فیبر نوری، که به انگلیسی به عنوان Optical Fiber شناخته میشود، یک رشته باریک و بلند از یک ماده شفاف مانند شیشه یا پلاستیک است. این فیبر قادر است نوری را که از یک سر آن وارد میشود، از سر دیگر خروجی دهد. نسبت به کابلهای معمولی، فیبر نوری و تجهیزات آن دارای پهنای باند بسیار بالاتری است. بنابراین، با استفاده از فیبر نوری، امکان انتقال دادههای تصویر، صوت و سایر اطلاعات با پهنای باند بالا تا 10 گیگابیت بر ثانیه و بیشتر وجود دارد. در حال حاضر، فیبر نوری به دلیل پهنای باند گستردهتر نسبت به کابلهای مسی و تاخیر کمتر نسبت به ارتباطات ماهوارهای، به عنوان یکی از ابزارهای اصلی انتقال اطلاعات در حوزه مخابرات محسوب میشود.
تاریخچه ساخت فیبر نوری
اولین تلاشها برای استفاده از نور برای انتقال اطلاعات در قرون اخیر صورت گرفت. در این تلاشها، انتشار نور در جو زمین آزمایش شد. با این حال، وجود موانعی مانند گرد و خاک، دود، برف، باران و مه، باعث مشکلاتی در انتشار اطلاعات نوری در جو شد. بعدها، استفاده از لولهها و کانالها جهت هدایت نور پیشنهاد شد. نور در داخل این کانالها با استفاده از آینهها و عدسیها هدایت میشد. اما به دلیل دشواری در تنظیم آینهها و عدسیها، این روش غیرعملی شناخته شد و ناکارآمد به حساب آمد.
احتمالاً اولین تلاش در جهت تکامل سیستم ارتباط نوری توسط الکساندر گراهام بل در سال ۱۸۸۰ صورت گرفت. درست چهار سال پس از اختراع تلفن، او تلفن نوری (فوتوفون) یا سیستمی که قادر به انتقال صدا به فواصل چندین صد متر بود را به ثبت رساند. تلفن نوری بر اساس مدولاسیون نور بازتابیده از تاباندهندهها کار میکرد. در این روش، نور در هوا منتشر میشد و به همین دلیل امکان انتقال اطلاعات تا فاصله بیش از ۲۰۰ متر وجود نداشت. به همین دلیل، این دستگاه، اگرچه به ظاهر کار میکرد، از موفقیت تجاری برخوردار نشد.
اختراع فیبر نوری
در سال 1840، دانیل کولادون و ژاک بابینه در پاریس، برای اولین بار ایده استفاده از انکسار برای هدایت نور را که بنیان فیبرهای نوری امروزی است، مطرح کردند. همچنین، جان تیندال در سال 1870 در کتاب خود، ویژگی بازتاب کلی را توضیح داد و بیان کرد که وقتی نور از هوا به آب وارد می شود، به سمت عمود بر سطح خم میشود و وقتی از آب به هوا وارد می شود، از خط عمود دور می شود. اگر زاویه پرتو نور در تابش از داخل آب بیشتر از 48 درجه باشد، هیچ نوری از آب خارج نمی شود و به طور کامل از سطح آب انعکاس می شود.
این زاویه به عنوان زاویه بحرانی شناخته می شود. کاکو و کوکهام به عنوان انگلیسی برای اولین بار از شیشه در محیط انتشار استفاده کردند. آنها تلاش کردند تا سرعتی حدود 100 مگابیت بر ثانیه بر روی محیطهای انتشار شیشه ایجاد کنند، اما این سرعت انتقال همراه با تضعیف زیاد انرژی بود. این دو محقق انگلیسی، تا حدی کمتر از 20 دسی بل، کاهش انرژی را پذیرفتند. اما، شرکت آمریکایی کورنینگ گلس به این هدف دست یافت. در اوایل سال 1960، با اختراع اشعه لیزر، ارتباطات فیبرنوری به واقعیت پیوست. در سال 1966، دانشمندان پیشرفتی در این نظریه که نور در الیاف شیشه هدایت می شود، کسب کردند و نتیجه آن این بود که فیبرنوری نسبت به کابل های معمولی بسیار سودمندتر است. این فناوری فیبرنوری به عنوان یک انتخاب مناسب در مخابرات همواره مورد توجه بوده و در سال 1985، نزدیک به 2 میلیون کیلومتر کابل نوری در سراسر جهان نصب و بهره برداری شده است.
ساختار و اجزاء
ساختار فیبر نوری برای انتقال دادهها از طریق نور لیزر استفاده میشود. یک کابل فیبر نوری که به قطر کمتر از یک اینچ میرسد، از مجموعهای از فیبرها تشکیل شده است و قادر است صدها هزار مکالمه صوتی را حمل کند. فیبرهای نوری تجاری قابلیت ارائه سرعت های 2.5 گیگابایت بر ثانیه تا 10 گیگابایت بر ثانیه را دارند. فیبر نوری از چندین لایه تشکیل شده است. لایه درونی که هسته نامیده میشود، معمولاً شامل یک تار کاملاً بازتاب کننده از شیشه خالص است. در برخی از کابلها، هسته از پلاستیک بازتابنده ساخته میشود که میتواند هزینه ساخت را کاهش دهد. با این حال، هسته پلاستیکی عموماً کیفیت شیشه را ندارد و بیشتر برای انتقال دادهها در فواصل کوتاه استفاده میشود.
پوسته که در اطراف هسته قرار دارد، از شیشه یا پلاستیک ساخته شده است. هسته و پوسته به همراه رابطه بازتاب کننده، باعث میشوند نور در هسته حفظ شود و از سطحی به طرف مرکز هسته بازتاب شود که در آن دو ماده به هم میرسند. این عمل بازتاب نور به مرکز هسته را بازتاب داخلی کلی نامیده میشود. در فیبر نوری رایج، قطر هسته و پوسته به ترتیب حدود 125 میکرون است که معادل اندازه کمتر از یک تار موی انسان است. بسته به سازنده، چند لایه محافظ حول پوسته قرار میگیرد و یک پوشش محافظ پلاستیکی سخت لایه بیرونی را تشکیل میدهد. این لایه کل کابل را نگه میدارد و قادر است صدها فیبر نوری مختلف را در خود جای دهد. به عنوان مثال، قطر یک کابل نمونه کمتر از یک اینچ است.
انتقال نور در لینک های نوری
ارسال نور در فیبر نوری به این صورت انجام میشود که اگر یک چراغ قوه را در یک راهروی بزرگ و مستقیم روشن کنیم، نور در محدوده مورد نظر تابانده میشود. اما اگر راهرو خم یا پیچ داشته باشد، باید از آینهها در محل پیچ استفاده کرد تا نور در راهرو منعکس شود. اگر راهروی دارای پیچهای زیادی باشد، باید از آینههای متعدد استفاده کرد. به این ترتیب، نور تابانده شده توسط چراغ قوه از نقطه به نقطه حرکت کرده و طول راهرو را روشن میکند. این عملیات مشابه آن چیزی است که در فیبر نوری انجام میشود. در فیبر نوری، نور از طریق هسته و با استفاده از سطح آبکاری شده حرکت میکند. به علت عدم توانایی سطح آبکاری شده در جذب نور، نور قادر به حرکت در مسافتهای طولانی است. اما بدلیل خالص نبودن شیشه، بعضی از سیگنالهای نوری دچار تضعیف میشوند که این تضعیف به خلوص شیشه و طول موج نور بستگی دارد. به عنوان مثال، اگر طول موج 1300 نانومتر باشد، بین 50 تا 60 درصد در هر کیلومتر تضعیف میشود و موج با طول 1550 نانومتر بیش از 50 درصد در هر کیلومتر تضعیف میشود. گاهی اوقات به دلایل زیادی ممکن است ما در پروژه ها به تضعیف کننده های نوری نیاز داشته باشیم. تضعیف کننده ها قطعه ای هستند که بصورت مصنوعی شدت نور لیزر داخل فیبر نوری را کاهش داده و آن را تضعیف میکنند. از جمله مواردی که به این قطعات نیاز می شوند در موارد تست فیبر نوری و کیفیت آن با دستگاه هایی به نام OTDR می باشد.
چگونه داده ها در فیبر نوری منتقل می شوند
در سیستم رله فیبر نوری، فرض میکنیم که دو ناوگان دریایی بر روی سطح دریا میخواهند با یکدیگر ارتباط برقرار کنند. یکی از ناوها پیامی را برای دیگری ارسال میکند. بنابراین کاپیتان ناو فوق پیام را به یک ملوان که بر روی عرشه کشتی مستقر است، ارسال میکند. ملوان فوق پیام را به کدهای مورس ترجمه کرده و با استفاده از یک نورافکن آن را برای ناو دیگر ارسال میکند. یک ملوان بر روی عرشه کشتی دوم، کدهای مورس را مشاهده کرده و آنها را به یک زبان خاص مانند انگلیسی تبدیل کرده و برای کاپیتان ناو ارسال میکند. در صورتی که فاصله بین دو ناو بسیار زیاد باشد، از یک سیستم مخابراتی بر پایه فیبر نوری استفاده میشود تا ارتباط بین آنها برقرار شود. لازم به ذکر است که در پروژه های فیبر نوری نیاز است کابل ها را به پیگتیل های نوری که در یک طرف خود دارای کانکتور و در طرف دیگر دارای کانکتور نیستند متصل کنیم تا بتوانیم اتصالات و لینک های نوری را برقرار کنیم برای این منظور به فیوژن کردن فیبر نوری یا دستگاه های جوش فیبر نوری نیاز داریم.
- سیستم رله فیبر نوری از اجزای زیر تشکیل شده است:
- فرستنده که مسئول تولید و رمزنگاری سیگنالهای نوری است
- بازتاب نوری که برای تقویت سیگنالهای نوری در فواصل بلند استفاده میشود
- دریافتکننده نوری که سیگنالهای نوری را دریافت و رمزگشایی میکند
کدگذاری سیگنال های نوری
نقش فرستنده مشابه نقش ملوانی است که بر روی عرشهی کشتی ناو فرستنده پیام میباشد. فرستنده سیگنالهای نوری را دریافت کرده و دستگاه نوری را با توجه به دنبالهی مناسب (حرکت یکپارچه) روشن و خاموش میکند. فرستنده در نزدیکی فیبر نوری قرار دارد و ممکن است دارای یک لنز به منظور تمرکز نور در فیبر باشد. طول موج معمولی سیگنالهای نوری ۸۵۰ نانومتر، ۱۳۰۰ نانومتر و ۱۵۵۰ نانومتر است. بازتاب نوری (تقویت کننده) برای جلوگیری از ضعف و از بین رفتن سیگنالهای نوری از یک یا چند “تقویت کننده نوری” استفاده می کند. تقویت کننده نوری از فیبرهای نوری مختلف با یک روکش خاص تشکیل شده است. بخش دوپینگ با استفاده از یک لیزر پمپ انجام میشود.
تقویت سیگنال های نوری
وقتی سیگنال ضعیف به روکش دوپینگ میرسد، انرژی لیزر باعث تبدیل مولکولهای دوپینگ شده به لیزر میشود. مولکولهای دوپینگ شده سپس یک سیگنال نوری جدید و قویتر با همان خصوصیات سیگنال ورودی ضعیف را تولید میکنند. دریافتکننده نوری همچنین نقش ملوانی را که بر روی عرشهی کشتیناو دریافتکننده پیام دارد، ایفا میکند. این دستگاه سیگنالهای دیجیتال نوری را دریافت و پس از رمزگشایی، سیگنالهای الکتریکی را برای سایر اشخاص (مانند کامپیوتر، تلفن و غیره) ارسال میکند. دریافتکننده برای تشخیص نور از یک فتوسل یا فتودیود استفاده میکند.
مزایای استفاده از فیبر نوری در مقایسه با سیمهای مسی
- هزینه نسبتاً کمتر: قیمت فیبر نوری در مقیاسهای بالا کمتر از سیمهای مسی است.
- اندازه فیبر نوری نازکتر است: قطر فیبرهای نوری به مراتب کمتر از سیمهای مسی است.
- ظرفیت ارسال بالا: پهنای باند فیبر نوری به منظور ارسال اطلاعات به مراتب بیشتر از سیمهای مسی است. این به معنای داشتن توانایی بیشتر در انتقال دادهها است.
- تضعیف کمتر: تضعیف سیگنال در فیبر نوری به مراتب کمتر از سیمهای مسی است.
- عدم تداخل: عبور سیگنالهای نوری از یک فیبر به فیبر دیگر تأثیری بر آنان ندارد و تداخل الکترومغناطیسی نیز رخ نمیدهد، به عکس سیمهای مسی که تحت تداخل الکترومغناطیسی قرار میگیرند.
- مصرف برق کمتر: مصرف برق در فیبر نوری نسبت به فرستندههای الکتریکی کمتر است، زیرا سیگنالها در فیبر نوری کمتر تضعیف میشوند.
- عدم اشتعالپذیری: فیبر نوری از الکتریسته استفاده نمیکند، بنابراین احتمال گرمایش و آتشسوزی ناشی از آن نیز وجود ندارد.
- وزن سبک: وزن کابل فیبر نوری به مراتب کمتر از کابل مسی است. این امر در کارکرد، نصب و نگهداری آن بسیار مهم است.
- انعطافپذیری: به دلیل انعطافپذیری فیبر نوری و قابلیت ارسال و دریافت نور، آن در موارد مختلفی مانند دوربینهای دیجیتال و عکسبرداری پزشکی و لولهکشی استفاده میشود.
- قابلیت استفاده در فواصل بزرگ: فیبر نوری میتواند در شبکههایی که فواصل بین آنها بزرگ است (مانند ارتباط بین شبکههای محلی) استفاده شود.
- پایداری: استفاده از فیبر نوری از تداخل و ترویج با سایر کانالهای ارتباطی، هم نوری و هم الکتریکی، به خوبی جلوگیری میکند.
- سرعت: فیبر نوری توانایی انتقال اطلاعات به مقدار زیاد را به صورت دیجیتالی و آنالوگ دارد.
- امکان تعمیر در حالت روشن: امکان تعمیر فیبر نوری وجود دارد، حتی در صورتی که سیستم در حالت روشن باشد و بدون احتمال اتصال کوتاه مدارهای الکتریکی در فرستنده و گیرنده.
فیبرهای نوری قابلیت ارائه سطحی از امنیت و حریم خصوصی در ارتباطات دیجیتالی را دارا هستند. بدین معنا که طولانی بودن این فیبرها و عدم تشعشع انرژی از آنها، مشکلی برای تشخیص سیگنال ارسالی توسط متجاوزین ایجاد مینماید. همچنین، پهنای باند بالایی که در حال حاضر به میزان 170 گیگابایت در ثانیه میرسد، قابلیت بهبود و ارتقاء خود را تا چند صد ترابایت دارد. فیبرنوری SMF که در حال حاضر مورد استفاده قرار میگیرد، نیز از پهنای باند 40 گیگابایتی برخوردار است. استفاده از فیبرنوری برای ارتباطات به این دلیل است که نیازی به الکتریسیته برای انتقال اطلاعات وجود ندارد و همچنین این روش از نویز بسیار کمی برخوردار است.
ایجاد انشعاب غیرمجاز در فیبرنوری نیز ممکن نیست؛ زیرا برای ایجاد انشعاب، نیاز به قطع کردن فیبر و نصب گیرنده آن است که زمانبر است و با استفاده از ابزارهای خطایابی، محل انشعاب غیرمجاز به سرعت قابل شناسایی است. همچنین، نیازی به استفاده از تکرارکننده (repeater) برای افزایش برد سیگنال در فیبرنوری نیست؛ زیرا با استفاده از نور، دیگر نیازی به تقویت سیگنال در فواصل چند کیلومتری وجود ندارد، مگر اینکه جنس Core فیبر با کیفیت مناسب برای انتقال سیگنال استفاده نشود.
نقاط ضعف فیبر نوری چیست؟
همانطور که می دانید هر تکنولوژی دارای نقاط ضعف و قوت خود می باشد. در غیر این صورت تکنولوژی های دیگر می توانست جایگاه آن را به طور کامل بگیرند. در مورد فیبر نوری نیز به همین ترتیب می باشد. با این وجود، در استفاده از فیبرهای نوری باید به محدودیتها و نقاط ضعف آنها توجه کرد؛ به عنوان مثال، در هنگام کابلکشی، باید به دقت کامل رعایت شود تا فیبرها در صورت گذشتن از زاویه مشخصی شکسته یا حتی خمیده نشوند و همچنین باید میزان کشش برای فیبرها با ظرفیتهای مختلف محدود شده و از آنها محافظت شود. همچنین، برای فیبرهایی که از درون حوضچهها عبور میکنند، باید از حفاظت کامل در برابر ضربه استفاده شود.