محتوای آموزشی

فیبرنوری چیست و چگونه کار می کند؟

فیبرنوری

فیبرنوری چیست و چگونه کار می کند؟

توسعه فناوری فیبر نوری و کاربرد آن در فرایند انتقال اطلاعات به سال 1980 باز می گردد. پیش از آن  اختراع لیزرهای نوری در سال 1960 و مطرح شدن نظریه انتقال نور در الیاف شیشه ای در سال 1966،  منجر به تولید کابل های نوری سبکتر، ارزانتر و با ظرفیت انتقال بالا نسبت به کابل های مسی جهت انتقال اطلاعات گردید.

در فناوری فیبر نوری انتقال اطلاعات از طریق یک فیبر بلند که از جنس پلاستیک یا شیشه ساخته شده است، بر اساس بازتاب سیگنال نوری، صورت می گیرد. لذا در این مقاله سعی شده است این فناوری و ویژگی های آن تحت عنواین زیر موردبررسی قرار گیرند:

  • فیبر نوری چیست؟
  • ساختار داخلی یک فیبر نوری
  • انواع فیبر نوری و طبقه بندی آنها
  • عملکرد فیبر نوری چگونه است؟
  • مزایای ارتباطات مبتنی بر فیبر نوری چیست؟
  • معایب استفاده از فیبر نوری چیست؟
  • کاربردهای فیبر نوری در صنایع

 

فیبر نوری چیست؟

فناوری فیبر نوری، از انتقال اطلاعات با استفاده از پالس های نوری؛ از طریق یک فیبر بلند که معمولاً از پلاستیک یا شیشه ساخته می شود؛ بهره می جوید. فیبرهای نوری تحت تأثیر تداخل الکترومغناطیسی قرار نمی گیرند و کابل فیبر نوری جهت انتقال اطلاعات از کاربرد بازتاب داخلی کامل نور استفاده می کند. طراحی الیاف فیبر نوری به گونه ای است که با توجه به توان سیگنال و فاصله انتقالی، انتشار نور از طریق آن به آسانی صورت گیرد. همچنین ظرفیت انتقال اطلاعات در فیبرهای نوری در حدود 2٫5 تا 10  GByte/S است.

 

ساختار داخلی یک فیبر نوری

اجزای یک فیبر نوری در شکل زیر نشان داده شده است. درونی‌ترین لایه فیبر را هسته می‌نامند. هسته یک فیبر نوری، یک تار کاملاً بازتاب دهنده از جنس شیشه خالص یا پلاستیک است. استفاده از هسته پلاستیکی کیفیت انتقال داده را نسبت به هسته شیشه ای کاهش داده اما هزینه ساخت کمتری را به همراه دارد. لذا لازم است تنها برای فواصل ارتباطی کوتاه از آن استفاده شود. هسته فیبر توسط پوسته احاطه می شود که آن نیز از جنس شیشه یا پلاستیک است. ترکیب هسته و پوسته سبب بازتاب نور به طرف مرکز هسته شده که این عمل اصطلاحا بازتاب داخلی نامیده می شود. قطر هسته و پوسته احاطه کننده معمولا در حدود 125 میکرومتر یا میکرون است. اطراف پوسته نیز چندین لایه محافظ از جنس پلاستیک قرار می گیرد.  پوشش پلاستیکی سخت می تواند صدها کابل فیبر نوری را نیز در بر بگیرد.

 

فیبرنوری

 

انواع فیبر نوری و طبقه بندی آنها

تنوعی از فیبرهای نوری با توجه به ضریب شکست، مواد استفاده شده و نحوه انتشار سیگنال نوری داخل آن، عرضه شده اند. لذا با توجه به پارامترهای فوق انواع فیبر نوری به شرح زیر طبقه بندی می شوند.

طبقه بندی فیبر نوری بر اساس پارامتر ضریب شکست نور به شرح زیر بوده که در شکل زیر نیز نشان داده شده است:

  • فیبرنوری با ضریب شکست پله ای (Step Index): شامل هسته ای است که توسط روکش پوشانده شده و دارای یک ضریب شکست یکنواخت است.
  • فیبرنوری با ضریب شکست مرحله ای(Graded Index): با افزایش فاصله شعاعی از محور فیبر نوری، ضریب شکست فیبر نوری کاهش می یابد.

 

فیبرنوری Graded Index

فیبرنوری Graded Index

فیبرنوری Step Index

فیبرنوری Step Index

 

 

طبقه بندی فیبر نوری بر اساس مواد مورد استفاده در ساخت به شرح زیر است :

  • فیبر نوری پلاستیکی: در این فیبر نوری از ماده ای به نام پلی متیل متاکریلات به عنوان ماده اصلی برای انتقال نور استفاده می شود.
  • فیبر نوری شیشه ای: از الیافی از جنس شیشه بسیار ظریف تشکیل شده است.

طبقه بندی بر اساس نحوه انتشار نور به شرح زیر است:

الیاف Single-Mood: این الیاف برای انتقال سیگنالها از راه دور استفاده می شوند. برای مثال در ارتباط تلفنی یک سیگنال نوری در هر زمان داخل فیبر نوری انتشار می یابد.

الیاف Multi-Mood: این الیاف برای انتقال سیگنال ها در فاصله کوتاه استفاده می شوند. در شبکه های کامپیوتری همزمان صدها سیگنال نوری در فیبر منتقل می شوند.

ویژگی های فیبرهای نوری Single-Mood و Multi-Mood به شرح زیر است:

 

پارامتر               \             نوع Multi-Mood Single-Mood
قطر پوشش پلاستیکی فیبر 250 µm 250 µm
قطر پوسته فیبر 125 µm 125 µm
قطر هسته فیبر 62.5 µm (Graded index)

50 µm (Step index)

125 µm

 

 

قابل ذکر است که رنگ روکش فیبر نوری تعیین کننده نوع و نحوه انتشار نور در آن است. برای مثال از روکش زرد رنگ برای Single-Mood و از نارنجی برای Multi-Mood استفاده می شود.

از طریق مد انتشار و ضریب شکست هسته، چهار نوع فیبر نوری ترکیبی به شرح زیر ایجاد می شود:

  • فیبر نوری با ضریب شکست پله ای Single-Mood
  • فیبر نوری با ضریب شکست مرحله ای Single-Mood
  • فیبر نوری با ضریب شکست پله ای Multi-Mood
  • فیبر نوری با ضریب شکست مرحله ای Multi-Mood

عملکرد فیبر نوری چگونه است؟

فیبر نوری بر اساس اصل بازتاب داخلی نور عمل می کند، لذا با استفاده از پرتوهای نوری می توان مقدار زیادی اطلاعات را با سرعت بالاتری انتقال داد. پرتوهای نوری در خطوط مستقیم حرکت نموده و منتشر می شوند. بنابراین لازم است یک سیم مستقیم طولانی و بدون هیچگونه خمشی جهت انتقال اطلاعات استفاده شود. اما فراهم نمودن چنین زیرساختی عملا غیر ممکن است. با توجه به این امر و جهت غلبه بر آن طراحی فیبرهای نوری به گونه ای است که پرتوهای نوری به سمت داخل بازتاب می یابند. این پرتوها به طور مداوم حرکت نموده و از دیواره های فیبر نوری بازتابیده شده تا اطلاعات را منتقل نمایند. اگرچه سیگنال های نوری در فواصلی که انتشار می یابند، تخریب می شوند، اما بسته به خلوص ماده مورد استفاده، تلفات در مقایسه با کابل های فلزی بسیار کمتر است.

یک سیستم رله فیبر نوری از اجزای زیر تشکیل شده است:

فرستنده – وظیفه تولید و رمزنگاری سیگنال های نوری را بر عهده دارد.

فیبر نوری – محیطی برای انتقال پالس نوری (سیگنال) است و از بازتاب نور به منظور تقویت سیگنال در مسافت های طولانی بهره می جوید.

گیرنده – پالس نور ارسالی را دریافت و رمزگشایی می نماید. متداول ‌ترین طول موج سیگنال‌های نوری مورد استفاده 850 نانومتر، 1300 نانومتر و 1550 نانومتر است.

بازسازی کننده نوری – برای انتقال داده از راه دور مورد نیاز است. به منظور جلوگیری از تضعیف و از بین رفتن سیگنال‌های نوری لازم است از یک یا چند ”تقویت کننده نوری“ استفاده شود. این تقویت کننده سبب بازتاب یک سیگنال نوری جدید و قویتر شده که همان ویژگی های سیگنال ورودی تضعیف شده اولیه را دارا می باشد.

مزایای ارتباطات مبتنی بر فیبر نوری چیست؟

از مزایای ارتباطات مبتنی بر فیبر نوری می توان به موارد زیر اشاره نمود:

  • اقتصادی و مقرون به صرفه
  • ظرفیت انتقال اطلاعات بالا
  • نازک و غیر قابل اشتعال
  • مصرف انرژی کمتر
  • تخریب و تضعیف کمتر سیگنال
  • انعطاف پذیری و وزن سبک
  • سهولت عیب یابی و رفع آن حین انتقال اطلاعات
  • عدم تداخل اطلاعات، پایداری بالا و جلوگیری از اثرپذیری از نویز و میدان های الکترومغناطیسی مزاحم
  • عدم نیاز به تقویت کننده در صورت استفاده از فیبر مرغوب تا چندین کیلومتر
  • امنیت اطلاعات بالا به سبب غیر قابل آشکار بودن اطلاعات
  • پهنای باند بالا
  • امکان برقراری ارتباط بین فواصل ارتباطی بیشتر
  • سرعت انتقال اطلاعات بالا هم به صورت دیجیتال و هم به صورت آنالوگ
  • عدم سواستفاده و برقراری انشعاب غیر مجاز به دلیل تخصصی بودن فرایند کابل کشی

معایب استفاده از فیبر نوری چیست؟

به دنبال مزایای ارائه شده به سبب بهره مندی از تکنولوژی فیبر نوری، لازم است معایب و محدودیت های این فناوری نیز بیان شود. از جمله آنها می توان به موارد زیر اشاره نمود:

  • تخصصی بودن فرایند کابل کشی فیبر نوری و نیاز به دقت بسیار بالا
  • تفاوت میزان مقاومت در برابر کشیدگی در فیبرهای نوری مختلف
  • امکان شکستن فیبر نوری در برخی زوایای خمش فیبر
  • لزوم جلوگیری از ورود ضربه به کابل فیبرنوری و آسیب آن

 

کاربردهای فیبر نوری در صنایع

یکی از کاربردهای رایج و مهم فناوری انتقال اطلاعات در بستر فیبر نوری، در صنعت مخابرات است. با این وجود گسترش این فناوری تنها محدود به این صنعت نشده و در تولید حسگرهای اطلاعاتی، صنایع نظامی، پزشکی و… نیز مورد بهره برداری قرار گرفته است.

  • مخابرات: انتقال اطلاعات از طریق نور لیزری در صنعت مخابرات و انتقال اطلاعات به عنوان کاربردی رایج
  • مقاصد نظامی: برقراری ارتباط و کنترل ارسال و دریافت اطلاعات در بستر فیبر نوری
  • مقاصد پزشکی : تشخیص ناهنجاری ها و بیماری ها، دز دریافتی بافت ها و تومورها در حین فرایندهای پرتودرمانی و پرتو تشخیصی، جراحی های تخصصی، آنالیز شاخص های مایعات بدن، مشاهده درون اندام های بدن از طریق آندوسکوپی و …
  • سنسورها: استفاده از فیبر نوری جهت تشخیص و اندازه گیری میزان کمیت های فیزیکی متعدد
  • انتقال نور: امکان انتقال نور از منبع نوری مصنوعی یا طبیعی به محل مورد نظر حتی نقاط غیر قابل دسترس و ایمنی بالای آن به جهت حذف بخش پرتوهای مضر و مخرب منابع نوری از جمله پرتوهای فرابنفش و فروسرخ

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *