فیبر نوری چیست؟

فیبر نوری یا تار نوری (انگلیسی: Optical Fiber) رشته باریک و بلندی از یک مادّه شفاف همچون شیشه یا پلاستیک است که  نور از یک سمت  وارد  و سمت دیگر و خارج میشود. فیبرنوری از شیشه شفاف بسیار خالص ساخته می شود. مزایایی فیبر نوری باعث شده در بسیار ی از صنایع و کاربردها به فیبر نوری ترجیح داده شود.

رشته فیبر نوری از قسمت های زیر ساخته شده:

• هسته: هسته بخش مرکزی فیبر است که از شیشه ساخته شده و نور در این قسمت سیر می کند.
•  لایه روکش: واسطه شفافی که هسته مرکزی فیبر نوری را احاطه می کند وموجب انعکاس نور به داخل هسته می شود.
• روکش محافظ: روکشی پلاستیکی که فیبر نوری در برابر رطوبت و آسیب  محافظت می کند.
  صدها یا هزاران عدد از این رشته های فیبر نوری بصورت بسته ای در کنار هم قرار داده می شوند که به آن کابل نوری می گویند. این دسته از رشته ها با یک پوشش خارجی موسوم به ژاکت یا غلاف محافظت می شوند.

فیبرهای نوری به دو دسته تقسیم می شوند:

• • تک حالتی single-mode: فیبر سینگل مود یک سیگنال نوری را در هر زمان انتشار می‌دهد. فیبرهای تک حالته دارای یک هسته کوچک (تقریباً 9 میکرون قطر) بوده و قادر به ارسال نور لیزری مادون قرمز (طول موج از 1300 تا 1550 نانو متر) می باشند.
  • چند حالتی multi-mode: فیبر مالتی مود می‌تواند صدها حالت نور را به طور هم‌ زمان انتقال دهد. فیبرهای چند حالته دارای هسته بزرگتر (تقریباً 62.5 میکرون قطر) و قادر به ارسال نور مادون قرمز از طریق LED هستند.

مزایای فیبر نوری در مقایسه با سیم‌های مسی

ظرفیت بالا: پهنای باند فیبر نوری جهت ارسال اطلاعات بیشتر از سیم مسی است؛  توانایی انتقال داده‌ در این رسانا بیشتر است.

اندازه نازک‌تر: قطر فیبرهای نوری به نسبت کمتر از سیم‌های مسی می باشد.

تضعیف ناچیز: تضعیف سیگنال در فیبر نوری به مراتب کمتر از سیم مسی است. اگر بخواهیم یکی از بهترین مزایای فیبر نوری در مقایسه با کابل مسی را نام ببریم شاید این مورد  جز مهم ترین فاکتور ها باشد. چرا که مشکل اصلی کابلهای مسی تضعیف فراوانی دارند

ارتقا آسان: با پیشرفت تکنولوژی در آینده می‌توان فقط لوازم الکترونیکی را ارتقا داد و کابل فیبر نوری بدون تغییر خواهد ماند.

قیمت ارزان‌تر: هزینه فیبر نوری نسبت به سیم‌های مسی در مقیاس‌های بالا کمتر خواهد بود.

عدم تداخل: برخلاف سیگنال‌های الکتریکی در یک سیم مسی، عبور سیگنال‌های نوری در یک فیبر تأثیری بر فیبر دیگر نخواهد داشت و تداخل الکترو مغناطیسی نخواهیم داشت. برخی مهم ترین مزایای فیبر نوری را در عدم تدخل میدانند.

مصرف برق پایین: با توجه به این که سیگنال‌ها در فیبر نوری کمتر تضعیف می‌گردند، می‌توان از فرستنده‌هایی با میزان برق مصرفی پایین نسبت به فرستنده‌های الکتریکی، استفاده نمود.

فاصله: از فیبر نوری می‌توان در ارتباط شبکه‌هایی که فاصله بسیاری از هم دارند استفاده کرد.

اشتعال‌زا نبودن: با توجه به عدم وجود الکتریسته در فیبر نوری، امکان بروز آتش‌سوزی در فیبر نوری وجود نخواهد داشت.

انعطاف‌پذیر بودن: از دیگر مزایای فیبر نوری انعطاف‌پذیری و قابلیت ارسال و دریافت نور  به طور هم زمان نام برد، از این رو میتوان از آن در در موارد متفاوت نظیر دوربین‌های دیجیتال یا کاربردی خاص مانند عکس‌برداری پزشکی  استفاده می‌گردد.

پایداری: در کابل‌های فیبر نوری امکان نفوذ و ایجاد اختلال در انتقال داده‌ها کمتر می باشد و همچنین از تأثیرگذاری انواع نویزهای الکترومغناطیسی که شامل نویزهای رادیویی یا نویزهای حاصل از نزدیکی کابل‌ها بر روی داده‌های در حال انتقال است جلوگیری می‌کند. به عبارتی تارهای نوری از تداخل و ترویج با سایر کانال‌های ارتباطی، خواه نوری و خواه الکتریکی، به خوبی محافظت شده می‌باشد. به این معنا که نسبت به تداخل فرکانس‌های رادیویی و تداخل الکترومغناطیسی عدم پذیرش عالی را برخوردار هستند.

وزن سبک: وزن یک کابل فیبر نوری کمتر از کابل مسی  در ‌رده ‌آن می باشد و این عامل در کار کردن، نصب و نگهداری فیبر بسیار اهمیت دارد.

امنیت: فیبرهای نوری درجه‌ای از امنیت و پنهانی بودن را ارائه می کند. چراکه تارها انرژی تشعشع نمی‌کنند.

ترویج نوری: فیبر نوری نیاز به زمین مشترک بین فرستنده تاری و گیرنده را منتفی می‌کند.

پهنای باند بالا: پهنای باند فیبر نوری اکنون به 170 گیگابایت در ثانیه رسیده و دانشمندان بر این عقیده اند که قابلیت ارتقاء تا چند صد ترابایت را دارد. فیبرنوری SMF که در حال حاضر مورد استفاده قرار می‌گیرد از پهنای باند ۴۰ گیگابایتی بهره میبرد.

امکان تعمیر فیبر: تار نوری در حالیکه سیستم روشن است، بدون آنکه احتمال اتصال کوتاه شدن مدارهای الکتریکی در فرستنده و یا در گیرنده باشد، وجود دارد.

سرعت: فیبر نوری توانایی انتقال اطلاعات را به مقدار زیادی چه به شکل دیجیتالی ‌و چه به شکل آنالوگ در بر دارد.

عدم نیاز به repeater تا چندین کیلومتر: به علت استفاده از نور در صورتی که جنس Core مرغوب باشد تا فواصل چند کیلومتری سیگنال تضعیف زیادی نخواهد داشت. در مسافت های بلند کابل های مسی دچار افت سیگنال میشوند. از مزایای فیبرنوری عدم افت سیگنال در مسافت های بلند است.

عدم برقراری انشعاب غیرمجاز: از آنجا که جهت برقراری انشعاب می بایست ابتدا فیبر قطع و گیرنده فیبر نصب شود و این عمل نیز زمانبر است؛ نگهدارنده‌های بستر با استفاده از ابزارهای خطایابی می‌توانند به سرعت محل مورد نظر را شناسایی نمایند.

عدم استفاده الکتریسیته برای ارتباط : با توجه به این نکته که در ابتدای مسیر نوری تولید شده و در انتها این نور دریافت می‌شود، دیگر نیاز به نیروی اکتریکی نمی باشد و همچنین ایمنی بسیار بالایی را در مقابل نویز فراهم می سازد.

یک فیبر نوری چگونه نور را هدایت می‌کند؟

به عنوان مثال در نظر بگیرید که می‌خواهید یک باریکه نور را بطور مستقیم و در امتداد یک کریدور بتابانید که در این صورت نور به آسانی در خطوط راست سیر می‌کند و مشکلی ایجاد نخواهد کرد. اما اگر کریدور مستقیم نباشد و در طول خود خمیدگی داشته باشد چگونه نور را به انتهای آن می‌رسانید؟

برای این منظور می‌توانید از یک آینه استفاده کنید که در محل خمیدگی راهرو قرار می‌گیرد و نور را در جهت مناسب منحرف می نماید. حال اگر راهرو خیلی پیچیدگی داشته باشد و خم های زیادی موجود باشد چه؟ می‌توانید دیوارها را با آینه بپوشانید. بطوریکه نور در طول راهرو از یک گوشه به گوشه دیگربرود. این دقیقا همان چیزی است که در یک فیبرنوری اتفاق می افتد.

نور در یک کابل فیبرنوری، بر اساس قاعده ای موسوم به بازتابش داخلی، بطور مرتب و توسط دیواره آینه پوش لایه ای که هسته را احاطه نموده، به سمت های مختلف پرش می‌کند و در طول هسته پیش می‌رود.

از آنجا که لایه آینه پوش اطراف هسته هیچ نوری را جذب خود نمی‌کند، موج نور می‌تواند فاصله های طولانی را طی کند. ممکن است برخی از سیگنال‌های نوری درطی حرکت در طول فیبر تضعیف ‌شوند، که علت عمده آن وجود برخی ناخالصی‌ها در شیشه است. بنابراین میزان ضعیف شدن سیگنال به درجه خلوص شیشه استفاده شده در داخل فیبر و همچنین طول موج نوری بستگی دارد.

محدودیت‌ها و نقاط ضعف فیبرهای نوری

تا به حال در مورد مزایای فیبر نوری در مقایسه با کابل مسی صحبت کردیم قطعا هر چیزی محدودیت هایی دارد که اگر با آن آشنا باشیم میتوانیم از آن به خوبی استفاده کنیم. در ادامه چند نمونه از محدودیت هایی که باید در حین کار با فیبر نوری با آنها توجه کنیم آورده شده است.

• محدود بودن میزان کشش برای فیبرهایی با ظرفیت های مختلف
• امکان شکسته شدن در صورت عبور زاویه فیبر از یک حد معین
• محافظت کامل در برابر ضربه، برای فیبرهایی که از درون حوضچه می گذرند.
• ضرورت دقت کامل در هنگام کابل کشی

کاربردهای فیبر نوری

همچنان که مزایای فیبر نوری زیاد است کاربردهای آن نیز گسترده است. مثلا سیرعت بالای انتقال داده در مسافت های بالا راه حل انتقال داده های مخابراتی است پس در صنعت مخابرات کاربرد دارد. همین طور در موارد بسیار دیگر دیده میشود که چگونه این مزایا تنوع کاربرد ایجاد کرده است که در کابل مسی دیده نمیشود.

مخابرات: یکی از مرسوم ترین کاربردهای فیبر نوری انتقال اطلاعات توسط نور لیزر است.

کاربردهای پزشکی: از مزایای فیبر نوری بی خطر بودن آن برای سلامت بدن است بنابراین فیبر نوری در تشخیص بیماری‌ها و آزمایش های گوناگون در پزشکی کاربرد فراوان و موثری دارد. به عنوان مثال می‌توان به شناسایی نارسایی‌های داخلی بدن، جراحی لیزری، دُزیمتری غدد سرطانی، استفاده در دندانپزشکی و اندازه ‌گیری مایعات و خون اشاره نمود. 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 به طور مستقیم قابل مشاهده باشد.

کاربرد در حسگرها: استفاده از حسگرهای فیبر نوری به جهت اندازه ‌گیری کمیت‌های فیزیکی همچون جریان الکتریکی، سطح مایعات، فشار، جابجایی، میدان مغناطیسی، آلودگی آب‌های دریا، حرارت، تشعشعات پرتوهای گاما و ایکس در سال‌های اخیر شروع شده ‌است. در این نوع حسگرها، از فیبر نوری به عنوان عنصر اصلی حسگر بهره‌ گیری می‌شود. به همین روش ویژگی‌های فیبر تحت میدان کمیت مورد اندازه ‌گیری تغییر یافته و با اندازه شدت کمیت تأثیر پذیر می‌شود.

کاربرد فیبرنوری در روشنایی: از جمله کاربردهای فیبر نوری که در اواخر قرن بیستم به عنوان یک فناوری روشنایی متداول شده و در چند سال قرن اخیر توسعه و رشد فراوانی یافته، کاربرد آن در سیستم‌های روشنایی است. در این فناوری نور از منبع نوری که می‌تواند نور مصنوعی و یا نور طبیعی باشد وارد فیبر نوری شده و از این طریق به محل مصرف انتقال میاید.

به این ترتیب نور به هر نقطه‌ای که در جهت تابش مستقیم آن نمی باشد انتقال میاید. از مزیت این نور که موجبات رشد سریع بکارگیری و توجه زیاد به این فناوری شده ‌است این می باشد که فاقد الکتریسیته گرما و تشعشعات خطرناک ماورای بنفش است (نور خالص و بی خطر). همچنین با این فناوری می‌توان نور روز را هم به داخل ساختمان ها و نقاط غیر قابل دسترسی به نور خورشید انتقال داد.

کاربردهای نظامی: فیبر نوری کاربردهای بسیاری و بی نهایتی در صنایع دفاع دارد که از جمله آن می‌توان به کنترل و هدایت موشک‌ها، برقراری ارتباط و کنترل با آنتن رادار، ارتباط زیردریایی ها (هیدروفون) اشاره نمود.