فیبر نوری چیست؟ آشنایی با فیبرهای نوری و کاربردهای آنها

فیبر نوری چیست؟ کابل فیبر نوری چیست؟

بتفیبر نوری یا فیبر نوری در انگلیسی رشته‌ای بلند و نازک از مواد شفاف مانند شیشه یا پلاستیک است که می‌تواند نور را از یک سر به سر دیگر منتقل کند. فیبر نوری پهنای باند بسیار بالاتری نسبت به کابل های معمولی دارد، با فیبر نوری می توانید به راحتی داده های تصویر، صدا و سایر داده ها را با پهنای باند بالای 10 گیگابیت بر ثانیه یا بیشتر انتقال دهید. امروزه ارتباط فیبر نوری به دلیل پهنای باند بالاتر نسبت به کابل های مسی و تاخیر کمتر در مقایسه با ارتباطات ماهواره ای، یکی از مهمترین ابزارهای انتقال اطلاعات است.

تاریخچه تولید فیبر نوری

افرادی که در قرن های اخیر به فکر استفاده از نور برای انتشار اطلاعات افتادند، درخشش نور را در جو زمین مشاهده کرده اند. اما وجود موانع مختلف مانند گرد و غبار، دود، برف، باران، مه و غیره. ایجاد مشکل ارتباط هوایی بعداً تصمیم گرفتند از لوله های سبک و زهکشی استفاده کنند. نور داخل کانال توسط آینه و آینه هدایت می شود، اما چون تعویض آینه و آینه کاری بسیار دشوار است، این کار نیز غیر ممکن و مردود تلقی شد.

شاید اولین تلاش برای توسعه سیستم ارتباط نوری توسط الکساندر گراهام بل انجام شود که در سال 1880، تنها 4 سال پس از اختراع تلفن، تلفن نوری (فتوفون) یا سیستمی که صدا را در فواصل مختلف منتقل می کند اختراع کرد. . تلفن نوری ثبت شده صد متری با تعدیل نور خورشید منعکس شده توسط ارتعاش آینه کار می کرد. گیرنده فتوسل بود. در این روش نور به هوا ساطع می شد و بنابراین اطلاعات تا 200 متر قابل انتقال نبود. به همین دلیل، دستگاه بل، اگرچه ظاهراً کار می کرد، اما موفقیت تجاری نداشت.

ایده استفاده از انکسار برای نور مستقیم (که اساس فیبر نوری مدرن است) اولین بار در سال 1840 توسط دانیل کولادون و ژاک بابینه در پاریس مطرح شد. همچنین در سال 1870، جان تیندال ماهیت نور مطلق را در کتاب خود توضیح داد: «هنگامی که نور از هوا وارد آب می شود، به سمت سطح خم می شود و هنگامی که از آب وارد هوا می شود، از آب خم می شود. آسمان اگر زاویه پرتو نور و خط مستقیم در تابش داخل آب بیشتر از 48 درجه باشد، نوری از آب خارج نمی شود، در واقع نور از سطح آب منعکس می شود. نقطه ای که مراقبه کامل شروع می شود مهمترین گوشه نامیده می شود.

کاکو و کوکام انگلیسی ها برای اولین بار استفاده از شیشه را به عنوان یک رسانه پیشنهاد کردند. آنها کار خود را بر اساس دستیابی به سرعت های حدود 100 مگابیت در ثانیه و بالاتر در رسانه های انتشار شیشه ای استوار می کنند. این نرخ انتقال با تضعیف انرژی بالا همراه است. این دو محقق انگلیسی کاهش انرژی را تا حدی کمتر از 20 دسی بل پذیرفتند. اگرچه آنها نتوانستند به هدف خود برسند، اما شرکت آمریکایی (Corning Glass) به این هدف دست یافت. در اوایل دهه 1960، ارتباط فیبر نوری با اختراع پرتو لیزر امکان پذیر شد. در سال 1966، دانشمندان این نظریه را ارائه کردند که نور در الیاف شیشه هدایت می شود و در نتیجه روشی کارآمدتر از کابل های معمولی است. زیرا فیبر نوری بسیار سبکتر و ارزانتر از کابل مسی است و در عین حال ظرفیت انتقال چندین هزار برابر بیشتر از کابل مسی دارد.

توسعه فناوری فیبر نوری از سال 1980، ارتباطات از راه دور نوری را به گزینه ای مناسب تبدیل کرده است. تا سال 1985، نزدیک به 2 میلیون کیلومتر کابل نوری در جهان نصب و راه اندازی شده است.
ساختار
فیبرهای نوری (معمولا از دی اکسید سیلیکون ساخته شده اند) برای انتقال داده ها با استفاده از نور لیزر استفاده می شود. یک کابل فیبر نوری با قطر کمتر از یک اینچ از بسته‌هایی از این فیبرها تشکیل شده است و می‌تواند صدها هزار تماس صوتی را حمل کند. فیبر نوری تجاری ظرفیتی بین 2.5 گیگابیت بر ثانیه تا 10 گیگابیت بر ثانیه را فراهم می کند. فیبرهای نوری از چندین لایه تشکیل شده اند. درونی ترین لایه هسته نام دارد. هسته معمولا از یک لایه بسیار بازتابنده از شیشه خالص ساخته شده است. هسته برخی از کابل ها از پلاستیک بسیار بازتابنده ساخته شده است که هزینه ساخت را کاهش می دهد. با این حال، هسته پلاستیکی معمولاً به خوبی شیشه نیست و عمدتاً برای ارسال اطلاعات در فواصل کوتاه استفاده می شود. در اطراف قلب، قسمت پا قرار دارد که از شیشه یا پلاستیک ساخته شده است. هسته و پوسته با هم یک رابط بازتابی تشکیل می دهند که باعث می شود نور در هسته خم شود تا از سطح به مرکز هسته باز بتابد، جایی که این دو ماده به هم می رسند. فرآیند بازتاب نور به مرکز هسته را بازتاب کامل داخلی می نامند.

در یک فیبر نوری معمولی، قطر ترکیبی هسته و پوسته حدود 125 میکرون (هر میکرون یک میلیونیم متر) است که تقریباً به اندازه یک موی انسان است. در مورد پارچه، آن را با اقدامات حفاظتی مختلفی احاطه کرده اند، که معمولاً شامل پوششی از پلاستیک می شود.

یک پوشش پلاستیکی محافظ سخت لایه بیرونی را تشکیل می دهد. این لایه کل سیم را که می تواند شامل صدها فیبر نوری مختلف باشد، نگه می دارد. قطر کابل معمولی کمتر از یک اینچ است.
نور را از طریق فیبر نوری بفرستید اگر لامپ را در یک راهرو مستقیم و بزرگ روشن کنیم، به دلیل عدم پیچش یا پیچ در راهرو، فضای مورد نظر روشن می شود، اما در صورت خم شدن یا پیچیدن مسیر فوق، در این حالت باید آینه ای باشد. ساخته شده است. در گوشه راهرو برای انعکاس نور در راهرو استفاده می شود. و اگر راهروی بالا تغییرات زیادی داشته باشد در چنین حالتی باید از آینه های زیاد استفاده کرد. به این ترتیب نور ساطع شده از رعد و برق از یک خط به خط دیگر می رود و طول خط را روشن می کند. عملیات فوق مشابه عملیاتی است که در فیبر نوری انجام می شود.

نور در یک کابل فیبر نوری از مرکز عبور می کند (مانند راهرو در مثال داده شده) و به طور مداوم از کناره های روکش (شبیه به یک دیوار شیشه ای) در مثال داده شده منعکس می شود. (تمام تشعشعات داخلی) و نور می توانند مسافت زیادی را طی کنند زیرا ناحیه تحت پوشش نمی تواند نور داخل را جذب کند. اما گاهی اوقات به دلیل کثیف بودن شیشه، برخی سیگنال های نوری دچار نوعی تضعیف در پایه می شوند که بستگی به میزان تمیزی شیشه و طول موج نور ارسالی دارد. (به عنوان مثال، اگر طول موج 1300 نانومتر باشد، 50 تا 60 درصد در هر کیلومتر کاهش می یابد، در حالی که طول موج 1550 نانومتر بیش از 50 درصد در هر کیلومتر کاهش می یابد).

سیستم رله فیبر نوری

برای اثبات این موضوع، فرض کنیم دو کشتی در اقیانوس می خواهند با یکدیگر ارتباط برقرار کنند. یک کشتی می خواهد پیامی را به کشتی دیگر بفرستد. بنابراین، ناخدای کشتی فوق، پیامی را برای ملوان روی عرشه ارسال می کند، ملوان مذکور پیام دریافتی را به مجموعه ای از کدهای مورس (نقاط و فواصل) ترجمه می کند و از نورافکن استفاده می کند. ما آن را به کشتی برمی گردیم. ملوانی روی عرشه کشتی دوم به کدهای مورس نگاه می کند و آنها را به یک زبان خاص (مثلا انگلیسی) تبدیل می کند و برای ناخدای کشتی می فرستد.
حال اگر دو کشتی ذکر شده در بالا از هم بسیار دور باشند (چند هزار مایل)، می توان از یک سیستم ارتباطی فیبر نوری برای برقراری ارتباط بین آنها استفاده کرد.
سیستم رله فیبر نوری از اجزای زیر تشکیل شده است:

فرستنده: مسئول تولید و پردازش سیگنال های نوری است.

بازتاب نوری: برای تقویت سیگنال های نوری در فواصل طولانی استفاده می شود.

گیرنده نوری: سیگنال های نوری را دریافت و رمزگشایی می کند.
فرستنده

وظیفه فرستنده شبیه نقش ملوانی است که روی عرشه کشتی پیام می فرستد. فرستنده سیگنال های نوری را دریافت می کند و دستگاه نوری را هدایت می کند تا با ترتیب صحیح (حرکت منسجم) روشن و خاموش شود. فرستنده از نظر فیزیکی در کنار فیبر نوری قرار دارد و ممکن است عدسی برای تمرکز نور به فیبر داشته باشد. متداول ترین طول موج سیگنال های نوری 850 نانومتر، 1300 نانومتر و 1550 نانومتر است.

بازتاب نوری (تقویت کننده).
یک یا چند "تقویت کننده نوری" برای جلوگیری از تضعیف و از دست دادن سیگنال های نوری استفاده می شود. تقویت کننده نوری از فیبرهای نوری زیادی با پوشش ویژه تشکیل شده است. فاز دوپینگ با استفاده از لیزر پمپاژ می شود. هنگامی که سیگنال ضعیف به پوشش دوپینگ می رسد، انرژی لیزر باعث می شود که مولکول های دوپ شده به لیزر تبدیل شوند. مولکول های دوپ شده سیگنال نوری جدید و قوی تری را با همان ویژگی های سیگنال ورودی ضعیف شده (تقویت کننده لیزری) ارائه می دهند.

نوری و گیرنده

کار گیرنده شبیه کار ملوانی است که روی عرشه کشتی پیام دریافت می کند. دستگاه فوق سیگنال های دیجیتال نوری را دریافت کرده و پس از رمزگشایی، سیگنال های الکتریکی را برای سایر کاربران (رایانه، تلفن و ...) ارسال می کند. گیرنده از "فتوسل" یا "فتودیود" برای تشخیص نور استفاده می کند.

منبع : شرکت نیرونویان