دارد. مشکل این است که پرتو های نور در خطوط مستقیم حرکت می کنند. کابل های نوری به گونه ای طراحی شده اند که تمام پرتو های نور را به سمت داخل خم می کنند. پرتو های نور به طور پیوسته حرکت می کنند، از دیواره های فیبرنوری می پرند و داده ها را از سر به انتها منتقل می کنند. اگرچه سیگنال های نوری در فواصل در حال پیشرفت کاهش می یابند، بسته به خلوص مواد مورد استفاده، تلفات آن ها بسیار کمتر از استفاده از کابل های مسی است. یک سیستم فیبرنوری از اجزای زیر تشکیل شده است:

• فرستنده: سیگنال های نور را تولید می کند و آن ها را به گونه ای رمز گذاری می کند که برای انتقال مناسب باشند.
• فیبرنوری: وسیله ای برای انتقال سیگنال به صورت پالس نور.
• گیرنده نوری: پالس نور ارسالی (سیگنال) را دریافت می کند و آن ها را برای استفاده مناسب رمز گشایی می کند.
• تقویت کننده نوری: برای انتقال اطلاعات از راه دور ضروری است.

نور از طریق دیواره ها بارها و بارها از فیبرنوری عبور می کند. هر فوتون کوچک (ذره ای از نور)، لوله را مانند یک بابسلد باز می کند و به پایین سرازیر می شود. حالا شما ممکن است انتظار یک پرتوی نور را داشته باشید، که در یک لوله شیشه ای شفاف حرکت می کند، به سادگی از لبه ها  به بیرون نشت پیدا می کند.

اما اگر نور با یک زاویه بسیار کم (کمتر از 42 درجه) به شیشه برخورد کند، آن را دوباره بازتاب می دهد، انگار که شیشه واقعا یک آینه است. این پدیده، بازتاب داخلی نامیده می شود و یکی از چیزهایی است که نور را درون لوله نگه می دارد. چیز دیگری که نور را در لوله نگه می دارد ساختار کابل است که از دو بخش مجزا تشکیل شده است.

بخش اصلی کابل که در مرکز است هسته نامیده می شود و کمی طول می کشد تا نور از آن عبور کند. در اطراف هسته، لایه دیگری از شیشه به نام روکش قرار دارد.

کار روکش این است که سیگنال های نور را درون هسته حفظ کند.  روکش می تواند این کار را انجام دهد چون از نوع متفاوتی از شیشه تشکیل شده است. ( از لحاظ فنی، روکش فلزی دارای ضریب شکست پایینی است.)

مزایای استفاده از فیبرنوری

استفاده از فیبرنوری مزایای گسترده ای داشته که در مورد آن ها صبحت خواهیم کرد. فیبرهای نوری نازک و غیر قابل اشتعال بوده و در مقایسه با کابل های برق، کابل های نوری بسیار سبک وزن هستند و انعطاف پذیری بیشتری دارند. این نوع کابل ها ظرفیت انتقال بزرگی داشته و می توانند صد ها هزار کانال تلفن را حمل کنند که تنها از بخش کوچکی از ظرفیت نظری استفاده می کند. به علاوه با تلفات کمتر، در مصرف برق صرفه جویی می کند و موجب می شود که داده ها را بدون تقویت سیگنال تا ده‌ ها کیلومتر منتقل کرد. با توجه به نرخ انتقال عظیم قابل دستیابی، هزینه هر بیت انتقال یافته می تواند بسیار کم باشد. در نتیجه استفاده از این کابل ها به صرفه و اقتصادی می باشد.

موارد بالا به وضوح توضیح می‌ دهند که کابل‌ های نوری به مراتب بهتر از کابل ‌های مسی کواکسیال هستند و به همین دلیل است که کابل‌ های نوری برای رسانه ‌های انتقال معمولی ترجیح داده می ‌شوند.

تکنولوژی فیبرنوری

کابل فیبرنوری از رشته های فوق العاده نازک شیشه ای یا پلاستیکی ساخته شده اند که به عنوان فیبرنوری شناخته می شود؛ یک کابل از دو یا صدها رشته ساخته شده است.

ضخامت هر رشته کم تر از یک دهم و به اندازه یک تار موی انسان است و می تواند چیزی حدود ۲۵۰۰۰ تماس تلفنی را حمل کند، بنابراین یک کابل می تواند به راحتی چندین میلیون تماس تلفنی را حمل کند.

کابل های نوری اطلاعات بین دو مکان را با استفاده از فناوری کاملا نوری (مبتنی بر نور) ارائه می دهند. فرض کنید شما می خواهید با استفاده از کابل نوری اطلاعات را از کامپیوتر خود به خانه دوستتان ارسال کنید.

شما می توانید کامپیوتر خود را به یک لیزر وصل کنید، که اطلاعات الکتریکی را از کامپیوتر به مجموعه ای از پالس های نوری تبدیل می کند.

سپس شما می توانید لیزر را با کابل فیبرنوری بسوزانید. پس از عبور از کابل، پرتوهای نور در انتهای دیگر ظاهر می شود. دوست شما به یک سلول فوتوالکتریک (مولفه تشخیص نوری) نیاز دارد تا پالس نور را به اطلاعات الکتریکی تبدیل کند که کامپیوترش بتواند آن را درک کند.

کاربردهای فیبرنوری

فیبرهای نوری تقریباً در هر صنعت برای بسیاری از کاربرد ها استفاده می شود. رایج ترین کاربرد در ساختار های کابلی است که برای انتقال نور یا داده استفاده می شود. بسیاری از ما می دانیم که فیبر ها برای شبکه ارتباط اینترنتی استفاده می شود، اما فیبر های نوری در کاربرد های جوشکاری صنعتی برای برش فولاد برای ساخت خودرو ها، کاربرد های پزشکی که در آن از الیاف برای انتقال نور در آندوسکوپ ها و حذف پلاک شریان، سنگ کلیه استفاده می شود، کاربرد دارند. با توجه به توسعه مداوم منابع نور و روش ‌های تشخیص، ما شاهد کاربرد های جدید تری هستیم که در آن تشخیص مواد، گاز ها، دما، فشار، ارتعاش و غیره توسط فیبرنوری انجام می ‌شود. فیبر های نوری معمولاً رسانه گسترش بین منبع نور و آشکار ساز هستند.

همانطور که برق می تواند انواع ماشین آلات را قدرتمند سازد، پرتوهای نور نیز می توانند انواع مختلف اطلاعات را حمل کنند به طوری که در بسیاری از زمینه ها می توانند به ما کمک کنند. فن آوری هایی که از فیبرنوری استفاده می کنند شامل شبکه کامپیوتری، برودکست، اسکن پزشکی و تجهیزات نظامی و غیره می باشد.

1. فیبرنوری در شبکه های کامپیوتری

کابل های فیبرنوری ، راه اصلی انتقال اطلاعات در مسافت های دور هستند، زیرا دارای سه مزیت بسیار عالی نسبت به کابل های مسی قدیمی هستند:

• ضعیف تر (از دست دادن سیگنال) : اطلاعات تقریبا 10 برابر بیشتر از قبل نیاز به تقویت دارد – که باعث می شود شبکه های فیبر ساده تر و ارزانتر اجرا و نگهداری شوند.
• نبود تداخل : برخلاف کابل های مسی، هیچ “تداخل” (تداخل الکترومغناطیسی) بین فیبرنوری وجود ندارد، بنابراین اطلاعات با اطمینان بیشتر و کیفیت سیگنال بهتری انتقال می یابند.
• پهنای باند بالاتر: همانطور که قبلا مشاهده کردیم، کابل های نوری می تواند اطلاعات بسیار بیشتری نسبت به کابل های مسی با قطر مشابه داشته باشد.

2. صدا و سیما

در اوایل قرن بیستم، رادیو و تلویزیون از یک ایده نسبتا ساده به وجود آمد: از لحاظ فنی بسیار آسان بود، امواج الکترومغناطیسی را از طریق یک فرستنده (در ایستگاه پخش) به هزاران آنتن در خانه های مردم فرستاده میشد. این روزها، در حالی که رادیو از طریق هوا پخش می شود، ما فقط از طریق این کابل ها به تلویزیون دسترسی پیدا می کنیم.

3. فیبرنوری در رشته پزشکی

فیبرنوری را می توان در ابزارهای پزشکی استفاده کرد به طوری که بدون اینکه بدن بریده و یا از هم باز شود، پزشکان بتوانند داخل بدن را ببیند که اولین کاربرد مناسب فیبرنوری حدود نیم قرن قبل بود. امروزه گاستروپ ها نیز به همان اندازه مهم هستند، اما فیبرهای نوری به خلق شکل های جدید اسکن و تشخیص پزشکی ادامه می دهند.

4. فیبرنوری در زمینه های نظامی

دسترسی کاربران اینترنت به یکدیگر با شبکه های عظیم کابل های نوری آسان است . واضح است که نیروهای نظامی نیز با تکنولوژی پیشرفته در جهان به همان شکل متصل هستند.

کابل های فیبرنوری ارزان، نازک، سبک، ظرفیت بال، ضد حمله و بسیار امن هستند به طوری که روش مناسبی برای اتصال پایگاه های نظامی و دیگر تاسیسات مانند سایت های پرتاب موشک و ایستگاه های ردیابی رادار را فراهم می آورد.

آموزشگاه فن آموزان مجری برگزاری بیش از هشتاد دوره مهارتی و تخصصی ویژه بازارکار دیگر تحت نظارت سازمان فنی حرفه ای کشور می باشد. برای دریافت اطلاعات بیشتر از طریق شماره 02191321001 با ما تماس بگیرید.

مشاهده و دانلود pdf مقاله: فیبر نوری چیست و چگونه کار می کند؟