آیا تا بحال با خودتان فکر کرده اید که چگونه به راحتی با دوستان و نزدیکان تان از طریق تماس های تلفنی یا اینترنتی، ارتباط برقرار می کنید؟ آیا تابحال نام فیبرنوری به گوش تان خورده است؟ باید بگوییم که وظیفه ی انتقال تمام اطلاعاتی که شما در تماس ها انجام می دهید، بر عهده جزئی مهم به نام فیبرهای نوری است. در این مقاله درباره فیبرهای نوری بیشتر مطالعه می کنیم.

فیبر نوری چیست؟

در زبان انگلیسی به فیبرهای نوری، Optical Fiber گفته می شود. آن ها رشته های بلند و نازکی از جنس شیشه هستند. قطر این رشته ها بسیار کم است و به حدی که می توان گفت هر یک از ان ها به اندازه یک تار مو هستند. تعدادی از این رشته ها در کنار یک دیگر داخل یک کابل مرتب شده اند تا اطلاعات را در فواصل زیاد، انتقال دهند.

جنس فیبرها از سلیس خالص است که انتقال داده ها را از طریق فیبرهای نوری کوچک انجام می دهد. نور می تواند از هسته فیبرها عبور کند و با روکش کردن فیبرها باعث می شود تا نور از آن ها نتواند خارج شود.

در جهت آن که فیبرها در برابر باران و عوامل محیطی در امان باشند، از روکش استفاده می کنند. روکش آن ها را همواره سالم نگه می دارد. فرستنده های نوری، اطلاعات را دریافت می کنند،

ان ها را به نور تبدیل و سپس منتقل می کنند. آن ها یکی از لیزرهای طول موج هستند که سیگنال های الکتریکی را از طریق سوئیچ ها به سیگنال های نور تبدیل و سپس منتقل می کنند. این کابل ها قادرند تا اطلاعات را با سرعت بسیار بیشتری نسبت به سایر انتقال دهنده ها جابجا کنند و بنابراین به یک جزء مهم در صنایع مختلف مانند مخابرات تبدیل شده است.

تاریخچه ابداء فیبر نوری

در ابتدا افرادی توانستتد که نور را در جو زمین انتقال دهند. کمی بعد آن ها به فکر انتقال نور در زمین افتادند اما با مشکل عوامل محیطی مانند گرد و خاک، باد، باران و… مواجه شدند. آن ها از لوله ها و کانال ها استفاده کردند تا نور را انتقال دهند. در این کانال ها، از عدسی ها و آینه ها کمک گرفتند تا نور را منتقل کنند اما درواقع این کار و تنظیم آینه ها بقدری سخت و زمانبر بود.

بنابراین پروژه آن ها با شکست روبه رو شد. بعد از مدتی از اختراع تلفن، گراهامبل تلاش کرد تا تلفن های نوری را اختراع کند. او توانست این اختراع را ثبت کند و اطلاعات تماس را از طریق نور تا چند صد متر آنطرف تر نیز پیش ببرد. دستگاهی که گراهامبل اختراع کرد بردی تا حدود 200 متر داشت و درواقع نتوانست از محبوبیت تجاری چندانی برخوردار شود.

در همین حال در سال 1840، برای بار اول افرادی به نام Daniel Colladon و Jacques Babinet برای اولین بار پیشنهاد شکست نور را برای انتقال اطلاعات دادند. در سال 1870 نیز John Tyndall در کتاب خود درباره بازتاب کلی نور توضیحاتی را ارائه کرد.

چندی بعد براساس نظریه های ایجاد شده دو فرد کاکو و کوکهام برای بار اول پیشنهاد دادن تا از شیشه به عنوان محلی برای شکست نور استفاده کنند.

این تحقیقات و کشمکش ها تا حدود سال 1960که اشعه لیزر اختراع شد ادامه پیدا کرد و همواره همه آن ها با شکست مواجه می شدند. تا این که با اختراع اشعه لیزر، دانشمندان توانستند به اختراع فیبرها یا کابل های نور دست پیدا کنند.

بطوری که از سال 1980 کابل های نوری یکی از انتخاب های مهمم در صنعت محسوب می شد و از سال 1985 به بعد، در سراسر دنیا میلیون ها کابل نوری مورد استفاده قرار می گرفتند.

بررسی فیبر نوری و سیم مسی

در ابتدا، یعنی قبل از اختراع کابل های نوری، اطلاعات به شکل داده های الکتریکی و از طریق سیم های مسی متقل می شدند. تا این که با روی کار آمدن فیبرنوری و تبدیل اطلاعات به نور، فیبر مسی دیگر کارایی خود را از دست داد. کابل های مسی بسیار محکم تر از کابل های نور هستند و قیمت کمتری نسبت به کابل های نوری دارند.

این درحالی است که کابل های نوری شکننده تر می باشند و زمان انتقال نور اگر بیشتر از حد کمی خم شوند، احتمال شکستن آن ها وجود دارد. اما نقطه ضعف سیم های مسی این است که آن ها نسبت به تداخلات الکتریکی ممکن است حساس باشند اما فیبرهای نوری می توانند در هر شرایطی مانند باد، برف و باران و… به فعالیت های خود ادامه دهند.

آن ها حتی زیر آب نیز می توانند نقل و انتقالات را انجام دهند. درست است که کابل نوری کمی گرانتر از کابل های مسی می باشند اما آن ها بسیار سبک هستند، ایمنی بیشتری دارند و انرژی کمتری مصرف می کنند. براساس همین داده ها می توان گفت که فیبرهای نور نسبت به کابل های مسی قدیمی برتری دارند.

فیبرهای نوری از چه بخش های تشکیل شده اند؟

فیبر نوری از دو بخش تشکیل شده است. بخش هسته و بخش لایه بیرونی. اگر میله ی شیشه ای را در یک لوله کششی ذوب کنیم، فیبر نوری بیرون می آید.

سازندگان میله ی شیشه ای را در فرآیندهای خاص به نحوی تولید می کنند که دارای ویژگی های منحصربفرد باشند. هر چند که فیبرهای نوری قطر بسیار اندکی دارند اما می توان گفت آن ها از بخش های مختلفی تولید شده اند.

• هسته فیبر که داخلی ترین بخش فیبر می باشد و نور در آن ها حرکت می کند.
• در اطراف هسته، مواد بیرونی به نام روکش قرار گرفته است و نور را در داخل هسته بازتاب می دهند.
• یک پوشش پلاستیکی که روی فیبرنوری قرار می گیرد و با نام بافر شناخته می شود.
• و در نهایت پوسته ی اصلی که بیرونی ترین لایه فیبرنوری می باشد و از این کابل در برابر عوامل محیطی محافظت می کند.

انواع کابل های نور (فیبرنوری)

سیگنال های نوری که مد نامیده می شوند، توسط فیبر نوری جابجا می شوند. روش های مختلفی برای انتقال مدها وجود دارد. در واقع یک مد مسیری است از بالا به پایین که فیبر نوری آن را طی می کند. فیبرهای نوری بطور کلی در دو حالت تک حالته و چند حالته هستند که در این دو روش نحوه انتقال سیگنال های نوری متفاوت می شود.

کابل نوری تک حالته

مدل تک حالته، ساده ترین حالتی است که یک کابل نوری می تواند داشته باشد. تمام سیگنال ها در این کابل از وسط یک هسته بسیار نازک با قطر حدود 9 میکرون حرکت می کنند بدون آن که از لبه ها پرش داشته باشند. از این کابل ها اغلب برای اینترنت، تلفن و برنامه های CATVها مورد استفاده قرار می گیرند.

در این حالت سیگنال ها توسط فیبرهای تک حالته پیچیده و در بسته ای حمل می شوند. نور لیزر مادون قرمز که طول موجی بین 1300 تا 1550 نانومتر دارد، سیگنال ها را حرکت می دهد. رایجترین مدل کابل های نوری که در سراسر جهان و اغلب در سیستم های مخابراتی  مورد استفاده قرار می گیرد، کابل های نور تک حالته می باشند. چون این کابل ها فقط یک مسیری نوری دارند،

احتمال ایجاد امواج در این کابل ها کمتر است. به علاوه هسته های کوچکی که دارند، باعث می شود تا گزینه ی مناسبی برای شبکه های دوربرد باشد. کابل های تک حالته را در حالت مخفف SMF می گویند که کلمه کامل آن Single Mode Fiber می باشد.

کابل نوری چند حالته

کابل های چند حالته، مدل دیگری از کابل ها می باشند که حدود ده برابر از کابل های تک حالته بزرگتر می باشند. در این کابل، پرتوهای نوری می توانند در مسیرهای مختلف در هسته حرکت کنند. آن ها قابلیت دارند تا داده ها را در فاصله های کوتاه جابجا کنند.

به همین علت از این کابل های چند حالته در اتصال شکبه های کامپیوتری استفاده می شود. هسته این کابل ها دارای قطر 62.5 و نسبتاًَ بزرگ است که انشعابات قابل توجهی دارد و می تواند کاربردهای مفیدی داشته باشد. هسته ی بزرگ در کابل ها، این امکان را فراهم می آورد تا چندین انشعاب نور در کابل ها منتقل شود.

این عمل کمک می کند تا از فرستنده و گیرنده های کم هزینه استفاده کرد و سیگنال های را که باید بطور همزمان مسیرهای مختلفی را طی کنند، هدایت می کند. برای مثال در بسیاری از مراکز داده استفاده از کابل های چند حالته ترجیح داده می شود.

چون آن ها می توانند به شکل بسیار مقرون بصرفه، کابل کشی را مدیریت و داده ها را منتقل کنند. طول موج نور مادون قرمزی که در این کابل ها استفاده شده است، بین 850 تا 1300 نانومتر است. این کابل ها را تنها تا فاصله 200 یا 300 متر می توان بکار برد.

در برخی از فیبرها، جنس فیبرهای نوری را از پلاستیک تولید می کنند اما چون کابل های چند حالته هسته های بزرگی دارند، جنس آن ها از تراشه های سیلیکونی است. چهار نوع کابل نوری چند حالته وجود دارد که در صنعت آن ها را با نام های OM1، OM2، OM3 و OM4 می شناسند.

چرا از فیبرنوری استفاده کنیم؟

اگر بخواهیم درباره مزیت های که کابل های نور یا همان فیبرهای نوری دارند صحبت کنیم، موارد متعددی قابل اشاره هستند. به عنوان مثال این کابل ها غیرقابل اشتعال هستند و نسبت به کابل های برق، بسیار سبک می باشند. این کابل ها بسیار منعطف می باشند و از طریق آن ها می توان ظرفیت زیادی از اطلاعات را انتقال داد.

برای مثال می توان با کمک آن ها تعداد زیادی کابل تلفن را منتقل کرد. آن ها می توانند داده ها را بدون نیاز به تقویت، به راحتی انتقال دهند که این موضوع باعث صرفه جویی در مصرف برق خواهد بود. بطور کلی استفاده از فیبرنوری، مزیت های اقتصادی زیادی را به همراه خواهد داشت.

عملکرد فیبرنوری به چه صورت است؟

در بیشتر مواقع، نور را به هسته تزریق می کنند و چون هسته از جنس شیشه است، انعکاسی بین هسته و لبه روکش صورت می گیرد و درواقع همانند یک آینه عمل می کند. سپس لکه فیزیکی ایجاد شده فیبر را دنبال می کند.

زمانی که هسته فیبر دارای قطری کوچکتر است سبب می شود تا نور بیشتری منتقل شود و در همین زمان سرعت انتقال نیز بیشتر می شود.

عملکرد این کابل براساس اصل بازتاب داخل است. این سیستم برای عملکردش از اجزاء زیر تشکیل شده است که هر کدام وظایف خاصی را برعهده دارند؛

• فرستنده ها: فرستنده ها، سیگنال های نوری را تولید می کنند و آن ها را برای ارسال رمز گذاری می کنند.
• فیبر نوری: وسیله های هستند که انتقال سیگنال های نوری در حالت پالس نوری را برعهده دارند.
• گیرنده نوری: گیرنده ها، پالس های نوری را دریافت و سپس آن ها را برای استفاده رمز گشایی می نمایند.
• تقویت کننده نوری: تقویت کننده های نوری در زمانی بکار می رود که بخواهیم داده را به راه دور ارسال شوند.

کاربردهای فیبرنوری

فیبرنوری یکی از رایجترین شبکه های انتقال است که امروزه در صنایع مختلفی مورد استفاده قرار می گیرد. اغلب ما تصور می کنیم که این کابل ها را تنها در انتقال اینترنت استفاده می کنند اما درواقع در صنایع مختلفی مانند جوشکاری، پزشکی، برش فولاد و… نیز از آن ها استفاده می شود.

شبکه های کامپیوتری

از کابل های نوری برای انتقال اطلاعات به راه دور استفاده می شوند که نسبت کابل های مسی مزیت های بسیاری دارند. انتقال اطلاعات با این کابل ها ده برابر راحتتر و سریعتر انجام می شود که در نهایت باعث کاهش هزینه ها خواهد شد.

هیچگونه تداخلاتی در این شبکه ها ایجاد نمی شود و اطلاعات با اطمینان کاملتری منتقل می شوند. پهنای باند آن ها بیشتر از کابل های مسی است و می توانند اطلاعات بیشتری را منتقل کنند.

صداوسیما

در ابتدا در قرن بیستم استفاده از رادیو و تلویزیون با کمک امواج الکترومغناطیس کاربرد داشت اما این درحالی است که امروزه امواج رادیویی در هوا پخش می شوند و امواج تلویزیونی از طریق کابل های نوری.

پزشکی

در علم پزشکی در ابزارهای بکار می رود که کمک می کنند تا بدون را بدون جراحی از داخل بررسی کرد. این کابل های نوری کمک کرده اند تا نسل جدیدی از دستگاه های اسکن، ساخته شوند.

زمینه های نظامی

در ابتدا گفتیم که اینترنت ها با کمک فیبرهای نور منتقل می شوند، پس این موضوع نیز واضح است که پایگاه های نظامی مختلف در سراسر جهان از طریق اینترنت با یک دیگر مرتبط هستند. آن ها نازک، سبک، قابل حمل و ضدحمله هستند و روش مناسبی برای انتقال پایگاه ها برای یکدیگر می باشند. آن ها می توانند سامانه های موشکی را به یکدیگر متصل کنند و یا اتصال رادیویی زیردریایی ها را ممکن سازند.