فیبر نوری چیست و کاربرد و عملکرد فیبر نوری چگونه است؟

پیش گفتار
فیبر نوری یكی از محیط های انتقال داده با سرعت بالا است . امروزه از فیبر نوری در موارد متفاوتی نظیر: شبكه های تلفن شهری و بین شهری ، شبكه های كامپیوتری و اینترنت استفاده بعمل می آید. فیبرنوری رشته ای از تارهای شیشه ای بوده كه هر یك از تارها دارای ضخامتی معادل تار موی انسان را داشته و از آنان برای انتقال اطلاعات در مسافت های طولانی استفاده می شود.
مبانی فیبر نوری
فیبر نوری ، رشته ای از تارهای بسیار نازك شیشه ای بوده كه قطر هر یك از تارها نظیر قطر یك تار موی انسان است . تارهای فوق در كلاف هائی سازماندهی و كابل های نوری را بوجود می آورند. از فیبر نوری بمنظور ارسال سیگنال های نوری در مسافت های طولانی استفاده می شود.


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

  • ارزانتر. هزینه چندین كیلومتر كابل نوری نسبت به سیم های مسی كمتر است .
  • نازك تر. قطر فیبرهای نوری بمراتب كمتر از سیم های مسی است .
  • ظرفیت بالا. پهنای باند فیبر نوری بمنظور ارسال اطلاعات بمراتب بیشتر از سیم مسی است .
  • تضعیف ناچیز. تضعیف سیگنال در فیبر نوری بمراتب كمتر از سیم مسی است .
  • سیگنال های نوری . برخلاف سیگنال های الكتریكی در یك سیم مسی ، سیگنا ل ها ی نوری در یك فیبر تاثیری بر فیبر دیگر نخواهند داشت .
  • مصرف برق پایین . با توجه به سیگنال ها در فیبر نوری كمتر ضعیف می گردند ، بنابراین می توان از فرستنده هائی با میزان برق مصرفی پایین نسبت به فرستنده های الكتریكی كه از ولتاژ بالائی استفاده می نمایند ، استفاده كرد.
  • سیگنال های دیجیتال . فیبر نور ی مناسب بمنظور انتقال اطلاعات دیجیتالی است .
  • غیر اشتعال زا . با توجه به عدم وجود الكتریسیته ، امكان بروز آتش سوزی وجود نخواهد داشت .
  • سبك وزن . وزن یك كابل فیبر نوری بمراتب كمتر از كابل مسی (قابل مقایسه) است.
  • انعطاف پذیر . با توجه به انعظاف پذیری فیبر نوری و قابلیت ارسال و دریافت نور از آنان، در موارد متفاوت نظیر دوربین های دیجیتال با موارد كاربردی خاص مانند : عكس برداری پزشكی ، لوله كشی و ...استفاده می گردد.

با توجه به مزایای فراوان فیبر نوری ، امروزه از این نوع كابل ها در موارد متفاوتی استفاده می شود. اكثر شبكه های كامپیوتری و یا مخابرات ازراه دور در مقیاس وسیعی از فیبر نوری استفاده می نماین
بخش های مختلف فیبر نوری
یك فیبر نوری از سه بخش متفاوت تشكیل شده است :
هسته (Core)
هسته نازك شیشه ای در مركز فیبر كه سیگنا ل های نوری در آن حركت می نمایند.
روكش Cladding بخش خارجی فیبر بوده كه دورتادور هسته را احاطه كرده و باعث برگشت نورمنعكس شده به هسته می گردد.
بافر رویهBuffer Coating
روكش پلاستیكی كه باعث حفاظت فیبر در مقابل رطوبت و سایر موارد آسیب پذیر ، است .
انواع فیبر نوری
صدها و هزاران نمونه از رشته های نوری فوق در دسته هائی سازماندهی شده و كابل های نوری را بوجود می آورند. هر یك از كلاف های فیبر نوری توسط یك روكش هائی با نام Jacket محافظت می گردند. فیبر های نوری در دو گروه عمده ارائه می گردند:
فیبرهای تك حالته (Single-Mode)
بمنظور ارسال یك سیگنال در هر فیبر استفاده می شود نظیر : تلفن
فیبرهای چندحالته Multi-Mode
بمنظور ارسال چندین سیگنال در یك فیبر استفاده می شود( نظیر : شبكه های كامپیوتری)
فیبرهای تك حالته دارای یك هسته كوچك ( تقریبا" ۹ میكرون قطر ) بوده و قادر به ارسال نور لیزری مادون قرمز ( طول موج از ۱۳۰۰ تا ۱۵۵۰ نانومتر) می باشند. فیبرهای چند حالته دارای هسته بزرگتر ( تقریبا" ۵ / ۶۲ میكرون قطر ) و قادر به ارسال نورمادون قرمز از طریق LED می باشند
ارسال نور در فیبر نوری
فرض كنید ، قصد داشته باشیم با استفاده از یك چراغ قوه یك راهروی بزرگ و مستقیم را روشن نمائیم . همزمان با روشن نمودن چراغ قوه ، نور مربوطه در طول مسیر مسفقیم راهرو تابانده شده و آن را روشن خواهد كرد. با توجه به عدم وجود خم و یا پیچ در راهرو در رابطه با تابش نور چراغ قوه مشكلی وجود نداشته و چراغ قوه می تواند ( با توجه به نوع آن ) محدوده مورد نظر را روشن كرد. در صورتیكه راهروی فوق دارای خم و یا پیچ باشد ، با چه مشكلی برخورد خواهیم كرد؟ در این حالت می توان از یك آیینه در محل پیچ راهرو استفاده تا باعث انعكاس نور از زاویه مربوطه گردد.در صورتیكه راهروی فوق دارای پیچ های زیادی باشد ، چه كار بایست كرد؟ در چنین حالتی در تمام طول مسیر دیوار راهروی مورد نظر ، می بایست از آیینه استفاده كرد. بدین ترتیب نور تابانده شده توسط چراغ قوه (با یك زاویه خاص) از نقطه ای به نقطه ای دیگر حركت كرده ( جهش كرده و طول مسیر راهرو را طی خواهد كرد). عملیات فوق مشابه آنچیزی است كه در فیبر نوری انجام می گیرد.
تکنولوژی ( فن آوری ) فیبر نوری
نور، در كابل فیبر نوری از طریق هسته (نظیر راهروی مثال ارائه شده ) و توسط جهش های پیوسته با توجه به سطح آبكاری شده ( Cladding) ( مشابه دیوارهای شیشه ای مثال ارائه شده ) حركت می كند.( مجموع انعكاس داخلی ) . با توجه به اینكه سطح آبكاری شده ، قادر به جذب نور موجود در هسته نمی باشد ، نور قادر به حركت در مسافت های طولانی می باشد. برخی از سیگنا ل های نوری بدلیل عدم خلوص شیشه موجود ، ممكن 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 ۸۵۰ نانومتر بین ۶۰ تا ۷۵ درصد در هر كیلومتر ، موج با طول ۱۳۰۰ نانومتر بین ۵۰ تا ۶۰ درصد در هر كیلومتر ، موج با طول ۱۵۵۰ نانومتر بیش از ۵۰ درصد در هر كیلومتر
سیستم رله فیبر نوری
بمنظور آگاهی از نحوه استفاده فیبر نوری در سیستم های مخابراتی ، مثالی را دنبال خواهیم كرد كه مربوط به یك فیلم سینمائی و یا مستند در رابطه با جنگ جهانی دوم است . در فیلم فوق دو ناوگان دریائی كه بر روی سطح دریا در حال حركت می باشند ، نیاز به برقراری ارتباط با یكدیگر در یك وضعیت كاملا" بحرانی و توفانی را دارند. یكی از ناوها قصد ارسال پیام برای ناو دیگر را دارد.كاپیتان ناو فوق پیامی برای یك ملوان كه بر روی عرشه كشتی مستقر است ، ارسال می دارد. ملوان فوق پیام دریافتی را به مجموعه ای از كدهای مورس ( نقطه و فاصله ) ترجمه می نماید. در ادامه ملوان مورد نظر با استفاده از یك نورافكن اقدام به ارسال پیام برای ناو دیگر می نماید.
یك ملوان بر روی عرشه كشتی دوم ، كدهای مورس ارسالی را مشاهده می نماید. در ادامه ملوان فوق كدهای فوق را به یك زبان خاص ( مثلا" انگلیسی ) تبدیل و آنها را برای كاپیتان ناو ارسال می دارد. فرض كنید فاصله دو ناو فوق از یكدیگر بسار زیاد ( هزاران مایل ) بوده و بمنظور برقرای ارتباط بین آنها از یك سیتستم مخابراتی مبتنی بر فیبر نوری استفاده گردد.
سیستم رله فیبر نوری از عناصر زیر تشكیل شده است :
فرستنده . مسئول تولید و رمزنگاری سیگنال های نوری است .
فیبر نوری مدیریت سیكنال های نوری در یك مسافت را برعهده می گیرد.
بازیاب نوری . بمنظور تقویت سیگنا ل های نوری در مسافت های طولانی استفاده می گردد.
· دریافت كننده نوری . سیگنا ل های نوری را دریافت و رمزگشائی می نماید.
در ادامه به بررسی هر یك از عناصر فوق خواهیم پرداخت .
فرستنده
وظیفه فرستنده، مشابه نقش ملوان بر روی عرشه كشتی ناو فرستنده پیام است . فرستنده سیگنال های نوری را دریافت و دستگاه نوری را بمنظور روشن و خاموش شدن در یك دنباله مناسب ( حركت منسجم ) هدایت می نماید. فرستنده ، از لحاظ فیزیكی در مجاورت فیبر نوری قرار داشته و ممكن است دارای یك لنز بمنظور تمركز نور در فیبر باشد. لیزرها دارای توان بمراتب بیشتری نسبت به LED می باشند. قیمت آنها نیز در مقایسه با LED بمراتب بیشتر است . متداولترین طول موج سیگنا ل های نوری ، ۸۵۰ نانومتر ، ۱۳۰۰ نانومتر و ۱۵۵۰ نانومتر است .
بازیاب ( تقویت كننده ) نوری
همانگونه كه قبلا" اشاره گردید ، برخی از سیگنال ها در مواردیكه مسافت ارسال اطلاعات طولانی بوده ( بیش از یك كیلومتر ) و یا از مواد خالص برای تهیه فیبر نوری ( شیشه ) استفاده نشده باشد ، تضعیف و از بین خواهند رفت . در چنین مواردی و بمنظور تقویت ( بالا بردن ) سیگنا ل های نوری تضعیف شده از یك یا چندین " تقویت كننده نوری " استفاده می گردد. تقویت كننده نوری از فیبرهای نوری متععدد بهمراه یك روكش خاص (doping) تشكیل می گردند. بخش دوپینگ با استفاده از یك لیزر پمپ می گردد . زمانیكه سیگنال تضعیف شده به روكش دوپینگی می رسد ، انرژی ماحصل از لیزر باعث می گردد كه مولكول های دوپینگ شده، به لیزر تبدیل می گردند. مولكول های دوپینگ شده در ادامه باعث انعكاس یك سیگنال نوری جدید و قویتر با همان خصایص سیگنال ورودی تضعیف شده ، خواهند بود.( تقویت كننده لیزری)
دریافت كننده نوری
وظیفه دریافت كننده ، مشابه نقش ملوان بر روی عرشه كشتی ناو دریافت كننده پیام است. دستگاه فوق سیگنال های دیجیتالی نوری را اخذ و پس از رمزگشائی ، سیگنا ل های الكتریكی را برای سایر استفاده كنندگان ( كامپیوتر ، تلفن و ... ) ارسال می نماید. دریافت كننده بمنظور تشخیص نور از یك "فتوسل" و یا "فتودیود" استفاده می كند.