مبانی فیبر نوری فیبر نوری ، رشته ای از تارهای بسیار نازک شیشه ای بوده که قطر هر یک از تارها نظیر قطر یک تار موی انسان است . تارهای فوق در کلاف هائی سازماندهی و کابل های نوری را بوجود می آورند. از فیبر نوری بمنظور ارسال سیگنال های نوری در مسافت های طولانی استفاده می شود . یک فیبر نوری از سه بخش متفاوت تشکیل شده است : هسته (Core) . هسته نازک شیشه ای در مرکز فیبر که سیگنال های نوری در آن حرکت می نمایند. روکش (Cladding) . بخش خارجی فیبر بوده که دورتادور هسته را احاطه کرده و باعث برگشت نورمنعکس شده به هسته می گردد. بافر رویه (Buffer Coating) . روکش پلاستیکی که باعث حفاظت فیبر در مقابل رطوبت و سایر موارد آسیب پذیر ، است . صدها و هزاران نمونه از رشته های نوری فوق در دسته هائی سازماندهی شده و کابل های نوری را بوجود می آورند. هر یک از کلاف های فیبر نوری توسط یک روکش هائی با نام Jacket محافظت می گردند. فیبر های نوری در دو گروه عمده ارائه می گردند: - فیبرهای تک حالته (Single-Mode) . بمنظور ارسال یک سیگنال در هر فیبر استفاده می شود ( نظیر : تلفن ) - فیبرهای چندحالته (Multi-Mode) . بمنظور ارسال چندین سیگنال در یک فیبر استفاده می شود( نظیر : شبکه های کامپیوتری) فیبرهای تک حالته دارای یک هسته کوچک ( تقریبا" 9 میکرون قطر ) بوده و قادر به ارسال نور لیزری مادون قرمز ( طول موج از 1300 تا 1550 نانومتر) می باشند. فیبرهای چند حالته دارای هسته بزرگتر ( تقریبا" 5 / 62 میکرون قطر ) و قادر به ارسال نورمادون قرمز از طریق LED می باشند. ارسال نور در فیبر نوری فرض کنید ، قصد داشته باشیم با استفاده از یک چراغ قوه یک راهروی بزرگ و مستقیم را روشن نمائیم . همزمان با روشن نمودن چراغ قوه ، نور مربوطه در طول مسیر مستقیم راهرو تابانده شده و آن را روشن خواهد کرد. با توجه به عدم وجود خم و یا پیچ 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 صورتیکه راهروی فوق دارای خم و یا پیچ باشد ، با چه مشکلی برخورد خواهیم کرد؟ در این حالت می توان از یک آیینه در محل پیچ راهرو استفاده تا باعث انعکاس نور از زاویه مربوطه گردد. در صورتی که راهروی فوق دارای پیچ های زیادی باشد ، چه کار بایست کرد؟ در چنین حالتی در تمام طول مسیر دیوار راهروی مورد نظر ، می بایست از آیینه استفاده کرد. بدین ترتیب نور تابانده شده توسط چراغ قوه (با یک زاویه خاص) از نقطه ای به نقطه ای دیگر حرکت کرده ( جهش کرده و طول مسیر راهرو را طی خواهد کرد). عملیات فوق مشابه آن چیزی است که در فیبر نوری انجام می گیرد. نور، در کابل فیبر نوری از طریق هسته (نظیر راهروی مثال ارائه شده ) و توسط جهش های پیوسته با توجه به سطح آبکاری شده ( Cladding) ( مشابه دیوارهای شیشه ای مثال ارائه شده ) حرکت می کند.( مجموع انعکاس داخلی ) . با توجه به اینکه سطح آبکاری شده ، قادر به جذب نور موجود در هسته نمی باشد ، نور قادر به حرکت در مسافت های طولانی می باشد. برخی از سیگنا ل های نوری بدلیل عدم خلوص شیشه موجود ، ممکن است دچار نوعی تضعیف در طول هسته گردند. میزان تضعیف سیگنال نوری به درجه خلوص شیشه و طول موج نور انتقالی دارد. ( مثلا" موج با طول 850 نانومتر بین 60 تا 75 درصد در هر کیلومتر ، موج با طول 1300 نانومتر بین 50 تا 60 درصد در هر کیلومتر ، موج با طول 1550 نانومتر بیش از 50 درصد در هر کیلومتر) سیستم رله فیبر نوری به منظور آگاهی از نحوه استفاده فیبر نوری در سیستم های مخابراتی ، مثالی را دنبال خواهیم کرد که مربوط به یک فیلم سینمائی و یا مستند 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 دارد. ملوان فوق پیام دریافتی را به مجموعه ای از کدهای مورس ( نقطه و فاصله ) ترجمه می نماید. 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 ( مثلا" انگلیسی ) تبدیل و آنها را برای کاپیتان ناو ارسال می دارد. فرض کنید فاصله دو ناو فوق از یکدیگر بسار زیاد ( هزاران مایل ) بوده و بمنظور برقرای ارتباط بین آنها از یک سیتستم مخابراتی مبتنی بر فیبر نوری استفاده گردد. سیستم رله فیبر نوری از عناصر زیر تشکیل شده است : - فرستنده : مسئول تولید و رمزنگاری سیگنال های نوری است . - فیبر نوری : مدیریت سیگنال های نوری در یک مسافت را برعهده می گیرد. - تقویت کننده نوری : به منظور تقویت سیگنا ل های نوری در مسافت های طولانی استفاده می گردد. - دریافت کننده نوری : سیگنا ل های نوری را دریافت و رمزگشائی می نماید. در ادامه به بررسی هر یك از عناصر فوق خواهیم پرداخت . فرستنده وظیفه فرستنده، مشابه نقش ملوان بر روی عرشه كشتی ناو فرستنده پیام است . فرستنده سیگنال های نوری را دریافت و دستگاه نوری را بمنظور روشن و خاموش شدن در یك دنباله مناسب ( حركت منسجم ) هدایت می نماید. فرستنده ، از لحاظ فیزیكی در مجاورت فیبر نوری قرار داشته و ممكن است دارای یك لنز بمنظور تمركز نور در فیبر باشد. لیزرها دارای توان بمراتب بیشتری نسبت به LED می باشند. قیمت آنها نیز در مقایسه با LED بمراتب بیشتر است . متداولترین طول موج سیگنا ل های نوری ، ۸۵۰ نانومتر ، ۱۳۰۰ نانومتر و ۱۵۵۰ نانومتر است . بازیاب ( تقویت كننده ) نوری همانگونه كه قبلا" اشاره گردید ، برخی از سیگنال ها در مواردیكه مسافت ارسال اطلاعات طولانی بوده ( بیش از یك كیلومتر ) و یا از مواد خالص برای تهیه فیبر نوری ( شیشه ) استفاده نشده باشد ، تضعیف و از بین خواهند رفت . در چنین مواردی و بمنظور تقویت ( بالا بردن ) سیگنا ل های نوری تضعیف شده از یك یا چندین " تقویت كننده نوری " استفاده می گردد. تقویت كننده نوری از فیبرهای نوری متععدد بهمراه یك روكش خاص (doping) تشكیل می گردند. بخش دوپینگ با استفاده از یك لیزر پمپ می گردد . زمانیكه سیگنال تضعیف شده به روكش دوپینگی می رسد ، انرژی ماحصل از لیزر باعث می گردد كه مولكول های دوپینگ شده، به لیزر تبدیل می گردند. مولكول های دوپینگ شده در ادامه باعث انعكاس یك سیگنال نوری جدید و قویتر با همان خصایص سیگنال ورودی تضعیف شده ، خواهند بود.( تقویت كننده لیزری) تقویت کننده نوری همانطور که قبلا هم به آن اشاره شد، نور حین عبور از فیبر ضعیف میشود. (مخصوصا در فواصل طولانی بیش از نیم مایل یا حدود یک کیلومتر مثلا در کابلهای زیر دریا) بنابرین یک یا بیش از یک تقویت کننده نوری در طول کابل بسته میشوند تا نور ضعیف شده را تقویت کنند. یک تقویت کننده نوری دارای فیبرهای نوری با پوشش ویژه ای است. نور ضعیف شده پس از ورود به این تقویت کننده تحت تاثیر این پوشش خاص و نیز نور لیزری که به این پوشش تابیده میشود تقویت میشود. ملکولهای موجود در این پوشش ویژه با تابش لیزر به آنها، سیگنال نوری جدید و قوی تولید میکنند که مشخصات آن مشابه نور ورودی به تقویت کننده است. درواقع تقویت کننده نوری یک آمپلی فایر لیزری برای نور ورودی به آن است. دریافت كننده نوری وظیفه دریافت كننده ، مشابه نقش ملوان بر روی عرشه كشتی ناو دریافت كننده پیام است. دستگاه فوق سیگنال های دیجیتالی نوری را اخذ و پس از رمزگشائی ، سیگنا ل های الكتریكی را برای سایر استفاده كنندگان ( كامپیوتر ، تلفن و ... ) ارسال می نماید. دریافت كننده بمنظور تشخیص نور از یك "فتوسل" و یا "فتودیود" استفاده می كند.
فیبر نوری چیست ؟(بخش دوم) مزایای فیبر نوری فیبر نوری در مقایسه با سیمهای فلزی مرسوم (سیمهای مسی)، دارای این مزایا است: ارزان تر بودن: فیبر نوری بطول چندین مایل از سیم مسی با همین طول ارزانتر است. این قیمت مناسب باعث میشود که بتوانید تلویزیون کابلی یا اینترنت را هر جایی در اختیار داشته باشید و در هزینههای شما نیز صرفه جویی میگردد. نازکتر بودن و ظرفیت انتقال بالاتر: فیبرنوری با ضخامتی کمتر از ضخامت سیم مسی تولید میگردد و این مزیت بزرگی است. از آنجا که فیبرنوری نازکتر از سیمهای مسی است، بنابراین در کابلی با قطر معلوم تعداد فیبرنوری بیشتری جا میگیرد تا سیم مسی. پس این امکان فراهم میشود که از کابلی با قطر مشابه تعداد خطوط تلفن بیشتر یا تعداد کانالهای تلویزیونی بیشتری عبور داده شود. تضعیف کمتر سیگنال: سیگنال عبوری از فیبرنوری نسبت به سیگنال عبوری از سیم مسی کمتر تضعیف میگردد. سیگنال های نوری: برخلاف سیگنالهای الکتریکی در سیمهای مسی که با سیگنالهای عبوری از کابلهای نزدیک تداخل میکنند، سیگنالهای نوری در فیبرنوری حتی با سیگنالهای عبوری از فیبری که در همان کابل است تداخل ندارند. بنابراین صدا در مکالمات تلفنی واضح تر منتقل میگردد و کانال های تلویزیونی هم بهتر دریافت میشوند. کم مصرف بودن: از آنجا که سیگنالها در فیبرنوری کمتر ضعیف میشوند، بنابراین فرستندههای کم مصرف تری نسبت به فرستندههای با ولتاژ بالا در سیمهای مسی نیاز است. این مزیت باز هم باعث صرفه جویی در هزینهها میشود. سیگنالهای دیجیتال: بهترین و اصلی ترین کاربرد فیبر نوری انتقال اطلاعات دیجیتال است که بخصوص برای شبکههای کامپیوتری مفید است. اشتعال ناپذیری: چون هیچ الکتریسیته ای از فیبرنوری عبور نمیکند، خطر اشتعال هم وجود ندارد. سبک بودن: فیبرنوری درمقایسه با سیم مسی وزن کمتری دارد و فضای کمتری را اشغال میکند. بخاطر وجود این مزایاست که شما فیبرنوری را در بسیاری از صنایع، در ارتباطات برجسته امروزی و شبکه های کامپیوتری میبینید. مثلا اگر از آمریکا به اروپا تلفن بزنید (یا برعکس)، و این ارتباط از طریق یک ماهواره مخابراتی انجام شود، اغلب میشنوید که صدا دچار تکرار و انعکاس میشود. ولی باوجود فیبرنوری ارتباط شما مستقیم و بدون پژواک است. فیبرنوری چگونه ساخته میشود؟ فیبرنوری از شیشه شفاف بسیار خالص ساخته میشود. اگر شیشه پنجره را بعنوان محیطی شفاف که نور را از خود عبور میدهد در نظر بگیریم، بدلیل وجود ناخالصیها در شیشه، نور بطور کامل و بدون تغییر عبور نمیکند. بهرحال شیشه ای که در ساخت فیبرنوری بکار میرود، نسبت به شیشه بکار رفته برای پنجره ناخالصیهای بسیار کمتری دارد. توصیف یک شرکت تولید کننده فیبرنوری از شیشه ای که برای ساخت آن بکار میرود اینگونه است: اگر روی سطح اقیانوسی از شیشه بکار رفته در ساخت فیبرنوری بایستید، میتوانید عمق چندین مایلی آنرا بوضوح ببینید. برای ساخت فیبرنوری بایستی مراحل زیر طی شود: 1. ساخت یک استوانه شیشه ای از پیش تعین شده 2. کشیدن فیبر از استوانه آماده شده 3. آزمایش فیبرهای تولید شده 4. ساخت استوانه شیشهای 5. شیشه مورد استفاده برای ساخت استوانه طی روندی موسوم به MCVD یا رسوب سازی تعدیل شده شیمیایی با بخار تولید میشود. 6. در روش MCVD اکسیژن از میان محلول کلراید سیلیکون (SiCl4)، کلراید ژرمانیوم (GeCl4) و دیگر مواد شیمیایی میجوشد. 7. این مخلوط بسیار دقیق و حساب شده، ویژگیهای فیزیکی و اپتیکی گوناگونی دارد. ( ازجمله ضریب شکست، ضریب انبساط، نقطه ذوب و ... ) معایب فیبر نوری • این نوع رسانه برای شبكههای معمولی و كوچك بسیار پر هزینه است. • نصب فیبرهای نوری كاری دشوار است. • برای نصب فیبرهای نوری و تجهیزات آن به افراد متخصص نیاز است. اما در نصب سیمهای مسی تقریبا اكثر افرادی كه آشنایی كمی در این زمینه دارند میتوانند آنها را نصب كنند. • برای نصب فیبرهای نوری دقت بسیار زیادی مورد نیاز است. حتی برای قطع كردن آن. زیرا در این صورت زاویه شكست نور تغییر می كند و روند انتقال داده ها دچار اختلال می شود. • یكی از اصلیترین اشكالات فیبرهای نوری شكننده بودن فیبر داخل كابل است. در صورت خم كردن بیش از اندازه سیم، فیبر مورد نظر شكسته و دیگر آن كابل به درد نمی خورد. در صورتی كه سیمهای مسی را هر چقدر كه دوست دارید میتوانید تا كنید.
