فیبر نوری چیست؟ معرفی فیبر نوری و مزایای استفاده از آن

تاریخچه فیبر نوری

اولین کسانی که به فکر استفاده از نور برای انتقال اطلاعات افتادند، انتشار نور را در جو زمین امتحان کردند. البته وجود موانع مختلفی همچون برف، گرد و خاک، باران، دود، مه و… انتشار اطلاعات نوری در جو را با مشکل مواجه ساخت. در سال های بعد استفاده از لوله و کانال جهت هدایت نور مطرح شد. نور در داخل این کانال ها توسط آینه‌ها و عدسی‌ها هدایت می‌شد، اما از آنجا که تنظیم این عدسی‌ها و آینه‌ها کاری بسیار دشوار بود این کار نیز عملی نشد و این نظریه نیز رد شد.

اولین تلاش در راستای تکامل سیستم ارتباط نوری به وسیله الکساندر گراهام بل انجام پذیرفت که در سال 1880، 4 سال پس از اختراع تلفن، اختراع تلفن نوری (فوتوفون) یا سیستمی که صدا را تا فاصله های طولانی منتقل می‌کرد، به ثبت رساند. تلفن نوری بر براساس مدوله کردن نور خورشید بازتابیده با به ارتعاش درآوردن آینه‌ای عمل می کرد. در این روش نور در هوا منتشر می‌شد و امکان انتقال اطلاعات تا بیش از 200 متر میسر نبود. به همین خاطر، اگرچه دستگاه بل ظاهراً کار می‌کرد اما از موفقیت تجاری برخوردار نبود.

ایده استفاده از انکسار جهت هدایت نور که اساس فیبرهای نوری امروزی است، برای اولین بار در سال 1840 توسط Daniel Colladon و Jacques Babinet در پاریس مطرح شد. همچنین John Tyndall در کتاب خود ویژگی بازتاب یکلی را اینگونه شرح داد: «هنگامی که نور از هوا وارد آب می‌شود به سمت خط عمود بر سطح خم می‌شود و زمانی که از آب وارد هوا می‌شود از خط عمود دور می‌شود. اگر زاویه پرتو نور با خط عمود در تابش از داخل آب بزرگتر از 48 درجه باشد هیچ نوری از آب خارج نمی‌شود. در حقیقت نور به‌طور کامل از سطح آب انعکاس داده می‌شود. زاویه‌ای که انعکاس کلی آغاز می‌شود را زاویه بحرانی می‌نامیم».

کاکو و کوکهام انگلیسی برای اولین بار استفاده از شیشه را بمنظور محیط انتشار عنوان نمودند. آنان مبنای کار خود را بر آن نهادند که سرعتی حدود 100 مگابیت بر ثانیه و حتی بیشتر را بر روی محیط ‌های انتشار شیشه بدست آورند. این سرعت انتقال با اتلاف زیاد انرژی همراه بود. این دو محقق انگلیسی، کاهش انرژی را تا آنجا بنا داشتند که کمتر از 20 دسی بل نباشد. گرچه این دو محقق در راستای رسیدن به هدف خود ناکام ماندند، اما شرکت آمریکایی (کورنینگ گلس) به این هدف دست یافت.

در اوایل سال 1960 میلادی با اختراع اشعه لیزر ارتباطات فیبرنوری امکان پذیر شد. در سال 1966 میلادی، دانشمندان در این نظریه که نور در الیاف شیشه‌ای هدایت می‌شود ارتقا پیدا کردند که حاصل آن از کابل های معمولی بسیار سودمندتر بود. به این دلیل که فیبرنوری بسیار سبک‌تر و ارزانتر از کابل مسی می باشد و در عین حال از ظرفیت انتقالی تا چندین هزار برابر کابل مسی برخوردار است.

توسعه فناوری فیبرنوری از سال 1980 میلادی به بعد موجب شد که همواره مخابرات نوری به عنوان یک انتخاب مناسب و سود مند مطرح باشد. تا سال 1985 میلادی در دنیا نزدیک به 2 میلیون کیلومتر کابل نوری نصب شد و مورد بهره‌برداری قرار گرفت.

از فیبر نوری بمنظور انتقال داده‌ها توسط نور لیزر بکار گرفته می‌شود. یک کابل فیبر نوری که کمتر از یک اینچ قطر دارد از مجموعه‌ای از این فیبرها تشکیل شده و قادر است صدها هزار مکالمه صوتی را با خود حمل نماید. فیبرهای نوری تجاری ظرفیت 2/5 گیگابایت در ثانیه تا 10 گیگابایت در ثانیه را فراهم می‌سازند.

فیبر نوری چیست؟

فیبر نوری رشته‌ای از تارهای شیشه‌ای است که ضخامت هر یک از تارها به ضخامت تار موی انسان می باشد و از آن‌ها به جهت انتقال اطلاعات در فاصله های طولانی استفاده می‌شود. تارهای فوق در کلاف‌هایی سازمان دهی می شوند و کابل‌های نوری را ایجاد می نمایند. امروزه فیبرنوری، به دلیل پهنای باند بسیار وسیع در مقایسه با کابل های مسی، و تأخیر کمتر در مقایسه با مخابرات ماهواره‌ای از مهم‌ترین ابزار انتقال اطلاعات بشمار میرود.

یک فیبر نوری از سه بخش متفاوت تشکیل شده است:

• هسته : هسته نازک شیشه ای در مرکز فیبر که سیگنال های نوری در آن حرکت می نمایند.
•  روکش: بخش خارجی فیبر بوده که دورتادور  هسته را احاطه کرده و باعث برگشت نورمنعکس شده
•  به هسته می گردد.
• بافر رویه: روکش پلاستیکی که باعث حفاظت فیبر در مقابل رطوبت و سایر موارد آسیب پذیر، است.

فناوری ساخت فیبر نوری

حال می خواهیم فناوری ساخت فیبر نوری را مورد بررسی قرار دهیم. تولید فیبر نوری، در ابتدا ساختار آن در یک میله شیشه‌ای موسوم به پیش‌سازه از جنس سیلیکا ایجاد می‌شود و سپس در یک فرایند جداگانه این میله کشیده شده تبدیل به فیبر می‌شود. از سال 1970 روش‌های متعددی بمنظور ساخت انواع پیش‌سازه‌ها مورد بررسی قرار گرفته است که اغلب آن‌ها بر مبنای رسوب‌دهی لایه‌های شیشه‌ای در داخل یک لوله به عنوان پایه قرار گرفته اند.

مزایای فیبر نوری در مقایسه با سیم‌های مسی

1. قیمت ارزان تر
2. اندازه نازک‌ تر
3. سرعت بیشتر
4. مصرف برق پایین
5. اشتعال ‌زا نبودن
6. وزن سبک
7. انعطاف ‌پذیر بودن
8. پهنای باند بالا
9. عدم تداخل
10. عدم استفاده الکتریسیته برای ارتباط
11. عدم برقراری انشعاب غیر مجاز
12. عدم نیاز به repeater تا چندین کیلومتر
13. ترویج نوری: نیاز به زمین مشترک بین فرستنده تاری وگیرنده را منتفی می کند.
14. 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.
15. فاصله: از فیبر نوری می‌توان در ارتباط شبکه‌هایی که فاصله زیادی از هم دارند استفاده کرد (اتصال شبکه‌های محلی(LAN) به یکدیگر). شایان ذکر است که قبل از استفاده از کابل‌های فیبر نوری ارتباط بین LAN‌ها از طریق تلفن یا امواج رادیویی برقرار می‌شد
16. 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.
17. امنیت: فیبرهای نوری درجه‌ای از امنیت و پنهانی بودن را عرضه می کند. چون تارها انرژی تشعشع نمی‌کنند.
18. ظرفیت بالا: پهنای باند فیبر نوری به منظور ارسال اطلاعات به مراتب بیشتر از سیم مسی است.
19. تضعیف ناچیز: تضعیف سیگنال در فیبر نوری به مراتب کمتر از سیم مسی است.

کاربردهای فیبر نوری

1. کاربرد در مخابرات: یکی از مرسوم ترین کاربردهای فیبر نوری انتقال اطلاعات توسط نور لیزر می باشد.
2. کاربرد در حسگرها: استفاده از حسگرهای فیبر نوری جهت اندازه‌گیری کمیت‌های فیزیکی نظیر آلودگی آب‌های دریا، میدان مغناطیسی،حرارت، جابجایی، جریان الکتریکی، فشار، سطح مایعات، تشعشعات پرتوهای گاما و ایکس در سال‌های اخیر مطرح شد. در این نمونه از حسگرها، از فیبر نوری بمنظور عنصر اصلی حسگر استفاده می شود. به این صورت که ویژگی‌های فیبر تحت میدان کمیت مورد اندازه‌گیری تغییر یافته و با اندازه شدت کمیت تأثیرپذیر می‌شود.
3. کاربردهای 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، ارتباط زیردریاییها (هیدروفون) را نام برد.
4. کاربرد فیبرنوری در روشنابی: از جمله کاربردهای فیبر نوری که در اواخر قرن بیستم به عنوان یک فناوری روشنایی ترویج یافته و در چند سال قرن اخیر توسعه و پیشرفت فراوانی پیدا نموده‌ است کاربرد آن در سیستم‌های روشنایی است. در این فناوری نور از منبع نوری که ممکن است نور مصنوعی و یا نور طبیعی باشد وارد فیبر نوری شده و از این طریق به محل مصرف انتقال یابد. به همین ترتیب نور به هر نقطه‌ای که در جهت تابش مستقیم آن نمی‌باشد 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 بااین فناوری می‌شود نور روز را هم به داخل ساختمان ها و نقاط غیر قابل دسترسی به نور خورشید انتقال داد.
5. کاربردهای پزشکی: فیبرنوری در تشخیص بیماری‌ها و آزمایش های گوناگون در پزشکی کاربرد فراوانی دارد. از جمله آن می‌توان به شناسایی نارسایی‌های داخلی بدن، جراحی لیزری، دُزیمتری غدد سرطانی، استفاده در دندانپزشکی و اندازه‌گیری مایعات و خون اشاره نمود. همچنین تارهای نوری در دستگاه‌هایی به نام آندوسکوپ استفاده می‌شود تا به درون نای، مری، رودهو مثانه فرستاده شود و درون بدن انسان به طور مستقیم قابل مشاهده باشد.

سیستم رله فیبر نوری

برای توضیح از نحوه استفاده فیبر نوری در سیستم های مخابراتی، مثالی می زنیم که مربوط به یک فیلم  در رابطه با جنگ جهانی دوم است. در فیلم فوق دو ناوگان دریائی که بر روی سطح دریا در حال حرکت می باشند، نیاز به برقراری ارتباط با یکدیگر در یک وضعیت کاملا” بحرانی و توفانی 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 می کند. ملوان پیام دریافتی را به مجموعه ای از کدهای مورس ترجمه می کند. در ادامه ملوان مورد نظر با استفاده از یک نورافکن اقدام به ارسال پیام برای ناو دیگر می نماید.

یک ملوان بر روی عرشه کشتی دوم، کدهای مورس ارسالی را مشاهده می نماید. در ادامه ملوان فوق کدهای فوق را به یک زبان خاص تبدیل و آنها را برای کاپیتان ناو ارسال می دارد. فرض کنید فاصله دو ناو فوق از یکدیگر بسار زیاد بوده و بمنظور برقرای ارتباط بین آنها از یک سیتستم مخابراتی مبتنی بر فیبر نوری استفاده شود.

سیستم رله فیبر نوری از بخش های زیر تشکیل شده :

• فرستنده: سیگنال های نور را تولید میکند و به رمز تبدیل می کند.
• تقویت کننده نوری: ممکن است برای تقویت سیگنال های نوری لازم باشد.
• گیرنده نوری: سیگنال های نور را دریافت و رمزگشایی می کند.
• فیبرنوری: سیگنال های نور را تا فواصل دور هدایت می کند.

فرستنده :

وظیفه فرستنده، مشابه نقش ملوان بر روی عرشه کشتی ناو فرستنده پیام است. فرستنده سیگنال های نوری را دریافت و دستگاه نوری را بمنظور روشن و خاموش شدن در یک دنباله مناسب هدایت می نماید. فرستنده، از لحاظ فیزیکی در مجاورت فیبر نوری قرار داشته و ممکن است دارای یک لنز جهت تمرکز نور در فیبر باشد. لیزرها دارای توان به نسبت بیشتری با LED دارند.
قیمت آنها نیز در مقایسه با LED بمراتب بیشتر است .
متداولترین طول موج سیگنا ل های نوری ، 850 نانومتر ، 1300 نانومتر و 1550 نانومتر است .

تقویت کننده (بازیاب) نوری:

بعضی از سیگنال ها در مواردی که مسافت ارسال اطلاعات طولانی بوده و یا از مواد خالص جهت تهیه فیبر نوری استفاده نشده باشد، تضعیف و از بین خواهند رفت. در چنین مواردی و بمنظور تقویت سیگنال های نوری تضعیف شده از یک یا چندین تقویت کننده نوری استفاده می شود. تقویت کننده نوری از فیبرهای نوری متعدد همراه با یک روکش خاص تشکیل می گردند. بخش دوپینگ با استفاده از یک لیزر پمپ می شود.

زمانیکه سیگنال تضعیف شده به روکش دوپینگی می رسد، انرژی حاصل شده از لیزر موجب می شود که مولکول های دوپینگ شده، به لیزر تبدیل گردند. مولکول های دوپینگ شده در ادامه سبب انعکاس یک سیگنال نوری جدید و قویتر با همان خصایص سیگنال ورودی تضعیف شده، خواهند بود.

گیرنده نوری :

دریافت کننده بمنظور تشخیص نور از یک “فتوسل” و یا “فتودیود” استفاده می کند. وظیفه دریافت کننده، همانند نقش ملوان بر روی عرشه کشتی ناو دریافت کننده پیام است. دستگاه فوق سیگنال های دیجیتالی نوری را اخذ و پس از رمزگشائی، سیگنال های الکتریکی را برای سایر استفاده کنندگان ( کامپیوتر ، تلفن و … ) ارسال می نماید.