فیبر نوری یا تار نوری که به انگلیسی به آن Optical Fiber گفته میشود. رشته باریک و بلندی از یک ماده شفاف مثل شیشه یا پلاستیک است. که میتواند نوری را که از یک سرش به آن وارد شده، از سر دیگر خارج کند.
فیبر نوری دارای پهنای باند بسیار بالاتر از کابل‌های معمولی است. و با آن می‌توان داده‌های تصویر، صوت و… را به راحتی با پهنای باند بالا تا 10 گیگابیت بر ثانیه و بالاتر انتقال داد.
در عصر امروز فیبر نوری به دلیل پهنای باند وسیع‌تر در مقایسه با کابل‌های مسی و تاخیر کمتر در مقایسه با مخابرات ماهواره ای از مهمترین ابزار انتقال اطلاعات محسوب میشود.
تاریخچه ساخت فیبر نوری
در گذشته نه چندان دور افراد به دنبال استفاده از نور برای انتقال اطلاعات افتادند. اما وجود موانع مختلف نظیر : گرد و خاک، دود، برف، باران مه و… انتشار اطلاعات نوری را با مشکل مواجه ساخت. بعدها و با مرور زمان ایده استفاده از کانال‌ها و لوله برای هدایت نور مطرح گردید. به این صورت که نور در داخل این کانال‌ها بوسیله آینه‌ها و عدسی‌ها هدایت می‌شد. اما از آنجا که تنظیم این آینه‌ها و عدسی‌ها کار بسیار مشکلی بود این کار نیز غیر عملی تشخیص داده شد و مردود ماند.
شاید بتوان گفت که اولین تلاش در سیر تکاملی سیستم ارتباط نوری به وسیله الکساندر گراهام بل در سال 1880 صورت گرفت. درست 4 سال پس از اختراع تلفن، اختراع تلفن نوری یا سیستمی که صدا را تا فواصل چندین صد متر منتقل می کرد، به ثبت رساند. تلفن نوری بر مبنای مدوله کردن نور خورشید بازتابیده با به ارتعاش در آوردن آینه ای کار می کرد. گیرنده یک فتوسل بود. در این روش نور در هوا منتشر می شد و بنابراین امکان انتقال اطلاعات تا بیش از 200 متر میسر نبود. به همین دلیل، اگرچه دستگاه بل ظاهراً کار می کرد اما از موفقیت تجاری برخوردار نبود.
ایده استفاده از انکسار برای هدایت نور (که اساس فیبرهای نوری امروزی است.) برای اولین بار توسط Daniel Colladon و Jacques Babinet در پاریس پیشنهاد شد. همچنین John Tyndall در کتاب خود ویژگی بازتاب کلی را شرح داد.
کاکو و کوکهام دو محقق انگلیسی برای اولین بار استفاده از شیشه را بعنوان محیط انتشار مطرح ساختند. روش کار آنها با تضعیف زیاد انرژی همراه بود. و همین امر سبب شد که آنان در رسیدن به هدف خود ناکام بمانند، اما شرکت آمریکائی (کورنینگ گلس) به این هدف دست یافت.
در نهایت در اوایل سال 1960 میلادی با اختراع اشعه لیزر ارتباطات فیبرنوری ممکن گردید. و در سال 1966 میلادی، دانشمندان با این نظریه که نور در الیاف شیشه‌ای هدایت میشود پیشرفت کردند. که حاصل این نظریه کابل‌های معمولی بسیار سودمندتر بود. چرا که این نوع کابل‌ها بسیار سبکتر و ارزانتر از کابل مسی بود و در عین حال ظرفیت انتقالی تا چندین هزار برابر کابل مسی را داشت.
توسعه فناوری فیبر نوری از سال 1980 میلادی به بعد باعث شد که همواره مخابرات نوری بعنوان یک انتخاب مناسب مطرح باشد. و تا سال 1985 میلادی نزدیک به 2 میلیون کیلومتر کابل نوری نصب شد و مورد بهره برداری قرار گرفته است.
انواع فیبرهای نوری
از نظر حالت و یا تعداد سیگنال هایی که در هر کابل فیبر نوری ارسال میشود، فیبر نوری به دو دسته سینگل مود – single-mode و مولتی مود – multi-mode تقسیم می شوند.
فیبر نوری سینگل مود دارای هسته ای به اندازه ی 5 میکرومتر می باشد. به همین دلیل پهنای باند کمی داشته و میتواند یک سیگنال را از خود عبور دهد. این در حالی است که کابل های مالتی مود، از هسته ی بزرگتر و بالطبع پهنای باند بیشتری برخوردارند و می توانند تعداد سیگنال های بیشتری را از خود عبور دهند. بنابراین در مکان هایی که نیاز به سرعت بیشتری می باشد، استفاده از کابل های مولتی مود بهتر از سینگل مود است.
نکته‌ای که در رابطه با استفاده از کابل های مولتی مود وجود دارد. این است که سیگنال ها در فواصل طولانی ضعیف میشوند. بنابراین در مواردی که نیاز به جا به جایی داده در فواصل طولانی است باید از کابل های سینگل مود استفاده شود.
در صورتی که از کابل های مولتی مود برای فواصل طولانی استفاده شود، نیاز است تا از دستگاه Repeater استفاده شود که در فواصل معینی نصب شوند و سیگنال ها را تقویت نماید.
کابل های سینگل مود در دو نوع OS1 و OS2 موجود می باشند. تفاوت این دو در مسافتی است که می توانند پوشش دهند. هر دو مدل از سرعت 1-10 گیگ پشتیبانی می کنند. مدل OS1 مسافت 2000 متری و مدل OS2 فاصله ی 5 تا 10 هزار متر را تحت پوشش قرار میدهد.
کابل های مولتی مود نیز به 4 دسته ی OM1 , OM2 , OM3 , OM4 تقسیم می شوند. این مدل ها در قطر هسته، مسافت پوشش دهنده و سرعت ارسال با یکدیگر متفاوت هستند.
فیبر های نوری از لحاظ ضریب شکست که مربوط به نوع مواد استفاده شده در هسته است، به دو دسته ی ضریب شکست پله ای و مرحله ای تقسیم می شوند.
فیبر نوری با ضریب شکست پله ای یا مرحله ای :
در فیبر نوری مولتی مود و سینگل مود هر کدام از این ویژگی ها متمایز هستند. در مدل مولتی مود فیبرهایی که با ضریب شکست پله ای هستند، از کاربرد کمی برخوردارند و در مکان های خاص که نیاز به ایجاد ارتباطی با سرعت بالا نمی باشد، مورد استفاده قرار می گیرند. طراحی و ساخت این نوع فیبر نوری طوری می باشد که قطر هسته بیشتر از قطر روکش هسته است. در نتیجه ضریب شکست هسته، بیشتر از لایه روکش هسته بوده و هنگام عبور نور از هسته و برخورد آن به مرز این دو قسمت، شکستگی تندی حاصل شده و نور مانند آینه بازتابیده می شود. در ادامه پالس های حاصل، شکلی شبیه پله ایجاد می نمایند.
یکی از اشکالات رایج این مدل، پهن شدن یا ادغام شدن صفر و یک ها می باشد که باعث مشکل در تفکیک سیگنال ها می شود. همچنین تاخیر هایی را نیز در سمت گیرنده به وجود می آورند.
در ضریب شکست مرحله ای قطر هسته و روکش آن فرق زیادی ندارند و بعد از عبور نور و برخورد به مرز آنها، ضریب شکست ملایمی ایجاد می شود و سپس نور به سمت هسته برگشته و در این قسمت ضریب شکست بیشتری نسبت به مرز دو قسمت ایجاد شده و نور مجدد به سمت مرز بر گشت داده می شود. کاربرد این کابل ها در مسافت های طولانی و سرعت بسیار بالا می باشد.
در فیبر های سینگل مود، در مدل ضریب شکست پله ای، به دلیل هسته ی بسیار باریک و عبور یک سیگنال از آن، به دفعات بسیار کمی با مرز هسته و روکش برخورد می کند و کمترین پهن شدگی را دارند. از این نوع کابل ها در مواردی که نیاز به ارسال داده در مسافت طولانی و با سرعت چند ده گیگ می باشد، استفاده می شود .
در فیبر های مولتی مود، در مدل ضریب شکست مرحله ای، هرچه از مرکز هسته دورتر می شویم، ضریب شکست هسته آرام تر انجام شده و کاهش می یابد به طوریکه با قرارگیری در فاصله 50 تا 62.5 میکرون از هسته، به پایین ترین میزان خود خواهد رسید. این شکست تدریجی سبب می شود سطح آینه ای در مرز هسته و روکش به درستی شکل نگیرد که این امر باعث نمایش وضعیتی شبیه به سراب می شود بنابراین پرتوی نور به شکل منحنی شکسته می شود. با رسیدن پرتو نور به محل مشخص (زاویه بحرانی)، دوباره به سوی هسته باز خواهد گشت. مسیری که در بازگشت طی می کند یک منحنی مشابه قبل خواهد بود.
عمدتا از فیبرهای نوری مولتی مود با ضریب شکست مرحله ای، در مسافت کوتاه و سرعت بالا استفاده می شوند. چنانچه قصد استفاده از این کابل ها در مسافت های طولانی را داشته باشید 2 راه پیش رو دارید: 1- سرعت ارسال باید کاهش پیدا کند. 2- مدل فیبر نوری را تغییر دهید. استفاده از فیبر نوری مولتی مود با ضریب شکست مرحله ای (تدریجی) سبب شکست تدریجی نور در موج سینوسی می شود. از دیگر ویژگی های این کابل این است که چگالی این کابل ها بالاتر است که سبب افزایش سرعت نور در هسته خواهد شد بنابراین مطمئن خواهید بود تمامی شعاع های نور به طور همزمان به محل مورد نظر می رسند.
انواع دسته بندی کابل‌های فیبر نوری :
کابل های فیبر نوری با توجه به مکان مورد استفاده در 3 دسته قرار می گیرند که به شرح زیر است:
Outdoor
فیبر نوری اوت دور همان طور که از نام آن مشخص است برای مصارف خارج از ساختمان ها طراحی شده و از مقاومت بالایی برخوردار است. این نوع کابل ها بیشتر در مدل Loose Tube تولید و استفاده می شود. در این مدل، تارهای فیبر نوری در داخل روکش پلاستیکی قرار گرفته اند و امکان حرکت این تار ها وجود دارد. این ویژگی باعث افزایش استحکام کابل در برابر فشار می شود.
Indoor
کابل های فیبر نوری Indoor به نحوی طراحی و ساخته شده اند که برای نصب بین و درون ساختمان ها مناسب باشند. این نوع کابل ها در مقایسه با کابل های Outdoor، دما و فشار فیزیکی کمتری تحمل می کنند اما در برابر آتش سوزی مقاومت بالایی دارند و در زمان بروز آتش سوزی، دود کمتری در محیط متصاعد کنند. همچنین این مدل کابل ها شعاع خم شدگی کمتری فراهم می کنند تا جهت نصب به شکل عمودی نیز ایده آل باشند و مدیریت و کنترل آن نیز ساده تر خواهد بود.
Indoor & Outdoor
کابل های Indoor & Outdoor برای برآورده ساختن نیازهای هر دو محیط تولید شده اند. و ساخت و طراحی آنها به گونه‌ای میباشد که قابلیت تحمل شرایط سخت فضاهای خارجی را داشته باشند و در عین حال در فضاهای داخلی قابل نصب باشند زیرا نیاز است تا در برابر آتش سوزی مقاومت بالایی داشته باشند.
مواد سازنده روکش کابل‌های فیبر نوری
PVC: این روکش، رایج ترین نوع روکش برای کابل های فیبر نوری outdoor است. از مزایای این روکش می توان به انعطاف پذیری، هزینه پایین و استحکام بالای آن اشاره نمود.
PE: این نوع از روکش ها از عایق بندی بالایی برخوردار می باشند، کاملا مستحکم بوده و در عین حال انعطاف پذیری بالایی دارند.
PUR: عمده استفاده این روکش ها در فضاهایی است که دمای کمتری دارند. از سایر ویژگی های آن می تواند به انعطاف پذیری و مقاومت آن در برابر آسیب های ضعیف اشاره نمود.
PVDF: در مقایسه با کابل های روکش PE، این نوع کابل ها نسبتا در برابر آتش سوزی مقاوم هستند.
TPR/TPE: این نوع از روکش ها دارای خاصیت ارتجاعی هستند که سبب می شود در محیط های با دمای پایین کارآمد تر باشند. این نوع روکش ها قیمت مقرون به صرفه ای دارند و کاملا انعطاف پذیر می باشند. میزان تحمل فشار این روکش در مقایسه با PUR کمی ضعیف است.
Thermoplastic CPE: در محیط هایی که شرایط فیزیکی و محیطی سختی وجود دارد استفاده از این نوع روکش مرسوم تر است. این نوع روکش ها، سبک وزن هستند و در عین حال استحکام بالایی دارند. قیمت آن ها اقتصادی است و در برابر رطوبت، اشعه UV مقاومت مطلوبی دارند.
LSZH: این نوع از روکش ها بیشتر در میان عموم شناخته شده هستند. از ویژگی آن می توان به مقاومت بالا در برابر آتش سوزی اشاره کرد. چنانچه این روکش در معرض شعله قرار گیرد دود کمی از خود متصاعد خواهد کرد و هنگام سوختن سبب تولید گاز هالوژن نخواهد شد. از این روکش عمدتا در فضای داخلی ساختمان ها استفاده می شود.
مزایای فیبر نوری نسبت به کابل‌های مسی
- قیمت ارزان تر: هزینه فیبر نوری نسبت به سیم‌های مسی در مقیاس‌های بالا کمتر است.
- اندازه نازک تر: قطر فیبرهای نوری به مراتب کمتر از سیم‌های مسی است.
- ظرفیت بالا: پهنای باند فیبر نوری به منظور ارسال اطلاعات به مراتب بیشتر از سیم مسی است. لذا فیبر نوری توانایی انتقال داده‌های بیشتری را دارد.
- 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 الکترومغناطیسی 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 نسبت به فرستنده‌های الکتریکی استفاده کرد.
- اشتعال زا نبودن: با توجه به عدم وجود الکتریسته در فیبر نوری، امکان بروز آتش سوزی در این خصوص وجود نخواهد داشت.
- وزن سبک: وزن یک کابل فیبر نوری به مراتب کمتر از کابل مسی هم رده آن است و این عامل در کارکردن، نصب و نگهداری فیبر بسیار مهم است.
- انعطاف پذیر بودن: با توجه به انعطاف پذیری فیبر نوری و قابلیت ارسال و دریافت نور از آنان، در موارد متفاوت با کاربردهای خاص استفاده می‌گردد.
- فاصله: از فیبر نوری می‌توان در ارتباط شبکه‌هایی که فاصله زیادی از هم دارند استفاده کرد.
- پایداری: در کابل‌های فیبر نوری امکان نفوذ و ایجاد اختلال در انتقال داده‌ها کمتر است و از تأثیرگذاری انواع نویزهای الکترومغناطیسی شامل نویزهای رادیویی و یا نویزهای حاصل از نزدیکی کابل‌ها بر روی داده‌های در حال انتقال جلوگیری می‌کند. بطورکلی تارهای نوری از تداخل و ترویج با سایر کانالهای ارتباطی، خواه نوری و خواه الکتریکی، به خوبی محافظت شده است.
- سرعت: فیبر نوری توانایی در انتقال اطلاعات به مقدار زیاد چه به شکل دیجیتالی و چه به شکل آنالوگ دارند.
- ترویج نوری: نیاز به زمین مشترک بین فرستنده تاری وگیرنده را منتفی می کند.
- امکان تعمیر فیبر: (تار) نوری در حالیکه سیستم روشن است، بدون آنکه احتمال اتصال کوتاه شدن مدارهای الکتریکی در فرستنده و یا در گیرنده باشد، وجود دارد.
- امنیت: فیبرهای نوری درجه‌ای از امنیت و پنهانی بودن را عرضه می کند. چون تارها انرژی تشعشع نمی‌کنند. برای یک مزاحم، آشکار سازی سیگنال ارسالی مشکل است.
- پهنای باند بالا: یکی دیگر از برتری های فیبر نوری نسبت به سیم‌های مسی پهنای باند بالاست. که قابلیت ارتقاء تا چند صد ترابایت را دارد.
- عدم استفاده الکتریسیته برای ارتباط: از آنجا که در ابتدای مسیر نوری تولید شده و در انتها این نور دریافت میشود. دیگر نیازی به نیروی اکتریکی نیست و همچنین ایمنی بسیار بالایی را در مقابل نویز دارد.
- عدم برقراری انشعاب غیر مجاز: از آنجا که برای برقرای انشعاب بایستی ابتدا فیبر قطع شود و گیرنده فیبر نصب شود. و این عمل نیز زمانبر است؛ نگهدارنده‌های بستر 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.
کاربردهای فیبر نوری
- مخابرات: یکی از مرسوم ترین کاربردهای فیبر نوری انتقال اطلاعات توسط نور لیزر است.
- حسگرها: استفاده از حسگرهای فیبر نوری برای اندازه گیری کمیت‌های فیزیکی مانند جریان الکتریکی، میدان مغناطیسی، فشار، حرارت، جابجایی، آلودگی آب‌های دریا، سطح مایعات، تشعشعات پرتوهای گاما و ایکس. در این نوع حسگرها، از فیبر نوری به عنوان عنصر اصلی بهره گیری میشود. بدین ترتیب که ویژگی‌های فیبر تحت میدان کمیت مورد اندازه گیری تغییر یافته و با اندازه شدت کمیت تأثیر پذیر میشود.
- نظامی: فیبر نوری کاربردهای بی‌شماری در صنایع دفاع دارد که از آن جمله می‌توان برقراری ارتباط و کنترل با آنتن رادار، کنترل و هدایت موشک‌ها و ارتباط زیردریایی‌ها را نام برد.
- 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 اندازه گیری مایعات و خون نام برد. همچنین تارهای نوری در دستگاه‌های آندوسکوپی نیز استفاده میشود. تا درون بدن انسان به طور مستقیم قابل مشاهده باشد.
- کاربرد فیبرنوری در روشنایی: از جمله کاربردهای فیبر نوری که در چند سال اخیر توسعه و رشد فراوانی پیدا کرده‌است. کاربرد آن در سیستم‌های روشنایی است. در این فناوری نور از منبع نوری 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 نیست منتقل میشود. امتیاز این نور که موجبات رشد سریع به کارگیری و توجه زیاد به این فناوری شده‌است این است که فاقد الکتریسیته گرما و تشعشعات خطرناک ماورای بنفش بوده و دیگر اینکه با این فناوری میشود نور روز را هم به داخل ساختمانها و نقاط غیر قابل دسترسی به نور خورشید منتقل کرد.
محدودیت‌ها و نقاط ضعف فیبرهای نوری
- ضرورت دقت کامل در هنگام کابل کشی
- امکان شکستن در صورت گذشتن زاویه از یک حد معین
- محدود بودن میزان کشش برای فیبرهای با ظرفیت مختلف
- محافظت کامل در برابر ضربه، برای فیبرهایی که از درون حوضچه می گذرند.
سخن پایانی
در این مقاله دانستیم که تار یا فیبر نوری چیست؟ و چه مزایایی دارد و در عصر امروز چقدر پر کاربرد است. یکی از خدمات شرکت لاد ارتباط قشم این است که پروژه‌های فیبر نوری را در سراسر ایران طراحی و اجرا کند.
