مزایا و معایب فیبر نوری

مزایا و معایب فیبرها در مقایسه با هم

• مزایای فیبرهای چند مدی در مقایسه با فیبرهای تک مدی
  • بزرگتر بودن قطر هسته
  • ساده تر بودن تزریق انرژی نور به داخل فیبر
  • امکانات بهتر برای اتصال فیبرها به یکدیگر
  • امکان استفاده از هر دو منبع نور لیزر و LEDدر صورتیکه فیبر تک مدی با نور لیزری بهتر کار می کند.

• معایب فیبر چند مدی در مقایسه با فیبر تک مدی
  • فیبر چند مدی دارای اعوجاج بین مدها می باشد.
  • پهنای باند فیبرهای چند مدی، کمتر از فیبر تک مدی می باشد.
  • تلفات یا تضعیف در فیبرهای چند مدی بیشتر است.
  • امکان ساخت فیبرهای چند مدی طولانی(با طول بلند) کمتر است.

مواد لازم در فرایند ساخت فیبر نوری

• تتراکلرید سیلیکون: این ماده برای تأمین لایه‌های شیشه‌ای در فرایند مورد نیاز است.
• تتراکلرید ژرمانیوم: این ماده برای افزایش ضریب شکست شیشه در ناحیه مغزی پیش ‌سازه استفاده می‌شود.
• اکسی کلرید فسفریل: برای کاهش دمای واکنش در حین ساخت پیش ‌سازه، این مواد وارد واکنش می‌شود.
• گاز فلوئور: برای کاهش ضریب شکست شیشه در ناحیه غلاف استفاده می‌شود.
• گاز هلیم: برای نفوذ حرارتی و حباب‌ زدایی در حین واکنش شیمیایی در داخل لوله مورد استفاده قرار می‌گیرد.
• گاز کلر: برای آب‌ زدایی محیط داخل لوله قبل از شروع واکنش اصلی مورد نیاز است.

سیستم ارتباط بوسیله فیبر نوری

برای پی بردن به اینکه فیبرهای نوری چگونه در سیستم های ارتباطی مورد استفاده قرار می گیرند، اجازه دهید نگاهی بیاندازیم به سندی که مربوط به جنگ جهانی دوم است.

دو کشتی نیروی دریایی را درنظر بگیرید که از کنار یکدیگر عبور می کنند و لازم است باهم ارتباط برقرار کنند درحالی که امکان استفاده از رادیو وجود ندارد و یا دریا طوفانی است. کاپیتان یکی از کشتی ها پیامی را برای یک ملوان که روی عرشه است می فرستد. ملوان آن پیام را به کد مورس ترجمه می کند و از نورافکنی ویژه که یک پنجره کرکره جلو آن است برای ارسال پیام به کشتی مقابل استفاده می نماید. ملوانی که در کشتی مقابل است این پیام مورس را می گیرد، ترجمه می کند و به کاپیتان می دهد .

حالا فرض کنید این دو کشتی هر یک در گوشه ای از اقیانوسند و هزاران مایل فاصله دارند و در فاصله بین آنها یک سیستم ارتباطی فیبرنوری وجود دارد.

سیستم رله فیبر نوری

شکل (۱۱): سیستم رله فیبر نوری

سیستم های ارتباطی بوسیله فیبر نوری شامل قسمت های زیر است:

• فرستنده ( Transmitter ) : سیگنالهای نوری را تولید کرده به بصورت رمزی تبدیل می کند.
• فیبر نوری ( Optical Fiber ) : سیگنال های نوری را تا فواصل دور هدایت می کند.
• تقویت کننده نوری ( Optical Regenerator ) : برای تقویت سیگنال های نوری در فواصل طولانی استفاده می شود.
• دریافت کننده نوری ( Optical Receiver ) : سیگنال های نوری را دریافت و رمزگشایی می نماید.

فرستنده :

نقش فرستنده شبیه ملوانی است که روی عرشه کشتی فرستنده پیام، ایستاده و پیام را ارسال می کند. فرستنده ابزار تولید نور را در فواصل زمانی مناسب خاموش یا روشن می کند ( مانند پالس های صفر و یک دیجیتالی ). فرستنده درعمل به فیبر نوری متصل می شود و حتی ممکن است دارای لنزی برای متمرکز کردن نور به داخل فیبر هم باشد. قدرت اشعه لیزر بیش از LED ها است. اما با کم و زیاد شدن دما شدت نور لیزر تغییر می کند و گران تر هم هستند. همانطور که قبلا هم اشاره شد ،  متداول ترین طول موج هایی که استفاده می شود عبارتند از ۸۵۰ ، ۱۳۰۰ و ۱۵۵۰ نانومتر

انواع کابل فیبر نوری بر اساس ویژگی های محیطی :

کابلهای فیبر نوری بسته به محیطی که باید در آن نصب شوند در انواع کاملا متفاوتی تولید می شوند. هر چند که ماهیت تارهای فیبر نوری درون آنها یا از نوع MMF یا SMF با پارامترهای کم و بیش مشابه است.

انواع مختلف کابلهای فیبر نوری را می توان در دو رده کلی زیر دسته بندی کرد:

کابلهای فیبر نوری جهت کاربرد در بیرون ساختمان ( Outdoor Grades ):

این فیبرها جهت ارتباط بین ساختمانها در خارج ازساختمان بکار می رود. حداکثر فاصله ای که مجاز است این کابل در داخل ساختمان وارد شود ۱۰ متر است . در این نوع کاربرد از کابل فیبر نوری مدل Loose Tube بیشتر استفاده می شود. جهت استحکام و محافظت بیشتر فیبرها از زره استفاده می شود.  از دیگر ویژگی های این نوع کابل می توان به موارد زیر اشاره کرد :

• تحمل رطوبت محیطی از ۹۰ تا ۱۰۰ درصد
• تحمل محدوده دمایی بین -۴۰ تا +۸۰ درجه سانتیگراد
• عدم تجزیه یا استهلاک ژاکت کابل در مقابل نور خورشید
• انعطاف پذیری بالا در مقابل خمش تا کمترین شعاع ممکن
• پوشش بسیار مقاوم در مقابل شعله ور شدن
• قابلیت تحمل فشار بالا
• پوششی که جونده ها مثل موش به آن علاقه نداشته باشند
• تحمل دفن مستقیم زیر خاک

شکل (۱۲): کابل فیبر نوری Outdoor

کابلهای فیبر نوری جهت کاربرد در درون ساختمان ( Indoor Grades ):

ازین کابلها جهت استفاده از Backbone شبکه در داخل ساختمان استفاده می شود که دارای محافظتهای فیزیکی مناسبی می باشند. در هر تیوب  ۲۴فیبر نوری قرار داردکه داخل آن ژل بی رنگ قرار دارد تا باعث شود قابلیت انعطاف فیبر بالا رفته و در برابر ضربه مقاوم باشد.  ویژگیهای عمومی این نوع از کابل عبارتند از:

• پوششی که درصورت آتش گرفتن گاز سمی از خود متصاعد نکند
• مقاوم در مقابل شعله ور شدن
• مقاوم در مقابل خمش و در عین حال ظریف و منعطف

تقویت کننده نوری :

نور حین عبور از فیبر ضعیف می شود. (مخصوصا در فواصل طولانی بیش از نیم مایل یا حدود یک کیلومتر مثلا در کابل های زیر دریا) بنابرین یک یا بیش از یک تقویت کننده نوری در طول کابل بسته می شوند 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 می شود تقویت می شود. ملکول های موجود در این پوشش ویژه با تابش لیزر به آنها، سیگنال نوری جدید و قوی تولید می کنند که مشخصات آن مشابه نور ورودی به تقویت کننده است. درواقع تقویت کننده نوری یک آمپلی فایر لیزری برای نور ورودی به آن است .

همانطور که از نام یک تقویت‌کننده سیگنال بر می‌آید، وظیفه آن تقویت سیگنال ورودی و در‌ واقع افزایش توان به هنگام خارج شدن از آن است. یکی از تقویت‌کننده‌های بسیار پرکاربرد در مخابرات نوری تقویت‌کنند‌ه‌های فیبر نوری آلاییده به عنصر اربیوم (Erbium Doped Fiber Amplifier – EDFA)  است.

شکل (۱۳): نمایی از یک دستگاه تجاری شده EDFA، کوپل سیگنال ورودی

به طور خیلی ساده اساس کار این تقویت‌کننده به این صورت است که عنصرهای اربیوم توسط طول موج مناسب با ناحیه جذب، تحریک شده و الکترون‌های آن به ترازهای بالاتر می‌روند. این الکترون‌ها برای اینکه به حالت پایه برگردند انرژی خود را به صورت فوتونی با طول موج نزدیک به طول موج مخابراتی ۱۵۵۰ نانومتر تابش می‌کنند. این فوتون‌ها انرژی خود را به سیگنال اپتیکی که از تقویت‌کننده می‌گذرد کوپل کرده و در نتیجه توان سیگنال اپتیکی تقویت می‌شود.

شکل (۱۴) : شماتیک تقویت کننده

شکل (۱۵): نمایی از یک تقویت کننده فیبر نوری آلاییده به عنصر اربیوم

شکل (۱۶): شماتیک مداری از یک EDFA که در مسیر یک فیبر نوری مخابراتی قرار گرفته است

انواع تقویت کننده :

• R : تنها همان پالسهای اطلاعاتی را تقویت می کند.
• ۲R : علاوه بر تقویت پالسهای اطلاعاتی ، شکل پالس را نیز تصحیح می کند.
• ۳R : علاوه بر موارد R و ۲R ، تایم سنکرون نیز انجام می دهد.

گیرنده نوری :

گیرنده نوری مشابه ملوانی که روی عرشه کشتی گیرنده پیام بود عمل می کند. این گیرنده سیگنال های نوری ورودی را می گیرد، رمزگشائی می کند و سیگنال های الکتریکی مناسب را برای ارسال به کامپیوتر، تلویزیون یا تلفن کاربر تولید و به آنها ارسال می نماید. این گیرنده برای دریافت و آشکارسازی نور ورودی از فتوسل یا فتودیود استفاده می کند.

بعضی از شرکت های تولید کننده تجهیزات فیبر نوری :

• گروه کارخانجات تولیدی شهید قندی
• شرکت شبکه سازان کیهان
• شرکت پارسیان فیبر ارتباط
• مجتمع تولید کابل و اکسسوری فیبر نوری نیرا
• شرکت ارتباطات پایدار
• شرکت آریا ساسل جم
• ۳M
• Amphenol
• B+B SmartWorx
• Bel
• Bel Power Solution
• Broadcom
• Cinch Connectivity Solutions
• Everlight
• Finisar
• Formerica
• Glenair
• Harting
• Honeywell
• Intel
• Kycon
• Lantronix
• Leoni
• Legrand
• Maxim Integrated
• Molex
• Nexans
• Omron
• Oring
• Phoenix
• Pulse
• Qorvo
• Radiall
• Schneider
• Semtech
• Superior Essex
• Toshiba
• TT Electronics
• Unicom

بعضی دیگر از تجهیزات و اصطلاحات فیبر نوری :

• Attenuator : اتنیتور یا تضعیف کننده های فیبر نوری دستگاهی است که به منظور کاهش سطح قدرت سیگنالهای نوری در انتهای مسیر فیبر نوری مورد استفاده قرار می گیرد. به بیان دیگر اتنیتور ها موجب هماهنگ شدن سطح سیگنال نوری بین ارسال کننده و دریافت کننده ی سیگنال ها می شود.
• Pigtail : پیگتیل، کابل فیبر نوری است که یک سر آن کانکتور متصل شده و سر دیگر آن آزاد بوده و به کابل فیبر نوری دیگری فیوژن می شود.
• Adapter : آداپتور فیبر نوری یک وسیله کوچک می باشد که برای اتصال فیبر های نوری به همدیگر استفاده می شود به بیان دیگر دستگاه واسطی است که معمولا در پچ پنل فیبر نوری جهت اتصال پچ کورد و کانکتور انتهای فیبر نوری قرار می گیرد و بطور کلی به دو صورت Simplex و Duplex عرضه می شود. این آداپتورها اشکال مختلفی دارند اما همگی در خدمت یک هدف مشترک هستند. آداپتور فیبر نوری به کابل های فیبر نوری اجازه ی متصل شدن به همدیگر به تنهایی یا ارتباط همزمان چند فیبر در شبکه های بزرگتر را می دهد. معمول ترین استفاده آداپتور فیبر نوری اتصال دو کابل فیبر نوری به یکدیگر می باشد. اتصال دو کابل به همدیگر می تواند به دو دستگاه اجازه ی برقراری ارتباط از راه دور از طریق ارتباط مستقیم با خط فیبر نوری را بدهد. تعدادی از این آداپتور ها برای اتصال ۳ یا ۴ کابل به همدیگر استفاده می شوند. آداپتور ها بسته به نوع آرایش دو کابل که می خواهند به هم متصل شوند در اشکال مختلفی در دسترس هستند. اگر اتصال کابل ها همگی به یک شکل باشند، می توان از آداپتورهایی با ورودی مربعی، مستطیلی یا دایره ای استفاده کرد. این آداپتور ها دارای دو یا تعداد بیشتری از اتصالات مادگی می باشند که کابل فیبر نوری می تواند به آن متصل شود.
• کانکتور یا کوپلر : سیگنال اپتیکی که در واقع نوری مدوله شده یعنی حاوی اطلاعات است، توسط کانکتور یا کوپلر به فیبر نوری جهت انتشار کوپل می شود.
• Splitter : اسپلیتر یکی از دستگاه های پسیو بسیار مهم در شبکه های فیبر نوری می باشد، با یک یا دو ورودی و خروجی های متعدد که به دستگاه های فیبر نوری مختلف متصل می شود. ۱ ورودی به N خروجی یا ۲ ورودی به N خروجی
• فیوژن : در مسیرهای طولانی برای اتصال دو فیبر نوری به یکدیگر یا جایگزینی فیبر نوری جدید با فیبر آسیب دیده (شکستن هسته فیبر یا جویده شدن توسط موجوداتی نظیر موش) از روشی به نام فیوژن (Fusion) استفاده می‌کنند. این روش، هسته دو فیبر نوری را توسط یک قوس الکتریکی قوی در یکدیگر ذوب می‌کند. باید توجه شود که قطر هسته‌های دو فیبر با یکدیگر همسان باشند تا از تلفات توان در نقطه اتصال فیوژن کاسته شود.

شکل (۱۷): دستگاه فیوژن

• شکافنده پرتو : برای انشعاب گرفتن از یک مسیر فیبر نوری از وسیله‌ای به نام تقسیم کننده یا شکافنده پرتو (Beam Splitter) استفاده می‌کنند. نکته مهم به هنگام استفاده از شکافنده پرتو توجه به مسئله توان است. شکافنده پرتو، توان ورودی را بین تعداد خروجی‌هایش به طور مساوی تقسیم می‌کند. به طور مثال در شکل زیر برای هر فیبر منشعب شده یک شانزدهم توان ورودی به آن کوپل می‌شود. اگر توان سیگنال ورودی مقدار مناسب و کافی نداشته باشد، شاهد افت شدیدی در طول مسیر و در نتیجه از بین رفتن اطلاعات خواهیم بود.

شکل (۱۸): دستگاه شکافنده پرتو