فیبر نوری چیست و چگونه کار میکند؟
مدتی است که فیبر نوری (Fiber Optics) وارد زندگی ما شده و تغییرات فوق‌العاده‌ای را در حوزه‌های مختلف رقم زده است. ارتباطات و انتقال اطلاعات به کمک آن آسان شده است و برای حوزه تجارت مهم و ضروری تلقی شده است. با این وجود آیا تا کنون به این موضوع فکر کرده‌اید که فیبر نوری چیست؟ چگونه کار میکند؟ چه انواعی دارد و مزایا و معایب به کارگیری آن چه هستند؟
با ما همراه باشید! در این مطلب به معرفی این تکنولوژی ضروری در جهان امروز، خواهیم پرداخت.
فیبر نوری چیست؟
فیبر نوری به تکنولوژی گفته می‌شود که اطلاعات را به شکل پالس‌های نور (و برای فواصل طولانی) در امتداد رشته‌های فیبر ساخته شده از شیشه یا پلاستیک منتقل میکند.
یک کابل فیبر نوری می‌تواند از تعداد متفاوتی- بین چند تا چند صد- فیبر شیشه‌ای تشکیل شده باشد. بر روی هسته فیبر شیشه‌ای، لایه شیشه‌ای دیگری به عنوان روکش (cladding) برای جلوگیری از خروج نور از داخل هسته قرار می‌گیرد و آن را پوششی محافظ به نام بافر (buffer) احاطه میکند و در انتها بر روی این بخش از فیبر نوری، پوشش کابل به عنوان لایه محافظ نهایی قرار می‌گیرد.
این نوع کابل‌ها به سبب مزایای آن نظیر سرعت انتقال بالاتر و پهنای باند بیشتر نسبت به کابل‌های مسی پرطرفدارتر بوده و بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرند و برای شبکه‌های انتقال داده در مسافت‌های طولانی همچون اینترنت، تلویزیون و تلفن عالی گفته شده‌اند. به عنوان نمونه شرکت ورایزن که درصد قابل توجهی از پهنای باند جهانی اینترنت را تامین میکند برای سرویس Verizon Fios و شرکت گوگل برای سرویس گوگل فایبر خود که اینترنت را با سرعت یک گیگا بایتی ارائه میکند از فیبر نوری استفاده می‌کنند.
فیبر نوری چگونه کار میکند؟
پس از معرفی فیبر نوری نوبت به بیان نحوه کار این نوع فیبر پرکاربرد می‌رسد. فیبر نوری داده‌ها را به صورت فوتون (ذرات نور فوتون نام دارند) منتقل میکند. هسته الیاف شیشه‌ای و روکش (cladding) هر یک ضریب شکست مشخصی دارند. این ضریب شکست‌ها باعث می‌شوند تا نور ورودی از منبع نور در یک زاویه معین خم شود.
زمانی‌که سیگنال‌های نوری به کمک کابل فیبر نوری ارسال می‌شوند، به دنبال فرآیندی که بازتاب کلی داخلی نام دارد، از هسته و روکش در یک سری پرش‌های زیگزاگ مانند منعکس می‌گردند (به دلیل ضریب شکست بالا شیشه نسبت به هوا نور در داخل فیبر بازتاب شده و خارج نمی‌شود).
سیگنال‌های نوری به جهت متراکم‌تر بودن لایه‌های شیشه‌ای با سرعتی که سی درصد کمتر از سرعت نور است مسیر را طی می‌کنند.
در طول مسیر انتقال داده ممکن است سیگنال تضعیف شود از این رو نیاز به تجدید و تقویت دارد به همین دلیل گاهی نیاز است از تقویت کننده‌ها (Repeater) در طول مسیر استفاده شود. این تقویت کننده‌ها سیگنال نوری را دریافت، آن را به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کنند، سپس سیگنال الکتریکی را پردازش کرده و به صورت سیگنال نوری در مسیر قرار می‌دهند.
فیبر نوری در حال حاضر از سیگنال‌هایی با سرعت ده گیگابیت بر ثانیه پشتیبانی میکند و هر چه پهنای باند افزایش پیدا کند گران‌تر خواهد بود.
اجزای کابل فیبر نوری
کابل فیبر نوری از پنج جزء اصلی تشکیل شده است: هسته (Core)، روکش فلزی (Cladding)، پوشش (Coating)، الیاف تقویت کننده (Strengthening Member) و رویه کابل (Cable jacket).
1. هسته (Core)، هدایت کننده نور به وسیله پدیده بازتاب داخلی کلی
سیگنال‌های نوری از یک منبع نور متصل به یک دستگاه گیرنده توسط هسته با روبرویی با پدیده بازتاب کلی داخلی منتقل می‌شوند. هسته یک رشته واحد از شیشه یا پلاستیک با خلوص بالا است که قطر آن بین 9 تا 62.5 میکرومتر (کمتر از قطر موهای انسان) متغیر است. هرچه هسته بزرگتر باشد، سرعت انتقال داده بالاتر است.
2. روکش فلزی (Cladding)، با ضریب شکنندگی متفاوت نسبت به هسته
روکش فلزی این کابل برای اولین با توسط دانشمند هلندی، برام فان هیل کشف شد. این لایه نازک که بر روی هسته قرار دارد و به عنوان مرز حاوی امواج نور عمل میکند، داده‌ها را قادر می‌سازد تا در طول فیبر عبور کنند. جنس شیشه‌ای روکش فیبر نوری، ضریب شکنندگی کمتری نسبت به هسته دارد و قطر بیرونی آن در حدود 125 میکرون است.
3. پوشش (Coating)، تقویت کننده قدرت هسته
این پوشش پلاستیکی بر روی روکش قرار گرفته و وظیفه تقویت هسته فیبر به کمک جذب شوک‌ها و محافظت مکانیکی بیشتر در برابر خم شدن بیش از حد کابل را بر عهده دارد. با این حال هیچ تاثیری در خاصیت هدایت امواج نوری ندارد. در ساختار فیبر نوری، پوشش از 2 لایه که معمولا به عنوان لایه های اولیه و ثانویه شناخته می‌شوند، تشکیل می‌شود.
4. تقویت کننده الیاف (Strengthening Member)، محافظت از کابل به هنگام نصب
این بخش از ساختار فیبر نوری معمولا از رشته‌های سیم فولادی، نخ آرامید و یا کولار ساخته می‌شوند. تقویت کننده الیاف به محافظت از هسته در برابر فشار بیش از حد و جلوگیری از جداسازی هنگام نصب کمک می‌کنند.
5. رویه کابل (Cable jacket) به عنوان محافظ بیرونی
وظیفه لایه بیرونی، محافظت از کابل مقابل خطرات زیست محیطی است. حفاظت از کابل در برابر گازها، آب و سایر مایعاتی که ممکن است کابل در معرض آن‌ها قرار بگیرید، بر عهده رویه کابل است. مقاومت در برابر آتش رویه کابل، ویژگی دیگری است که سبب مصونیت فیبر نوری می‌شود.
انواع کابل فیبر نوری
اگر چه انواع مختلفی از کابل‌های فیبر نوری بر اساس نوع فیبر، ساختار و مواد آن و تعداد فیبرهای موجود، تولید و برای استفاده به بازار عرضه می‌شوند اما فیبر تک حالته (Signal Mode) و فیبر چند حالته (Multi Mode) دو نوع اصلی می‌باشند:
فیبر تک حالته (Single Mode)
فیبر نوری تک حالته به دلیل آن‌که قطر هسته فیبر شیشه‌ای آن کم است و حدود 9 میکرون می‌باشد برای مسافت‌های طولانی مناسب‌تر است چرا که قطر کوچک هسته امکان ضعیف شدن و کاهش قدرت سیگنال را کم میکند. در واقع دهانه کوچک نور را به صورت پرتویی یکتا بیرون می‌دهد و مسیر مستقیم‌تری را ارائه خواهد داد که همین امر باعث می‌شود تا مسافت بیشتری در حدود چند ده کیلومتر را طی نماید. این نوع فیبر نسبت به فیبر چند حالته پهنای باند بیشتر دارد و منبع نور مورد استفاده عموما لیزر است.
ناگفته نماند که این فیبر به سبب نیاز به محاسبات دقیق‌تر تولید نور لیزر در دهانه کوچک، گران‌تر است.
فیبر چند حالته (Multi Mode)
فیبر چند حالته برای مسافت‌های کوتاه‌تر مورد استفاده قرار می‌گیرد. این نوع فیبر نسبت به فیبر تک حالته دهانه بزرگ‌تری در حدود 63 میکرون دارد و این امر باعث می‌شود سیگنال‌های نور تابیده شده از هسته در طول مسیر بیشتر منعکس شوند.
قطر بزرگ دهانه این اجازه را می‌دهد که چندین پالس نور به وسیله کابل در یک زمان فرستاده شود که همین ارسال همزمان منجر به انتقال حجم بیشتر داده می‌شود. البته قطر دهانه بزرگ احتمال از بین رفتن سیگنال، کاهش یا تداخل را افزایش می‌دهد. ناگفته نماند که این نوع از کابل‌ها از LED برای ایجاد پالس نور کمک می‌گیرند.
فیبر نوری یا کابل مسی کدام یک؟!
زمانی‌که شبکه‌ای به اتصالات راه دور، سرعت بالا یا پهنای باند زیاد نیاز دارد بدون هیچ سوالی اولین و آخرین انتخاب کابل فیبر نوری خواهد بود. اگر چه کابل‌های مسی برای سال‌های متمادی انتخاب نخست و سنتی برای مخابرات، شبکه و در کل اتصالات کابلی بوده‌اند اما با گذر زمان این کابل جایگزین و استفاده از آن رایج شد، به گونه‌ای که امروزه اکثر خطوط شرکت‌های تلفن ساخته شده از کابل‌های فیبر نوری هستند.
در حقیقت این کابل به دلیل برخورداری از پهنای باند بالا، سرعت زیاد، ارسال داده بیشتر و خرابی سیگنال کمتر به سبب عدم تداخل الکترومغناطیسی (شیشه هدایت‌گر جریان الکتریسیته نیست ) محبوب‌تر است.
مزایا و معایب استفاده از کابل‌های فیبر نوری
ویژگی‌های مثبت این کابل‌ها سبب شده تا این تکنولوژی نوظهور جای کابل‌های مسی را در برقراری ارتباطات در مسافت‌های طولانی بگیرند. در مقاله مزایا و معایب فیبر نوری می‌توانید بیشتر مطالعه کنید. برخی از مزایای این کابل‌ها نسبت به کابل‌های مسی عبارتند از:
- پشتیبانی از ظرفیت پهنای باند بیشتر
- نور می‌تواند مدت زمان بیشتری بدون نیاز به تقویت سیگنال به مسیر خود ادامه دهد
- کمتر دچار تداخل می‌شود
- کابل‌های فیبر نوری در محیط‌های پر ریسک بیشتری در مقایسه با کابل‌های مسی قابل استفاده هستند
- نسبت به کابل‌های مسی قوی‌تر، باریک تر و سبک تر هستند
- نیازی به نگهداری یا تعویض مکرر ندارند
با وجود تمام مزایای ذکر شده، به کار بردن کابل فیبر نوری معایبی نیز دارد که کاربران باید قبل از استفاده، از آن‌ها اطلاع داشته باشند. این معایب عبارتند از:
- گران بودن نسبت به کابل مسی
- جنس شیشه‌ای کابل نسبت به مس نیاز به محافظت بیشتری دارد
- کابل کشی فیبر نوری پیچیده‌تر است
- این نوع کابل‌ها اغلب شکننده‌تر هستند
کاربردهای فیبر نوری در صنایع مختلف
پیش از نیم قرن از پیدایش فیبر نوری و تحولی که در دنیای ارتباطات و شبکه ایجاد شده است می‌گذرد. در طی این چند دهه و به دلیل مزیت‌های بسیاری که این نوع کابل‌ها دارند در حوزه‌های مختلفی به کار گرفته شده و جایگزین کابل‌های مسی شده‌اند.
این کابل‌ها در ابتدا در دهه 1950 برای آندوسکوپی بدن انسان با هدف کمک به پزشکان برای مشاهده داخل بدن بیمار بدون نیاز به عمل جراحی بزرگ مورد استفاده قرار گرفتند. در دهه 1960 مهندسان تلفن راهی برای استفاده از همان فناوری برای انتقال و دریافت تماس تلفنی با سرعت نور پیدا کردند. امروزه فناوری فیبر نوری کاربردهای گوناگونی دارد که به مهمترین آن‌ها اشاره می‌کنیم.
اینترنت و تلویزیون‌های کابلی
از رایج‌ترین کاربردهای فیبر نوری استفاده از آن در دو حوزه اینترنت، و تلویزیون‌های کابلی (CATV) برای انتقال سیگنال است. فیبر نوری را می‌توان برای پشتیبانی از اتصالات راه دوری که میان شبکه‌های کامپیوتری وجود دارند به کار گرفت. در واقع کابل‌های فیبر نوری به جهت انعطاف پذیرتر بودن، سبک‌تر و کم حجم‌تر بودن نسبت به کابل‌های مسی و قدرت بالایی که در انتقال حجم زیاد داده با سرعت بسیار دارند برای اینترنت بهترین گزینه به شمار می‌روند.
شبکه‌های کامپیوتری
به جهت توانایی فیبر نوری در انتقال داده‌ها و ارائه کردن پهنای باند بالا، استفاده از آن در امور مرتبط با شبکه‌های کامپیوتری از متداول‌ترین کاربردهای این نوع کابل است.
ناگفته نماند که از این نوع کابل به دلایلی مشابه با شبکه‌های کامپیوتری، در جهت ارائه اتصالات و عملکرد بهتر در دو حوزه صدا و سیما و الکترونیک استفاده می‌شود.
پزشکی
کابل‌های فیبر نوری به طور گسترده در حوزه علوم پزشکی استفاده می‌شوند. برخی از استفاده‌های این تکنولوژی در پزشکی عبارتند از:
- استفاده در تجهیزات پزشکی برای سیستم‌های روشنایی
- کمک گرفتن از این نوع کابل‌ها برای روش‌های کم تهاجمی پزشکی نظیر آندوسکوپی(استفاده از روشنایی ایجاد شده به وسیله فیبر نوری در داخل بدن برای مشاهده اجزاء)
- جراحی لیزری با فعال نمودن حسگرهای زیست پزشکی
- استفاده در تصویربرداری پزشکی نظیر ام آر ای یا تصویر برداری اشعه ایکس (به دلیل عدم وجود تداخل امواج الکترومغناطیسی روی فیبر نوری)
- به کارگیری آن در نور درمانی
- استفاده از این کابل در ساخت میکروسکوپ جراحی
تماس تلفنی
همیشه بشر از دیرباز به دنبال ارتباط از راه دور در سریع‌ترین زمان ممکن بوده است. تماس تلفنی داخلی و یا با خارج کشور در قدیم هرگز به راحتی امروز نبود. در کنار تمام قابلیت‌های ریز و درشتی که کابل‌های فیبر نوری برای زندگی انسان‌ها به ارمغان آورده‌اند، استفاده از فیبر نوری ارتباط تلفنی سریع و بدون تاخیری را فراهم ساخته که آرزوی قدیمی زندگی اجتماعی بدون مرز را محقق میکند.
حوزه نظامی و فضایی
با وجود نیاز به امنیت بالای داده در برنامه‌های نظامی و هوا فضا، کابل‌های فیبر نوری راه حل ایده آلی برای انتقال داده در این حوزه به شمار می‌روند. برقراری ارتباط با آنتن رادارها و زیردریایی‌ها، هدایت و کنترل موشک‌ها از جمله مهمترین دستاوردهایی است که به لطف این تکنولوژی نوظهور صنعت نظامی و فضایی دنیا توسعه پیدا کرده است.
محیط‌های زیر دریا
از مزایایی که برای کابل فیبر نوری بیان شد، غوطه‌ور شدن این نوع کابل‌ها در آب است. از این رو برای محیط و تجهیزات زیر دریا که تعویض مداوم کابل به جهت آسیب رسیدن به آن سخت است، بهترین کابل انتقال اطلاعات و ارتباطات به شمار می‌رود.
فیبر نوری بهترین جایگزین کابل‌های مسی
کابل‌های فیبر نوری سرعت انتقال داده بسیار بالایی دارند و در مقایسه با کابل‌های مسی از پهنای باند بسیار بالاتری پشتیبانی می‌کنند. انتقال اطلاعات از طریق نور در این فناوری، اختلال ارتباطی را به حداقل می‌رساند و باعث می‌شود نور بدون نیاز به تقویت سیگنال به راه خود ادامه دهد. بنابراین استفاده از این کابل‌ها می‌تواند جایگزین مناسبی برای کابل‌های قدیمی مسی باشد. در انتهای مقاله پیشنهاد می‌کنیم برای استفاده از خدمات شبکه رایکانت با شماره های اعلام شده در سایت تماس حاصل کنید. همکاران ما آماده پاسخگویی و راهنمایی شما هستند.
