فناوری فیبر نوری؛ نقش و کاربرد های آن در زندگی امروز

فیبر نوری

فیبر نوری رشته های بلند و نازکی از شیشه (سیلیس خالص) یا پلاستیک است که اطلاعات یا داده ها را از طریق پالس های نور انتقال می دهد. فیبر نوری نور را در طول رشته برای شبکه های داده ای در مسافت های طولانی و کارایی بالا انتقال می دهد و در خدمات ارتباطی از راه دور مانند اینترنت، تلویزیون و تلفن کاربرد دارد. فیبر نوری دارای پهنای باند بالاتر، سرعت بیشتر بوده و قدرت انتقال داده های زیادی نسبت به سیم های مسی دارد. 

رشته های فیبر نوری که به وسیله روکش های در کنار هم قرار می گیرند، کابل های فیبر نوری را تشکیل می دهند. این کابل ها حاوی تعداد زیادی از فیبر های نوری هستند، که گاهی به چند صد ها می رسد. همچنین این کابل ها به شکل غیر فلزی هستند؛ به همین دلیل تداخل های الکترومغناطیسی در آن صورت نمی گیرد. کابل های فیبر نوری قابلیت حمل اطلاعات تا 65000 برابر بیشتر از کابل های مسی را دارد. همچنین این کابل ها از سیگنال های 10 گیگابایت بر ثانیه پشتیبانی می کنند.

نحوه کارکرد فیبر نوری

نور موجود در فیبر نوری از قسمت های داخلی کابل ها خارج نمی شود و داخل آن باقی می ماند؛ دلیل این امر شیشه ای بودن جنس قسمت های داخلی یا دیواره های کابل فیبر نوری می باشد. نور فیبر از دیوارها به صورت مکرر منعکس می شود و با سرعت حرکت می کند. اگر برخورد نور با دیواره ها با زاویه کم عمق یعنی کمتر از 42 درجه باشد، نور دوباره به داخل بازتاب داده می شود. در این حالت شیشه مانند آیینه عمل می کند، که عمل بازتاب داخلی کامل صورت می گیرد. این بازتاب داخلی نور در کابل فیبر نوری استفاده می شود؛ بازتاب داخلی یکی از دلایلی است که مانع خروج نور می شود.

ساختار کابل های فیبر نوری

اجزای تشکیل دهنده فیبر نوری عبارت از :

هسته (Core) : در هسته معمولا از جنس شیشه گاهی هم برای برد های کوتاه از جنس پلاستیک استفاده می شود. هسته در داخلی ترین قسمت یعنی در مرکز فیبر نوری قرار دارد. نقش هسته در فیبر نوری انتقال سیگنال های نوری می باشد.

روکش (Cladding)  : روکش (از جنس شیشه یا پلاستیک) اندازه 125 میکرون دارد، و مانع فرار نور از قسمت هسته می شود؛ در واقع روکش نور را در داخل هسته هدایت می کند. روکش ضریب شکست کمتری نسبت به هسته دارند که تقریبا 1 درصد می باشد.

بافر یا محافظ (Buffer Coating) : پوشش پلاستیکیکه بر روی روکش یاCladding قرار می گیرد. این روکش پلاستیکی از دو قسمت داخلی یعنی هسته و روکش محافظت می کند.

روکش خارجی (Outer Jacket) : روکش یا پوشش بیرونی فیبر نوری را از آسیب و رطوبت محافظت می کند. به صورت کلی اجزای فیبر نوری اطلاعات را از طریق نور انتقال می دهند و سیگنال ها را به وسیله فیبر منتشر می کنند. پوشش بیرونی دارای ضریب شکست بالاتری نسبت به هسته و روکش دارد؛ چون باعث شکستن نور در روکش می شود.

انواع فیبر نوری

فیبر نوری دارای انواع مختلفی براساس مواد تشکیل دهنده، تعداد حالت ها و مشخصات ضریب شکست می باشد.

فیبر نوری براساس مواد تشکیل دهنده

از نظر مواد تشکیل دهنده فیبر نوری از جنس شیشه ای (شیشه ای بسیار نازک) و جنس پلاستیکی ساخته شده است.

• فیبر نوری شیشه ای : جنس این فیبر نوری از شیشه ای است که قابلیت انعطاف پذیری خیلی کمی دارد. این نوع فیبر شیشه ای در برابر گرما و مواد شیمیایی مقاوم می باشد. همچنین فیبر شیشه ای هم برای ارتباطات راه دور با برد کوتاه ​​(چند حالته) و هم ارتباطات با برد های بلند (تک حالته) کاربرد دارد.
• فیبرنوری پلاستیکی : فیبر پلاستیکی از ماده اصلی پلی متیل متاکریلات برای انتقال نور استفاده می کند. این نوع فیبر برای مصرف خانگی مناسب است. همچنین در تجهیزات پزشکی و دستگاه های لیزر مو قابل استفاده می باشد. برای ارتباطات یا شبکه های با برد کوتاه هم موثر است.

براساس تعداد حالت یا نحوه انتشار نور

فیبر نوری دارای دو حالت اصلی فیبر تک حالته و فیبر چند حالته می باشد. در فیبر نوری حالت به مسیری گفته می شود که نور در آن حرکت می کند.

• فیبر تک حالته (Single-Mode) : فیبر نوری تک حالته دارای هسته کوچک معادل 8.3 تا 10 میکرون است، نور فقط از یک مسیر و به شکل مستقیم از قسمت وسط عبور می کند. به دلیل پهنای باند بالاتر برای شبکه های از راه دور بسیار مناسب تر است. منبع نور در فیبر تک حالته در بیشتر مواقع لیزر می باشد. این نوع فیبر نوری به دلیل محاسبات دقیق تری که برای تولید نور لیزر در هسته کوچکتر انجام می دهد، هزینه بیشتری ایجاد می کند. این نوع فیبر چون دارای یک حالت و بازتاب نور کمتری دارد؛ امکان ضعیف شدن سیگنال در آن کم تر است. از فیبر تک حالت در تلفن، اینترنت و سیگنال های تلویزیون های کابلی استفاده می شود. برای مسافت های طولانی یعنی بیش از 100 کیلومتر (60 مایل) مناسب می باشد.

• فیبر چند حالته (Multi-Mode) : اندازه هسته در فیبر چند حالته به 50 تا62.5  میکرون می رسد، که به سیگنال های نور این امکان را می دهد که چندین مسیر برای عبور داشته باشند. هر فیبر نوری در فیبر چند حالته 10 برابر بزرگتر از فیبر نوری تک حالته است. هسته بزرگتر در این نوع فیبر قادر خواهد بود، در یک زمان تعداد زیادی پالس نور را از طریق کابل ارسال می کند و داده های بیشتری را انتقال می دهد. این ارسال یک جا باعث از بین رفتن، کاهش و تداخل بیشتر سیگنال های نوری می شود و در این حالت سیگنال ها قابل تقویت شدن نیستند. فیبر نوری چند حالته فقط برای مسافت های کوتاه کاربرد دارد. از فیبر نوری چند حالته برای ایجاد پالس های نور از یک LED و اتصال شبکه های کامپیوتری به یکدیگر استفاده می شود. فیبر چند حالته بیشترین کاربرد را در میان انواع فیبر های نوری دارد.

براساس مشخصات ضریب شکست یا شاخص شکست

ضریب شکست تغییر جهت نور هنگام عبور از یک محیط به محیط دیگر است. همچنین مقدار آن از نسبت سرعت نور در خلا به سرعت نور به محیطی که وارد شده است، به دست می آید. فیبر نوری براساس ضریب شکست در دو دسته فیبر نوری با ضریب شکست پله ای و فیبر نوری با ضریب شکست مرحله ای یا تدریجی طبقه بندی می شود.

• فیبر نوری با ضریب شکست پله ای : نوعی از فیبر نوری است که در آن مقدار ضریب شکست هسته ثابت است، ولی مقدار ضریب شکست روکش کاهش می یابد. به این شکل که نور به صورت زیگزاگی در راستای محور فیبر نوری حرکت می کند. در این حالت نوری که در جهت های مختلف وارد فیبر می شوند در مسیر های مختلفی حرکت می کند.
• فیبر نوری با ضریب شکست مرحله ای یا تدریجی : در این فیبر نوری هسته دارای ضریب شکست بالایی است ولی با حرکت به سمت روکش از مقدار این ضریب شکست کم تر می شود. در این حالت مقدار ضریب شکست هسته با مقدار ضریب شکست روکش برابر می شود. در ضریب شکست تدریجی نور به صورت سینوسی در محور فیبر حرکت می کند. نور موجود در فیبر نوری مانند ضریب شکست پله ای از مسیر های مختلفی عبور می کند.

کابل های فیبر نوری براساس استفاده در محیط های مختلف

کابل های فیبر نوری براساس استفاده در محیط به دو دسته استفاده در بیرون ساختمان (Outdoor) و استفاده در درون ساختمان (Indoor) قرار می گیرند.

• بیرون ساختمان (Outdoor)روکش هایی مورد استفاده در این محیط باید از استحکام و مقاومت خیلی زیادی در برابر شرایط در محیط های مختلف برخوردار باشند. همچنین این کابل ها کاربرد بیشتری دارد.
• درون ساختمان (Indoor) روکش کابل های فیبر نوری که در داخل ساختمان نسبت به کابل های خارج از ساختمان مقاومت و استحکام کمتری دارند. این کابل ها باید دارای خاصیت بازدارندگی آتش یا Flame Retardant باشند. این خاصیت بدین معنی است که روکش در هنگام آتش سوزی قابلیت خود اطفائی دارد. روکش هایی مثل LSZH و PVC از این نوع هستند.

انواع روکش های کابل

روکش کابل LSZH

این روکشهنگام آتش گرفتن به دلیل نداشتن مواد هالوژنه مواد سمی و خطرناکی را منتشر نمی کند. این نوع روکش کابل ها برای کاربرد های داخلی مفید تر هستند. روکش LSZH قیمت بالایی دارد به همین علت در مکان های خاصی قابل استفاده است.

روکش کابل پلی وینیل کلراید (PVC)

این روکش به دلیل انعطاف پذیر بودن، وزن کم، مقاوم بودن در برابر شرایط محیطی در کابل های ساختمان تجاری و خانگی استفاده می شود. همچنین دارای ویژگی خود اطفائی است. این روکش در هنگام آتش سوزی دود و مواد سمی منتشر می کند. روکش PVC نسبت به روکش LSZH قیمت مناسب تری دارد.

انواع کابل های فیبر نوری Outdoor

کابل خاکی

 کابل فیبر نوری خاکی دارای نوار فولادی برای مقاوم شدن در برابر ضربات و محافظت در برابر موجودات جونده می باشد. با داشتن نوار جاذبه از نفوذ آب و رطوبت جلوگیری می کند. این نوع کابل بیرونی در سینگل جکت ها و دابل جکت ها استفاده می شود. قابل استفاده در شبکه های بین شهری و زیر ساخت ها و همچنین قابلیت انتقال سیگنال های نوری برای مسافت های دور را دارد. کابل خاکی برای دفن مستقیم در خاک کاربرد دارد. این کابل دارای دو نوع ژله فیلد خاکی و خشک خالی می باشد.

کابل فیبر نوری کانالی

این نوع کابل مانند سایر کابل های فیبر نوری استفاده در بیرون ساختمان دارای نوار جاذبه در برابر نفوذ رطوبت و آب می باشد. این نوع کابل در  مراکز مخابراتی و شبکه های بین شهری استفاده می شود. کابل فیبر نوری کانالی دارای شامل دو نوع کابل ژله فیلد کانالی و کابل خشک کانالی است.

کابل هوایی

کابل فیبر نوری هوایی برای نصب خارجی در ستون های فلزی، بتنی و چوبی می باشد و در مناطق مخابراتی و روستایی قابل استفاده است. این کابل از طریق نخ و نوار جاذبه در مانع نفوذ آب و رطوبت در ساختمان ها می شود. با داشتن نوار استیل در برابر گلوله مقاوم می باشد؛ به همین دلیل در مناطقی که احتمال تیر اندازی و یا مناطق مخصوص شکار قابل کاربرد است. این کابل در سه دسته تقسیم بندی می شود. که شامل کابل فیبر نوری مهاردار ژله فیلد، کابل فیبر نوری مهاردار هوایی خشک و کابل فیبر نوری مهاردار هوایی با زره می باشد.

مزایا فیبر نوری

• کسب و کار هایی که به دنبال اینترنت پر سرعت هستند از طریق اتصال های با کیفیت اینترنت فیبر نوری می توانند به این هدف خود دست یابند.
• پشتیبانی از پهنای باند بیشتر و سرعت بیشتر
• فیبر نوری سبک تر، قوی تر، انعطاف پذیر تر، نازک تر، ایمن تر (غیر قابل اشتغال) و قابل حمل تر از کابل های مسی هستند.
• فیبر نوری قابل استفاده در آب و منابع آبی می باشد.
• فیبر نوری اقتصادی و مقرون به صرفه است؛ بدین صورت که نیاز به مراقبت و تعویض های مکرر ندارد و در برابر تغییرات دما و آب و هوا مقاوم است.
• دارای عمر زیاد در حدود 100 سال است.

معایب فیبر نوری

• فیبر نوری به دلیل سبک یا نازک بودن می تواند آسیب پذیر باشد.
•  نصب فیبر نوری برای شبکه های کوچک پر هزینه است و استفاده از آن به تجهیزات زیادی نیاز دارد.

کاربرد ها

پزشکی

فیبر نوری بخاطر نازک بودن و حالت انعطاف پذیری، برای دیدن اجزای داخلی بدن مورد استفاده قرار می گیرد. در تجهیزات پزشکیبه عنوان منبع روشنایی محسوب می شوند. برای آزمایش های مثل اسکن MRI به دلیل عدم تداخل الکترومغناطیسی بسیار مناسب است. همچنین فیبر های نوری ضخیم تری به نام گاستروسکوپ وجود دارد که نوعی از آندوسکوپ است. گاستروسکوپ، فیبر نوری ضخیمی می باشد که از فیبر های نوری زیادی تشکیل شده است.

این ابزار پزشکی برای تشخیص بیماری های معده و بررسی مشکلات گلوی بیماران استفاده می شود. کاربردهای دیگر فیبر نوری در پزشکی مثل آندوسکوپی، تصویر برداری اشعه ایکس، جراحی لیزری، نور درمانی، میکروسکوپ جراحی می باشد.

کاربرد در صنایع نظامی و دفاعی

در بخش های نظامی و دفاعی از فیبر نوری به عنوان وسیله ای برای ایجاد ارتباط و انتقال داده ها، ارتباط با زیر دریایی ها و ارتباط و کنترل رادار ها و موشک ها استفاده می کنند. همچنین به خاطر سبک بودن و ابعاد کم قابلیت ارائه سنجش دما را دارد.

کاربرد در روشنایی

فیبر نوری برای نور پردازی داخلی و خارجی نما های ساختمان کاربرد دارد. استفاده از فیبر نوری در سیستم روشنایی باعث کاهش مصرف برق می شود؛ دلیل این امر استفاده از نور های طبیعی (نور خوشید) یا مصنوعی (نور لامپ های الکترونیکی) در فیبر های نوری و سپس انتقال آن به محل مصرف می باشد، که کاملا بی خطر هستند. در سیستم های نور پردازی End Light  و Side Light از فیبر نوری استفاده می شود.

شبکه های کامپیوتری و مخابراتی

عمده استفاده فیبر نوری در فناوری مخابرات و شبکه های کامپیوتری به دلیل کم هزینه بودن و همچنین قابلیت انتقال داده ها در مسافت های طولانی می باشد. وای فای و سایر فناوری های مشابه در انتقال داده های حجیم و زیادی که امروزه کاربرد دارند با مشکلات زیادی روبه رو هستند، در حالی که فیبر نوری به دلیل پهنای باند بالاتر انتقال داده ها را در اندازه های بزرگ و در کوتاه ترین زمان ممکن می سازد.

اینترنت فیبر نوری

فیبر نوری بهترین راه برای ارتباطات اینترنتی است. اینترنت فیبر نوری که به اینترنت فیبر یا فیبر معروف است، از کابل های فیبر نوری استفاده می کند. اگر از راه های مناسبی برای اینترنت فیبر نوری استفاده شود، می توان تا پنجاه سال از آن بهره مند بود.

اتصال اینترنت فیبر 100 برابر سریع تر از اتصال اینترنت با پهنای باند معمولی کار می کند و با سرعت 1 گیگابیت در ثانیه قابلیت دانلود فایل ها در اندازه های مختلفی را دارد. کابل های فیبر نوری تا فاصله 25 مایلی به راحتی کار می کنند در نتیجه سرعت اینترنت بالاتری دارند. اینترنت فیبر نوری امکان دانلود و دسترسی سریع ‌تر از انواع مختلف فایل‌ های بزرگ ‌تر و اطلاعات را فراهم می‌کند.

فیبر نوری تیره (فیبر بدون نور)

فیبر نوری که استفاده نشده است را فیبر نوری تیره یا روشن نشده می نامند؛ به دلیل اینکه هیچ پالس نوری را انتقال نمی دهد. شبکه های فیبر تاریک دارای ظرفیت بالایی هستند، قدرت سیگنال دهی عالی و امنیت بالایی دارند. خطوط فیبر نوری تیره امکان ایجاد شبکه فیبر نوری خصوصی را برای متقاضیان فراهم می کند. همچنین فیبر نوری تاریک قابلیت اجاره از ارائه دهندگان و اپراتورهای شبکه را دارد. فیبر نوری تاریک در مخابرات، ارتباطات شبکه، موسسات دولتی، مدارس و تجارت الکترونیک بیشتر کاربرد دارد.

منابع

• https://en.wikipedia.org/wiki/Fiber-optic_cable
• https://www.circuitbread.com/ee-faq/how-does-light-travel-through-optical-fibers
• http://www.smartoptics.com/article/what-is-an-optical-fiber/
• http://nexus-net.info/interesting-facts-about-fiber-optic-technology/
• http://www.nai-group.com/optical-fiber-technology-how-it-works/