هر آنچه که می بایست در مورد فیبر نوری بدانید؟

فیبر نوری

فیبر نوری چیست؟

با اختراع لیزر در سال 1960 منابع تشعشع الکترومغناطیس همسو در دسترس قرار گرفت و سبب استفاده از طیف مرئی فراهم شد. اتمسفر موجب تضعیف بسیار زیاد اطلاعات بویژه در شرایط نامساعد جوی می‌شود. بنابراین مرحله بعدی مطالعات سیگنال های نوری هدایت شده است، چراکه یک موج‌بر نوری اشعه را در مقابل مزاحمت های جوی مصون می‌دارد و این کار با بکارگیری عدسی ها و آینه‌های کوچک در طول مسافت طولانی انجام می شود.

به همین ترتیب از نفوذ رطوبت و نور خارجی به آن جلوگیری می شود و هدایت شعاع نور در داخل فیبر نازکی از شیشه‌ای دی‌الکتریک در مقاله‌ای توسط Kao و Kockham که در آزمایشگاه های یکی از دانشگاه های انگلستان کار می‌کردند مطرح گردید. همچنین مهمترین فاکتور در یک سیستم انتقال فیبر نوری مشخص شد، در واقع تمرکز بر روی فیبرهایی قرار داشت که اطلاعات را با سرعت زیاد در سیستم های انتقال باینری دیجیتال توسط یک منبع لیزری حمل می‌کردند.

فیبر نوری یا تار نوری، رشته باریک و بلندی از یک ماده شفاف مانند شیشه یا پلاستیک است که می تواند نوری را که از یک سوی به آن وارد شده را از سوی دیگر خارج نمایید. فیبر نوری یکی از محیط ‌های انتقال داده با سرعت بالا می باشد. همچنین فیبر نوری دارای پهنای باند بسیار بالاتر از کابل‌های معمولی است که با آن می‌توان داده‌های تصویر، صوت و داده‌های دیگر را به‌راحتی با پهنای باند بالا تا ۱۰ گیگابیت بر ثانیه و حتی بالاتر انتقال داد. فیبر نوری در موارد مختلفی همچون اینترنت و شبکه‌های کامپیوتری، شبکه‌های تلفن شهری و بین شهری مورد استفاده قرار می گیرد.

ساخت فیبر نوری:

جهت تولید فیبر نوری، امکان استفاده از شیشه های عادی وجود ندارد. چرا که اگر فیبری از شیشه های معمولی ساخته شود در انتشار نور حتی در فواصل کوتاه هم مشکل ایجاد خواهد کرد. زیرا وجود اعوجاج، تغییر رنگ و سایر ناخالصی ها است که به سرعت جذب یا منعکس می شود و یا حتی سبب پراکنده شدن نور در مسیر و قبل از رسیدن به مقصد می شود.

در اصل، دلیل اینکه فیبر نوری از شیشه های بسیار خالص ساخته شده است، این است که بتواند نور را در فاصله های بسیار دور تاحد زیادی بدون ایجاد هیچ مشکلی از نظر ناخالصی و اعوجاج منتشر نماید. برای ساخت فیبر نوری در مرحله اول، ساختار آن در یک میله شیشه‌ای موسوم به پیش‌ سازه از جنس سیلیکا تشکیل می شود و سپس در یک فرایند جداگانه این میله کشیده شده تبدیل به فیبر می‌شود. از سال 1970 روش‌های گوناگونی جهت ساخت انواع پیش‌ سازه‌ها مورد بررسی قرار گرفته است که اغلب آنها بر مبنای رسوب ‌دهی لایه‌های شیشه‌ای در داخل یک لوله به عنوان پایه قرار دارند.

ارتباطات فیبر نوری

فیبر نوری به عنوان رسانا برای مخابرات و شبکه های رایانه ای بسیار کاربردی است. از مزایای بزرگ فیبر می توان به قابلیت برقراری ارتباط در فواصل دور اشاره نمود. به این خاطر که نور به نسبت سیگنال الکتریکی دارای افت کم تری است.

در سال ۲۰۱۳ دانشمندان به سرعت ۴۰۰Gbit/S بر روی یک کانال دست پیدا کردند. روش‌های ساخت پیش‌سازه روش‌های فرایند فاز بخار برای ساخت پیش‌سازه فیبر نوری را می‌توان به سه گروه دسته بندی نمود:

  1. رسوب‌دهی محوری در فاز بخار
  2. رسوب‌دهی بیرونی در فاز بخار
  3. رسوب‌دهی داخلی در فاز بخار

مواد لازم جهت ساخت پیش سازه

  • تتراکلرید سیلیکون: این ماده جهت تأمین لایه‌های شیشه‌ای در فرایند مورد استفاده قرار می گیرد.
  • گاز فلوئور: برای کاهش ضریب شکست شیشه در ناحیه غلاف نیاز است.
  • تتراکلرید ژرمانیوم: این ماده نیز برای افزایش ضریب شکست شیشه در ناحیه مغزی پیش‌سازه بکار برده می شود.
  • گاز کلر: برای آب‌زدایی محیط داخل لوله قبل از شروع واکنش اصلی لازم می شود.
  • گاز هلیم: جهت نفوذ حرارتی و حباب‌زدایی در حین واکنش شیمیایی در داخل لوله بکار می رود.
  • اکسی کلرید فسفریل:این ماده هم جهت کاهش دمای واکنش در حین ساخت پیش‌سازه، وارد واکنش می‌شود.

مراحل ساخت:

  1. مراحل صیقل گرمایشی: پس از نصب لوله با عبور گازهای کلر و اکسیژن، در دمای بالاتر از ۱۸۰۰ درجه سلسیوس لوله صیقل داده خواهد شد تا بخار آب موجود در جدار درونی لوله از آن خارج شود.
  2. مرحله اچینگ: در این مرحله با عبور گازهای کلر، اکسیژن و فرئون لایه سطحی جدار داخلی لوله پایه خورده می‌شود تا ناهمواری‌ها و ترک‌های سطحی بر روی جدار داخلی لوله از بین بروند.
  3. لایه‌نشانی ناحیه غلاف: در مرحله لایه‌نشانی غلاف، ماده تتراکلرید سیلیسیوم و اکسی کلرید فسفریل به حالت بخار به همراه گازهای هلیم وارد لوله شیشه‌ای می‌شوند و در حالتی که مشعل اکسی هیدروژن با سرعت تقریبی ۱۲۰ تا ۲۰۰ میلی‌متر در دقیقه در طول لوله حرکت می‌کند و دمایی بالاتر از ۱۹۰۰ درجه سلسیوس ایجاد می‌کند، واکنش‌های شیمیایی زیر به دست می‌آیند.
مهم:

ذرات شیشه‌ای حاصل از واکنش‌های فوق به جهت پدیده ترموفرسیس، کمی جلوتر از ناحیه داغ پرتاب می شود و بر روی جداره داخلی رسوب می‌کنند و با رسیدن مشعل به این ذرات رسوبی حرارت کافی به آن‌ها اعمال می‌شود. این عمل به گونه ای انجام می پذیرد ‌که تمامی ذرات رسوبی شفاف می‌گردند و به جداره داخلی لوله چسبیده و یکنواخت می‌شوند. به همین ترتیب لایه‌های شیشه‌ای مطابق با طراحی و با ترکیب در داخل لوله بوجود می آیند و در نهایت ناحیه غلاف را تشکیل می‌دهند.

انواع فیبرنوري بر اساس ساختار آنها

  1. فیبر نوری شیشه ای
  2. فیبر نوري پلاستیکی
  3. فیبرنوري سیلیکا با روکش پلاستیکی

ارسال نور در فیبر نوری

اساس کار و چکونگی انتشار نور در فیبر نوری جای هیچ گونه بحث پیچیده‌ای ندارد و بر اساس قانون بازتاب کامل عمل می‌کند. نور در فیبر نوری از طریق هسته و توسط جهش‌های پیوسته با توجه به سطح آبکاری شده حرکت می کند. چراکه سطح آبکاری شده، قادر به جذب نور موجود در هسته نمی باشد، لذا نور قادر به حرکت در مسافت‌های طولانی است.

اما گاهی بدلیل خالص نبودن شیشه، برخی از سیگنال‌های نوری دچار نوعی تضعیف در طول هسته می شوند که این تضعیف به درجه خلوص شیشه و طول موج نور انتقالی بستگی دارد. به عنوان یک مثال می توان گفت: اگر طول موج 1300 نانومتر باشد، بین 50 تا 60 درصد در هر کیلومتر تضعیف می شود و موج با طول 1550 نانومتر بیش از 50 درصد در هر کیلومتر تضعیف می شود.

بخش‌های مختلف فیبر نوری

هسته: این بخش که در مرکز فیبر قرار دارد از جنس یک ماده بی‌نهایت شفاف شیشه‌ای یا پلاستیکی تشکیل شده؛ که پرتوهای نور در آن جریان می‌یابند.
روکش: این بخش نیز از جنس شیشه یا پلاستیک است اما با ضریب شکنندگی متفاوتی با جنس بکار گرفته شده در Core. به این خاطر ضریب شکنندگی آن متفاوت است که پرتوهای موجود در Core از آن خارج نشوند و با برخورد به Cladding دوباره به سمت Core هدایت شوند.
بافر رویه: روکشی رنگی پلاستیکی است که از Core و Cladding در مقابل رطوبت و عوامل خارجی محافظت می‌کند.

صدها و هزاران نمونه از رشته‌های نوری فوق در دسته‌هایی سازمان دهی می شوند و کابل‌های نوری را به وجود می‌آورند.

محدودیت‌ و نقاط ضعف فیبرهای نوری

  1. محدود بودن میزان کشش برای فیبرهای با ظرفیت مختلف
  2. محافظت کامل در برابر ضربه، برای فیبرهایی که از درون حوضچه می گذرند.
  3. ضرورت دقت کامل در هنگام کابلکشی
  4. امکان شکستن در صورت گذشتن زاویه فیبر از یک حد معین

دسته بندی فیبرهای نوری

فیبر نوری، سیگنال‌های نوری را در حالات‌های مختلفی انتشار می دهد. این حالت‌های گوناگون به «مُد یا مود» (Mode) معروف هستند. به عبارتی دیگر حالت‌های مختلف انتشار موج درون یک موجبر یا کاواک (در لیزر) را مُد می‌نامند. همچنین به مسیری که پرتو نور در یک فیبر نوری طی می شود هم مُد می‌گویند.

تک حالتی single-mode:

ساده‌ترین نوع فیبر نوری، مدل تک مد (Single Mode) است. فیبر سینگل مود یک سیگنال نوری را در هر زمان انتشار می‌دهد. همچنین دارای یک هسته کوچک حدود 9 میکرون قطر بوده و قادر به ارسال نور لیزری مادون قرمز به طول موج 1300 تا 1550 نانو متر می باشد. پهنای پالس در فیبر‌های نوری تک مُد بسیار باریک است، زیرا دچار پهن‌شدگی کمتری نسبت به فیبرهای چند مد می‌شود. همچنین دارای اتلاف کمتری نسبت به دیگر فیبر‌ها هستند. دلیل استفاده از فیبرهای تک مد در ارتباطات راه دور و پهن‌باند نیز به همین خاطر است.

چند حالتی multi-mode:

همان‌طور که از نام این فیبر نوری معلوم است، سیگنال اپتیکی در چند حالت مختلف می‌تواند از طریق فیبر ارسال گردد. از فیبرهای مالتی مد یا چند حالتی معمولا در فاصله‌های کوتاه و یا در شبکه‌های کامپیوتری یک سازمان کوچک استفاده می‌ شود. فیبر مالتی مود می‌تواند صدها حالت نور را به طور هم‌ زمان از خود انتقال دهد. همچنین فیبرهای مالتی مود نیز دارای هسته بزرگتر تقریباً 62.5 میکرون قطر است و قادر به ارسال نور مادون قرمز از طریق LED می باشند.

روکش‌های فیبر نوری

با توجه به رنگ روکش‌های فیبر نوری می توانیم بفهمیم با چه نوع فیبری سروکار داریم. (به عنوان مثال: اگر روکش فیبر زرد بود، فیبر single mode است و اگر نارنجی بود، فیبر multimode است.)

تجهیزات فیبر نوری

کاربردهای فیبر نوری

بعد از این آشنایی مختصر، در اینجا کاربردهای فیبر نوری را نام می بریم:

  • در سیستم‌های مخابرات نوری جهت انتقال POT
  • در سیستم‌های پر سرعت نظیر GigaBit Ethernet, FDDI, MultiMedia, ATM, SONET, Fiber Channel
  • در صنعت پزشکی: فیبرنوری در تشخیص بیماری ها و آزمایش های گوناگون در پزشکی کاربرد فراوان دارد. همچنین تارهای نوری در دستگاه‌هایی به نام درون بین یا آندوسکوپ استفاده می‌شود تا به درون نای، مری، روده و مثانه فرستاده شود و درون بدن انسان به‌طور مستقیم قابل مشاهده باشد.
  • در صنایع نظامی: برقراری ارتباط و کنترل با آنتن رادار، کنترل و هدایت موشک ها، ارتباط زیردریایی ها (هیدروفون).
  • در بخش فضایی، حمل و نقل و صنعت
  • در سازمان‌های محلی برای انتقال سرویس فوق در بین بخش‌های مختلف
  • در سیستم‌های نقل و انتقال هوشمند
  • در شرکت‌های تلویزیون کابلی
  • در کارخانجات بین المللی
  • کاربرد فیبرنوری در روشنایی: در این فناوری نور از منبع نوری که می‌تواند نور مصنوعی یا نور طبیعی باشد وارد فیبر نوری شده و از این طریق به محل مصرف منتقل می‌شود. به این ترتیب نور به هر نقطه‌ای که در جهت تابش مستقیم آن ناست منتقل می‌شود. امتیاز این نور که موجبات رشد سریع به‌کارگیری و توجه زیاد به این فناوری شده‌است این است که فاقد الکتریسیته گرما و تشعشعات خطرناک ماورای بنفش بوده (نور خالص و بی‌خطر) و دیگر اینکه با این فناوری می‌شود
  • کاربرد در حسگرها
  • کاربرد در مخابرات:یکی از مرسوم‌ترین کاربردهای فیبر نوری انتقال اطلاعات توسط لیزر است.

فیبر نوری

فیبر نوری در ایران

در ایران در اوایل دهه ۶۰، فعالیت‌های پژوهشی در زمینه فیبر نوری، برپایی مجتمع تولید فیبر نوری در پونک تهران را در پی داشت و در سال ۱۳۶۷، کارخانه تولید فیبر نوری در یزد به بهره‌برداری 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.

فیبر نوری یک موج‌بر استوانه‌ای از جنس شیشه یا پلاستیک است که دو ناحیه مغزی و غلاف با ضریب شکست متفاوت و دو لایه پوششی اولیه و ثانویه پلاستیکی تشکیل شده‌است. برپایه قانون اسنل برای انتشار نور در فیبر نوری شرط: می‌بایست برقرار باشد که به ترتیب ضریب شکست‌های مغزی و غلاف هستند. انتشار نور تحت تأثیر عواملی ذاتی و اکتسابی دچار تضعیف می‌شود. این عوامل عمدتاً ناشی از جذب فرابنفش، جذب فروسرخ، پراکندگی رایلی، خمش و فشارهای مکانیکی بر آن‌ها هستند.

از سال ۱۳۸۷ تحقیقات وسیعی در مورد این نوع از فیبرها در مرکز فناوری تخصصی صورت گرفت 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.

فیبر نوری

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 پیچیده‌تری 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. اف (D.S.F. Fiberِ) ساخته شد. فیبر نوری بهترین نوع انتقال اطلاعات در عصر امروزی است.

فیبر نوری

دیدگاه خود را ثبت کنید

آدرس ایمیل شما منتشر نخواهد شد. زمینه های مورد نیاز ساخته شده است.