معرفی فیبرهای نوری

 تاریخچه فیبر:

بعد از اختراع لیزر در سال ۱۹۶۰ میلادی ، ایده بکارگیری فیبر نوری برای انتقال اطلاعات شکل گرفت. خبر ساخت اولین فیبر نوری در سال ۱۹۶۶ همزمان در انگلیس و فرانسه اعلام شد که تلفات زیادی داشت و عملا در انتقال اطلاعات مخابراتی قابل استفاده نبود، تا اینکه در سال ۱۹۷۶با کوشش فراوان محققین ، تلفات فیبر نوری تولیدی شدیدا کاهش داده شد و به مقداری رسید که قابل ملاحظه با سیمهای کواکسیکال مورد استفاده در شبکه مخابرات بود.

فيبر نوری چیست :

فیبر نوری یكی از محیط های انتقال داده با سرعت بالا است. فيبرنوری رشته ای از تارهای شيشه ای بوده که هر يک از تارها دارای ضخامتی معادل تار موی انسان را داشته و از آنان برای انتقال اطلاعات در مسافت های طولانی استفاده می شود

نور در یک کابل فیبرنوری، بر اساس پدیده فیزیک موسوم به بازتابش داخلی، مرتبا بوسیله دیواره آینه پوش لایه ای که هسته را فراگرفته، به این سو و آن سو پرش میکند و در طول هسته پیش میرود.

هر کابل فيبر نوری شامل حداقل دو فيبر شيشه ای است که توسط غلاف از يکديگر جدا شده اند . يک فيبر داده را از دستگاه A به دستگاه B منتقل می نمايد و فيبر دوم ،داده را از دستگاه B برای دستگاه A  ارسال می نمايد . فيبرها نظير دو خيابان يک طرفه بوده که دارای مسيرهای معکوسی نسبت به يکديگر می باشند . بدين ترتيب يک لينک ارتباطی Full-duplex ارائه می گردد . مدارات فيبرنوری از يک تار فيبر برای ارسال و از تار ديگر برای دريافت داده استفاده می نمايند .

اجزاء يک فيبر نوری :

هسته (Core) هسته نازک شيشه ای در مرکز فيبر که سيگنا ل های نوری در آن حرکت می نمايند.

روکش (Cladding) بخش خارجی فيبر بوده که دورتادور هسته را احاطه کرده و باعث برگشت نورمنعکس شده به هسته می گردد.

بافر رويه (Buffer Coating) روکش پلاستيکی که باعث حفاظت فيبر در مقابل رطوبت و ساير موارد آسيب پذير ، است .

صدها و هزاران نمونه از رشته های نوری فوق در دسته هائی سازماندهی شده و کابل های نوری را بوجود می آورند. هر يک از کلاف های فيبر نوری توسط يک روکش هائی با نام Jacket محافظت می گردند.

انواع فيبر نوری :

• فيبرهاي تك حالته(Single-Mode):

            بمنظور ارسال يك سيگنال در هر فيبر استفاده می‌شود

• فيبرهايچندحالته (Multi-Mode):

            بمنظور ارسال چندين سيگنال در يك فيبر استفاده مي‌شود

فيبرهاي تك حالته (Single-Mode): 

• در این نوع فیبر یک مسیر حرکت نور وجود دارد و از یک سیگنال نوری با یک طول موج در این فیبرها استفاده می شود
• فيبرهای تک حالته دارای يک هسته کوچک
• منبع نوری ، نور لیزر مادون قرمز (LD) ( با طول موج ۱۳۰۰ تا ۱۵۵۰ نانومتر ) را درون خود هدایت کنند

• ضریب شکست نور در فیبر بصورت پله ای می باشد
• قطر هسته در حدود ۳ الی ۱۲ میکرون و قطر فیبر حدود ۱۲۵ میکرون است
• میزان تلفات یا تضعیف موج در این حالت کمتر از سایر حالات دیگر است(۴ dB/km)
• برای مسافتهای طولانی استفاده می شود. هر ۴۰ تا ۵۰ کیلومتر یک تقویت کننده
• پهنای باند بالا در حدود پهنای باند: ۵۰۰ MHZ.km و تا حدود ۲۰۰ GHZ.km
• از خمش پذیری کمتری برخوردار هستند
• نسبت به فیبر های مالتی مد گرانتر هستند
• جهت شبکه های Man، Wan استفاده می شود.

فيبرهاي چند حالته (Multi-Mode): 

• این نوع از فیبر ها می‌تواند صدها حالت نور را به طور هم‌زمان انتقال بدهد (اختلاف ضریب شکست core و cladding زیاد است )
• فيبرهای چند حالته دارای يک هسته بزرگ هستند
• منبع نوری ، نور مادون قرمز (LED) ( با طول موج کمتر از ۱۳۰۰ نانومتر) را درون خود هدایت کنند

• قطر هسته در حدود ۵۰ الی ۴۰۰ میکرون و قطر فیبر حدود ۱۲۵ تا ۵۰۰ میکرون است
• میزان تلفات یا تضعیف موج بیشتر از سینگل مد است ( ۱ -۵۰ dB/km)
• برای مسافتهای کوتاه استفاده می شود. کمتر از ۲ کیلومتر
• پهنای باند پایین به نسبت فیبر های تک مد .در حدود پهنای باند ۴۰۰ MHZ.km
• از خمش پذیری بیشتری برخوردار است
• قیمت ارزانتر نسبت به سینگل مد
• جهت شبکه های LAN استفاده می شود

مقایسه فیبر Single mode با Multi mode

مزایای فیبرهای چند مدی در مقایسه با فیبرهای تک مدی

• بزرگتر بودن قطر هسته
• ساده تر بودن تزریق انرژی نور به داخل فیبر
• امکانات بهتر برای اتصال فیبرها به یکدیگر
• 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

• فیبر چند مدی دارای اعوجاج بین مدی می باشد.
• پهنای باند فیبرهای چند مدی، کمتر از فیبر تک مدی می باشد.
• تلفات یا تضعیف در فیبرهای چند مدی بیشتر است.
• امکان ساخت فیبرهای چند مدی طولانی(با طول بلند) کمتر است.

سیستم رله فیبر نوری

برای برقراری ارتباط بین دو فیبر از یک سری تجهیزات سخت افزاری استفاده می شود

• فرستنده : مسئول تولید و رمز نگاری سیگنال‌های نوری است
• دریافت کننده نوری: دستگاه فوق سیگنال‌های نوری را اخذ و پس از رمزگشایی به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می کند و برای سایر استفاده کنندگان (کامپیوتر، تلفن و …)ارسال می نماید.
• تقویت کننده نوری: برای جلوگیری از تضعیف و از بین رفتن سیگنال‌های نوری از استفاده می گردد

مزایای فیبر نوری در قایسه با سیم‌های مسی

• قیمت ارزان تر: هزینه فیبر نوری نسبت به سیم‌های مسی در مقیاس‌های بالا کمتر است.
• اندازه نازک‌تر: قطر فیبرهای نوری به مراتب کمتر از سیم‌های مسی است.
• 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 الکترو مغناطیسی نخواهیم داشت.
• مصرف برق پایین: با توجه به این که سیگنال‌ها در فیبر نوری کمتر تضعیف می‌گردند، بنابراین می‌توان از فرستنده‌هایی با میزان برق مصرفی پائین استفاده کرد.
• اشتعال‌زا نبودن: با توجه به عدم وجود الکتریسته در فیبر نوری، امکان بروز آتش‌سوزی در این خصوص وجود نخواهد داشت
• وزن سبک: وزن یک کابل فیبر نوری به مراتب کمتر از کابل مسی هم‌رده‌آن است و این عامل در کارکردن، نصب و نگهداری فیبر بسیار مهم است.
• ماده اولیه : ماده اولیه ساخت فیبر شیشه است که ¼ کره زمین از سیلیسیوم است
• انعطاف‌پذیر بودن: با توجه به انعطاف‌پذیری فیبر نوری 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
• ایمنی بسیار بالا در مقابل نویز
• سرعت و پهنای باند بالا: فیبر نوری توانایی در انتقال اطلاعات به مقدار بسیار بالا را دارند(آخرین سرعت 43Tbps)
• امکان تعمیر فیبر:تعمیرتار نوری در حالیکه سیستم روشن است، بدون آنکه احتمال اتصال کوتاه شدن مدارهای الکتریکی در فرستنده ویا در گیرنده باشد، وجود دارد.
• عدم برقراری انشعاب غیر مجاز: شرکتهای نگهدارنده فیبر 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.

محدودیتها و نقاط ضعف فیبرهای نوری

– محدودیتها:

• تضفیف موج در فیبر(Attenuation)

      – خواص ذاتی ماده و خود شیشه

      – ضریب شکست شیشه در طول فیبر یکسان نیست و باعث پراکندگی موج می شود واز cladding عبور می کند

      – خمیدگی فیبر

      – فرایند ساخت کامل انجام نگرفته باشد

• پاشندگی در فیبر( Dispersion ) : عواملی که باعث پهن شدن پالس می شود و باعث می شود که موجها همزمان به انتهای فیبر نرسند.در فیبر های مالتی مود و به علت وجود مد های زیاد رخ می دهد.

– وجود تفاوت ضریب شکست core و cladding

– خمیدگی و فشار بر فیبر

– طراحی فیبر درست انجام نمی گیرد

– وابستگی طول موج به ضریب شکست فیبر (نسبت عکس دارند)

– نقاط ضعف فیبرهای نوری

• اتصال دو فیبر نیاز به تجهیزات دقیق دارد که قیمت گرانی دارد

                              – دستگاه فیوژن

• ضرورت دقت کامل در هنگام کابل کشی
• انحناو خم زیاد باعث شکستن فیبر می شود
• محدود بودن میزان کشش برای فیبرهای با ظرفیت مختلف
• آسیب دیدگی فیبر ها در مقابل ضربه

کاربردهای فیبر نوری :

 کاربرد فیبر نوری در حسگرها

استفاده از حسگرهای فیبر نوری برای اندازه گیری کمیتهای فیزیکی مانند جریان الکتریکی ، میدان مغناطیسی ، فشار ، حرارت ، جابجایی ، آلودگی آبهای دریا ، تشعشعات پرتوهای گاما و ایکس در سالهای اخیر شروع شده است . در این نوع حسگرها ، از فیبر نوری به عنوان عنصر اصلی حسگر بهره گیری می-‌شود ، بدین ترتیب که خصوصیات فیبر تحت میدان کمیت مورد اندازه گیری تغییر یافته و با اندازه شدت کمیت تأثیر پذیر می‌شود .

کاربردهای نظامی فیبر نوری

فیبر نوری کاربردهای بی‌شماری در صنایع دفاع دارد که از آن جمله به طور مختصر می ‌توان برقراری ارتباط و کنترل با آنتن رادار ، کنترل و هدایت موشک‌ها ، ارتباط زیردریاییها (دستگاه هیدروفون) را نام برد .

 کاربردهای پزشکی فیبر نوری

فیبر نوری در تشخیص بیماریها و آزمایشهای گوناگون در پزشکی کاربرد فراوان دارد که از آن جمله می‌توان دزیمتری غدد سرطانی ، شناسایی نارساییهای داخلی بدن ، جراحی لیزری ، استفاده در دندانپزشکی و اندازه گیری مایعات و خون نام برد .

 کاربرد فیبر نوری درروشنایی

از جمله کاربردهای فیبر نوری که در اواخر قرن بیستم بعنوان یک فناوری روشنایی متداول شده و در چند سال قرن اخیر توسعه ورشد فراوانی پیدا کرده‌ است کاربرد آن درسیستم‌های روشنایی است . در این فناوری نور از منبع نوری که می ‌تواند نور مصنوعی (نور لامپهای الکتریکی) و یا نور طبیعی (نور خورشید) باشد وارد فیبر نوری شده و از این طریق به محل مصرف منتقل می ‌شود

سایر کاربردهای فیبر نوری:

• در سیستمهای مخابرات :خطوط انتقال Data، شبکه تلفن شهری و بین شهری ، سیستم های تلویزیون کابلی و اینترنت و ..
• استفاده از فیبر نوری در سیستم های نظارت تصویری ( دوربینهای مدار بسته)
• در سازمانها و شرکتها برای انتقال سرویس Data بین بخشهای مختلف
• در سیستمهای نقل و انتقال هوشمند ( بانکها و …)
• در بخش فضایی
• حمل و نقل و صنعت

فیبرهای نوری نسل سوم

طراحان فیبرهای نسل سوم ، فیبرهایی را مد نظر داشتند که دارای حداقل تلفات و پاشندگی باشند. برای دستیابی به این نوع فیبرها ، محققین از حداقل تلفات در طول موج ۱.۵۵ میکرون و از حداقل پاشندگی در طول موج ۱.۳ میکرون بهره جستند و فیبری را طراحی کردند که دارای ساختار نسبتا پیچیده‌تری بود. در عمل با تغییراتی در پروفایل ضریب شکست فیبرهای تک مد از نسل دوم ، که حداقل پاشندگی آن در محدوده ۱.۳ میکرون قرار داشت، به محدوده ۱.۵۵ میکرون انتقال داده شد و بدین ترتیب فیبر نوری با ماهیت متفاوتی موسوم به فیبر دی.اس.اف ساخته شد.

برای اطلاع از فن آوری های نوین ارتباطی شبکه های وایرلس و ماکرویو و مراکز تلفنی تحت شبکه از کانال تلگرامی ما به آدرسهای Wireless_tech@ و Voip_Tech@  دیدن فرمایید.