فیبر نوری چیست و چگونگی انتقال داده با نور

انتقال داده با استفاده از نور با الیافی از جنس شیشه

 

فیبر نوری الیاف شفاف و انعطاف‌پذیر است که با کشیدن شیشه (سیلیس) یا پلاستیک به قطر کمی ضخیم‌تر از موی انسان ساخته می‌شود. فیبر نوری اغلب به عنوان ابزاری برای انتقال نور بین دو سر فیبر استفاده می‌شود و یافتن کاربرد گسترده در ارتباطات فیبر نوری، جایی که امکان انتقال در مسافت‌های طولانی‌تر و با پهنای باند بالاتر (سرعت انتقال داده) نسبت به کابل‌های الکتریکی را امکان‌پذیر می‌کنند. از فیبر به جای سیم‌های فلزی استفاده می‌شود زیرا انتقال سیگنال‌ها در آنها با حداقل اتلاف ممکن انجام می‌شود. علاوه بر این، فیبر در برابر تداخل‌های الکترومغناطیسی مصون هستند، مشکلی که در سیم‌های فلزی بسیار رایج است و باعث ایجاد نویز در این کابل‌ها می‌شود.

 

از فیبر برای روشنایی و تصویربرداری نیز استفاده می‌شود و غالباً به صورت دسته‌ای (Bundles) بسته‌بندی می‌شود، و برای دستگاه‌هایی مانند Fiberscope برای انتقال نور یا تصویربرداری در فضای محدود که نیاز به تجهیزات پیشرفته است، استفاده شود. فیبرسکوپ یک باندل فیبر نوری انعطاف‌پذیر است که در یک سر آن چشمی و در سر دیگر آن یک عدسی قرار دارد که برای بررسی و بازرسی مکان‌های کوچک و محدود در دسترسی مانند داخل دستگاه‌ها، قفل‌ها و حتی بدن انسان استفاده می‌شود. از فیبر مخصوص طراحی شده برای کاربردهای مختلف دیگری نیز استفاده می‌شوند، برخی از آنها سنسورهای فیبر نوری و لیزرهای فیبر هستند.

فیبرهای نوری بطور معمول شامل هسته‌ای (Core) هستند که توسط ماده روکش (Cladding) شفاف با ضریب شکست (Refractive index) پایین احاطه شده است.

نور توسط پدیده انعکاس داخلی کامل در هسته نگهداری می‌شود که باعث می‌شود فیبر به عنوان یک Waveguide (راهنمای نوری یک ساختار فیزیکی است که امواج الکترومغناطیسی را در طیف نوری هدایت می‌کند) عمل کند. به فیبری که از بسیاری از مسیرهای انتشار یا حالت‌های تقاطعی پشتیبانی می‌کند فیبر چند حالته (multi-mode) گفته می‌شود، در حالی که به فیبری که از یک حالت واحد پشتیبانی می‌کند فیبر تک حالته (single-mode) گفته می‌شود. فیبر نوری multi-mode عموماً قطر هسته عریض‌تری دارند و برای پیوندهای ارتباطی در مسیرهای کوتاه و برای کاربری‌هایی که باید توان زیادی منتقل شود، مورد استفاده قرار می گیرند. فیبر نوری single-mode برای اکثر پیوندهای ارتباطی با طول بیش از 1000 متر (3300 فوت) استفاده می‌شود.

امکان پیوستن و اتصال به فیبرهای نوری با افت کم در ارتباطات فیبر نوری مهم است. این پیچیده‌تر از اتصال سیم یا کابل برق است و شامل شکاف دقیق الیاف، تراز دقیق هسته‌های فیبر و جفت شدن بدون خطا در این هسته‌های‌تراز شده است. در کاربری‌هایی که خواستار اتصال دائمی هستند، اتصال فیوژن بسیار متداول (fusion splice) است. در این تکنیک از یک قوس الکتریکی برای ذوب شدن انتهای فیبر در کنار هم استفاده می‌شود. تکنیک متداول دیگر، اتصال مکانیکی است، جایی که انتهای فیبر با نیروی مکانیکی در تماس هستند. اتصالات موقت یا نیمه دائمی با استفاده از کانکتورهای فیبر نوری تخصصی انجام می‌شود.

 

کاربرد فیبر نوری در ارتباطات

فیبر نوری به عنوان یک رسانه برای ارتباطات از راه دور و شبکه‌های رایانه‌ای استفاده می‌شود زیرا انعطاف‌پذیر است و می‌تواند به صورت باندلی از کابل باشد. این امر خصوصاً برای ارتباطات از راه دور بسیار سودمند است، زیرا نور مادون قرمز در مقایسه با کابلهای الکتریکی با ضعف بسیار کمتری از طریق فیبر منتشر می‌شود. این اجازه می‌دهد تا در مسافت‌های طولانی‌تر با تعداد کمی تکرارکننده طی شود.

سیگنال‌های نوری در هر کانال که در فیبر منتشر می‌شوند با سرعت 111 گیگابیت در ثانیه (Gbit/s) تعدیل شده‌اند، اگرچه 10 یا 40 گیگابایت در ثانیه در سیستم‌های گسترش یافته، معمول است. در ژوئن 2013، محققان انتقال 400 گیگابایت بر ثانیه را از طریق یک کانال با استفاده از مولتی پلکسینگ حرکت زاویه‌ای مداری 4 حالته نشان دادند. هر فیبر می‌تواند کانالهای مستقلی را حمل کند، هر کدام از آنها از طول موج مختلفی از نور استفاده می‌کنند (مالتی پلکسینگ تقسیم طول موج (WDM)). از سال 2011 رکورد پهنای باند در یک تک هسته 101 ترابیت در ثانیه بود (370 کانال با هر یک 273 گیگابایت در ثانیه). رکورد فیبر چند هسته‌ای در ژانویه 2013 1.05 پتابیت در ثانیه بود.

استفاده از فیبر نوری در کاربردهای مسیر-کوتاه، مانند کابل کشی شبکه در یک ساختمان اداری باعث صرفه جویی فضای اختصاص داده شده برای کابل کشی در داکت می‌شود. به این دلیل که یک فیبر می‌تواند داده‌های بسیار بیشتری نسبت به کابل‌های الکتریکی مانند کابل کشی کابل اترنت Cat5، که معمولاً با سرعت 100 مگابیت در ثانیه یا 1 گیگابیت بر ثانیه کار می‌کنند، حمل کند.

فیبر همچنین از تداخل الکتریکی مصون است. هیچ تداخلی بین سیگنالها در کابلها وجود ندارد و هیچ گونه نویزی در محیط بروی آن اثر ندارد. کابل‌های فیبر غیر زره پوش، رسانای برق نیستند، که باعث می‌شود فیبر برای محافظت از تجهیزات ارتباطی در محیط‌های فشار قوی مانند تأسیسات تولید برق یا ساختارهای ارتباطی فلزی مستعد برخورد صاعقه مفید باشد و همچنین از مشکلات ایجاد شده توسط مغناطیس زمین جلوگیری می‌کند. آنها همچنین می‌توانند در محیط‌هایی که بخارات انفجاری وجود دارد، بدون خطر آتش گرفتن کابل فیبر نوری استفاده شوند. فیبر اغلب برای اتصالات فاصله کوتاه بین دستگاه‌ها نیز استفاده می‌شود. به عنوان مثال، اکثر تلویزیون‌های HD یک اتصال نوری صوتی دیجیتال را ارائه می‌دهند. با استفاده از پروتکل S/PDIF از طریق کانکتور TOSLINK، این امکان را برای پخش صوتی از طریق نور فراهم می‌کند.

کانکتور تسلینک

کابل تسلینک

 

اطلاعات موجود در داخل فیبر نوری حتی از پالس‌های الکترومغناطیسی تولید شده توسط دستگاه‌های تولید کننده انرژی هسته‌ای مصون است.

 

نحوه عملکرد فیبر نوری

فیبر نوری یک راهنمای موج استوانه‌ای دی الکتریک (راهنمای موج غیر رسانا) است که با فرآیند بازتاب کلی داخلی، نور را در امتداد محور خود منتقل می‌کند. این فیبر از یک هسته تشکیل شده است که توسط یک لایه روکش احاطه شده است و هر دو از مواد دی الکتریک ساخته شده‌اند. برای محدود کردن سیگنال نوری در هسته، ضریب شکست هسته باید بیشتر از روکش باشد. برای ایجاد نور هم می‌توان از لیزر یا LED به استفاده کرد.

 

شاخص شکست نور (Index of refraction)

شاخص شکست (یا ضریب شکست) روشی برای اندازه گیری سرعت نور در یک ماده است. نور در خلا سریعتر حرکت می‌کند، مانند فضا. سرعت نور در خلا حدود 300000 کیلومتر در ثانیه است. ضریب شکست یک محیط با تقسیم سرعت نور در خلا بر سرعت نور در آن محیط محاسبه می‌شود. بنابراین، ضریب شکست خلا طبق تعریف 1 است. یک فیبر تک حالته معمولی که برای ارتباطات از راه دور استفاده می‌شود دارای روکش ساخته شده از سیلیس خالص با شاخص 1.444 در 1500 نانومتر و یک هسته سیلیس با شاخص در حدود 1.4475 است. هرچه ضریب شکست بزرگتر باشد، نور کمتری در آن محیط حرکت می‌کند. براساس این اطلاعات، یک قاعده ساده این است که سیگنالی که از فیبر نوری برای ارتباط استفاده می‌کند با سرعت 200000 کیلومتر در ثانیه حرکت می‌کند. به بیان دیگر، سیگنال 5 میلی ثانیه طول می‌کشد تا در فیبر مسافت 1000 کیلومتر را طی کند. بنابراین یک تماس تلفنی انجام شده توسط فیبر بین سیدنی و نیویورک، با فاصله 16000 کیلومتر، به این معنی است که حداقل 80 میلی ثانیه تأخیر وجود دارد (حدود 1/12 ثانیه) بین زمانی که یک تماس گیرنده صحبت می‌کند و دیگری می‌شنود. (فیبر، در این حالت، احتمالاً مسیر طولانی‌تری را طی خواهد کرد و به دلیل تعویض تجهیزات ارتباطی و روند رمزگذاری و رمزگشایی صدا روی فیبر، تأخیرهای اضافی ایجاد خواهد شد).

اکثر فیبرهای نوری مدرن راهنمای موج ضعیفی دارند، به این معنی که تفاوت در ضریب شکست بین هسته و روکش بسیار کم است (معمولاً کمتر از 1٪).

 

بازتاب کلی داخلی (Total internal reflection)

وقتی نوری که در یک محیط نوری متراکم حرکت می‌کند به یک مرز در یک زاویه شیب دار برخورد کند (بزرگتر از زاویه بحرانی برای مرز)، نور کاملاً منعکس می‌شود. به این وضعیت، بازتاب کلی داخلی می‌گویند. این اثر در فیبرهای نوری برای محدود کردن نور در هسته استفاده می‌شود. نور از طریق هسته فیبر عبور می‌کند و از مرز بین هسته و روکش به عقب و جلو باز می‌گردد. از آنجا که نور باید با زاویه‌ای بیشتر از زاویه بحرانی به مرز برخورد کند، فقط نوری که در محدوده خاصی از زاویه‌ها به فیبر وارد شود می‌تواند بدون نشت نور به پایین فیبر حرکت کند.

به عبارت ساده‌تر، حداکثر زاویه‌ای از محور فیبر وجود دارد که ممکن است در آن نور به فیبر وارد شود تا در هسته فیبر منتشر یا حرکت کند. سینوس این حداکثر زاویه دیافراگم عددی (NA) فیبر است. فیبر با NA بزرگتر نسبت به فیبر با NA کوچکتر برای اتصال و کار با دقت کمتری نیاز دارد. فیبر تک حالته NA کوچکی دارد.

 

انواع فیبر نوری

فیبر نوری از نظر ساختار و عملکرد به انواع مختلفی تقسیم می‌شود که هر کدام برای کاربرد خاصی طراحی شده‌اند. بطور کلی، فیبرهای نوری بر اساس ساختار هسته، نحوه انتشار نور، و نوع تقویت به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند:

• فیبر نوری تک حالته (Single Mode)
• فیبر نوری چند حالته (Multi Mode)

 

فیبر نوری تک حالته (Single-mode)

فیبرهای نوری به عنوان ساختارهایی موج‌بر در انتقال داده‌های نوری، رفتار پیچیده‌ای را از خود نشان می‌دهند که تحلیل آن‌ها تنها با مدل‌های ساده هندسی امکان‌پذیر نیست. در مواردی که قطر هسته فیبر کمتر از حدود ده برابر طول موج نور باشد، استفاده از اپتیک هندسی برای مدل‌سازی انتشار نور کافی نیست. در این شرایط، لازم است پدیده‌های نوری را با حل معادلات ماکسول بررسی کرد، که‌این معادلات به معادله موج الکترومغناطیسی تقلیل داده می‌شوند. این رویکرد امکان تحلیل دقیق چگونگی حرکت امواج درون فیبر را به عنوان یک ساختار موج‌بر نوری فراهم می‌سازد.

در این تحلیل، مشخص می‌شود که فیبر نوری از یک یا چند مد عرضی (transverse mode) پشتیبانی می‌کند که نور می‌تواند در امتداد آن‌ها در طول فیبر منتشر شود. فیبرهایی که تنها از یک مد پشتیبانی می‌کنند، به عنوان فیبر نوری تک‌حالته (Single-mode) شناخته می‌شوند. این نوع فیبر، معمولاً دارای قطر هسته‌ای بین ۸ تا ۱۰ میکرون است و برای انتقال نور در باند مادون قرمز طراحی شده است. اگرچه ممکن است در طول‌موج‌های مرئی از چند مد اضافی نیز پشتیبانی کند، اما در عملکرد استاندارد، تنها یک مسیر برای انتشار نور فعال است.

 

نکته جالب توجه آن است که انرژی نور تنها درون هسته فیبر باقی نمی‌ماند. در واقع، به‌ویژه در فیبرهای تک‌حالته، بخش قابل توجهی از انرژی در قالب موج ناپایدار (Evanescent Wave) درون روکش اطراف هسته نیز گسترش می‌یابد. این ویژگی، رفتار نوری فیبر را از لحاظ فیزیکی بسیار متفاوت‌تر از آنچه در رساناهای الکتریکی رخ می‌دهد، می‌سازد.

در مقابل، فیبرهای نوری چند حالته (Multi-mode) دارای هسته‌ای با قطر بزرگ‌تر هستند، بطور معمول ۵۰ میکرومتر یا حتی تا بیش از ۱۰۰ میکرومتر. در این نوع فیبر، نور می‌تواند از طریق مسیرهای مختلف یا مدهای متعددی حرکت کند. تحلیل رفتار این نوع فیبر نیز در ابتدا با معادله موج انجام می‌گیرد، اما در مواردی که هسته بسیار بزرگ باشد، مدل‌سازی با استفاده از اپتیک هندسی نیز می‌تواند نتایج قابل قبولی ارائه دهد، زیرا رفتار نور در چنین شرایطی شباهت بیشتری به مسیرهای قابل مشاهده در اپتیک کلاسیک دارد.

فیبرهای چند حالته عمدتاً در کاربردهایی که به طول مسیر کوتاه‌تر و نصب آسان‌تر نیاز دارند، مورد استفاده قرار می‌گیرند. برعکس، فیبرهای تک‌حالته به دلیل پایداری در فواصل طولانی و حداقل افت سیگنال، در زیرساخت‌های گسترده مخابراتی و انتقال داده با ظرفیت بالا کاربرد بیشتری دارند. در نهایت، انتخاب نوع فیبر نوری باید بر اساس پارامترهایی مانند فاصله انتقال، نوع سیستم مخابراتی، هزینه تجهیزات و شرایط محیطی صورت گیرد.

 

فیبر نوری چند حالته (Multi-mode)

فیبر نوری چند حالته یکی از رایج‌ترین انواع فیبر در کاربردهای ارتباطی کوتاه‌برد است که به دلیل ساختار خاص هسته و ویژگی‌های نوری خود، امکان عبور نور از مسیرهای مختلف یا مدهای گوناگون را فراهم می‌کند. در این نوع فیبر، قطر هسته بطور معمول در محدوده‌ای بین ۵۰ تا ۶۲.۵ میکرومتر قرار دارد و همین ویژگی فیزیکی باعث می‌شود که نور بتواند در زوایای مختلفی نسبت به محور فیبر منتشر شود.

برای تحلیل رفتار این فیبرها، از دو نوع مدل علمی استفاده می‌شود: مدل الکترومغناطیسی و مدل اپتیک هندسی. زمانی که قطر هسته بزرگ‌تر از ۱۰ میکرومتر باشد، می‌توان انتشار نور را با استفاده از اصول اپتیک هندسی مدل‌سازی کرد. در ساده‌ترین حالت، فیبر چند حالته با نمایه شاخص پله‌ای به‌گونه‌ای عمل می‌کند که نور توسط پدیده بازتاب داخلی کامل در مرز میان هسته و روکش هدایت می‌شود. این بازتاب تنها در صورتی رخ می‌دهد که زاویه برخورد پرتو نور با مرز داخلی، بیشتر از زاویه بحرانی باشد که‌این زاویه نیز وابسته به تفاوت بین شاخص شکست هسته و روکش تعیین می‌شود. اگر زاویه برخورد کمتر از این حد باشد، نور به درون روکش نفوذ کرده و از فیبر خارج می‌شود که به معنی افت انرژی و اطلاعات خواهد بود.

یکی از مفاهیم کلیدی در این ساختار، دیافراگم عددی (Numerical Aperture) است که نشان‌دهنده ظرفیت فیبر برای پذیرش نور از زوایای مختلف است. هرچه دیافراگم عددی بالاتر باشد، فیبر قادر است نور را در مسیرهای متنوع‌تری جذب و هدایت کند، اما در عین حال این ویژگی باعث افزایش پراکندگی مدال نیز می‌شود. این پراکندگی زمانی رخ می‌دهد که پرتوهای نور که در زوایای مختلف حرکت می‌کنند، طول مسیر متفاوتی را طی کرده و در زمان‌های متفاوتی به انتهای فیبر می‌رسند. این اختلاف زمانی در رسیدن سیگنال‌ها، منجر به افت کیفیت و محدود شدن پهنای باند در فواصل طولانی‌تر می‌شود.

نوع پیشرفته‌تری از فیبر چند حالته با نمایه شاخص درجه‌بندی‌شده (Graded-Index) طراحی می‌شود. در این ساختار، شاخص شکست درون هسته به صورت پیوسته از مرکز به سمت روکش کاهش می‌یابد. نتیجه‌این طراحی آن است که پرتوهای نور به جای بازتاب ناگهانی، به آرامی منحرف می‌شوند و مسیرهایی منحنی طی می‌کنند. این انحنای طبیعی موجب کاهش اختلاف زمان بین مدهای مختلف می‌شود و بهبود قابل‌توجهی در عملکرد فیبر در فواصل متوسط ایجاد می‌کند.

بطور کلی، فیبر نوری چند حالته به دلیل ساختار ساده‌تر، هزینه پایین‌تر، و سهولت در راه‌اندازی، گزینه‌ای مناسب برای کاربردهایی مانند شبکه‌های محلی، دیتاسنترها، و سامانه‌های امنیتی است. اما در پروژه‌هایی که نیازمند انتقال داده در فواصل طولانی با سرعت بالا هستند، باید محدودیت‌های ذاتی آن مانند پراکندگی مدال در نظر گرفته شود.

عبور نور از فیبر نوری multi-mode

 

از نظر ساختار فیزیکی

از نظر ساختار فیزیکی، فیبرهای نوری ممکن است به صورت تایت بافر (Tight-buffered) یا لوز تیوب (Loose-tube) طراحی شده باشند. فیبرهای Tight-buffered بیشتر در محیط‌های داخلی استفاده می‌شوند، زیرا نصب آن‌ها ساده‌تر است و در برابر خم‌شدگی مقاوم‌تر هستند. اما فیبرهای Loose-tube به گونه‌ای طراحی شده‌اند که در برابر رطوبت، گرما و شرایط سخت محیطی مقاوم باشند، به همین دلیل در کاربردهای بیرونی مانند دفن در زمین یا نصب در خطوط هوایی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

همچنین، در برخی پروژه‌ها از فیبرهای نوری با پوشش ضد آب، ضد آتش یا دارای محافظ فلزی نیز استفاده می‌شود که برای شرایط خاص مثل تأسیسات صنعتی، تونل‌ها، یا نیروگاه‌ها طراحی شده‌اند.

 

محدودیت‌ها و نقاط ضعف فیبر نوری

فیبر نوری (Optical Fiber) یکی از پیشرفته‌ترین فناوری‌های انتقال داده است که از نور برای انتقال سیگنال استفاده می‌کند. این فناوری با مزایای متعددی مانند سرعت بالا، امنیت زیاد و مصرف انرژی کم شناخته می‌شود، اما همچون هر فناوری دیگری، دارای نقاط ضعف و محدودیت‌هایی نیز می‌باشد که در ادامه به‌صورت کامل بررسی می‌شود:

1. هزینه نصب اولیه بالا

نخستین و مهم‌ترین محدودیت فیبر نوری، هزینه بالای نصب و راه‌اندازی اولیه آن است. این هزینه شامل خرید تجهیزات تخصصی، کابل‌کشی فیبر، دستگاه‌های جوش فیبر (Fusion Splicer) و ابزارهای تست می‌شود. به همین دلیل، در پروژه‌های کوچک یا مناطق کم‌جمعیت، توجیه اقتصادی این فناوری کاهش می‌یابد.

2. شکنندگی و آسیب‌پذیری مکانیکی

فیبر نوری بسیار نازک و شکننده است و در برابر فشار فیزیکی، خمش شدید یا ضربه آسیب‌پذیر می‌باشد. برخلاف کابل‌های مسی، نمی‌توان فیبر نوری را به‌راحتی خم یا پیچاند، زیرا این کار ممکن است منجر به شکست یا تضعیف سیگنال شود.

3. نیاز به تجهیزات تخصصی

برای نصب، جوش، تست و نگهداری فیبر نوری نیاز به ابزارها و دانش تخصصی وجود دارد. تکنسین‌ها باید آموزش دیده باشند و از دستگاه‌های خاصی مانند OTDR (Optical Time Domain Reflectometer) استفاده کنند. این موضوع باعث افزایش هزینه نگهداری و کاهش دسترسی عمومی به خدمات می‌شود.

4. ناتوانی در تأمین برق یا انتقال جریان الکتریکی

فیبر نوری فقط برای انتقال داده استفاده می‌شود و توانایی انتقال جریان برق را ندارد. در حالی که سیم‌های مسی می‌توانند هم‌زمان داده و برق را منتقل کنند (مثلاً در فناوری PoE – Power over Ethernet)، فیبر نوری این قابلیت را ندارد و نیاز به مسیر جداگانه برای برق‌رسانی وجود دارد.

5. محدودیت در اتصالات مستقیم به دستگاه‌ها

بسیاری از تجهیزات سنتی مانند مودم‌ها، تلفن‌ها یا دستگاه‌های شبکه، مستقیماً با کابل‌های مسی (RJ-45) کار می‌کنند. استفاده از فیبر نوری مستلزم وجود مبدل‌هایی مانند Media Converter یا ONT است تا سیگنال نوری به سیگنال الکتریکی تبدیل شود. این موضوع می‌تواند پیچیدگی سیستم را افزایش دهد.

6. حساسیت به نصب غیر‌استاندارد

هرگونه خطا در نصب یا جوش فیبر نوری می‌تواند منجر به افت شدید سیگنال یا از کار افتادن کامل ارتباط شود. کیفیت اتصالات و تمیزی هسته فیبر تأثیر مستقیمی بر عملکرد آن دارد. نصب غیرحرفه‌ای می‌تواند باعث اختلالات مکرر در شبکه شود.

7. محدودیت در بازسازی پس از آسیب

در صورت قطع شدن یا شکستن فیبر نوری، فرآیند تعمیر آن بسیار زمان‌بر و تخصصی است. برخلاف کابل‌های مسی که به راحتی قابل تعویض یا لحیم‌کاری هستند، فیبر نوری نیاز به تجهیزات خاص و افراد ماهر دارد.

 

کاربردهای فیبر نوری

• کاربرد در مخابرات: یکی از مرسوم‌ترین کاربردهای فیبر نوری انتقال اطلاعات توسط لیزر است.
• کاربرد در حسگرها: استفاده از حسگرهای فیبر نوری برای اندازه‌گیری کمیت‌های فیزیکی مانند جریان الکتریکی، میدان مغناطیسی، فشار، حرارت، جابجایی، آلودگی آبه ای دریا، سطح مایعات، تشعشعات پرتوهای گاما و ایکس در سال‌های اخیر شروع شده است. در این نوع حسگرها، از فیبر نوری به عنوان عنصر اصلی حسگر بهره‌گیری می‌شود بدین ترتیب که ویژگی‌های فیبر تحت میدان کمیت مورد اندازه‌گیری تغییر یافته و با اندازه شدت کمیت تأثیرپذیر می‌شود.
• کاربردهای نظامی: فیبر نوری کاربردهای بی‌شماری در صنایع جنگ‌افزاری دارد که از آن جمله می‌توان برقراری ارتباط و کنترل با آنتن رادار، کنترل و هدایت موشکها، ارتباط زیردریاییها (هیدروفون) را نام برد.
• کاربردهای پزشکی: فیبرنوری در تشخیص بیماریها و آزمایشهای گوناگون در پزشکی کاربرد فراوان دارد که از آن جمله می‌توان دُزیمتری غدد سرطانی، شناسایی نارسایی‌های داخلی بدن، جراحی لیزری، استفاده در دندانپزشکی و اندازه‌گیری مایعات و خون نام برد. همچنین تارهای نوری در دستگاه‌هایی به نام درون بین یا آندوسکوپ استفاده می‌شود تا به درون نای، مری، روده و مثانه فرستاده شود و درون بدن انسان بطور مستقیم قابل مشاهده باشد.
• کاربرد فیبرنوری در روشنائی: از جمله کاربردهای فیبر نوری که در اواخر قرن بیستم به عنوان یک فناوری روشنایی متداول شده و در چند سال قرن اخیر توسعه و رشد فراوانی پیدا کرده‌است کاربرد آن در سیستم‌های روشنایی است. در این فناوری نور از منبع نوری که می‌تواند نور مصنوعی (نور لامپهای الکتریکی) یا نور طبیعی (نور خورشید) باشد وارد فیبر نوری شده و از این طریق به محل مصرف منتقل می‌شود. به این ترتیب نور به هر نقطه‌ای که در جهت تابش مستقیم آن است منتقل می‌شود. امتیاز این نور که موجبات رشد سریع به‌کارگیری و توجه زیاد به این فناوری شده است این است که فاقد الکتریسیته گرما و تشعشعات خطرناک ماورای بنفش بوده (نور خالص و بی‌خطر) و دیگر اینکه با این فناوری می‌شود نور روز (بدون گرما و اشعه‌های ماورای بنفش) را هم به داخل ساختمان‌ها و نقاط غیرقابل دسترسی به نور خورشید منتقل کرد.

 

کیفیت فیبر نوری در مقایسه با سیم و کابل‌های مسی

فیبر نوری (Optical Fiber) در مقایسه با سیم‌های مسی (Copper Wires) مزایای فراوانی دارد که در حوزه‌های مختلفی مانند انتقال داده، مخابرات، شبکه‌های اینترنتی و حتی تجهیزات پزشکی و نظامی مورد توجه قرار گرفته است. در ادامه به‌صورت کامل و جامع مزایای فیبر نوری نسبت به سیم مسی را بررسی می‌کنیم:

1. پهنای باند و سرعت انتقال داده

فیبر نوری قادر است داده‌ها را با سرعت بسیار بالا و با پهنای باند وسیع‌تری نسبت به سیم‌های مسی منتقل کند. این قابلیت موجب می‌شود که حجم بیشتری از اطلاعات در مدت‌زمان کمتری جابه‌جا شود.

2. فاصله انتقال بدون نیاز به تقویت‌کننده

فیبر نوری امکان انتقال داده را در فواصل طولانی بدون نیاز به تکرارکننده یا تقویت‌کننده فراهم می‌سازد. در مقابل، سیم‌های مسی تنها می‌توانند اطلاعات را در فواصل کوتاه با حفظ کیفیت سیگنال منتقل کنند.

3. مقاومت در برابر نویز و تداخل الکترومغناطیسی

فیبر نوری نسبت به نویز الکترومغناطیسی، تداخل فرکانس‌های رادیویی و شرایط محیطی حساس نیست. این در حالی است که سیم‌های مسی به‌شدت تحت‌تأثیر این عوامل قرار می‌گیرند و ممکن است باعث کاهش کیفیت ارتباط شوند.

4. امنیت در انتقال اطلاعات

استراق‌سمع و نفوذ به فیبر نوری به دلیل ساختار آن بسیار دشوار است. این ویژگی باعث می‌شود فیبر نوری گزینه‌ای بسیار مناسب برای انتقال داده‌های حساس و محرمانه باشد. سیم‌های مسی در برابر شنود و نفوذ آسیب‌پذیرتر هستند.

5. وزن و اندازه

فیبر نوری دارای ساختاری سبک‌تر و نازک‌تر از سیم‌های مسی است. این خصوصیت باعث سهولت در حمل، نصب و نگهداری شبکه‌های مبتنی بر فیبر نوری می‌شود.

6. مصرف انرژی

فیبر نوری در مقایسه با سیم‌های مسی انرژی کمتری مصرف می‌کند. این کاهش مصرف انرژی به‌واسطه کاهش تضعیف سیگنال در بستر فیبر نوری حاصل می‌شود.

7. دوام و طول عمر

فیبر نوری در برابر عوامل محیطی نظیر رطوبت، خوردگی و حرارت از مقاومت بالاتری برخوردار است. در مقابل، سیم‌های مسی در برابر این عوامل آسیب‌پذیر هستند و با گذشت زمان دچار افت عملکرد می‌شوند.

8. سازگاری با محیط زیست

فیبر نوری به دلیل عدم استفاده از منابع معدنی کمیاب مانند مس، سازگاری بیشتری با محیط زیست دارد. تولید فیبر نوری در مقایسه با استخراج و تولید سیم مسی آسیب زیست‌محیطی کمتری به همراه دارد.

 

فناوری ساخت فیبرهای نوری

برای تولید فیبر نوری، نخست ساختار آن در یک میله شیشه‌ای موسوم به پیش‌سازه از جنس سیلیکا ایجاد می‌گردد و سپس در یک فرآیند جداگانه‌این میله کشیده شده تبدیل به فیبر می‌شود. از سال 1970 روش‌های متعددی برای ساخت انواع پیش‌سازه‌ها به کار رفته است که اغلب آنها بر مبنای رسوب‌دهی لایه‌های شیشه‌ای در داخل یک لوله به عنوان پایه قرار دارند.

 

روش‌های ساخت پیش‌سازه

روش‌های فرایند فاز بخار برای ساخت پیش‌سازه فیبر نوری را می‌توان به سه دسته تقسیم کرد:

• رسوب‌دهی داخلی در فاز بخار
• رسوب‌دهی بیرونی در فاز بخار
• رسوب‌دهی محوری در فاز بخار

 

مواد لازم در فرآیند ساخت پیش سازه

• تتراکلرید سیلیکون: این ماده برای تأمین لایه‌های شیشه‌ای در فرایند مورد نیاز است.
• تتراکلرید ژرمانیوم: این ماده برای افزایش ضریب شکست شیشه در ناحیه مغزی پیش‌سازه استفاده می‌شود.
• اکسی کلرید فسفریل: برای کاهش دمای واکنش در حین ساخت پیش‌سازه، این مواد وارد واکنش می‌شود.
• گاز فلوئور: برای کاهش ضریب شکست شیشه در ناحیه غلاف استفاده می‌شود.
• گاز هلیم: برای نفوذ حرارتی و حباب‌زدایی در حین واکنش شیمیایی در داخل لوله مورد استفاده قرار می‌گیرد.
• گاز کلر: برای آب‌زدایی محیط داخل لوله قبل از شروع واکنش اصلی مورد نیاز است.

 

مراحل ساخت

1. مراحل صیقل گرمایشی: پس از نصب لوله با عبور گازهای کلر و اکسیژن، در دمای بالاتر از 1800 درجه سلسیوس لوله صیقل داده می‌شود تا بخار آب موجود در جدار درونی لوله از آن خارج شود.
2. مرحله اچینگ: در این مرحله با عبور گازهای کلر، اکسیژن و فرئون لایه سطحی جدار داخلی لوله پایه خورده می‌شود تا ناهمواری‌ها و ترک‌های سطحی بر روی جدار داخلی لوله از بین بروند.
3. لایه‌نشانی ناحیه غلاف: در مرحله لایه‌نشانی غلاف، ماده تتراکلرید سیلیسیوم و اکسی کلرید فسفریل به حالت بخار به همراه گازهای هلیم وارد لوله شیشه‌ای می‌شوند و در حالتی که مشعل اکسی هیدروژن با سرعت تقریبی 120 تا 200 میلی‌متر در دقیقه در طول لوله حرکت می‌کند و دمایی بالاتر از 1900 درجه سلسیوس ایجاد می‌کند، واکنش‌های شیمیایی زیر به دست می‌آیند.

ذرات شیشه‌ای حاصل از واکنش‌های فوق به علت پدیده ترموفرسیس کمی جلوتر از ناحیه داغ پرتاب شده و بر روی جداره داخلی رسوب می‌کنند و با رسیدن مشعل به این ذرات رسوبی حرارت کافی به آن‌ها اعمال می‌شود بطوری‌که تمامی ذرات رسوبی شفاف می‌گردند و به جدار داخلی لوله چسبیده و یکنواخت می‌شوند. بدین ترتیب لایه‌های شیشه‌ای مطابق با طراحی با ترکیب در داخل لوله‌ایجاد می‌گردند و در نهایت ناحیه غلاف را تشکیل می‌دهند.

منبع: ویکی پدیا

 

فیبر برای اهداف خاص

برخی از فیبرهای نوری برای اهداف خاص با یک هسته غیر استوانه‌ای و یا لایه روکش ساخته می‌شوند، معمولاً با مقطع بیضوی یا مستطیل. این موارد شامل فیبر نگهدارنده پلاریزاسیون (polarization-maintaining) هستند که برای فرونشاندن حالت انتشار whispering gallery طراحی شده‌اند. فیبر نگهدارنده پلاریزاسیون نوع منحصر به فردی از فیبر است که به دلیل توانایی حفظ قطب نور وارد شده در آن، معمولاً در سنسورهای فیبر نوری استفاده می‌شود.

فیبر کریستال فوتونی (Photonic-crystal) با یک الگوی منظم از تغییر شاخص (اغلب به صورت سوراخ های استوانه‌ای که در امتداد طول الیاف قرار دارند) ساخته می‌شود. چنین فیبری برای محدود کردن نور به هسته فیبر به جای انعکاس داخلی کامل یا علاوه بر آن، از اثرات انکسار استفاده می‌کند. خواص فیبر را می‌توان متناسب با کاربردهای متنوعی تنظیم کرد.

کریستال فوتونی

نقاط روشن و تیره در تداخل لیزر

 

طول موج در فیبر نوری

یکی از واژگانی که درک آن در فیبر نوری برای ما مهم است، یکی از اصطلاحات گیج کننده طول موج یا Wavelength است. این کلمه بسیار علمی به نظر می رسد، اما این اصطلاحی است که برای تعریف آنچه ما به عنوان رنگ نور در نظر می گیریم به کار می رود.

نور بخشی از طیف الکترومغناطیسی (Electromagnetic Spectrum) است که شامل اشعه‌ایکس، اشعه ماورا بنفش، مایکروویو، رادیو، تلویزیون، تلفن‌های همراه و سایر سیگنال‌های بی سیم است. تمامی این تابش‌های الکترومغناطیسی با طول موج‌های مختلف تقسیم‌بندی می‌شوند. ما به محدوده طول موج تابش الکترومغناطیسی به عنوان یک طیف (Spectrum) مورد توجه قرار می‌دهیم.

طول موج و فرکانس با هم مرتبط هستند، بنابراین برخی از تابش‌ها با طول موج و برخی دیگر با فرکانس تشخیص داده می‌شوند. به عنوان مثال برای تابش طول موج‌های کوتاه‌تر، نور، اشعه ماورا بنفش و اشعه‌ایکس با طول موج آنها شناسایی می‌شوند، در حالی که در طول موج‌های طولانی‌تر مانند رادیو، تلویزیون و مایکروویو، با فرکانس آنها شناسایی می‌شوند.

نوری که ما بیشتر با آن آشنا هستیم نوری است که می‌توانیم ببینیم. چشمان ما نسبت به نوری که طول موج آن در محدوده 400 نانومتر (میلیاردیم متر) تا 700 نانومتر، از آبی/بنفش تا قرمز است، حساس هستند. اگر تعجب می‌کنید که چرا این طیف رنگی است که می‌توانیم ببینیم به این دلیل است که این طیف رنگی برابر با محدوده درخشان ترین قسمت خورشید است.

برای فیبرهای نوری با الیاف شیشه، ما از نوری در منطقه مادون قرمز استفاده می‌کنیم که طول موج آن بیشتر از نور مرئی است، بطور معمول در حدود 850، 1300 و 1550 نانومتر. چرا ما از مادون قرمز استفاده می‌کنیم؟ زیرا میرایی یا تضعیف نور مادون قرمز فیبر در آن طول موج‌ها بسیار کمتر است. تضعیف فیبر نوری شیشه توسط دو عامل جذب و پراکندگی (Absorption and Scattering) ایجاد می‌شود.

جذب در چندین طول موج خاص به نام باندهای آب به دلیل جذب به مقدار دقیقه بخار آب در لیوان رخ می‌دهد.

تضعیف بوجود آمده توسط پراکندگی، بدلیل اثر تابش نور از اتم‌ها یا مولکول‌های موجود در شیشه ایجاد می‌شود. این کاملاً تابعی از طول موج است، با طول موج‌های طولانی‌تر که پراکندگی بسیار کمتری دارند. آیا تا به حال فکر کرده‌اید که چرا آسمان آبی است؟ دلیلش این است که نور خورشید با شدت بیشتری در رنگ آبی پراکنده می‌شود.

طول موج‌های انتقال فیبر نوری با دو عامل تعیین می‌شوند: طول موج‌های طولانی‌تر در مادون قرمز برای کاهش اتلاف در شیشه فیبر و طول موج‌هایی که بین باندهای جذب هستند. بنابراین طول موج‌های طبیعی 850، 1300 و 1550 نانومتر است. خوشبختانه، در حال حاظر، فرستنده‌ها (لیزرها یا LED ها) و گیرنده‌ها (ردیاب های نوری) را در این طول موج‌های خاص ساخته شده است.

اگر میرایی فیبر در طول موج‌های طولانی‌تر کمتر است، چرا از طول موج‌های طولانی‌تر هم استفاده نمی‌کنیم؟ چون طول موج اینفرارد بین نور و گرما منتقل می‌شود، مانند نور تولید شده و حرارت قابل حس هیتر الکتریکی. به همین دلیل در طول موج‌های طولانی‌تر، دمای محیط به نویز پس زمینه تبدیل می‌شود، و باعث ایجاد سیگنال‌های مزاحم می‌شود.

منبع: thefoa

 

سوالات متداول درباره محدودیت‌های فیبر نوری

 

آیا فیبر نوری در برابر آب مقاوم است؟

بله، برخی از انواع فیبر نوری برای کاربردهای بیرونی ضدآب طراحی شده‌اند، اما باید کاملاً به‌درستی عایق‌بندی شوند.

آیا می‌توان فیبر نوری را در خانه نصب کرد؟

بله، ولی نیاز به نصاب حرفه‌ای و مبدل‌های نوری دارید.

آیا استفاده از فیبر نوری به صرفه است؟

در پروژه‌های بزرگ یا نیاز به پهنای باند بالا، بسیار مقرون‌به‌صرفه است، اما در کاربردهای کوچک خانگی ممکن است گزینه‌های ارزان‌تری نیز وجود داشته باشد.

آیا فیبر نوری شکننده است؟

بله، فیبر نوری به دلیل ساختار شیشه‌ای خود بسیار نازک و شکننده است و در برابر ضربه یا خمش شدید ممکن است آسیب ببیند.

آیا هزینه نصب فیبر نوری بالاست؟

بله، یکی از معایب فیبر نوری، هزینه بالای تجهیزات و نصب اولیه آن است که در پروژه‌های کوچک می‌تواند مشکل‌ساز باشد.

آیا می‌توان فیبر نوری را به دستگاه‌های معمولی مانند مودم یا رایانه وصل کرد؟

خیر، فیبر نوری مستقیماً به این دستگاه‌ها متصل نمی‌شود و نیاز به مبدل نوری به الکتریکی مانند Media Converter یا ONT دارد.

آیا فیبر نوری قابلیت انتقال برق را دارد؟

خیر، فیبر نوری فقط برای انتقال داده با استفاده از نور طراحی شده و توانایی انتقال جریان برق مانند سیم‌های مسی را ندارد.

آیا تعمیر فیبر نوری دشوار است؟

بله، در صورت آسیب‌دیدن، تعمیر فیبر نوری نیاز به ابزارهای تخصصی و مهارت فنی دارد و معمولاً زمان‌برتر از کابل‌های مسی است.

آیا فیبر نوری تحت تأثیر شرایط آب‌وهوایی قرار می‌گیرد؟

در حالت کلی خیر، اما در صورت نبود عایق‌بندی مناسب، رطوبت می‌تواند به کابل‌ها آسیب برساند. بنابراین استفاده از کابل‌های مخصوص فضای باز توصیه می‌شود.

آیا فیبر نوری برای تمام مناطق مناسب است؟

خیر، در مناطق دورافتاده یا با دسترسی محدود، زیرساخت لازم برای نصب فیبر نوری ممکن است وجود نداشته باشد یا هزینه آن بسیار بالا باشد.

آیا همه تکنسین‌ها توانایی نصب فیبر نوری را دارند؟

خیر، نصب و راه‌اندازی فیبر نوری نیازمند آموزش‌های تخصصی و تجهیزات حرفه‌ای است و هر تکنسینی نمی‌تواند آن را انجام دهد.

آیا فیبر نوری در برابر نویز و تداخل مقاوم است؟

بله، اما این مورد جزو مزایای فیبر نوری است. با این حال، در محل‌های نصب اشتباه یا با اتصالات ضعیف ممکن است افت سیگنال رخ دهد.

آیا نصب فیبر نوری در ساختمان‌های قدیمی مشکل دارد؟

بله، در برخی ساختمان‌های قدیمی‌که زیرساخت مناسب برای کابل‌کشی وجود ندارد، اجرای فیبر نوری با چالش‌هایی همراه خواهد بود.

آیا فیبر نوری طول عمر بیشتری نسبت به سیم مسی دارد؟

در شرایط نگهداری مناسب بله، اما در برابر آسیبه ای فیزیکی شدید ممکن است سریع‌تر تخریب شود.

آیا فیبر نوری برای کاربردهای خانگی مناسب است؟

در حال حاضر در بسیاری از مناطق شهری مناسب است، ولی نیاز به تجهیزات اضافی و خدمات فنی دارد.

آیا ممکن است فیبر نوری دچار اختلال شود؟

بله، اگر کابل دچار خمیدگی شدید، ضربه یا جوش غیراستاندارد شود، افت کیفیت یا قطع کامل ارتباط رخ می‌دهد.

آیا امکان بازیافت فیبر نوری وجود دارد؟

فیبر نوری از نظر بازیافت محدودیت‌هایی دارد و در مقایسه با سیم‌های مسی که قابل بازیافت هستند، بازیافت آن کمتر رایج است.