فیبر نوری چیست؟

فیبر نوری چیست؟

اطلاعات به شیوه‌های مختلفی نظیر موج مکانیکی صوتی، امواج الکترومغناطیسی رادیویی و اپتیکی، علائمی نظیر دود و … مخابره می‌شوند. محیط انتقال هر کدام از روش‌های فوق می‌تواند متفاوت باشد. به طور مثال محیط انتقال بین دو نفر که به طور مستقیم در حال صحبت کردن هستند، هوا است. یا در صحبت تلفنی، یک سیم مسی کشیده شده از خانه به سمت مرکز تلفن (مخابرات)، کانال انتقال پیام است. در مورد تلفن همراه نیز، اطلاعات توسط محیط انتقال هوا از طریق امواج الکترومغناطیسی در فرکانس‌های رادیویی و میکروویو منتشر می‌شود.

شکل (۱): فیبر نوری از دو قسمت اصلی هسته و پوسته تشکیل شده است. ضریب شکست هسته جهت هدایت نور از طریق بازتاب داخلی کلی، باید بزرگتر از پوسته باشد.

فیبر نوری یکی دیگر از محیط‌های انتقال پیام بوده که اطلاعات از طریق نور در آن منتشر می‌شوند. احتمالاً شنیده‌اید که فیبر نوری لوله شیشه‌ای یا پلاستیکی بسیار نازکی است که می‌تواند نور لیزر را به مکانی دیگر هدایت کند. یکی از کاربردهای ابتدایی فیبر نوری در اوایل کشف (دهه ۱۹۵۰ میلادی)، استفاده در سیستم‌های اندوسکوپی برای رصد داخل بدن انسان بود. با بهبود ساختار فیبرهای نوری، در دهه ۱۹۶۰ میلادی، از فیبر نوری برای انتقال تماس تلفنی با سرعت نور استفاده کردند. البته بهتر است که بگوییم سرعت نور در فضای آزاد برابر با  ۳×۱۰^۸ms بوده که به دلیل ضریب شکست شیشه (هسته فیبر) به حدود یک سوم این مقدار کاهش پیدا می‌کند.

کابل فیبر نوری

کابل‌های فیبر نوری از رشته‌های بسیار نازکی از جنس شیشه یا پلاستیک ساخته شده‌اند. یک کابل می‌تواند بیش از ۱۰۰ فیبر نوری را در خود جای‌ دهد. هر فیبر نوری (تک رشته) می تواند ضخامتی در حدود یک دهم تار موی انسان داشته باشد. این تک رشته بسیار نازک، توانایی انتقال ۲۵۰۰۰ تماس تلفی در لحظه را دارد. پیش‌تر بیان کردیم که فیبرهای نوری، اطلاعات را بین دو مکان از طریق نور منتقل می‌کنند. برای انتقال اطلاعات از طریق نور، باید بتوانیم اطلاعات را به نور تبدیل کنیم. البته اصطلاح دقیق‌تر و علمی‌تر این است که اطلاعات را به صورت اپتیکی مدوله کرده تا بتوان آن‌ها را از طریق نور ارسال کرد. در زبان فارسی ترجمه غالب کلمه اپتیک، نور است. توجه داشته باشید که منظورمان از کلمه نور، صرفاً امواج ناحیه مرئی نبوده و منظور، طیف اپتیکی (مادون قرمز، مرئی و فرابنفش) است. طول موج‌های استاندارد مخابرات فیبر نوری ۱۵۵۰nm،۱۴۹۰nm و ۱۳۱۰nm است که در ناحیه مادون قرمز قرار دارند.

شکل (۲): شماتیکی از یک لینک مخابرات فیبر نوری

فیبر نوری چگونه کار می‌کند؟

اساس کار و چکونگی انتشار نور در فیبر نوری اصلاً بحث پیچیده‌ای نبوده و بر اساس قانون بازتاب کامل (داخلی کلی) کار می‌کند. می‌دانیم که مطابق با قانون اسنل اگر نوری تحت زاویه‌ای بزرگتر از زاویه حد θc به سطح مشترک دو محیط با ضریب شکست‌های مختلف بتابد، دچار بازتاب کامل (داخلی) می‌شود. به یاد داریم که قانون اسنل به شکل زیر است:

n1sinθ۱=n2sinθ۲

شکل (۳): برحسب مقادیر ضریب شکست دو محیط، می‌توان دو نام شکست داخلی (n1>n2) و خارجی (n2>n1) را به انواع شکست اختصاص داد.

در رابطه فوق n1 ضریب شکست محیط اول، θ۱ زاویه تابش در مرز دو محیط، n2 ضریب شکست محیط دوم و θ۲ زاویه‌ شکست است. مطابق با شکل (۳) و قانون اسنل، اگر زاویه شکست ۹۰ درجه باشد، نور روی مرز مشترک دو محیط شکسته می‌شود. از قانون اسنل، زاویه‌ای که در آن این امر محقق می‌شود، به صورت زیر است:

n_۱ sinθ_۱ = n_۲ sin90

زاویه فوق، به زاویه حد معروف است. حال اگر نوری تحت زاویه‌ای بیشتر از زاویه حد به مرز مشترک دو محیط بتابد، به طور کامل از مرز مشترک بازتاب شده و وارد محیط دوم نمی‌شود. مطابق با شکل (۳) و (۴) این حالت وقتی رخ می‌دهد که نور از محیطی غلیظ (ضریب شکست بیشتر) به مرز مشترک محیطی با ضریب شکست کمتر (محیط رقیق) برخورد کند. در واقع در شکست‌های داخلی (n1>n2) این امر محقق می‌شود.

شکل (۴): الف. اگر نوری تحت زاویه θ>θc به مرز مشترک دو محیط با شرط برخورد کند، به صورت کامل بازتاب می‌شود. ب. اگر نوری از هوا با ضریب شکست تقریبی ۱ به منشوری با زاویه راس ۴۵ درجه و ضریب شکست n=√۲ وارد شود، از وجه دیگر آن بدون شکست و به صورت مستقیم خارج می‌شود. پ. فیبر نوری بر اساس قانون بازتاب داخلی کلی، پرتو نور را به جلو هدایت می‌کند.

فیبر نوری از دو قسمت اصلی هسته و پوسته که ضریب شکستی متفاوت دارند، ساخته شده است. نور در هسته با ضریب شکست n1 منتشر شده و در صورت برخورد به مرز مشترک هسته و پوسته با ضریب شکست دچار بازتاب داخلی کامل می‌شود. توجه داشته باشید که ضریب شکست هسته از ضریب شکست پوسته بیشتر است.

شکل (۵): بازتاب کلی در محیط فیبر نوری برای پرتوهایی که با زاوایه بزرگ‌تر از θc به مرز مشترک هسته و پوسته برخورد می‌کنند. θc 

یکی از پارامترهای مهم یک فیبر نوری، زاویه پذیرش یا روزنه عددی آن است که آن را به θa نمایش می‌دهند. زاویه پذیرش تعیین می‌کند که اگر نوری با زاویه‌ای کمتر از آن به فیبر نوری وارد شود، دچار شکست کامل شده و می‌تواند در فیبر نوری منتشر شود. پرتوهایی که در زاویه θa و بزرگ‌تر از آن به فیبر وارد شوند، در مرز مشترک هسته و پوسته دچار شکست شده و به داخل پوسته نفوذ کرده و در نتیجه تلف می‌شوند. با در نظر گرفتن θa برای هر دو نیمه بالایی و پایینی فیبر، می‌توانیم مخروطی به نام مخروط پذیرش تعریف کرده که اگر نوری در آن قرار گیرد، می‌تواند توسط فیبر نوری هدایت شود.

شکل (۶): تنها پرتوهایی امکان انتشار در محیط فیبر نوری را دارند که با زاویه‌ای کمتر از زاویه پذیرش به فیبر نوری وارد شوند.

مطابق شکل فوق، نور حین انتشار در فیبری با زاویه پذیرش (روزنه عددی) بزرگتر، به تعداد بیشتری دچار بازتاب کامل می‌شود.

فیبر نوری در ایران

در ایران در اوایل دهه ۶۰، فعالیت‌های پژوهشی در زمینه فیبر نوری در پژوهشگاه، برپایی مجتمع تولید فیبر نوری در پونک تهران را درپی داشت و در سال ۱۳۶۷، کارخانه تولید فیبر نوری در یزد به بهره برداری رسید. عملاً در سال ۱۳۷۳ تولید فیبر نوری با ظرفیت ۵۰٫۰۰۰ کیلومتر در سال در ایران آغاز شد. فعالیت استفاده از کابل‌های نوری در دیگر شهرهای بزرگ ایران آغاز شد تا در آینده نزدیک از طریق یک شبکه ملی مخابرات نوری به هم بپیوندند. در همان سال ۱۳۶۷ نخستین خط مخابراتی تار نوری بین تهران و کرج به کار افتاد.
اولین پروژه فیبرنوری با اجرای ۷۰۰ کیلومتر کابل با ۱۳ هزار کانال بین چندین مسیر با هزینه‌ای بالغ بر ۴۰ میلیارد ریال بین سالهای ۶۹ تا ۷۳ انجام شد. در برنامه دوم توسعه پروژه فیبرنوری با ۱۱۶۰۰ کیلومتر کابل با ۶۲۰ هزار کانال بین شهری با هزینه ۶۵۴ میلیارد ریال در سالهای ۷۴ تا ۷۸ به انجام رسید و نهایتاً در برنامه سوم توسعه ۱۷۸۵۰ کیلومتر تا ۲ میلیون کانال با پروتکشن بین شهرهای کشور با هزینه‌ای بالغ بر ۱۰۳۵ میلیارد در سالهای ۷۹ تا ۸۳ اجرا شد.

پروژه تار نوری آسیا-اروپا که به TAE مشهور است دارای ۲۴۰۰۰ کیلومتر طول است و از چین، قرقیزستان، ازبکستان و ترکمنستان، ایران، ترکیه، اوکراین و آلمان می‌گذرد. ظرفیت قابل حمل این خط، ۷۵۶۰ کانال تلفنی است.

فیبر نوری (لوله نور POF ,PCF , QOF ) در ایران

از سال ۱۳۸۷ تحقیقات وسیعی در مورد این نوع از فیبرها در مرکز فناوری تخصصی صورت گرفت و در سال ۱۳۸۸ محققان ایرانی در شهر اصفهان موفق به ساخت و تولید نسل نوین فیبرهای نوری (POF , PCF ,QOF) گردیدند و با دستیابی به تکنولوژی ساخت و تولید آنها ایران در زمره معدود کشورهای دارنده تکنولوژی ساخت (POLYMER OPTICAL FIBER , PLASTIC CLAD FIBER)  قرار گرفت. فیبرهای نوریPOF  برای انتقال نور مرئی و بسیاری از کاربری‌های دیگر قابل استفاده هستند و در بحث انتقال دیتا سرعتی حدود ۴۰ گیگا بیت در ثانیه دارند که در مقایسه با فیبرهای نوری شیشه‌ای حدود ۴۰۰ برابر بیشتر می‌باشد.

فیبرهای PCF , QOF  جهت مصارف خاص صنایع مختلف از قبیل سنسورها و انتقال دیتا بسیار کار آمد است. در کل موارد استفاده از این فیبرها موجب دستیابی به تجهیزات با تکنولوژی بالا ( HiTech ) است که در انحصار بعضی از دولتها قرار داشته‌است.

فیبرهای نوری نسل سوم

طراحان فیبرهای نسل سوم، فیبرهایی را مد نظر داشتند که دارای کمترین تلفات و پاشندگی باشند. برای دستیابی به این نوع فیبرها، محققین از حداقل تلفات در طول موج ۱۵۵۰ نانومتر و از حداقل پاشندگی در طول موج ۱۳۱۰ نانومتر بهره جستند و فیبری را طراحی کردند که دارای ساختار نسبتاً پیچیده ‌تری بود. در عمل با تغییراتی در پروفایل ضریب شکست فیبرهای تک مد از نسل دوم، که حداقل پاشندگی آن در محدوده ۱.۳ میکرون قرار داشت، به محدوده ۱٫۵۵ میکرون انتقال داده شد و بدین ترتیب فیبر نوری با ماهیت متفاوتی موسوم به فیبر دی. اس. افD.S.F. Fiber  ساخته شد.

انواع فیبر نوری

فیبر نوری، سیگنال‌های نوری را در حالت‌های مختلفی منتشر می‌کند. این حالت‌های مختلف به مُد یا مود معروف هستند. به بیان ساده به حالت‌های مختلف انتشار موج ، درون فیبر نوری مُد می‌گویند. به مسیری که پرتو نور در یک فیبر نوری طی می‌کند نیز مُد می‌گویند. دقت داشته باشید که تعریف اول در خصوص مُد، دقیق‌تر و علمی‌تر است.

ساده‌ترین نوع فیبر نوری، مدل تک مود است. فیبرهای نوری تک مد عموماً هسته‌ای به قطر کمتر از ۱۰ میکرو‌متر دارند. می‌توان گفت که سیگنال نوری (پرتو نور) تنها در یک حالت و در وسط هسته فیبر حرکت می‌کند. برای مسافت‌های طولانی (در حدود ۱۰۰ کیلومتر) و ارسال حجم‌ زیادی از اطلاعات نظیر کانال‌های تلویزیونی HD و اینترنت پر سرعت، غالباً از فیبر نوری تک مد استفاده می‌شود. همان‌طور که در شکل (۷) مشاهده می‌شود پهنای پالس در فیبر‌های نوری تک مُد بسیار باریک بوده و لذا دچار پهن‌شدگی کمتری نسبت به فیبرهای چند مد می‌شود. از همین حیث دارای تلف کمتری نسبت به دیگر فیبر‌ها هستند. دلیل استفاده از فیبرهای تک مد در ارتباطات راه دور و پهن‌باند نیز همین امر است.

شکل (۷): پروفایل ضریب شکست فیبرهای نوری تک مد و چند مد. پالس‌های اپتیکی در فیبرهای نوری تک مد کمتر پهن شده و امکان استفاده در مسیرهای طولانی را به ما می‌دهند.

نوع دیگر فیبرهای نوری، مالتی مد نامیده می‌شوند. هسته یک فیبر مالتی مد می‌تواند تا ۱۰ برابر بزرگتر از هسته یک فیبر تک مد باشد. همان‌طور که از نام این فیبر نوری بر می‌آید، سیگنال اپتیکی در چند حالت مختلف می‌تواند از طریق فیبر ارسال شود. از فیبرهای مالتی مد معمولا در فاصله‌های کوتاه و یا در شبکه‌های کامپیوتری یک سازمان کوچک استفاده می‌کنند.

مدلی از فیبرهای چند مد وجود دارند که ضریب شکست هسته آنها به صورت تدریجی تغییر کرده و عددی ثابت نیستند. در واقع ضریب شکست هسته این مدل فیبرهای نوری تابعی از مکان است (شکل ۷). تصویر زیر محیطی را نشان می‌دهد که ضریب شکست آن به صورت تدریجی و به صورت تابعی از مکان تغییر می‌کند. در این نوع فیبرهای نوری به نظر می‌آید که نور خم شده است. اما در واقع نور به تعداد خیلی زیادی دچار شکست می‌شود. فیبرهای چند حالته دارای هسته بزرگتر (تقریباً ۶۲.۵ میکرون قطر) و قادر به ارسال نور مادون قرمز از طریق LED می باشند.

شکل (۸) باندهای طول موجی مخابرات فیبر نوری را نشان می‌دهد. محدوده طول موجی باند‌های مخابرات نوری در ناحیه مادون قرمز است.

شبکه‌های مخابرات فیبر نوری به دلیل ظرفیت بسیار بالا و مسافتی که پوشش می‌دهند، از اهمیت بسیار زیادی برخوردار هستند. در شکل (۹) ظرفیت و مسافتی که مخابرات نوری مبتنی بر فیبر مهیا می‌کند، جهت مقایسه با سایر لینک‌های مخابراتی آورده شده است.

در تصویر فوق عبارت‌های کامل هر یک از لینک‌های مخابراتی به شکل زیر است:

• FOC : به معنی مخابرات فیبر نوری و مخفف عبارت (Fiber Optic Communications) است.
• FSO  : به معنی مخابرات نوری فضای آزاد و مخفف عبارت (Free Space Optical) است. به دلیل اینکه فضای آزاد (هوا) محیطی پاشنده برای نور لیزر تلقی می‌شود، این نوع لینک مخابراتی علی‌رغم ظرفیت بسیار بالا، مسافت خیلی کمی را پوشش می‌دهد.
• DMR :  به معنی ارتباط دیجیتالی رادیویی موبایل و مخفف عبارت (Digital Mobile Radio) است.
• UHF : به معنی ارتباطات در فرکانس‌های بالا (۳ تا ۳۰۰ مگاهرتز )  و مخفف عبارت (Ultra High Frequency)
• P-MP : به معنی ارتباط یک به چند در شبکه‌های مخابراتی و کامپیوتری و مخفف عبارت (Point to Multi Point) است.
• PMR‌ : به معنی ارتباطات بیسیم (بیسیم‌های استفاده شده در جنگ و …) و مخفف عبارت (Professional/Private Mobile Radio)  است.
• VSAT: به معنی ارتباطات بین دو دیش (همانند آنچه احتمالاً در بالای پشت‌بام بانک‌ها دیده‌اید) و مخفف عبارت (Very Small Aperture Terminal)  است.

شکل زیر ناحیه فرکانسی، طول موج کاری و انرژی فوتون وابسته به سیگنال‌های مخابرات فیبر نوری را در طیف الکترومغناطیسی نشان می‌دهد.

قیمت تجهیزات فیبر نوری در سایت های ایرانی:

قیمت تجهیزات فیبر نوری در سایت های خارجی:

قابل ذکر است که قیمت ها از سایت های آنلاین و بصورت خورده فروشی در تاریخ آبان سال ۱۳۹۸ استخراج شده است.

تصاویر تجهیزات فیبر نوری

چند نمونه طراحی ارتباط RTU با اسکادا از طریق فیبر نوری