دنیای الکترونیک

  کاربرد و عملکرد فیبر نوری
  ● پیش گفتار
فیبر نوری یكی از محیط های انتقال داده با سرعت بالا است . امروزه از فیبر نوری در موارد متفاوتی نظیر شبكه های تلفن شهری و بین شهری ، شبكه های كامپیوتری و اینترنت استفاده بعمل می آید. فیبرنوری رشته ای از تارهای شیشه ای بوده كه هر یك از تارها دارای ضخامتی معادل تار موی انسان را داشته و از آنان برای انتقال اطلاعات در مسافت های طولانی استفاده می شود.
 ● مبانی فیبر نوری
 فیبر نوری ، رشته ای از تارهای بسیار نازك شیشه ای بوده كه قطر هر یك از تارها نظیر قطر یك تار موی انسان است . تارهای فوق در كلاف هائی سازماندهی و كابل های نوری را بوجود می آورند. از فیبر نوری بمنظور ارسال سیگنال های نوری در مسافت های طولانی استفاده می شود.
● مزایای فیبر نوری
 فیبر نوری در مقایسه با سیم های های مسی دارای مزایای زیر است :
 ▪ ارزانتر.
      هزینه چندین كیلومتر كابل نوری نسبت به سیم های مسی كمتر است . ▪ نازك تر. قطر فیبرهای نوری بمراتب كمتر از سیم های مسی است .
▪ ظرفیت بالا.
    پهنای باند فیبر نوری بمنظور ارسال اطلاعات بمراتب بیشتر از سیم مسی است .
 ▪ تضعیف ناچیز.
   تضعیف سیگنال در فیبر نوری بمراتب كمتر از سیم مسی است .
▪ سیگنال های نوری .
    برخلاف سیگنال های الكتریكی در یك سیم مسی ، سیگنا ل ها ی نوری در یك فیبر تاثیری بر فیبر دیگر نخواهند داشت .
▪ مصرف برق پایین .
   با توجه به سیگنال ها در فیبر نوری كمتر ضعیف می گردند ، بنابراین می توان از فرستنده هائی با میزان برق مصرفی پایین نسبت به فرستنده های الكتریكی كه از ولتاژ بالائی استفاده می نمایند ، استفاده كرد.
▪ سیگنال های دیجیتال .
   فیبر نور ی مناسب بمنظور انتقال اطلاعات دیجیتالی است .
 ▪ غیر اشتعال زا .
    با توجه به عدم وجود الكتریسیته ، امكان بروز آتش سوزی وجود نخواهد داشت .
▪ سبك وزن .
    وزن یك كابل فیبر نوری بمراتب كمتر از كابل مسی (قابل مقایسه) است.
 ▪ انعطاف پذیر .
   با توجه به انعظاف پذیری فیبر نوری و قابلیت ارسال و دریافت نور از آنان، در موارد متفاوت نظیر دوربین های دیجیتال با موارد كاربردی خاص مانند : عكس برداری پزشكی ، لوله كشی و ...استفاده می گردد. با توجه به مزایای فراوان فیبر نوری ، امروزه از این نوع كابل ها در موارد متفاوتی استفاده می شود. اكثر شبكه های كامپیوتری و یا مخابرات ازراه دور در مقیاس وسیعی از فیبر نوری استفاده می نمایند
 ● بخش های مختلف فیبر نوری ▪
 یك فیبر نوری از سه بخش متفاوت تشكیل شده است :
1)هسته (Core)
    هسته نازك شیشه ای در مركز فیبر كه سیگنا ل های نوری در آن حركت می نمایند. 2
)روكش Cladding
   بخش خارجی فیبر بوده كه دورتادور هسته را احاطه كرده و باعث برگشت نورمنعكس شده به هسته می گردد.
 ۳) بافر رویه Buffer Coating 
   روكش پلاستیكی كه باعث حفاظت فیبر در مقابل رطوبت و سایر موارد آسیب پذیر ، است .
● انواع فیبر نوری
 صدها و هزاران نمونه از رشته های نوری فوق در دسته هائی سازماندهی شده و كابل های نوری را بوجود می آورند. هر یك از كلاف های فیبر نوری توسط یك روكش هائی با نام Jacket محافظت می گردند. فیبر های نوری در دو گروه عمده ارائه می گردند:
▪ فیبرهای تك حالته (Single-Mode)
    بمنظور ارسال یك سیگنال در هر فیبر استفاده می شود نظیر : تلفن
▪ فیبرهای چندحالته Multi-Mode  
    بمنظور ارسال چندین سیگنال در یك فیبر استفاده می شود( نظیر : شبكه های كامپیوتری)
▪ فیبرهای تك حالته دارای یك هسته كوچك ( تقریبا" ۹ میكرون قطر ) بوده و قادر به ارسال نور لیزری مادون قرمز ( طول موج از ۱۳۰۰ تا ۱۵۵۰ نانومتر) می باشند. فیبرهای چند حالته دارای هسته بزرگتر ( تقریبا" ۵ / ۶۲ میكرون قطر ) و قادر به ارسال نورمادون قرمز از طریق LED می باشند
 ● ارسال نور در فیبر نوری
    فرض كنید ، قصد داشته باشیم با استفاده از یك چراغ قوه یك راهروی بزرگ و مستقیم را روشن نمائیم . همزمان با روشن نمودن چراغ قوه ، نور مربوطه در طول مسیر مسفقیم راهرو تابانده شده و آن را روشن خواهد كرد.
 با توجه به عدم وجود خم و یا پیچ در راهرو در رابطه با تابش نور چراغ قوه مشكلی وجود نداشته و چراغ قوه می تواند ( با توجه به نوع آن ) محدوده مورد نظر را روشن كرد. در صورتیكه راهروی فوق دارای خم و یا پیچ باشد ، با چه مشكلی برخورد خواهیم كرد؟ در این حالت می توان از یك آیینه در محل پیچ راهرو استفاده تا باعث انعكاس نور از زاویه مربوطه گردد.
نور، در كابل فیبر نوری از طریق هسته (نظیر راهروی مثال ارائه شده ) و توسط جهش های پیوسته با توجه به سطح آبكاری شده ( Cladding) ( مشابه دیوارهای شیشه ای مثال ارائه شده ) حركت می كند.( مجموع انعكاس داخلی ) .
( مثلا" موج با طول ۸۵۰ نانومتر بین ۶۰ تا ۷۵ درصد در هر كیلومتر ، موج با طول ۱۳۰۰ نانومتر بین ۵۰ تا ۶۰ درصد در هر كیلومتر ، موج با طول ۱۵۵۰ نانومتر بیش از ۵۰ درصد در هر كیلومتر)
● سیستم رله فیبر نوری
بمنظور آگاهی از نحوه استفاده فیبر نوری در سیستم های مخابراتی ، مثالی را دنبال خواهیم كرد كه مربوط به یك فیلم سینمائی و یا مستند در رابطه با جنگ جهانی دوم است . در فیلم فوق دو ناوگان دریائی كه بر روی سطح دریا در حال حركت می باشند ، نیاز به برقراری ارتباط با یكدیگر در یك وضعیت كاملا" بحرانی و توفانی را دارند.
▪ سیستم رله فیبر نوری از عناصر زیر تشكیل شده است :
۱) فرستنده
   وظیفه فرستنده، مشابه نقش ملوان بر روی عرشه كشتی ناو فرستنده پیام است . فرستنده سیگنال های نوری را دریافت و دستگاه نوری را بمنظور روشن و خاموش شدن در یك دنباله مناسب ( حركت منسجم ) هدایت می نماید. فرستنده ، از لحاظ فیزیكی در مجاورت فیبر نوری قرار داشته و ممكن است دارای یك لنز بمنظور تمركز نور در فیبر باشد. لیزرها دارای توان بمراتب بیشتری نسبت به LED می باشند. قیمت آنها نیز در مقایسه با LED بمراتب بیشتر است . متداولترین طول موج سیگنا ل های نوری ، ۸۵۰ نانومتر ، ۱۳۰۰ نانومتر و ۱۵۵۰ نانومتر است .
۲) بازیاب ( تقویت كننده ) نوری
   همانگونه كه قبلا" اشاره گردید ، برخی از سیگنال ها در مواردیكه مسافت ارسال اطلاعات طولانی بوده ( بیش از یك كیلومتر ) و یا از مواد خالص برای تهیه فیبر نوری ( شیشه ) استفاده نشده باشد ، تضعیف و از بین خواهند رفت . در چنین مواردی و بمنظور تقویت ( بالا بردن ) سیگنا ل های نوری تضعیف شده از یك یا چندین " تقویت كننده نوری " استفاده می گردد. تقویت كننده نوری از فیبرهای نوری متععدد بهمراه یك روكش خاص (doping) تشكیل می گردند. بخش دوپینگ با استفاده از یك لیزر پمپ می گردد .
زمانیكه سیگنال تضعیف شده به روكش دوپینگی می رسد ، انرژی ماحصل از لیزر باعث می گردد كه مولكول های دوپینگ شده، به لیزر تبدیل می گردند. مولكول های دوپینگ شده در ادامه باعث انعكاس یك سیگنال نوری جدید و قویتر با همان خصایص سیگنال ورودی تضعیف شده ، خواهند بود.( تقویت كننده لیزری)
۳) دریافت كننده نوری
      وظیفه دریافت كننده ، مشابه نقش ملوان بر روی عرشه كشتی ناو دریافت كننده پیام است. دستگاه فوق سیگنال های دیجیتالی نوری را اخذ و پس از رمزگشائی ، سیگنا ل های الكتریكی را برای سایر استفاده كنندگان ( كامپیوتر ، تلفن و ... ) ارسال می نماید. دریافت كننده بمنظور تشخیص نور از یك "فتوسل" و یا "فتودیود" استفاده می كند.

فیبرنوری چیست؟

فیبرهای نوری رشته های بلند و نازکی از شیشه بسیار خالصند که ضخامتی در حدود قطر موی انسان دارند. آنها در بسته هایی بنام کابل‌های نوری کنار هم قرار داده می‌شوند و برای انتقال سیگنال‌های نوری در فواصل دور مورد استفاده قرار می‌گیرند. از آنها همچنین برای عکسبرداری پزشکی و معاینه های فنی در مهندسی مکانیک استفاده می‌شود. 

اگر با دقت به یک رشته فیبر نوری نگاه کنید، می بینید که از قسمت‌های زیر ساخته شده :

• هسته _ هسته بخش مرکزی فیبر است که از شیشه ساخته شده و نور در این قسمت سیر می‌کند.     

• لایه روکش _ واسطه شفافی که هسته مرکزی فیبر نوری را احاطه می‌کند وباعث انعکاس نور به داخل هسته می‌شود.

• روکش محافظ _ روکشی پلاستیکی که فیبر نوری در برابر رطوبت و آسیب دیدن محافظت می‌کند.

صدها یا هزاران عدد از این رشته های فیبر نوری بصورت بسته ای در کنار هم قرار داده می‌شوند که به آن کابل نوری گویند. این دسته از رشته های فیبر نوری با یک پوشش خارجی موسوم به ژاکت یا غلاف محافظت می‌شوند.

فیبرهای نوری دو نوعند :

1. فیبرهای نوری تک وجهی: این نوع از فیبرها، هسته های کوچکی دارند ( قطری در حدود inch (4-) 10x 5/3  یا   9 میکرون ) و می‌توانند نور لیزر مادون قرمز ( با طول موج 1300 تا 1550 نانومتر ) را درون خود هدایت کنند.

2. فیبرهای نوری چند وجهی: این نوع از فیبرها هسته های بزرگتری دارند ( قطری در حدود inch (3-) 10x 5/2 یا  5/62  میکرون ) و نور مادون قرمز گسیل شده از دیودهای نوری موسوم به LED ها را ( با طول موج 850 تا 1300 نانومتر ) درون خود هدایت می‌کنند.

برخی از فیبرهای نوری از پلاستیک ساخته می‌شوند. این فیبرها هسته بزرگی ( با قطر 4 صدم inch یا یک میلیمتر ) دارند و نور مرئی قرمزی را که از LED ها گسیل می‌شود ( و طول موجی برابر با 650 نانومتر دارد ) هدایت می‌کنند.

بیایید ببینیم طرز کار فیبر نوری چیست.

یک فیبر نوری چگونه نور را هدایت می‌کند؟

فرض کنید می‌خواهید یک باریکه نور را بطور مستقیم و در امتداد یک کریدور بتابانید. نور براحتی در خطوط راست سیر می‌کند و مشکلی ازین جهت نیست. حال 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 می‌کند. اگر راهرو خیلی پیچ در پیچ باشد و خمهای زیادی داشته باشد چه؟ می‌توانید دیوارها را با آینه بپوشانید و نور را به دام بیندازید بطوریکه در طول راهرو از یک گوشه به گوشه دیگر بپرد. 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، مرتبا بوسیله دیواره آینه پوش لایه ای که هسته را فراگرفته، به این سو و آن سو پرش می‌کند و در طول هسته پیش می‌رود.

از آنجا که لایه آینه پوش اطراف هسته هیچ نوری را جذب نمی‌کند، موج نور می‌تواند فواصل طولانی را طی کند. به هر حال، برخی از سیگنال‌های نوری در حین حرکت در طول فیبر، ضعیف می‌شوند که علت عمده آن وجود برخی ناخالصی‌ها داخل شیشه است. میزان ضعیف شدن سیگنال به درجه خلوص شیشه بکار رفته در داخل فیبر و نیز طول موج نوری که درون فیبر سیر می‌کند بستگی دارد.

سیستم ارتباط بوسیله فیبرنوری

برای پی بردن به اینکه فیبرهای نوری چگونه در سیستم های ارتباطی مورد استفاده قرار می‌گیرند، اجازه دهید نگاهی بیاندازیم به فیلم یا سندی که مربوط به جنگ جهانی دوم است. دو کشتی نیروی دریایی را درنظر بگیرید که از کنار یکدیگر عبور می‌کنند 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 می‌فرستد. ملوان آن پیام را به کد مورس ترجمه می‌کند و از نورافکنی ویژه که یک پنجره کرکره جلو آن است برای ارسال پیام به کشتی مقابل استفاده می‌‌نماید. ملوانی که در کشتی مقابل است این پیام مورس را می‌گیرد، ترجمه می‌کند و به کاپیتان می‌دهد. (ملوان کشتی دوم عکس عملی را انجام می‌دهد که ملوان کشتی اول انجام داد.)

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.

سیستم‌های ارتباط بوسیله فیبرنوری، شامل این قسمت هاست:

• فرستنده: سیگنال‌های نور را تولید می‌کند و به رمز در می‌آورد.

• فیبرنوری: سیگنال‌های نور را تا فواصل دور هدایت می‌کند.

• تقویت کننده نوری: ممکن است برای تقویت سیگنال‌های نوری لازم باشد. (برای ارسال سیگنال به فواصل خیلی دور)

• گیرنده نوری: سیگنال‌های نور را دریافت و رمزگشائی می‌نماید.

فرستنده

نقش فرستنده شبیه ملوانی است که روی عرشه کشتی فرستنده پیام ایستاده و پیام را ارسال می‌کند. فرستنده ابزار تولید نور را در فواصل زمانی مناسب خاموش یا روشن می‌کند.

فرستنده درعمل به فیبر نوری متصل می‌شود و حتی ممکن است دارای لنزی برای متمرکز کردن نور به داخل فیبر هم باشد. قدرت اشعه لیزر بیش از LED‌ هاست اما با کم و زیاد شدن دما شدت نورشان تغییر می‌کند و گرانتر هم هستند. متداول‌ترین طول موج‌هایی که استفاده می‌شود عبارتند از: 850 نانومتر، 1300 نانومتر و 1550 نانومتر. (مادون قرمز و طول موج‌های نامرئی طیف).

تقویت کننده نوری

همانطور که قبلا هم به آن اشاره شد، نور حین عبور از فیبر ضعیف می‌شود. (مخصوصا در فواصل طولانی بیش از نیم مایل یا حدود یک کیلومتر مثلا در کابل‌های زیر دریا) بنابرین یک یا بیش از یک تقویت کننده نوری در طول کابل بسته می‌شوند 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 می‌شود تقویت می‌شود. ملکول‌های موجود در این پوشش ویژه با تابش لیزر به آنها، سیگنال نوری جدید و قوی تولید می‌کنند که مشخصات آن مشابه نور ورودی به تقویت کننده است. درواقع تقویت کننده نوری یک آمپلی فایر لیزری برای نور ورودی به آن است.

گیرنده نوری

گیرنده نوری مشابه ملوانی که روی عرشه کشتی گیرنده پیام بود عمل می‌کند. این گیرنده سیگنال‌های نوری ورودی را می‌گیرد، رمزگشائی می‌کند و سیگنال‌های 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 می‌کند.