فيبر نوری


فيبر نوری يکی از محيط های انتقال داده با سرعت بالا است
. امروزه از فيبر نوری در موارد متفاوتی نظير: شبکه های تلفن شهری و بين
شهری ، شبکه های کامپيوتری و اينترنت استفاده بعمل می آيد. فيبرنوری رشته
ای از تارهای شيشه ای بوده که هر يک از تارها دارای ضخامتی معادل تار موی
انسان را داشته و از آنان برای انتقال اطلاعات در مسافت های طولانی استفاده
می شود.


مبانی فيبر نوری

فيبر نوری ، رشته ای از تارهای بسيار نازک شيشه ای بوده
که قطر هر يک از تارها نظير قطر يک تار موی انسان است . تارهای فوق در کلاف
هائی سازماندهی و کابل های نوری را بوجود می آورند. از فيبر نوری بمنظور
ارسال سيگنال های نوری در مسافت های طولانی استفاده می شود.

يک فيبر نوری از سه بخش متفاوت تشکيل شده است :

· هسته (Core) . هسته نازک شيشه ای در مرکز فيبر که سيگنا ل های نوری در آن حرکت می نمايند.

· روکش (Cladding) . بخش خارجی فيبر بوده که دورتادور هسته را احاطه کرده و باعث برگشت نورمنعکس شده به هسته می گردد.

· بافر رويه (Buffer Coating) . روکش پلاستيکی که باعث حفاظت فيبر در مقابل رطوبت و ساير موارد آسيب پذير ، است .

صدها و هزاران نمونه از رشته های نوری فوق در دسته هائی
سازماندهی شده و کابل های نوری را بوجود می آورند. هر يک از کلاف های فيبر
نوری توسط يک روکش هائی با نام Jacket محافظت می گردند.

فيبر های نوری در دو گروه عمده ارائه می گردند:

· فيبرهای تک حالته (Single-Mode) . بمنظور ارسال يک سيگنال در هر فيبر استفاده می شود( نظير : تلفن )

· فيبرهای چندحالته (Multi-Mode) . بمنظور ارسال چندين سيگنال در يک فيبر استفاده می شود( نظير : شبکه های کامپيوتری)

فيبرهای تک حالته دارای يک هسته کوچک ( تقريبا" 9 ميکرون
قطر ) بوده و قادر به ارسال نور ليزری مادون قرمز ( طول موج از 1300 تا
1550 نانومتر) می باشند. فيبرهای چند حالته دارای هسته بزرگتر ( تقريبا" 5 /
62 ميکرون قطر ) و قادر به ارسال نورمادون قرمز از طريق LED می باشند.

ارسال نور در فيبر نوری

فرض کنيد ، قصد داشته باشيم با استفاده از يک چراغ قوه
يک راهروی بزرگ و مستقيم را روشن نمائيم . همزمان با روشن نمودن چراغ قوه ،
نور مربوطه در طول مسير مسفقيم راهرو تابانده شده و آن را روشن خواهد کرد.
با توجه به عدم وجود خم و يا پيچ در راهرو در رابطه با تابش نور چراغ قوه
مشکلی وجود نداشته و چراغ قوه می تواند ( با توجه به نوع آن ) محدوده مورد
نظر را روشن کرد. در صورتيکه راهروی فوق دارای خم و يا پيچ باشد ، با چه
مشکلی برخورد خواهيم کرد؟ در اين حالت می توان از يک آيينه در محل پيچ
راهرو استفاده تا باعث انعکاس نور از زاويه مربوطه گردد.در صورتيکه راهروی
فوق دارای پيچ های زيادی باشد ، چه کار بايست کرد؟ در چنين حالتی در تمام
طول مسير ديوار راهروی مورد نظر ، می بايست از آيينه استفاده کرد. بدين
ترتيب نور تابانده شده توسط چراغ قوه (با يک زاويه خاص) از نقطه ای به نقطه
ای ديگر حرکت کرده ( جهش کرده و طول مسير راهرو را طی خواهد کرد). عمليات
فوق مشابه آنچيزی است که در فيبر نوری انجام می گيرد.

نور، در کابل فيبر نوری از طريق هسته (نظير راهروی مثال
ارائه شده ) و توسط جهش های پيوسته با توجه به سطح آبکاری شده ( Cladding) (
مشابه ديوارهای شيشه ای مثال ارائه شده ) حرکت می کند.( مجموع انعکاس
داخلی ) . با توجه به اينکه سطح آبکاری شده ، قادر به جذب نور موجود در
هسته نمی باشد ، نور قادر به حرکت در مسافت های طولانی می باشد. برخی از
سيگنا ل های نوری بدليل عدم خلوص شيشه موجود ، ممکن است دچار نوعی تضعيف در
طول هسته گردند. ميزان تضعيف سيگنال نوری به درجه خلوص شيشه و طول موج نور
انتقالی دارد. ( مثلا" موج با طول 850 نانومتر بين 60 تا 75 درصد در هر
کيلومتر ، موج با طول 1300 نانومتر بين 50 تا 60 درصد در هر کيلومتر ، موج
با طول 1550 نانومتر بيش از 50 درصد در هر کيلومتر)

سيستم رله فيبر نوری

بمنظور آگاهی از نحوه استفاده فيبر نوری در سيستم های
مخابراتی ، مثالی را دنبال خواهيم کرد که مربوط به يک فيلم سينمائی و يا
مستند در رابطه با جنگ جهانی دوم است . در فيلم فوق دو ناوگان دريائی که بر
روی سطح دريا در حال حرکت می باشند ، نياز به برقراری ارتباط با يکديگر در
يک وضعيت کاملا" بحرانی و توفانی را دارند. يکی از ناوها قصد ارسال پيام
برای ناو ديگر را دارد.کاپيتان ناو فوق پيامی برای يک ملوان که بر روی عرشه
کشتی مستقر است ، ارسال می دارد. ملوان فوق پيام دريافتی را به مجموعه ای
از کدهای مورس ( نقطه و فاصله ) ترجمه می نمايد. در ادامه ملوان مورد نظر
با استفاده از يک نورافکن اقدام به ارسال پيام برای ناو ديگر می نمايد. يک
ملوان بر روی عرشه کشتی دوم ، کدهای مورس ارسالی را مشاهده می نمايد. در
ادامه ملوان فوق کدهای فوق را به يک زبان خاص ( مثلا" انگليسی ) تبديل و
آنها را برای کاپيتان ناو ارسال می دارد. فرض کنيد فاصله دو ناو فوق از
يکديگر بسار زياد ( هزاران مايل ) بوده و بمنظور برقرای ارتباط بين آنها از
يک سيتستم مخابراتی مبتنی بر فيبر نوری استفاده گردد.

سيتستم رله فيبر نوری از عناصر زير تشکيل شده است :

· فرستنده . مسئول توليد و رمزنگاری سيگنال های نوری است .

· فيبر نوری مديريت سيکنال های نوری در يک مسافت را برعهده می گيرد.

· بازياب نوری . بمنظور تقويت سيگنا ل های نوری در مسافت های طولانی استفاده می گردد.

· دريافت کننده نوری . سيگنا ل های نوری را دريافت و رمزگشائی می نمايد.

در ادامه به بررسی هر يک از عناصر فوق خواهيم پرداخت .

فرستنده

وظيفه فرستنده، مشابه نقش ملوان بر روی عرشه کشتی ناو
فرستنده پيام است . فرستنده سيگنال های نوری را دريافت و دستگاه نوری را
بمنظور روشن و خاموش شدن در يک دنباله مناسب ( حرکت منسجم ) هدايت می
نمايد. فرستنده ، از لحاظ فيزيکی در مجاورت فيبر نوری قرار داشته و ممکن
است دارای يک لنز بمنظور تمرکز نور در فيبر باشد. ليزرها دارای توان بمراتب
بيشتری نسبت به LED می باشند. قيمت آنها نيز در مقايسه با LED بمراتب
بيشتر است . متداولترين طول موج سيگنا ل های نوری ، 850 نانومتر ، 1300
نانومتر و 1550 نانومتر است .

بازياب ( تقويت کننده ) نوری

همانگونه که قبلا" اشاره گرديد ، برخی از سيگنال ها در
موارديکه مسافت ارسال اطلاعات طولانی بوده ( بيش از يک کيلومتر ) و يا از
مواد خالص برای تهيه فيبر نوری ( شيشه ) استفاده نشده باشد ، تضعيف و از
بين خواهند رفت . در چنين مواردی و بمنظور تقويت ( بالا بردن ) سيگنا ل های
نوری تضعيف شده از يک يا چندين " تقويت کننده نوری " استفاده می گردد.
تقويت کننده نوری از فيبرهای نوری متععدد بهمراه يک روکش خاص (doping)
تشکيل می گردند. بخش دوپينگ با استفاده از يک ليزر پمپ می گردد . زمانيکه
سيگنال تضعيف شده به روکش دوپينگی می رسد ، انرژی ماحصل از ليزر باعث می
گردد که مولکول های دوپينگ شده، به ليزر تبديل می گردند. مولکول های دوپينگ
شده در ادامه باعث انعکاس يک سيگنال نوری جديد و قويتر با همان خصايص
سيگنال ورودی تضعيف شده ، خواهند بود.( تقويت کننده ليزری)

دريافت کننده نوری

وظيفه دريافت کننده ، مشابه نقش ملوان بر روی عرشه کشتی
ناو دريافت کننده پيام است. دستگاه فوق سيگنال های ديجيتالی نوری را اخذ و
پس از رمزگشائی ، سيگنا ل های الکتريکی را برای ساير استفاده کنندگان (
کامپيوتر ، تلفن و ... ) ارسال می نمايد. دريافت کننده بمنظور تشخيص نور از
يک "فتوسل" و يا "فتوديود" استفاده می کند.

مزايای فيبرنوری

فيبر نوری در مقايسه با سيم های های مسی دارای مزايای زير است :

· ارزانتر. هزينه چندين کيلومتر کابل نوری نسبت به سيم های مسی کمتر است .

· نازک تر. قطر فيبرهای نوری بمراتب کمتر از سيم های مسی است .

· ظرفيت بالا. پهنای باند فيبر نوری بمنظور ارسال اطلاعات بمراتب بيشتر از سيم مسی است .

· تضعيف ناچيز. تضعيف سيگنال در فيبر نوری بمراتب کمتر از سيم مسی است .

· سيگنال های نوری . برخلاف سيگنال های الکتريکی در يک سيم مسی ، سيگنا ل ها ی نوری در يک فيبر تاثيری بر فيبر ديگر نخواهند داشت .

· مصرف برق پايين . با توجه به سيگنال ها در فيبر نوری
کمتر ضعيف می گردند ، بنابراين می توان از فرستنده هائی با ميزان برق مصرفی
پايين نسبت به فرستنده های الکتريکی که از ولتاژ بالائی استفاده می نمايند
، استفاده کرد.

· سيگنال های ديجيتال . فيبر نور ی مناسب بمنظور انتقال اطلاعات ديجيتالی است .

· غير اشتعال زا . با توجه به عدم وجود الکتريسيته ، امکان بروز آتش سوزی وجود نخواهد داشت .

· سبک وزن . وزن يک کابل فيبر نوری بمراتب کمتر از کابل مسی (قابل مقايسه) است.

· انعطاف پذير . با توجه به انعظاف پذيری فيبر نوری و
قابليت ارسال و دريافت نور از آنان، در موارد متفاوت نظير دوربين های
ديجيتال با موارد کاربردی خاص مانند : عکس برداری پزشکی ، لوله کشی و
...استفاده می گردد.

طرز کار فیبر نوری

    هرجا که صحبت از سیستم های جدید مخابراتی، سیستم های تلویزیون کابلی و اینترنت باشد، در مورد فیبر نوری هم چیزهایی می شنوید. فیبرهای نوری از شیشه شفاف و خالص ساخته می شوند و با ضخامتی به نازکی یک تار موی انسان، می توانند اطلاعات دیجیتال را در فواصل دور انتقال دهند. از آنها همچنین برای عکسبرداری پزشکی و معاینه های فنی در مهندسی مکانیک استفاده می شود. یک رشته فیبر نوری در این مطلب به مطالعه این که این فیبرهای نوری چگونه نور را منتقل می کنند و نیز درمورد روش های عجیب ساخت آنها بحث می کنیم!
    ● فیبرنوری چیست؟
    فیبرهای نوری رشته های بلند و نازکی از شیشه بسیار خالصند که ضخامتی در حدود قطر موی انسان دارند. آنها در بسته هایی به نام کابلهای نوری کنار هم قرار داده می شوند و برای انتقال سیگنالهای نوری در فواصل دور مورد استفاده قرار می گیرند. اگر با دقت به یک رشته فیبر نوری نگاه کنید، می بینید که از قسمتهای زیر ساخته شده: هسته : هسته بخش مرکزی فیبر است که از شیشه ساخته شده و نور در این قسمت سیر می کند.
    ● قسمتهای مختلف یک رشته فیبر نوری
    ▪ لایه روکش :
    واسطه شفافی که هسته مرکزی فیبر نوری را احاطه می کند وباعث انعکاس نور به داخل هسته می شود.
    ▪ روکش محافظ :
    روکشی پلاستیکی که فیبر نوری در برابر رطوبت و آسیب دیدن محافظت می کند.صدها یا هزاران عدد از این رشته های فیبر نوری به صورت بسته ای در کنار هم قرار داده می شوند که به آن کابل نوری گویند.
    این دسته از رشته های فیبر نوری با یک پوشش خارجی موسوم به ژاکت یا غلاف محافظت می شوند.
    فیبرهای نوری دو نوعند:
    ۱) فیبرهای نوری تک وجهی:
    این نوع از فیبرها هسته های کوچکی دارند (قطری در حدود۵‎/۳ ،x۱۰ (۴-) inch یا ۹ میکرون) و می توانند نور لیزر مادون قرمز (با طول موج ۱۳۰۰ تا ۱۵۵۰ نانومتر) را درون خود هدایت کنند.
    ۲) فیبرهای نوری چند وجهی :
    این نوع از فیبرها هسته های بزرگتری دارند (قطری در حدود inch (۳-) ۱۰x ۵‎/۲ یا ۶۲‎/۵ میکرون) و نور مادون قرمز گسیل شده از دیودهای نوری موسوم به LEDها را (با طول موج ۸۵۰ تا ۱۳۰۰ نانومتر) درون خود هدایت می کنند. برخی از فیبرهای نوری از پلاستیک ساخته می شوند. این فیبرها هسته بزرگی (با قطر ۴ صدم inch یا یک میلیمتر) دارند و نور مریی قرمزی را که از LEDها گسیل می شود (و طول موجی برابر با ۶۵۰ نانومتر دارد) هدایت می کنند. بیایید ببینیم طرز کار فیبر نوری چیست.
    یک فیبر نوری چگونه نور را هدایت می کند؟
    فرض کنید می خواهید یک باریکه نور را به طور مستقیم و در امتداد یک کریدور بتابانید. نور به راحتی در خطوط راست سیر می کند و مشکلی ازین جهت نیست. حال اگر کریدور مستقیم نباشد و در طول خود خمیدگی داشته باشد چگونه نور را به انتهای آن می رسانید؟ برای این منظور می توانید از یک آینه استفاده کنید که در محل خمیدگی راهرو قرار می گیرد و نور را در جهت مناسب منحرف می کند. اگر راهرو خیلی پیچ در پیچ باشد و خمهای زیادی داشته باشد چه؟ می توانید دیوارها را با آینه بپوشانید و نور را به دام بیندازید به طوریکه در طول راهرو از یک گوشه به گوشه دیگر بپرد. این دقیقاً همان چیزی است که در یک فیبرنوری اتفاق می افتد. نور در یک کابل فیبرنوری، بر اساس قاعده ای موسوم به بازتابش داخلی، مرتباً به وسیله دیواره آینه پوش لایه ای که هسته را فراگرفته، به این سو و آن سو پرش می کند و در طول هسته پیش می رود.
    ● تصویری از بازتابش کلی نور در یک فیبر نوری
    از آنجا که لایه آینه پوش اطراف هسته هیچ نوری را جذب نمی کند، موج نور می تواند فواصل طولانی را طی کند. به هر حال، برخی از سیگنالهای نوری در حین حرکت در طول فیبر، ضعیف می شوند که علت عمده آن وجود برخی ناخالصی ها داخل شیشه است. میزان ضعیف شدن سیگنال به درجه خلوص شیشه به کار رفته در داخل فیبر و نیز طول موج نوری که درون فیبر سیر می کند بستگی دارد (به عنوان مثال
    ۸۵۰ نانومتر = ۶۰ تا ۷۵ درصد در هر یک کیلومتر
    ۱۳۰۰ نانومتر = ۵۰ تا ۶۰ درصد در هر یک کیلومتر
    ۱۵۵۰ نانومتر = بیش از ۵۰ درصد در هر یک کیلومتر).
    برخی از فیبرهای نوری هم هستند که سیگنال در داخل آنها خیلی کم تضعیف می شود. (کمتر از ۱۰ درصد در هر یک کیلومتر برای ۱۵۵۰ نانومتر). سیستم ارتباط به وسیله فیبرنوری برای پی بردن به اینکه فیبرهای نوری چگونه در سیستم های ارتباطی مورد استفاده قرار می گیرند، اجازه دهید نگاهی بیاندازیم به فیلم یا سندی که مربوط به جنگ جهانی دوم است. دو کشتی نیروی دریایی را درنظر بگیرید که از کنار یکدیگر عبور می کنند و لازم است باهم ارتباط برقرار کنند درحالی که امکان استفاده از رادیو وجود ندارد و یا دریا طوفانی است. کاپیتان یکی از کشتی ها پیامی را برای یک ملوان که روی عرشه است می فرستد. ملوان آن پیام را به کد مورس ترجمه می کند و از نورافکنی ویژه که یک پنجره کرکره جلو آن است برای ارسال پیام به کشتی مقابل استفاده می کند. ملوانی که در کشتی مقابل است این پیام مورس را می گیرد، ترجمه می کند و به کاپیتان می دهد. (ملوان کشتی دوم عکس عملی را انجام می دهد که ملوان کشتی اول انجام داد.)حالا فرض کنید این دو کشتی هر یک در گوشه ای از اقیانوسند و هزاران مایل فاصله دارند و در فاصله بین آنها یک سیستم ارتباطی فیبرنوری وجود دارد.