کاربرد و عملکرد فیبر نوری

فیبرنوری یکی از محیط های انتقال داده با سرعت بالا است امروزه از فیبر نوری در موارد متفاوتی نظیر شبکه های تلفن شهری و بین شهری, شبکه های رایانه ای و اینترنت استفاده می شود فیبرنوری رشته ای از تارهای شیشه ای است که هر یک از تارها دارای ضخامتی معادل تار موی انسان دارد و از آن برای انتقال اطلاعات در مسافت های طولانی استفاده می شود

فیبرنوری یکی از محیط‌های انتقال داده با سرعت بالا است. امروزه از فیبر نوری در موارد متفاوتی نظیر: شبکه‌های تلفن شهری و بین شهری، شبکه‌های رایانه‏ای و اینترنت استفاده می‌‏شود. فیبرنوری رشته‌ای از تارهای شیشه‌ای است که هر یک از تارها دارای ضخامتی معادل تار موی انسان دارد و از آن برای انتقال اطلاعات در مسافت‌های طولانی استفاده می‌شود.

● مبانی فیبرنوری

فیبرنوری، رشته‌ای از تارهای بسیار نازک شیشه‌ای است که قطر هر یک از تارها نظیر قطر یک تار موی انسان است. تارهای فوق در کلاف‌هایی سازماندهی و کابل‌های نوری را به وجود می‌آورند. از فیبرنوری به‏منظور ارسال سیگنال‌های نوری در مسافت‌های طولانی استفاده می‌شود.

● مزایای فیبرنوری

فیبرنوری در مقایسه با سیم‌های مسی دارای مزایای زیر است:

▪ ارزان‌تر: هزینه چندین کیلومتر کابل نوری نسبت به سیم‌های مسی کمتر است.

▪ نازک‌تر: قطر فیبرهای نوری به مراتب کمتر از سیم‌های مسی است.

▪ ظرفیت بالا: پهنای باند فیبرنوری به منظور ارسال اطلاعات به مراتب بیشتر از سیم مسی است.

▪ تضعیف ناچیز: تضعیف سیگنال در فیبرنوری به مراتب کمتر از سیم مسی است.

▪ سیگنال‌های نوری: برخلاف سیگنال‌های الکتریکی در یک سیم مسی، سیگنال‌های نوری در یک فیبر تاثیری بر فیبر دیگر نخواهند داشت.

▪ مصرف برق پایین: با توجه به اینکه سیگنال‌ها در فیبرنوری کمتر ضعیف می‏شوند، بنابراین می‌توان از فرستنده‌هایی با میزان برق مصرفی پایین نسبت به فرستند‌ه‌های الکتریکی که از ولتاژ بالایی استفاده می‏کنند، استفاده کرد.

▪ سیگنال‌های دیجیتال: فیبرنوری برای انتقال اطلاعات دیجیتالی مناسب است.

▪ غیراشتعال‌زا: با توجه به عدم وجود الکتریسیته، امکان بروز آتش‌سوزی وجود نخواهد داشت.

▪ سبک‌وزن: وزن یک کابل فیبرنوری به مراتب کمتر از کابل مسی (قابل مقایسه) است.

▪ انعطاف‌پذیر: با توجه به انعطاف‌پذیری فیبرنوری و قابلیت ارسال و دریافت نور از آن، در موارد متفاوت نظیر دوربین‌های دیجیتال با موارد کاربردی خاص مانند: عکس‌برداری پزشکی، لوله‌کشی و ... استفاده می‌شود.

با توجه به مزایای فراوان فیبرنوری، امروزه از این نوع کابل‌ها در موارد متفاوتی استفاده می‌شود. اکثر شبکه‌های رایانه‏ای و یا مخابرات از راه دور در مقیاس وسیعی از فیبرنوری استفاده می‌کنند.

● بخش‌های مختلف فیبرنوری

یک فیبرنوری از سه بخش متفاوت تشکیل شده است:

▪ هسته (Core)

هسته نازک شیشه‌ای در مرکز فیبر نوری که سیگنال‌های نوری در آن حرکت می‏کنند.

▪ روکش Cladding بخش خارجی فیبر بوده که دورتادور هسته را احاطه کرده و باعث برگشت نورمنعکس شده به هسته می‏شود.

▪ با فررویه Buffer Coating

روکش پلاستیکی که باعث حفاظت فیبر در مقابل رطوبت و سایر موارد آسیب‌پذیر، می‏شود.

● انواع فیبرنوری

صدها و هزاران نمونه از رشته‌های نوری فوق در دسته‌هایی سازماندهی شده و کابل‌های نوری را به‌وجود می‌آورند. هر یک از کلاف‌های فیبرنوری توسط روکش‌هایی با نام Jacket محافظت می‏شوند. فیبرهای نوری در دو گروه عمده ارائه می‏شوند:

▪ فیبرهای تک حالته (Single-Mode)

به منظور ارسال یک سیگنال در هر فیبر استفاده می‌شود نظیر: تلفن

▪ فیبرهای چند حالته Multi-Mode

به منظور ارسال چندین سیگنال در یک فیبر استفاده می‌شود (نظیر: شبکه‌های رایانه‏ای) فیبرهای تک حالته دارای یک هسته کوچک (تقریباً ۹ میکرون قطر) بوده و قادر به ارسال نور لیزری مادون قرمز (طول موج از ۱۳۰۰ تا ۱۵۵۰ نانومتر) می‌باشند. فیبرهای چند حالته دارای هسته بزرگتر (تقریبا ۵/۶۲ میکرون قطر) و قادر به ارسال نورمادون قرمز از طریق LED می‌باشند.

● ارسال نور در فیبرنوری

فرض کنید، قصد داشته باشیم با استفاده از یک چراغ قوه یک راهروی بزرگ و مستقیم را روشن کنیم. همزمان با روشن نمودن چراغ قوه، نور مربوطه در طول مسیر مستقیم راهرو تابانده شده و آن را روشن خواهد کرد. با توجه به عدم وجود پیچ و خم در راهرو در رابطه با تابش نور چراغ قوه مشکلی وجود نداشته و چراغ قوه می‌تواند (با توجه به نوع آن) محدوده موردنظر را روشن کند. در صورتی‌که راهروی فوق دارای پیچ و خم باشد، با چه مشکلی برخورد خواهیم کرد؟

در این حالت می‌توان از یک آیینه در محل پیچ راهرو استفاده کرد تا باعث انعکاس نور از زاویه مربوطه شود. در صورتی‌که راهروی فوق دارای پیچ‌های زیادی باشد، چه باید کرد؟ در چنین حالتی در تمام طول مسیر دیوار راهروی موردنظر باید از آیینه استفاده کرد. به این ترتیب نور تابانده شده توسط چراغ قوه (با یک زاویه خاص) از نقطه‌ای به نقطه‌ دیگر حرکت کرده (جهش کرده) و طول مسیر راهرو را طی خواهد کرد. عملیات فوق مشابه آن چیزی است که در فیبر نوری انجام می‌شود.

● فناوری فیبر نوری

نور، در کابل فیبرنوری از طریق هسته (نظیر راهروی مثال ارائه شده) و توسط جهش‌های پیوسته (با توجه به سطح آبکاری شده) و(Cladding مشابه دیوارهای شیشه‌ای مثال ارائه شده) حرکت می‌کند. (مجموع انعکاس داخلی). با توجه به این که سطح آبکاری شده، قادر به جذب نور موجود در هسته نیست، نور قادر به حرکت در مسافت‌های طولانی می‌باشد، برخی از سیگنال‌های نوری به دلیل عدم خلوص شیشه موجود، ممکن است دچار نوعی تضعیف در طول هسته شوند. میزان تضعیف سیگنال نوری بستگی به درجه خلوص شیشه و طول موج نور انتقالی دارد. برای مثال، موج با طول ۸۵۰ نانومتر بین ۶۰ تا ۷۵ درصد در هر کیلومتر، موج با طول ۱۳۰۰ نانومتر بین ۵۰ تا ۶۰ درصد در هر کیلومتر، موج با طول ۱۵۵۰ نانومتر بیش از ۵۰ درصد در هر کیلومتر.

● سیستم رله فیبرنوری

به منظور آگاهی از نحوه استفاده فیبرنوری در سیستم‌های مخابراتی، مثالی را ارائه‏ خواهیم کرد که مربوط به یک فیلم سینمایی و یا مستند در رابطه با جنگ جهانی دوم است. در فیلم فوق دو ناوگان دریایی که بر روی سطح دریا در حال حرکت می‌باشند، نیاز به برقراری ارتباط با یکدیگر در یک وضعیت کاملا بحرانی و توفاتی را دارند. یکی از ناوها قصد ارسال پیام برای ناو دیگر را دارد. کاپیتان ناو فوق پیامی برای یک ملوان که بر روی عرشه کشتی مستقر است، ارسال می‌کند. ملوان، پیام دریافتی را به مجموعه‌ای از کدهای مورس (نقطه و فاصله) ترجمه می‌کند. در ادامه ملوان مورد نظر با استفاده از یک نورافکن اقدام به ارسال پیام برای ناو دیگر خواهد کرد.

یک ملوان بر روی عرشه کشتی دوم، کدهای مورس ارسالی را مشاهده و آنها را به زبان خاص (مثلا انگلیسی) تبدیل کرده و برای کاپیتان ناو ارسال می‏کند. فرض کنید فاصله دو ناو فوق از یکدیگر بسیار زیاد (هزاران مایل) باشد و به منظور برقراری ارتباط بین آنها از یک سیستم مخابراتی مبتنی بر فیبرنوری استفاده شود.

سیستم رله فیبرنوری از عناصر زیر تشکیل شده است:

▪ فرستنده: مسئول تولید و رمزنگاری سیگنال‌های نوری است.

▪ فیبرنوری: مدیریت سیگنال‌های نوری در یک مسافت را برعهده دارد.

▪ بازیاب نوری: به منظور تقویت سیگنال‌های نوری در مسافت‌های طولانی استفاده می‏شود.

▪ دریافت‌کننده نوری: سیگنال‌های نوری را دریافت و رمزگشایی می‏کند.

در ادامه به بررسی هر یک از عناصر فوق می‏پردازیم.

● فرستنده

وظیفه فرستنده، مشابه نقش ملوان بر روی عرشه کشتی ناو فرستنده پیام است. فرستنده، سیگنال‌های نوری را دریافت و دستگاه نوری را به منظور روشن و خاموش شدن در یک دنباله مناسب (حرکت منسجم) هدایت می‌کند. فرستنده، از لحاظ فیزیکی در مجاورت فیبر نوری قرار دارد و ممکن است دارای یک لنز به منظور تمرکز نور در فیبر باشد. لیزرها دارای توان به مراتب بیشتری نسبت به LED می‌باشند. قیمت آنها نیز در مقایسه با LED به مراتب بیشتر است. متداول‌ترین طول موج سیگنال‌های نوری، ۸۵۰ نانومتر، ۱۳۰۰ نانومتر و ۱۵۵۰ نانومتر است.

● بازیاب (تقویت‌کننده) نوری

همانگونه که قبلا اشاره شد، برخی از سیگنال‌ها در مواردی‌که مسافت ارسال اطلاعات طولانی باشد (بیش از یک کیلومتر) و یا از مواد خالص برای تهیه فیبرنوری (شیشه) استفاده نشده باشد، تضعیف و از بین خواهند رفت. در چنین مواردی و به منظور تقویت (بالا بردن) سیگنال‌های نوری تضعیف شده از یک یا چندین «تقویت‌کننده نوری» استفاده می‌شود.

تقویت‌کننده نوری از فیبرهای نوری متعدد به همراه روکشی خاص (doping) تشکیل می‏شوند. بخش دوپینگ با استفاده از یک لیزر پمپ می‌شود. زمانی که سیگنال تضعیف شده به روکش دوپینگی می‌رسد، انرژی ماحاصل از لیزر باعث می‌شود که مولکول‌های دوپینگ شده، به لیزر تبدیل شوند، مولکول‌های دوپینگ شده در ادامه باعث انعکاس یک سیگنال نوری جدید و قوی‌تر با همان خصایص سیگنال ورودی تضعیف شده، خواهند بود. (تقویت‌کننده لیزری)

● دریافت‌کننده نوری

وظیفه دریافت‌کننده، مشابه نقش ملوان بر روی عرشه کشتی ناو دریافت‌کننده پیام است. دستگاه فوق سیگنال‌های دیجیتالی نوری را اخذ و پس از رمزگشایی، سیگنال‌های الکتریکی را برای سایر استفاده‌کنندگان (رایانه، تلفن و ...) ارسال می‌کند. دریافت‌کننده به منظور تشخیص نور از یک «فتوسل» و یا «فتودیود» استفاده می‌کند.

منبع

www.autoir.com

نویسنده : مسعود عزمی