فیبر نوری

يکی از جديدترين محيط های انتقال در شبکه های کامپيوتری ، فيبر نوری است .برای آگاهی از جزئیات بیشتر با یکتا فن‌آوران همراه باشید.

فيبر نوری از يک ميله استوانه ای که هسته ناميده می شود و جنس آن از سيليکات است تشکيل می گردد. شعاع استوانه بين دو تا سه ميکرون است . روی هسته ، استوانه ديگری ( از همان جنس هسته ) که غلاف ناميده می شود ، استقرار می يابد. ضريب شکست هسته را با M1 و ضريب شکست غلاف را با M2  نشان داده و همواره M1>M2 است . در اين نوع فيبرها ، نور در اثر انعکاس های کلی در فصل مشترک هسته و غلاف ، انتشار پيدا خواهد کرد. منابع نوری در اين نوع کابل ها ، ديود ليزری و يا ديودهای ساطع کننده نور می باشند.منابع فوق ، سيگنال های الکتريکی را به نور تبديل می نمايند.

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 می باشند و از آنان برای انتقال اطلاعات در مسافت های طولانی استفاده می شود.

يک فيبر نوری از سه بخش متفاوت تشکيل شده است :

• هسته (Core) : این بخش که در مرکز فیبر قرار دارد از جنس یک ماده بی‌نهایت شفاف شیشه‌ای و یا پلاستیکی تشکیل شده؛ که پرتوهای نور در آن جریان می‌یابند.
  
• 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  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 ( تقريباً ۹ ميکرون قطر ) بوده و قادر به ارسال  نور ليزری مادون قرمز ( طول موج از ۱۳۰۰ تا ۱۵۵۰ نانومتر) می باشند. فيبرهای چند حالته دارای هسته بزرگتر ( تقريباً ۵ / ۶۲ 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 مستقيم 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 آن چيزی 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. ( مثلاً موج با طول ۸۵۰ نانومتر بين ۶۰ تا ۷۵ درصد در هر کيلومتر ، موج با طول ۱۳۰۰ نانومتر بين ۵۰ تا ۶۰ درصد در هر کيلومتر ، موج با طول ۱۵۵۰ نانومتر بيش از ۵۰ 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 کاملاً بحرانی و طوفانی 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 ( مثلاً انگليسی ) تبديل و آنها را برای کاپيتان ناو ارسال می دارد.  فرض کنيد فاصله دو ناو فوق از يکديگر بسیار زياد ( هزاران مايل ) بوده و بمنظور برقرای ارتباط بين آنها از يک سيستم مخابراتی مبتنی بر فيبر نوری استفاده گردد.

 

سيستم رله فيبر نوری از عناصر زير تشکيل شده است :

• فرستنده : مسئول توليد و رمزنگاری سيگنال های نوری است .فيبر نوری مديريت سيگنال های نوری در يک مسافت را برعهده می گيرد.
• بازتاب 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 ، ۸۵۰ نانومتر ، ۱۳۰۰ نانومتر و ۱۵۵۰ نانومتر است .

 بازتاب ( تقويت کننده ) نوری :

همانگونه که قبلاً اشاره گرديد ، برخی از سيگنال ها در مواردي که 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 متعدد بهمراه يک روکش خاص 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 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  فيبر نوری :

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

• ارزان تر: 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 .
• عدم تداخل : 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 نوری مناسب انتقال اطلاعات ديجيتالی می باشد.
• 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.

با توجه به مزايای فراوان فيبر نوری ، امروزه از اين نوع کابل ها در موارد متفاوتی  استفاده می شود. اکثر شبکه های کامپيوتری و يا مخابرات از راه دور در مقياس وسيعی از فيبر نوری استفاده می نمايند.

دو حادثه الکتریکی می تواند شبکه را قطع کند : cross-talk  و نویزهای الکتریکی خارجی.

Cross-talk  توسط فیلدهای الکتریکی در وایرهای مجاور که شامل سیگنالهای false  هستند، تولید می شود. نویزهای الکتریکی از لامپها ، موتورها و سیستم های رادیویی و منابع دیگر می آید .فیبر نوری در مقابل این نویزها و تداخلات ایمن است .

معايب فيبر نوری :

• براحتی شکسته شده و می بايست دارای يک پوشش مناسب باشند. مسئله فوق با ظهور فيبر های تمام پلاستيکی و پلاستيکی / شيشه ای کاهش پيدا کرده است .
• اتصال دو بخش از فيبر يا اتصال يک منبع نور به فيبر ، فرآيند دشواری است . در چنين حالتی می توان از فيبرهای ضخيم تر استفاده کرد اما اين مسئله باعث تلفات زياد و کم شدن پهنای باند می گردد.
• از اتصالات T شکل در فيبر نوری نمی توان جهت گرفتن انشهاب استفاده نمود. در چنين حالتی فيبر می بايست بريده شده و يک Detector اضافه گردد. دستگاه فوفق می بايست قادر به دريافت و تکرار سيگنال را داشته باشد.

تقويت سيگنال نوری يکی از مشکلات اساسی در زمينه فيبر نوری است . برای تقويت سيگنال می بايست سيگنال های نوری به سيگنال های الکتريکی تبديل ، تقويت و مجدداً به علائم نوری تبديل شوند.

اتصال دهنده های فیبر نوری:SC,ST

 

کابل فیبر نوری با انواع مختلفی از کانکتورها می تواند کار کند، اما دو نوع معروف تر این کانکتورها یعنی ST(straight-tip) وSC(Subscriber)  بیشتر مورد توجه قرار دارند. کانکتور ST برپایه BNC است با این تفاوت که بجای کابل مسی از فیبر نوری استفاده می شود. SC مربعی است و تا اندازه ای بهRj45  شباهت دارد.

 

کابل فیبر نوری بدون توجه به نوع کانکتور در سرعت های مشابه عمل میکند.