فيبر نوري چيست؟ و چه كاربردي دارد؟

فيبر نوري يا تار نوري ( Optical Fiber ) رشته باريك و بلندي از يك ماده شفاف مانند شيشه يا پلاستيك مي باشد كه نور از يك طرف آن وارد و از طرف ديگر خارج مي شود. فيبر نوري داراي پهناي باند بسيار بالاتر از ديگر كابل هاي معمولي مي باشد.

با فيبر نوري مي توان داده هاي تصويري، صوتي و داده هاي ديگر را به راحتي با پهناي باند بالا تا 10 گيگابايت بر ثانيه و حتي بالاتر را انتقال داد. اين روز ها كاربرد فيبر نوري در صنعت بسيار زياد شده است.

]در اين مقاله تصميم داريم در رابطه با فيببر نوري كاربرد آن و ديگر موارد توضيحات بيشتري دهيم. پس تا انتهاي مقاله با ما همراه باشيد.

✴️✴️ تماس با کارشناسان فنی رایانه کمک  : ☎️از طریق تلفن ثابت 9099071540 و 📱 از طریق موبایل 0217129

تاريخچه ساخت فيبر نوري

قبل از شروع هرگونه توضيحي بهتر است در رابطه با تاريخچه ساخت فيبر نوري بدانيم. تقريبا شروع فيبر نوري اولين بار توسط پژوهشگراني بود كه در قرون اخير به فكر استفاده از نور براي انتقال اطلاعات افتادند و انتشار نور را در جو زمين را تجربه كردند. اما به دليل وجود موانعي مانند گزد و خاك، دود، برف، باران و مه انتشار اطلاعات نوري در جو پروزه فيبر نوري آن ها با شكست مواجه شد.

 سپس تصميم گرفتند براي هدايت نور از لوله و كانال استفاده كنند. به  صورتي كه نور داخل اين كانال ها به وسيله آينه ها و عدسي ها هدايت شد و مشكلي كه ايجاد شد تنظيم عدسي ها و آينه بود. سپس در پي تحقيقات اين پزوهشگران، الكساندر گراهام بل در سال 1880 در سير تكامل ارتباط نوري، تلفن نوري يا سيستمي كه صدا را تا فواصل چندين صدمتر منتقل مي كرد اختراع كرد.

كه دقيقا 4 سال بعد از اختراع تلفن مي باشد. تلفن نوري بر مبناي مدوله كردن نورخورشيد بازتابيده يا به ارتعاش درآوردن آينه اي كار مي كرد. و گيرنده آن يك فتوسل بود. كه در اين روش نور در هوا منتشر مي شود و در نهايت امكان انتقال اطلاعات تا بيش از 200 متر ميسر نمي باشد به همين دليل دستگاه اختراعي بل از نظر تجاري موفق نشد. سپس ايده استفاده از انكسار نور كه اساس فيبر هاي امروزي مي باشد در سال 1840 توسط Daniel Colladon و Jacques Babinet در پاريس پيشنهاد  شد.

 John Tyndall نيز در تحقيقات خود زاويه بحراني را تعريف كرد به اين صورت كه وقتي وقتی نور از هوا وارد آب می شود؛ به سمت خط عمود بر سطح خم می‌شود و وقتی از آب وارد هوا می شود از خط عمود دور می شود.

اگر زاویه ی پرتو نور با خط عمود در تابش از داخل آب بزرگتر از 48 درجه شود؛ هیچ نوری از آب خارج نمی‌شود. در واقع نور به طور کامل از سطح آب منعکس می شود. پس از اين دانشمندان كاكو و كوكهام استفاده از شيشه به عنوان محيط انتشار را مطرح ساختند و در اوايل سال 1960 ميلادي با اختراع اشعه ليزر ارتباطات فيبر نوري ممكن گرديد.

در سال 1966 ميلادي دانشمندان در اين نظريه كه نور در الياف شيشه اي هدايت مي شود توانستند كابل هاي معمولي را بسازند چرا كه فيبرنوري بسيار سبك تر و ارزان تر از كابل هاي مسي مي باشد و ظرفيت انتقالي آن تا چندين هزار برابر كابل مسي مي باشد. و در نتيجه فناوري نوري توسعه پيدا كرد تا اينكه مخابرات نوري به يك انتخاب مناسب در دنيا مطرح گرديد. و اكنون نزديك به ميليون ها كيلومتر كابل نوري نصب شده و مورد استفاده قرار گرفته است.

پیشنهاد مطلب: سرویس جدید مخابرات که داره بسته اینترنت با کمترین میزان تاخیر ارائه میکنه دیدی!؟ معرفی بسته های اینترنت ftth مخابرات

ساختار فيبر نوري

فيبر نوري؛ معمولا از جنس سيليسيم دي اكسيد مي باشد كه براي انتقال داده ها توسط ليزر استفاده مي شود. یک کابل فیبر نوری قطري كمتر از يك اينچ دارد که از مجموعه ای از این فیبر ها تشکیل شده و می‌تواند صد ها هزار مکالمه صوتی را حمل کند. فیبر های نوری تجاری ظرفیت 2٫5 گیگابایت در ثانیه تا 10 گیگابایت در ثانیه را فراهم می‌سازند.

 فیبر نوری از چندین لایه ساخته می‌شود. درونی‌ترین لایه را هسته می‌نامند. هسته معمولاً شامل یک تار کاملاً بازتاب کننده از شیشه خالص مي باشد. هسته در بعضی از کابل ‌ها از پلاستیک کاملاً بازتابنده ساخته شده است، که هزینه ساخت را كاهش داده است. با این حال، یک هسته پلاستیکی معمولاً کیفیت شیشه را ندارد و بیشتر برای حمل داده ‌ها در فواصل کوتاه به کار می‌رود.

 اطراف هسته بخش پوسته قرار دارد، که معمولا از شیشه یا پلاستیک ساخته می‌شود. هسته و پوسته به همراه هم یک رابط بازتابنده را تشکیل می‌دهند که باعث می‌شود که نور در هسته تابیده شود تا از سطحی به طرف مرکز هسته باز تابیده شود که در آن دو ماده به هم می‌رسند. این عمل بازتاب نور به مرکز هسته را بازتاب داخلی کلی می‌نامند.

در نوع مرسوم فیبر نوری قطر هسته و پوسته با هم حدود 125 میکرون مي باشد (هر میکرون معادل یک میلیونیم متر است)، که در حدود اندازه یک تار موی انسان است. بسته به سازنده، حول پوسته چند لایه محافظ، شامل یک پوشش معمولاً از جنس پلاستیک قرار می‌گیرد.

یک پوشش محافظ پلاستکی سخت لایه بیرونی را تشکیل می‌دهد. این لایه کل کابل را در خود نگه می‌دارد، که می‌تواند صد ها فیبر نوری مختلف را شامل بشود. قطر یک کابل نمونه کمتر از یک اینچ مي باشد.

ارسال نور در فيبر نوري به چه صورت است؟

براي شرح اين قسمت با يك مثال شروع مي كنيم. اگر چراغ قوه اي داشته باشيم و در يك  راهرو بزرگ و مستقيم آن را روشن كنيم با توجه به عدم وجود خم و یا پیچ در راهرو، محدوده مورد نظر روشن می شود ولی اگر راهروی فوق دارای خم و یا پیچ باشد، در این حالت باید از یک آیینه در محل پیچ راهرو استفاده کنيم تا باعث انعکاس نور در راهرو گردد.

در صورتی که راهروی فوق دارای پیچ ‌های زیادی باشد، در چنین حالتی بايد از آینه ‌های متعددی استفاده کنيم. بدین ترتیب نور تابانده شده توسط چراغ قوه از نقطه ای به نقطه دیگر حرکت کرده و طول مسیر راهرو را روشن مي كند. اين مثال شبيه چیزی است که در فیبر نوری صورت مي گيرد.

نور در کابل فیبر نوری از طریق هسته ( مانند راهروی مثال ارائه شده) و توسط جهش ‌های پیوسته با توجه به سطح آبکاری شده (cladding) (مشابه دیوار های شیشه ای مثال ارائه شده) حرکت می کند. (مجموع انعکاس داخلی) و چون سطح آبکاری شده، قادر به جذب نور موجود در هسته نیست، نور قادر به حرکت در مسافت ‌های طولانی مي باشد.

 اما گاهی به دلیل خالص نبودن شیشه، برخی از سیگنال ‌های نوری در طول هسته ضعيف می شوند که این تضعیف به درجه خلوص شیشه و طول موج نور انتقالی بستگی دارد. (مثلاً اگر طول موج 1300 نانومتر باشد، بین 50 تا 60 درصد در هر کیلومتر ضعيف می شود و موج با طول 1550 نانومتر بیش از 50 درصد در هر کیلومتر ضعيف می شود.)

سيستم رله فيبر نوري

براي توضيح سيستم فيبر نوري نيز با  يك مثال خيلي معمولي شروع مي كنيم كه شايد همه آن را شنيده باشيم. فرض می کنیم دو ناوگان دریایی بر روی سطح دریا می خواهند با یکدیگر ارتباط برقرار کنند. یکی از ناو ها تصميم دارد پیامی را برای دیگری ارسال کند. بنابراین کاپیتان ناو فوق پیام را برای ملوان که بر روی عرشه کشتی مستقر است، ارسال می کند.

 ملوان فوق پیام دریافتی را به مجموعه ای از کد های مورس (نقطه و فاصله) ترجمه می نماید و با استفاده از یک نورافکن آن را برای ناو دیگر ارسال می نماید. ملوان بر روی عرشه کشتی دوم، کد های مورس را مشاهده می نماید و آن‌ها را به یک زبان خاص (مثلاً انگلیسی) تبدیل می کند و برای کاپیتان ناو ارسال می کند. به اين ترتيب با  يكديگر ارتباط برقرار مي كنند.

به اين صورت اگر فاصله دو ناو فوق از یکدیگر بسیار زیاد (هزاران مایل) باشد، برای برقراری ارتباط بین آن ‌ها از یک سیستم مخابراتی مبتنی بر فیبر نوری استفاده خواهد شد.

يك سيستم نوري از چه اجزايي تشكيل شده است؟

تا اين قسمت از مقاله متوجه شديم فيبر نوري چيست و چگونه عمل مي كند. اين سيستم مانند هر سيستم ديگر داراي اجزايي و عناصري مي باشد. سیستم رله فیبر نوری از عناصر زیر تشکیل شده است:

فرستنده: مسئول تولید و رمز نگاری سیگنال‌ های نوری مي باشد.

بازتاب نوری: به منظور تقویت سیگنال ‌های نوری در مسافت‌ های طولانی استفاده می شود.

دریافت کننده نوری: سیگنال ‌های نوری را دریافت و رمز گشایی می كند.

فرستنده: مثال كشتي و ملوان را بياد بياوريم، وظیفه فرستنده، مشابه نقش ملوان بر روی عرشه کشتی ناو فرستنده پیام مي باشد. فرستنده سیگنال ‌های نوری را دریافت مي كند و دستگاه نوری را به منظور روشن و خاموش شدن در یک دنباله مناسب (حرکت منسجم) هدایت می نماید. فرستنده از لحاظ فیزیکی در مجاورت فیبر نوری قرار دارد و ممکن است دارای یک لنز به منظور تمرکز نور در فیبر باشد. متداول ‌ترین طول موج سیگنال ‌های نوری 850 نانومتر، 1300 نانومتر و 1550 نانومتر مي باشد.

بازتاب (تقویت کننده) نوری: نقش تقويت كننده هاي نوري، برای جلوگیری از تضعیف و از بین رفتن سیگنال ‌های نوری مي باشد. كه از يك يا چندتاي آن ها استفاده مي شود. تقویت کننده نوری از فیبر های نوری متعدد به همراه یک روکش خاص تشکیل می گردند. بخش دوپینگ با استفاده از یک لیزر پمپ می گردد. زمانی که سیگنال تضعیف شده به روکش دوپینگی می رسد، انرژی حاصل از لیزر باعث می شود که مولکول ‌های دوپینگ شده، به لیزر تبدیل شوند. مولکول ‌های دوپینگ شده در ادامه باعث انعکاس یک سیگنال نوری جدید با قدرت بيشتر مي شوند. منتها همان خصوصيات سيگنال ورودي ضعيف شده را دارند.

دریافت کننده نوری : دريافت كننده نوري نيز مشابه مثال كشتي و ملوان، وظیفه دریافت کننده ، مانند نقش ملوان بر روی عرشه کشتی ناو دریافت کننده پیام مي باشد. دستگاه فوق سیگنال ‌های دیجیتالی نوری را اخذ و پس از رمزگشایی، سیگنال ‌های الکتریکی را برای سایر استفاده کنندگان (کامپیوتر، تلفن و …) ارسال می كند. دریافت کننده به منظور تشخیص نور از یک ” فتوسل“ و یا ”فتودیود“ استفاده می کند.

محدوديت هاي فيبرهاي نوري

فيبرهاي نوري با داشتن مزيت هاي زياد محدوديت هاي نيز دارند كه نقاط ضعف ان ها محسوب مي شود.

1. هنگام كابل كشي بسيار بايد دقت كرد.
2. در صورت گذشتن زاويه فيبر از يك حد معين امكان شكستن وجود دارد.
3. ميزان كشش براي فيبر هاي با ظرفيت مختلف محدود مي باشد.
4. در برابر ضربه براي فيبر هايي كه از درون حوضچه مي گذرند بايد كاملا محافظت شوند.

انوع فيبر هاي نوري

فیبرهای نوری به طور كلي به دو دسته تقسیم می شوند :

• تک حالتی single-mode
• چند حالتی multi-mode

فیبر سینگل مود، یک سیگنال نوری را در هر زمان انتشار می‌دهد. (نظیر تلفن) فیبر های تک حالته دارای یک هسته کوچک (تقریباً 9 میکرون قطر) مي باشند و قادر به ارسال نور لیزری مادون قرمز (طول موج از 1300 تا 1550 نانو متر) هستند

فیبر مالتی مود، می‌تواند صد ها حالت نور را به طور هم‌ زمان انتقال بدهد. (نظیر شبکه‌های کامپیوتری). فیبر های چند حالته دارای هسته بزرگتر (تقریباً 62.5 میکرون قطر) مي باشند و قادر به ارسال نور مادون قرمز از طریق LED هستند.

قطر فيبر و روش اندازه گيري آن

قطر فیبر به صورت عددی اعشاری اعلام مي شود. شبیه 60/130 میکرون نمایش داده می شود که 60 نمایانگر قطر core است و 130 نمایانگر قطر Buffer Coating است. مشخصه  Cladding   در اندازه گیری به حساب نمی آید.

انواع روكش هاي فيبر نوري

روكش هاي فيبر نوري با توجه به رنگ نوع آن مشخص مي شود. مثلا اگر روکش فیبر زرد بود، فیبر single mode و اگر نارنجی بود، فیبر multimode مي باشد.

كاربرد هاي فيبر نوري

فیبر نوری کاربردی های مختلف در دنیای امروزی دارد که به شرح زیر است

کاربرد در مخابرات: یکی از مرسوم ترین کاربرد های فیبر نوری انتقال اطلاعات توسط نور لیزر در مخابرات مي باشد.

کاربرد در حسگر ها: در سال هاي اخير استفاده از حسگر های فیبر نوری برای اندازه ‌گیری کمیت‌ های فیزیکی مانند جریان الکتریکی، میدان مغناطیسی، فشار، حرارت، جابجایی، آلودگی آب ‌های دریا، سطح مایعات، تشعشعات پرتو های گاما و ایکس محسوس مي باشد. در این نوع حسگر ها، از فیبر نوری به عنوان عنصر اصلی حسگر بهره‌ گیری می‌شود بدین ترتیب که ویژگی‌های فیبر تحت میدان کمیت مورد اندازه ‌گیری تغییر یافته و با اندازه شدت کمیت تأثیر پذیر می‌شود.

کاربرد های نظامی: فیبر نوری کاربرد های بی‌شماری در صنایع دفاع دارد که از آن جمله می‌توان برقراری ارتباط و کنترل با آنتن رادار، کنترل و هدایت موشک‌ ها، ارتباط زیردریایی ها (هیدروفون) را مثال زد.

کاربرد های پزشکی: فیبرنوری در تشخیص بیماری ‌ها و آزمایش های گوناگون در پزشکی کاربرد فراوان دارد که از آن جمله می‌توان دُزیمتری غدد سرطانی، شناسایی نارسایی ‌های داخلی بدن، جراحی لیزری، استفاده در دندانپزشکی و اندازه ‌گیری مایعات و خون نام برد. همچنین تار های نوری در دستگاه‌هایی به نام درون بین یا آندوسکوپ استفاده می‌شود تا به درون نای، مری، روده و مثانه فرستاده شود و درون بدن انسان به طور مستقیم قابل مشاهده باشد.

کاربرد فیبرنوری در روشنایی: در اواخر قرن بیستم فيبر نوري در سيستم هاي روشنايي توسعه و رشد پيدا كرده است همچنين به عنوان یک فناوری روشنایی متداول شده . در این فناوری نور از منبع نوری که می‌تواند نور مصنوعی (نورلامپهای الکتریکی) و یا نور طبیعی (نور خورشید) باشد 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 این است که فاقد الکتریسیته گرما و تشعشعات خطرناک ماورای بنفش بوده (نور خالص و بی خطر) و دیگر اینکه با این فناوری نور روز (بدون گرما و اشعه‌های ماورائ بنفش) را به داخل ساختمان ها و نقاط غیر قابل دسترسی به نور خورشید منتقل مي كنند.

فیبر نوری در ایران

تاريخچه فيبر نوري در ایران در اوایل دهه 60، نمود پيدا كرد. فعالیت ‌های پژوهشی در زمینه فیبر نوری برپایی مجتمع تولید فیبر نوری در پونک تهران را به دنبال داشت و در سال 1367، کارخانه تولید فیبر نوری در یزد به بهره برداری رسید. در سال 1373 تولید فیبر نوری با ظرفیت 50٫000 کیلومتر در سال در ایران آغاز شد. تا آنجايي كه فعالیت استفاده از کابل ‌های نوری در دیگر شهر های بزرگ ایران آغاز شد و قرار است در آینده نزدیک از طریق یک شبکه ملی مخابرات نوری به هم بپیوندند. در سال 1367 نخستین خط مخابراتی تار نوری بین تهران و کرج به کار افتاد.

اولین پروژه فیبرنوری با اجرای 700 کیلومتر کابل با 13 هزار کانال بین چندین مسیر با هزینه‌ای بالغ بر 40 میلیارد ریال بین سال های 69 تا 73 انجام شد. در برنامه دوم توسعه پروژه فیبرنوری با 11600 کیلومتر کابل با 620 هزار کانال بین شهری با هزینه 654 میلیارد ریال در سالهای 74 تا 78 به انجام رسید و نهایتاً در برنامه سوم توسعه 17850 کیلومتر تا 2 میلیون کانال با پروتکشن بین شهر های کشور با هزینه‌ای بالغ بر 1035 میلیارد در سال های 79 تا 83 اجرا شد