فیبر نوری یکی از محیط های انتقال داده با سرعت بالا است. امروزه از فیبر نوری در موارد متفواوتی نظیر : شبکه های تلفن شهری و بین شهری شبکه های اینترنتی و کامپیوتر استفاده به عمل می آید . فیبر نوری رشته ای از تارهای شیشه ای بوده که هر یک از تارها دارای ضخامتی معادل تار موی انسان را داشته و از آن برای انتقال اطلاعات در مساف های طولانی استفاده میشود .
مبانی فیبر نوری :
فیبر نوری رشته ای از تارهای بسیار نازک شیشه ای بوده که فطر هر یک از تارها نظیر قطر یک تار موی انسان است . تارهای فوق در کلاف هایی سازماندهی و کابل های نوری را به وجود می آورند . از فیبر نوری به منظور ارسال سیگنال های نوری در مسافت های طولانی استفاده میشود .
یک فیبر نوری از سه بخش متفاوت تشگیل شده است :
هسته (core) : هسته نازک شیشه ای در مرکز فیبر که سیگنال های نوری در آن حرکت میکند.
روکش (cladding) : بخش خارجی فیبر بوده که دور تا دور هسته را احاطه کرده و باعث برگشت نور منعکس شده به هسته میگردد.
بافر رویه (buffer coating) : روکش پلاستیکی که باعث حفاظت فیبر در مقابل رطوبت و سایر مواد آسیب پذیر هست.
صدها و هزاران نمونه از رشته های نوری فوق در هسته هایی سازماندهی شده و کابل های نوری را به وجود می آورند. هر یک از کلاف های فیبر نوری توسط یک روکش هایی با نام jachet محافظت میگردند.
فیبر های نوری در دو گروه عمده ارایه میگردند :
فیبر های تک حالته (mode-single) : به منظور ارسال یک سیگنال در هر فیبر استفاده میشود (نظیر تلفن)
فیبر های چند حالته (mode-multi) : به منظور ارسال چندین سیگنال در یک فیبر استفاده میشود (نظیر شبکه های کامپیوتری )
فیبر های تک حالته یک هسته کوچک (تقریبا 9 میکرون قطر) بوده و قادر به ارسال نور لیزری مادون قرمز (طول موج از 1300 تا 1550 نانو متر ) میباشد .فیبر های چند حالته هسته بزرگتر (تقریبا 62.5 میکرون قطر ) و قادر به ارسال نور مادون قرمز از طریق LED میباشد .
ارسال نور در فیبر نوری :
فرض کنید قصد داشته باشید با استفاده از یک چراغ قوه یک راهروی بزرگ و مستقیم را روشن نمایید . همزمان با روشن نمودن چراغ قوه ؛ نور مربوطه در مسیر مستقیم راهرو تابانده شده و آن را روشن خواهد کرد. با توجه به وجود عدم خم یا پیچ در راهرو در رابطه با تابش نور چراغ قوه مشکلی وجود نداشته و چراغ قوه میتواند با توجه به نوع ان محدوده مورد نظر را روشن کند. در صورتی که راهروی فوق داری خم و یا پیچ باشد .با مشکلی روبرو خواهم شد ؟ در این حالت میتوان از یک آینه 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 ، میبایست از آینه استفاده شود . به این ترتیب نور تابانده شده توسط چراغ قوه (با یک زاویه خا ص ) از نقطه ای به نقطه دیگر حرکت کرده (جهش کرده و طول مسیر راهرو را طی خواهد کرد ) . عملیات فوق مشابه آن چیزی است که در فیبر نوری انجام میشود .
نور در کابل فیبر نوری از طریق هسته (نظیر راهروی مثال ارایه شده ) و توسط جهش های پیوسته با توجه به سطح آبکاری شده (cladding) (مشابه دیوارهای شیشه ای مثال ارایه شده ) حرکت میکند .( مجموع انعکاس داخلی ) . با توجه به اینکه سطح آبکاری شده قابل به جذب نور هسته نمیباشد نور قادر به حرکت در مسیر های طولانی میباشد . برخی از سیگنال های نوری به دلیل عدم خلوص شیشه موجود ، ممکن است دچار نوعی تضعیف در طول هسته کردند . میزان تضعیف سیگنال نوری به درجه خلوص شیشه و طول موج نور انتقالی دارد . ( مثلا موج با طول 850 نانو متر بین 60 تا 75 درصد در هر کیلومتر ، موج با طول 1300 نانو متر بین 50 تا 60 درصد در هر کیلومتر . موج با طول موج 1550 نانو متر بیش از 50 درصد در هر کیلومتر)
سیستم رله فیبر نوری :
به منظور اگاهی از نحوه استفاده فیبر نوری در سیستم های مخابراتی ، مثالی را دنبال خواهیم کرد که مربوط به یک فیلم سینمایی و یا مستند در رابطه با جنگ جهانی دوم است . در فیلم فوق دو ناوگان دریایی که بر روی سطح دریا در حال حرکت میباشند ، نیاز به برقراری ارتباط با یکدیگر در یک وضعیت کاملا بحرانی و توفانی را دارند . یکی از ناو ها قصد ارسال پیام برای ناو دیگر را دارد . .کاپیتان ناو فوق پیامی برای یک ملوان که بر روی عرشه کشتی مستقر است ، ارسال میدارد .ملوان فوق پیام دریافتی را به مجموعه ای از کد های مورس (نقطه و فاصله) ترجمه مینماید . در ادامه ملوان مورد نظر با استفاده از یک نور افکن اقدام به ارسال پیام برای ناو دیگر مینماید . یک ملوان بر روی ارشه کشتی دوم کد های مورس ارسالی را مشاهده مینماید . در ادامه ملوان فوق کد های فوق را به یک زبان خاص (مثلا انگلیسی ) تبدیل و انها را برای کاپیتان ناو ارسال میدارد . فرض کنید فاصله دو ناو فوق از یکدیگر بسیار زیاد ( هزاران مایل ) بوده و به منظور برقراری ارتباط بین آنها از یک سیستم مخابراتی مبتنی بر فیبر نوری استفاده گردد.
سیستم رله فیبر نوری از عناصر زیر تشکیل شده است :
فرستنده مسول تولید و رمزگذاری سیگنال های نوری است .
فیبر نوری مدریت سیگنال های نوری در یک مسافت را بر عهده میگیرد .
نوری به منظور تقویت سیگنال های نوری در مسافت های طولانی استفاده میگردد.
دریافت کننده نوری. سیگنال های نوری را دریافت و رمزگشایی مینماید.
در ادامه به بررسی هر یک از عناصر فوق خواهیم پرداخت .
فرستنده :
وظیفه فرستنده، مشابه نقش ملوان بر روی عرشه کشتی ناو فرستنده پیام است . فرستنده سیگنال های نوری را دریافت و دستگاه نوری را بمنظور روشن و خاموش شدن در یک دنباله مناسب ( حرکت منسجم ) هدایت می نماید. فرستنده ، از لحاظ فیزیکی در مجاورت فیبر نوری قرار داشته و ممکن است دارای یک لنز بمنظور تمرکز 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 ، 850 نانومتر ، 1300 نانومتر و 1550 نانومتر است .
بازیاب ( تقویت کننده ) نوری:
همانگونه که قبلا" اشاره گردید ، برخی از سیگنال ها در مواردیکه مسافت ارسال اطلاعات طولانی بوده ( بیش از یک کیلومتر ) 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 یک یا چندین " تقویت کننده نوری " استفاده می گردد. تقویت کننده نوری از فیبرهای نوری متععدد بهمراه یک روکش خاص (doping) تشکیل می گردند. بخش دوپینگ با استفاده از یک لیزر پمپ می گردد . زمانیکه سیگنال تضعیف شده به روکش دوپینگی می رسد ، انرژی ماحصل از لیزر باعث می گردد که مولکول های دوپینگ شده، به لیزر تبدیل می گردند. مولکول های دوپینگ شده در ادامه باعث انعکاس یک سیگنال نوری جدید و قویتر با همان خصایص سیگنال ورودی تضعیف شده ، خواهند بود.( تقویت کننده لیزری)
دریافت کننده نوری:
وظیفه دریافت کننده ، مشابه نقش ملوان بر روی عرشه کشتی ناو دریافت کننده پیام است. دستگاه فوق سیگنال های دیجیتالی نوری را اخذ و پس از رمزگشائی ، سیگنا ل های الکتریکی را برای سایر استفاده کنندگان ( کامپیوتر ، تلفن و ... ) ارسال می نماید. دریافت کننده بمنظور تشخیص نور از یک "فتوسل" و یا "فتودیود" استفاده می کند.
مزایای فیبر نوری:
فیبر نوری در مقایسه با سیم های های مسی دارای مزایای زیر است :
ارزانتر. هزینه چندین کیلومتر کابل نوری نسبت به سیم های مسی کمتر است .
نازک تر. قطر فیبرهای نوری بمراتب کمتر از سیم های مسی است .
ظرفیت بالا. پهنای باند فیبر نوری بمنظور ارسال اطلاعات بمراتب بیشتر از سیم مسی است .
تضعیف ناچیز. تضعیف سیگنال در فیبر نوری بمراتب کمتر از سیم مسی است .
سیگنال های نوری . برخلاف سیگنال های الکتریکی در یک سیم مسی ، سیگنا ل ها ی نوری در یک فیبر تاثیری بر فیبر دیگر نخواهند داشت .
مصرف برق پایین . با توجه به سیگنال ها در فیبر نوری کمتر ضعیف می گردند ، بنابراین می توان از فرستنده هائی با میزان برق مصرفی پایین نسبت به فرستنده های الکتریکی که از ولتاژ بالائی استفاده می نمایند ، استفاده کرد.
سیگنال های دیجیتال . فیبر نور ی مناسب بمنظور انتقال اطلاعات دیجیتالی است .
غیر اشتعال زا . با توجه به عدم وجود الکتریسیته ، امکان بروز آتش سوزی وجود نخواهد داشت .
سبک وزن . وزن یک کابل فیبر نوری بمراتب کمتر از کابل مسی (قابل مقایسه) است.
انعطاف پذیر . با توجه به انعظاف پذیری فیبر نوری و قابلیت ارسال و دریافت نور از آنان، در موارد متفاوت نظیر دوربین های دیجیتال با موارد کاربردی خاص مانند : عکس برداری پزشکی ، لوله کشی و ...استفاده می گردد.
با توجه به مزایای فراوان فیبر نوری ، امروزه از این نوع کابل ها در موارد متفاوتی استفاده می شود. اکثر شبکه های کامپیوتری و یا مخابرات ازراه دور در مقیاس وسیعی از فیبر نوری استفاده می نمایند.
مبانی فیبر نوری :
فیبر نوری رشته ای از تارهای بسیار نازک شیشه ای بوده که فطر هر یک از تارها نظیر قطر یک تار موی انسان است . تارهای فوق در کلاف هایی سازماندهی و کابل های نوری را به وجود می آورند . از فیبر نوری به منظور ارسال سیگنال های نوری در مسافت های طولانی استفاده میشود .
یک فیبر نوری از سه بخش متفاوت تشگیل شده است :
هسته (core) : هسته نازک شیشه ای در مرکز فیبر که سیگنال های نوری در آن حرکت میکند.
روکش (cladding) : بخش خارجی فیبر بوده که دور تا دور هسته را احاطه کرده و باعث برگشت نور منعکس شده به هسته میگردد.
بافر رویه (buffer coating) : روکش پلاستیکی که باعث حفاظت فیبر در مقابل رطوبت و سایر مواد آسیب پذیر هست.
صدها و هزاران نمونه از رشته های نوری فوق در هسته هایی سازماندهی شده و کابل های نوری را به وجود می آورند. هر یک از کلاف های فیبر نوری توسط یک روکش هایی با نام jachet محافظت میگردند.
فیبر های نوری در دو گروه عمده ارایه میگردند :
فیبر های تک حالته (mode-single) : به منظور ارسال یک سیگنال در هر فیبر استفاده میشود (نظیر تلفن)
فیبر های چند حالته (mode-multi) : به منظور ارسال چندین سیگنال در یک فیبر استفاده میشود (نظیر شبکه های کامپیوتری )
فیبر های تک حالته یک هسته کوچک (تقریبا 9 میکرون قطر) بوده و قادر به ارسال نور لیزری مادون قرمز (طول موج از 1300 تا 1550 نانو متر ) میباشد .فیبر های چند حالته هسته بزرگتر (تقریبا 62.5 میکرون قطر ) و قادر به ارسال نور مادون قرمز از طریق LED میباشد .
ارسال نور در فیبر نوری :
فرض کنید قصد داشته باشید با استفاده از یک چراغ قوه یک راهروی بزرگ و مستقیم را روشن نمایید . همزمان با روشن نمودن چراغ قوه ؛ نور مربوطه در مسیر مستقیم راهرو تابانده شده و آن را روشن خواهد کرد. با توجه به وجود عدم خم یا پیچ در راهرو در رابطه با تابش نور چراغ قوه مشکلی وجود نداشته و چراغ قوه میتواند با توجه به نوع ان محدوده مورد نظر را روشن کند. در صورتی که راهروی فوق داری خم و یا پیچ باشد .با مشکلی روبرو خواهم شد ؟ در این حالت میتوان از یک آینه 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 ، میبایست از آینه استفاده شود . به این ترتیب نور تابانده شده توسط چراغ قوه (با یک زاویه خا ص ) از نقطه ای به نقطه دیگر حرکت کرده (جهش کرده و طول مسیر راهرو را طی خواهد کرد ) . عملیات فوق مشابه آن چیزی است که در فیبر نوری انجام میشود .
نور در کابل فیبر نوری از طریق هسته (نظیر راهروی مثال ارایه شده ) و توسط جهش های پیوسته با توجه به سطح آبکاری شده (cladding) (مشابه دیوارهای شیشه ای مثال ارایه شده ) حرکت میکند .( مجموع انعکاس داخلی ) . با توجه به اینکه سطح آبکاری شده قابل به جذب نور هسته نمیباشد نور قادر به حرکت در مسیر های طولانی میباشد . برخی از سیگنال های نوری به دلیل عدم خلوص شیشه موجود ، ممکن است دچار نوعی تضعیف در طول هسته کردند . میزان تضعیف سیگنال نوری به درجه خلوص شیشه و طول موج نور انتقالی دارد . ( مثلا موج با طول 850 نانو متر بین 60 تا 75 درصد در هر کیلومتر ، موج با طول 1300 نانو متر بین 50 تا 60 درصد در هر کیلومتر . موج با طول موج 1550 نانو متر بیش از 50 درصد در هر کیلومتر)
سیستم رله فیبر نوری :
به منظور اگاهی از نحوه استفاده فیبر نوری در سیستم های مخابراتی ، مثالی را دنبال خواهیم کرد که مربوط به یک فیلم سینمایی و یا مستند در رابطه با جنگ جهانی دوم است . در فیلم فوق دو ناوگان دریایی که بر روی سطح دریا در حال حرکت میباشند ، نیاز به برقراری ارتباط با یکدیگر در یک وضعیت کاملا بحرانی و توفانی را دارند . یکی از ناو ها قصد ارسال پیام برای ناو دیگر را دارد . .کاپیتان ناو فوق پیامی برای یک ملوان که بر روی عرشه کشتی مستقر است ، ارسال میدارد .ملوان فوق پیام دریافتی را به مجموعه ای از کد های مورس (نقطه و فاصله) ترجمه مینماید . در ادامه ملوان مورد نظر با استفاده از یک نور افکن اقدام به ارسال پیام برای ناو دیگر مینماید . یک ملوان بر روی ارشه کشتی دوم کد های مورس ارسالی را مشاهده مینماید . در ادامه ملوان فوق کد های فوق را به یک زبان خاص (مثلا انگلیسی ) تبدیل و انها را برای کاپیتان ناو ارسال میدارد . فرض کنید فاصله دو ناو فوق از یکدیگر بسیار زیاد ( هزاران مایل ) بوده و به منظور برقراری ارتباط بین آنها از یک سیستم مخابراتی مبتنی بر فیبر نوری استفاده گردد.
سیستم رله فیبر نوری از عناصر زیر تشکیل شده است :
فرستنده مسول تولید و رمزگذاری سیگنال های نوری است .
فیبر نوری مدریت سیگنال های نوری در یک مسافت را بر عهده میگیرد .
نوری به منظور تقویت سیگنال های نوری در مسافت های طولانی استفاده میگردد.
دریافت کننده نوری. سیگنال های نوری را دریافت و رمزگشایی مینماید.
در ادامه به بررسی هر یک از عناصر فوق خواهیم پرداخت .
فرستنده :
وظیفه فرستنده، مشابه نقش ملوان بر روی عرشه کشتی ناو فرستنده پیام است . فرستنده سیگنال های نوری را دریافت و دستگاه نوری را بمنظور روشن و خاموش شدن در یک دنباله مناسب ( حرکت منسجم ) هدایت می نماید. فرستنده ، از لحاظ فیزیکی در مجاورت فیبر نوری قرار داشته و ممکن است دارای یک لنز بمنظور تمرکز 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 ، 850 نانومتر ، 1300 نانومتر و 1550 نانومتر است .
بازیاب ( تقویت کننده ) نوری:
همانگونه که قبلا" اشاره گردید ، برخی از سیگنال ها در مواردیکه مسافت ارسال اطلاعات طولانی بوده ( بیش از یک کیلومتر ) 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 یک یا چندین " تقویت کننده نوری " استفاده می گردد. تقویت کننده نوری از فیبرهای نوری متععدد بهمراه یک روکش خاص (doping) تشکیل می گردند. بخش دوپینگ با استفاده از یک لیزر پمپ می گردد . زمانیکه سیگنال تضعیف شده به روکش دوپینگی می رسد ، انرژی ماحصل از لیزر باعث می گردد که مولکول های دوپینگ شده، به لیزر تبدیل می گردند. مولکول های دوپینگ شده در ادامه باعث انعکاس یک سیگنال نوری جدید و قویتر با همان خصایص سیگنال ورودی تضعیف شده ، خواهند بود.( تقویت کننده لیزری)
دریافت کننده نوری:
وظیفه دریافت کننده ، مشابه نقش ملوان بر روی عرشه کشتی ناو دریافت کننده پیام است. دستگاه فوق سیگنال های دیجیتالی نوری را اخذ و پس از رمزگشائی ، سیگنا ل های الکتریکی را برای سایر استفاده کنندگان ( کامپیوتر ، تلفن و ... ) ارسال می نماید. دریافت کننده بمنظور تشخیص نور از یک "فتوسل" و یا "فتودیود" استفاده می کند.
مزایای فیبر نوری:
فیبر نوری در مقایسه با سیم های های مسی دارای مزایای زیر است :
ارزانتر. هزینه چندین کیلومتر کابل نوری نسبت به سیم های مسی کمتر است .
نازک تر. قطر فیبرهای نوری بمراتب کمتر از سیم های مسی است .
ظرفیت بالا. پهنای باند فیبر نوری بمنظور ارسال اطلاعات بمراتب بیشتر از سیم مسی است .
تضعیف ناچیز. تضعیف سیگنال در فیبر نوری بمراتب کمتر از سیم مسی است .
سیگنال های نوری . برخلاف سیگنال های الکتریکی در یک سیم مسی ، سیگنا ل ها ی نوری در یک فیبر تاثیری بر فیبر دیگر نخواهند داشت .
مصرف برق پایین . با توجه به سیگنال ها در فیبر نوری کمتر ضعیف می گردند ، بنابراین می توان از فرستنده هائی با میزان برق مصرفی پایین نسبت به فرستنده های الکتریکی که از ولتاژ بالائی استفاده می نمایند ، استفاده کرد.
سیگنال های دیجیتال . فیبر نور ی مناسب بمنظور انتقال اطلاعات دیجیتالی است .
غیر اشتعال زا . با توجه به عدم وجود الکتریسیته ، امکان بروز آتش سوزی وجود نخواهد داشت .
سبک وزن . وزن یک کابل فیبر نوری بمراتب کمتر از کابل مسی (قابل مقایسه) است.
انعطاف پذیر . با توجه به انعظاف پذیری فیبر نوری و قابلیت ارسال و دریافت نور از آنان، در موارد متفاوت نظیر دوربین های دیجیتال با موارد کاربردی خاص مانند : عکس برداری پزشکی ، لوله کشی و ...استفاده می گردد.
با توجه به مزایای فراوان فیبر نوری ، امروزه از این نوع کابل ها در موارد متفاوتی استفاده می شود. اکثر شبکه های کامپیوتری و یا مخابرات ازراه دور در مقیاس وسیعی از فیبر نوری استفاده می نمایند.
دیدگاه