جدول محتوا
فیبر نوری چیست؟ فیبر نوری یک فناوری پیشرفته برای انتقال ترافیک داده به صورت پالس‌های نور در رشته‌های فیبر نوری فوق‌العاده کوچک است. این الیاف دارای قطری تقریباً همانند تار موی انسان هستند و به طور معمول از سیلیس خالص ساخته شده‌اند. ما قصد داریم در این مقاله علاوه بر معرفی فیبر نوری و انواع کابل‌های آن به بررسی کاربردها و روش عملکرد این تکنولوژی می‌پردازیم. با ما همراه باشید.
فیبر نوری چیست؟
فیبر نوری چیست ؟ فیبر نوری یا تار نوری به انگلیسی Optical Fiber، یک رشته بلند و باریک از یک ماده شفاف مانند شیشه یا پلاستیک است که قادر است نوری که از یک سر وارد آن می‌شود را به صورت بیرونی از سر دیگر خارج کند. فیبر نوری دارای پهنای باند بسیار بالاتر از کابل‌های معمولی است؛ این فناوری اجازه می‌دهد تا داده‌های تصویری، صوتی و سایر داده‌ها با سرعت بالا تا 10 گیگابیت بر ثانیه و حتی بیشتر منتقل شوند.
در دنیای امروز مخابره از فیبر نوری، به دلیل پهنای باند وسیع‌تر نسبت به کابل‌های مسی و تأخیر کمتر نسبت به سیستم‌های مخابرات ماهواره‌ای به عنوان یکی از مهم‌ترین ابزارها برای انتقال اطلاعات به حساب می‌آید. تار نوری اطلاعات را با استفاده از نور به یک سر گیرنده انتقال می‌دهد و در این نقطه، سیگنال نور به عنوان داده رمزگشایی می‌شود؛ بنابراین می‌توان تار نوری را به عنوان یک وسیله انتقال یا “پایپ” برای انتقال سیگنال‌ها در فواصل طولانی با سرعت بسیار بالا تصور کرد.
ساختار فیبر نوری چیست؟
پس از آشنایی با فیبر نوری چیست؟ نوبت به آشنایی با ساختار این تکنولوژی است؛ یک فیبر نوری از ترکیب سه عنصر اصلی متحدالمرکز تشکیل یافته است:
هسته (Core):
هسته یا هسته تار نوری معمولاً از موادی نظیر شیشه یا پلاستیک ساخته می‌شود؛ با این حال بسته به نوع انتقال نور مورد نظر، گاهی اوقات از مواد دیگر نیز بهره می‌برد. هسته به عنوان بخش اصلی فیبر، مسئول انتقال نور است.
روکش:
روکش معمولاً از همان ماده هسته ساخته می‌شود؛ اما با ضریب شکستی کمتر (معمولاً حدود 1٪ کمتر). این تفاوت در شاخص شکست باعث می‌شود تا بازتاب داخلی در امتداد فیبر اتفاق بیافتد و نور به سمت پایین فیبر منتقل شده و از دیواره‌های جانبی خارج نشود.
پوشش خارجی:
پوشش خارجی معمولاً یک یا چند لایه از مواد پلاستیکی را شامل می‌شود که به منظور حفاظت از فیبر در مقابل شرایط فیزیکی استفاده می‌شود. در برخی موارد به منظور افزایش محافظت فیزیکی، پوشش فلزی نیز به پوشش افزوده می‌شود. ابعاد تارهای نوری معمولاً با اطلاق قطر خارجی هسته، روکش و پوشش مشخص می‌شوند. به‌عنوان‌مثال ابعاد 62.5/125/250 به فیبری با قطر 62.5 میکرومتر برای هسته، قطر 125 میکرومتر برای روکش و قطر 0.25 میلی‌متر برای پوشش اشاره دارد.
چگونگی کارکرد فیبر نوری
در بسیاری از کاربردها نور به هسته فیبر شیشه تزریق می‌شود و به دلیل انعکاس داخلی بین هسته و لبه روکش که به عنوان یک آینه عمل می‌کند، لکه فیزیکی فیبر را دنبال می‌کند. وقتی که هسته فیبر از نظر قطر کوچک‌تر است، بازتاب هسته و روکش کمتر رخ می‌دهد که به نور اجازه می‌دهد تا بیشتر منتقل شود. این ویژگی باعث سرعت انتقال سریع‌تر اطلاعات می‌شود.
فیبر نوری بر اساس اصل بازتاب داخلی کامل عمل می‌کند؛ ولی چالشی در اینجا وجود دارد. مشکل این است که پرتوهای نور در خطوط مستقیم حرکت می‌کنند. کابل‌های نوری طراحی شده‌اند تا تمام پرتوهای نور را به سمت داخل خم کنند. پرتوهای نور به طور پیوسته حرکت می‌کنند، از دیواره‌های فیبر نوری عبور می‌کنند و داده‌ها را از سر تا انتها انتقال می‌دهند. تلفات نوری در این فرایند به خاطر فواصل بسیار کم بین پرتوها کاهش می‌یابد و این تلفات نسبت به کابل‌های مسی بسیار کمتر است.
سیستم فیبر نوری از اجزای زیر تشکیل شده است:
- فرستنده: سیگنال‌های نوری را تولید و به گونه‌ای رمزگذاری می‌کند که برای انتقال مناسب باشند.
- فیبر نوری: وسیله‌ای برای انتقال سیگنال به صورت پالس نور.
- گیرنده نوری: پالس نور ارسالی (سیگنال) را دریافت کرده و آنها را برای استفاده مناسب رمزگشایی می‌کند.
- تقویت‌کننده نوری: برای انتقال اطلاعات از راه دور ضروری است.
نور از طریق دیواره‌ها بارها و بارها از فیبر نوری عبور می‌کند. هر فوتون (ذره‌ای از نور)، لوله را مانند یک بابل‌سلد باز می‌کند و به پایین سرازیر می‌شود. حالا ممکن است توقع داشته باشید که یک پرتوی نور در یک لوله شیشه‌ای شفاف، به سادگی از لبه‌ها به بیرون نشت کند؛ اما اگر نور با یک زاویه بسیار کم (کمتر از 42 درجه) به شیشه برخورد کند، آن را دوباره بازتاب می‌دهد. همچون اینکه شیشه واقعاً یک آینه باشد. این پدیده به بازتاب داخلی معروف است و یکی از عوامل نگه‌داشتن نور در داخل لوله است. عوامل دیگری که نور را در لوله نگه می‌دارند، ساختار کابل است که از دو بخش مجزا تشکیل شده است؛ هسته و روکش.
انواع فیبر نوری
فیبر نوری چیست؟ انواع فیبر نوری کدام‌اند؟ تار نوری یکپارچگی سیگنال‌های نوری را که به “فیبرهای نوری” معروف است، با خود به سمت پایین حمل می‌کند. این انتقال با روش‌های گوناگون انجام می‌شود. یکی از روش‌ها “تک مد” است که یک پرتو نور را از فیبر به پایین می‌آورد. یک رویکرد دیگر این است که پرتو نور به طور مستقیم به وسط فیبر نیاید، بلکه با یک زاویه کم عمق از لبه‌های آن بازتاب شود. حالت‌های دیگر نیز شامل زوایای مختلف با شیب کمتر یا بیشتر هستند.
فیبر نور تک مد یا تک حالته دارای هسته‌های نازک با قطر 5 تا 10 میکرون است. نوع دیگر، فیبر نور چندحالته نامیده می‌شود. هر فیبر در یک کابل چندحالته حدود 10 برابر اندازه یک کابل تک حالته است و اجازه می‌دهد تا پرتوهای نور از طریق هسته به مسیرهای مختلف در حالت‌های مختلف حرکت کنند.
کابل‌های چند حالته برای انتقال اطلاعات در فواصل کوتاه استفاده می‌شوند و معمولاً برای اتصال شبکه‌های کامپیوتری به کار می‌روند. دو نوع رایج کابل فیبر نوری عبارت‌اند از کابل فیبر نوری تک حالته(SMF) و کابل فیبر نوری چند حالته (MMF) در ادامه به ویژگی‌ها و مشخصات هرکدام از این نوع کابل‌ها پرداخته خواهد شد.
کابل فیبر نوری تک حالته SMF
کابل تک حالته شامل هسته بسیار نازک با قطر حدود 9 میکرون است. تمام سیگنال‌ها به صورت مستقیم از وسط حرکت می‌کنند بدون این که از لبه‌ها پرش کنند. این کابل‌ها معمولاً برای برنامه‌های CATV، اینترنت و تلفن مورد استفاده قرار می‌گیرند. به دلیل اینکه تنها یک مسیر نور دارند، احتمال همپوشانی سیگنال‌ها و اعوجاج کمتری وجود دارد. این کابل‌ها اطلاعات را از طریق نور لیزر مادون قرمز منتقل می‌کنند.
کابل فیبر نوری تک حالته استاندارد برای حمل انرژی نور در مسافت‌های طولانی استفاده می‌شود و به دلیل هسته کوچک، مناسب برای شبکه‌های دوربرد و اپراتورهای مخابراتی است.
کابل فیبر نوری چند حالته MMF
کابل چند حالته دارای هسته بزرگ‌تر با قطر 62.5 میکرون است. این نوع کابل اجازه حرکت پرتوهای نور به مسیرهای مختلف و در حالت‌های مختلف را می‌دهد. این کابل‌ها معمولاً برای اتصال شبکه‌های کامپیوتری و فواصل کوتاه استفاده می‌شوند. هسته بزرگ‌تر این کابل‌ها امکان عبور چندین حالت نور را از آنها فراهم می‌کند و تعداد بازتاب‌ها را افزایش می‌دهد.
کابل‌های چند حالته معمولاً برای انتقال داده‌ها در فواصل کمتر از یک مایل استفاده می‌شوند. این کابل‌ها از طریق دیود‌های LED نور مادون قرمز با طول موج 850 تا 1300 نانومتر اطلاعات را منتقل می‌کنند. بعضی از فیبرهای نوری از پلاستیک تهیه می‌شوند که هسته بزرگ با قطر 1 میلی‌متر دارند. این نوع الیاف به خوبی با سیلیکون هماهنگ نمی‌شود و برای کاربردهای خاصی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
برخی از کابل‌های چند حالته با نام‌های OM1، OM2، OM3 و OM4 شناخته می‌شوند. این کابل‌ها برای انتقال داده‌های نوری با طول موج 850 تا 1300 نانومتر استفاده می‌شوند و به عنوان MMF شناخته می‌شوند.
کاربرد فیبر نوری چیست؟
کاربرد فیبر نوری چیست ؟ فیبرنوری به دلیل ساختار بسیار باریک و افت توان بسیار کم و همچنین ظرفیت بالایی که در مخابره اطلاعات فراهم می‌آورد، در صنعت مخابرات، شبکه‌های سریع کامپیوتری، انتقال نور لیزر به دیگر مکان‌ها، اسکنرهای پزشکی، تجهیزات نظامی و بسیاری از زمینه‌های دیگر کاربردهای فراوانی دارد. این تکنولوژی پیشرفته در ایجاد اتصالات بسیار سریع و انتقال اطلاعات به صورت پرسرعت به کار می‌رود. در ادامه به برخی از این کاربردهای چندگانه می‌پردازیم:
شبکه‌های ارتباطی و کامپیوتری
بیشترین استفاده امروزه از فیبر نوری در حوزه صنعت مخابرات مشاهده می‌شود. جال است بدانید این تارهای نوری به کارت شبکه سرور، سوویچ شبکه و همچنین استوریج متصل می‌شوند؛ فیبرهای نوری نسبت به زوج سیم‌های مسی، همتای الکتریکی خود، دارای سه مزیت بزرگ زیر هستند:
- تضعیف کمتر توان: در ارتباط اطلاعات از طریق فیبر نوری، اطلاعات تقریباً تا 10 برابر نیاز کمتری به تقویت و بازسازی نیاز دارند. این ویژگی، فیبر نوری را به گزینه‌ای اقتصادی‌تر در استفاده و نگهداری از شبکه نسبت به کابل مسی تبدیل کرده است.
- عدم تداخل: برخلاف کابل‌های مسی، هیچ تداخلی بین مد‌های مختلف در حال انتشار در فیبر یا تأثیر گرفتن از امواج الکترومغناطیسی محیط خارجی وجود ندارد. این ویژگی به حضور فوتون‌ها ارتباط داده می‌شود؛ زیرا فوتون‌ها نسبت به یکدیگر ایزوله بوده و تنها تحت شرایط خاص با یکدیگر بر همکنش دارند.
- پهنای باند بالا: با توجه به اینکه سیگنال‌های اپتیکی فرکانس بالاتری نسبت به امواج رادیویی دارند و افزایش فرکانس باعث افزایش پهنای باند می‌شود، یک دسته از فیبر نوری قادر به ارسال داده با پهنای باند بسیار بیشتری نسبت به یک کابل مسی است.
لطفاً توجه داشته باشید که تمامی سرورهای اطلاعاتی جهان و همه “مسیریاب‌ها” (رابط‌های شبکه) که شبکه جهانی اینترنت را ایجاد کرده‌اند، از طریق فیبر نوری با یکدیگر ارتباط برقرار کرده‌اند. با جست‌وجوی شما در گوگل و کلیک بر روی یک لینک، اطلاعات با سرعت بسیار بالا از یک سرور مانند سرور dl380 GEN10 در آن سوی کره زمین از طریق فیبر نوری به سمت شما منتقل می‌شود. شاید اینترنتی که شما هنوز استفاده می‌کنید، بر اساس تکنولوژی‌های قدیمی مانند ADSL باشد؛ اما ارتباط بین شما و مرکز مخابرات (سرویس دهنده) از نوع زوج سیم‌های مسی است و حتماً ارتباط بین مرکز مخابرات و شبکه جهانی اینترنت از نوع فیبر نوری است. بدون اغراق می‌توان گفت که 99 درصد کل ترافیک ارتباطات بین‌المللی از طریق فیبرهای نوری حمل می‌شود.
با پیشرفت تکنولوژی فیبر نوری برای تمامی کاربران بر اساس ساختار FTTH، همگان توانایی دسترسی به اینترنت سریع را دارند. پهنای باند بالای فیبرهای نوری امکان استفاده راحت و بدون دغدغه از پردازش ابری را فراهم می‌کند. سرعت و پهنای باند بالا امکان مکالمات صوتی و ویدئویی با کیفیت بسیار بالا را از طریق اینترنت فراهم می‌کند. همچنین امکان تماشای کانال‌های تلویزیونی HD به صورت آنلاین (IPTV) نیز امکان‌پذیر است.
کاربردهای نوری در حوزه پزشکی
استفاده از فیبرهای نوری در علم پزشکی به عنوان یکی از کاربردهای حیاتی این تکنولوژی محسوب می‌شود. با توجه به نازک بودن و قابلیت خم شدن فیبرهای نوری تا حدی که هسته آنها دچار شکست نشود، این فیبرها به عنوان ابزار مناسبی در سیستم‌های «آندوسکوپی» (ENDOSCOPES)برای رصد داخل بدن انسان مورد استفاده قرار می‌گیرند.
صنایع هوایی و نظامی
فیبرهای نوری به دلیل هزینه کمتر نسبت به زوج سیم‌های مسی، نازکی، وزن کم، پهنای باند بالا و ظرفیت و امنیت بالا، به‌عنوان یک انتخاب مناسب برای ارتباط بین پایگاه و ایستگاه‌های نظامی شناخته می‌شود. با توجه به اینکه فیبرهای نوری سیگنال‌های الکتریکی را حمل نمی‌کنند، تابش الکترومغناطیسی ندارند و بنابراین توسط ردیاب‌های دشمن قابل شناسایی نیستند. همچنین فیبرهای نوری تحت تأثیر تداخل‌های الکترومغناطیسی که به عنوان یک حمله سیستماتیک توسط دشمن انجام می‌شود، قرار نمی‌گیرند.
روشنایی و زیبایی
یکی از دیگر کاربردهای جالب فیبرهای نوری در زمینه زیباسازی و تزیین محیط است. این فناوری به وسیله فیبرهای نوری امکان ایجاد نقش‌ها و نگاره‌های زیبا و فعال که با نور ساخته و یا تغییر می‌کنند، فراهم می‌کند.
کلام آخر
کابل فیبر نوری به علت مزایای بسیاری که در مقایسه با کابل‌های مسی دارد، به طور گسترده‌تر مورد استفاده قرار می‌گیرد. برخی از این مزایا عبارت‌اند از: پشتیبانی از ظرفیت پهنای باند بالا، حرکت نور بدون نیاز به افزایش سیگنال بیشتر، حساسیت کمتر به تداخل‌ها، مقاومت در برابر غوطه‌وری، قدرت وزنی و ظرفیت و عدم نیاز به نگهداری و تعویض مکرر. با این حال کابل‌های تار نوری همچنین دارای معایبی نیز می‌باشند:
هزینه بالا، نیاز به محافظت بیشتر، پیچیدگی نصب، حساسیت بیشتر به شکستگی
با توجه به موارد ذکر شده امیدواریم به درک جامعی از اینکه فناوری فیبر نوری چیست و عملکرد آن دست یابید. این فناوری برای ارسال پالس‌های نور طراحی شده است و قابلیت ارائه سرعت انتقال داده بسیار بالایی را دارد. همچنین می‌تواند نیازهای مختلف را در فواصل طولانی با هر دو نوع SMF و MMF را برآورده کند.
