فیبر نوری چیست؟

فیبر نوری چیست؟ از آنجایی که جهان بیشتر به هم متصل شده و مصرف داده به طور تصاعدی افزایش یافته است، روش های انتقال داده اهمیت بیشتری پیدا کرده اند. از نقطه نظر فناوری، فیبر نوری به عنوان یک عامل کلیدی این روندها عمل کرده است و استاندارد جدیدی را برای سرعت، فواصل و پهنای باند انتقال داده تعیین می کند. شبکه های فیبر نوری در حال حاضر به خوبی در سراسر جهان ایجاد شده اند.

کابل های فیبر نوری

فیبر نوری یا تار نوری (Optical Fiber) فناوری است که توسط سرویس های اینترنتی مانند اینترنت خانگی Verizon Fios برای انتقال اطلاعات به صورت پالس های نور از طریق رشته های باریک و بلند فیبر ساخته شده از شیشه یا پلاستیک در فواصل طولانی استفاده می شود.

قطر فیبرهای نوری تقریباً به اندازه یک رشته موی انسان است و وقتی در یک کابل فیبر نوری قرار می گیرند، می توانند اطلاعات بیشتری را در فواصل طولانی تر و سریعتر از سایر رسانه ها منتقل کنند. این فناوری است که خدمات اینترنت، تلفن و تلویزیون فیبر نوری را برای خانه ها و مشاغل فراهم می کند.

یک کابل فیبر نوری شامل چند تا صدها فیبر نوری در یک محفظه پلاستیکی است. کابل‌های نوری یا کابل‌های فیبر نوری نیز شناخته می‌شوند، سیگنال‌های داده را به شکل نور منتقل می‌کنند و صدها مایل به طور قابل‌توجهی سریع‌تر از کابل‌های برق سنتی استفاده می‌شوند. و از آنجایی که کابل های فیبر نوری غیرفلزی هستند، تحت تأثیر تداخل الکترومغناطیسی (به عنوان مثال روشن شدن) قرار نمی گیرند، پس از سرعت انتقال بیشتری برخوردار هستند. کابل های فیبر نیز ایمن تر هستند زیرا جریانی ندارند و بنابراین نمی توانند جرقه ایجاد کنند.

کابل های فیبر نوری به دلیل مزایایی که نسبت به کابل های مسی دارند معمولا مورد استفاده قرار می گیرند. برخی از این مزایا شامل پهنای باند و سرعت انتقال بالاتر است.

فیبر نوری برای شبکه های داده در مسافت های طولانی و با کارایی بالا استفاده می شود. همچنین معمولاً در خدمات مخابراتی مانند اینترنت، تلویزیون و تلفن استفاده می شود. به عنوان مثال، Verizon و Google به ترتیب از فیبر نوری در خدمات Verizon Fios و Google Fiber خود استفاده می کنند و سرعت اینترنت گیگابیت را در اختیار کاربران قرار می دهند.

فیبر نوری نسبت به سایر فناوری ها قادر است داده های بیشتری را با سرعت های بالاتر در فواصل طولانی تر انتقال دهد. در نتیجه، پایه و اساس انتقال داده های مدرن شده است و به طور فزاینده ای در شبکه های مخابراتی، ارائه دهندگان خدمات اینترنتی و شبکه های مراکز داده سازمانی استفاده می شود.

ساختار فیبرنوری

یک کابل فیبر نوری می تواند حاوی تعداد متفاوتی از فیبرهای شیشه ای باشد، از چند تا چند صد. لایه شیشه ای دیگری به نام روکش، هسته فیبر شیشه ای را احاطه کرده است. لایه لوله بافر از روکش محافظت می کند و یک لایه ژاکت به عنوان لایه محافظ نهایی برای رشته فردی عمل می کند.

هسته در مرکز فیبر نوری قرار دارد و مسیری را برای عبور نور فراهم می کند. در فیبر چند حالته، اندازه هسته 62.5 یا 50 میکرون (μm) و تقریباً 8.3 میکرون در فیبر تک حالته است. اندازه هسته بزرگتر در فیبر چند حالته مسیرهای مختلفی را برای عبور نور فراهم می کند، در حالی که اندازه هسته کوچک در فیبر تک حالته یک مسیر واحد را فراهم می کند.

بعدی روکش است که 125 میکرون است. روکش نور را در داخل هسته نگه می دارد و جهت پخش نور از طریق فیبر را کنترل می کند. هنگامی که نور با زاویه نزدیک به فیبر وارد می شود، همچنین به عنوان زاویه بحرانی شناخته می شود، منعکس می شود و در داخل هسته باقی می ماند، بنابراین فرآیندی به نام “بازتاب داخلی کل” حاصل می شود. اگر در زاویه کامل نباشد، نور شکسته می شود و سیگنال از بین می رود.

در نهایت، ما یک پوشش داریم که به عنوان بافر اولیه عمل می کند. قطر آن از نظر تاریخی 250 میکرومتر بوده است. الیاف را در برابر رطوبت و محیط های متخاصم محافظت می کند. دو لایه یورتان آکریلات (پلاستیک) پوشش را تشکیل می دهد که به عنوان لایه های “نرم” و “سخت” نیز شناخته می شود. لایه نرم فیبر را بالشتک می کند و لایه سخت مقاومت در برابر سایش را ایجاد می کند. این پوشش همچنین دارای ضریب شکست بالاتری نسبت به هسته و روکش است که اجازه می دهد نور ناخواسته از روکش شکسته شود.

فیبرنوری چگونه کار می کند؟

یک کابل فیبر نوری از دو جزء اصلی، هسته و روکش تشکیل شده است. اساساً، نور از کابل فیبر نوری عبور می کند و در حین حرکت از دیواره های آن منعکس می شود. هسته که قسمت اصلی در مرکز است، بخشی است که نور از آن عبور می کند. اکنون ممکن است انتظار داشته باشید که وقتی یک پرتو نور به سمت لوله شیشه ای شفاف حرکت می کند، فوتون ها (ذرات نور) در طول مسیر فرار کنند. پدیده ای که از این امر جلوگیری می کند، بازتاب داخلی کامل نامیده می شود. اگر نور با زاویه بسیار کم (یعنی کمتر از 42 درجه) به شیشه برخورد کند، گویی به آینه برخورد می کند.

روکش لایه دیگری از شیشه است که دور هسته پیچیده شده است. از آنجایی که از نوع متفاوتی از شیشه در مقایسه با هسته ساخته شده است، سیگنال های نور را نیز در داخل هسته نگه می دارد.

اکنون یک کابل می تواند بین دو تا چند صد رشته از این رشته ها را در خود جای دهد که هر رشته می تواند حدود 25000 تماس تلفنی را انجام دهد.

چگونه داده ها به نوری تبدیل می شوند؟

برای درک نحوه عملکرد کابل های فیبر نوری، ابتدا باید بدانیم که چگونه داده ها به سیگنال نوری تبدیل می شوند. هنگامی که یک پیام متنی ارسال می کنید، یک تماس تلفنی برقرار می کنید یا یک ویدیو را پخش می کنید، در حال ایجاد داده هایی هستید که باید منتقل شوند. این داده ها به صورت سیگنال های الکتریکی هستند. این سیگنال های الکتریکی باید قبل از ارسال در مسافت های طولانی به سیگنال های نوری تبدیل شوند.

این تبدیل با استفاده از دستگاهی به نام فرستنده و گیرنده انجام می شود. فرستنده و گیرنده سیگنال های الکتریکی را به پالس های نور تبدیل می کند. سپس این پالس های نوری از طریق کابل فیبر نوری ارسال می شوند. پالس های نور از طریق کابل فیبر عبور می کنند و توسط فرستنده و گیرنده دیگر به سیگنال های الکتریکی در انتهای دیگر تبدیل می شوند. این روند آنقدر سریع اتفاق می افتد که شما حتی متوجه آن نمی شوید!

شبکه فیبر نوری چیست؟

انواع مختلفی از شبکه‌های فیبر نوری وجود دارد، اما همه آن‌ها با کابل‌های نوری شروع می‌شوند که از هاب شبکه تا حاشیه نزدیک خانه شما یا مستقیماً به خانه شما برای ارائه اتصال اینترنت فیبر نوری اجرا می‌شوند. سریع ترین نوع شبکه فیبر فیبر به خانه (FTTH) یا فیبر به محل (FTTP) نامیده می شود زیرا یک اتصال 100٪ فیبر نوری با کابل های فیبر نوری است که به ترمینال هایی که مستقیماً به خانه ها، ساختمان های آپارتمانی و مشاغل متصل هستند نصب شده است.

از سوی دیگر، Fiber to the Curb (FTTC) یک اتصال فیبر جزئی است زیرا کابل‌های نوری به حاشیه نزدیک خانه‌ها و مشاغل می‌روند و کابل‌های مسی سیگنال‌ها را از حاشیه در بقیه مسیر حمل می‌کنند. به طور مشابه، فیبر به ساختمان (FTTB) زمانی است که کابل فیبر به نقطه‌ای در یک ملک مشترک می‌رود و کابل‌کشی دیگر اتصال به دفاتر یا فضاهای دیگر را فراهم می‌کند.

انواع کابل فیبر نوری

دو نوع اصلی کابل های فیبر نوری چند حالته (MM) و تک حالته (SM) هستند. تفاوت بین فیبرهای چند حالته و تک حالته در این است که چند حالته دارای هسته بسیار بزرگ تری است، که دارای انشعابات قابل توجهی برای فواصلی است که می توان از آنها به طور موثر استفاده کرد. هسته‌های بزرگ‌تر کابل‌های فیبر نوری چند حالته امکان عبور چندین حالت نور از آنها را فراهم می‌کنند و تعداد بازتاب‌ها را افزایش می‌دهند.

فیبر تک حالته

فیبر تک حالته به دلیل قطر کمتر هسته فیبر شیشه ای برای مسافت های طولانی تر استفاده می شود. این قطر کوچکتر امکان تضعیف را کاهش می دهد که کاهش قدرت سیگنال است. دهانه کوچکتر نور را به یک پرتو منفرد جدا می کند و مسیر مستقیم تری را ارائه می دهد و سیگنال را قادر می سازد مسافت بیشتری را طی کند.

فیبر تک حالته همچنین پهنای باند بسیار بالاتری نسبت به فیبر چند حالته دارد. منبع نور مورد استفاده برای فیبر تک حالته معمولاً لیزر است. فیبر تک حالته معمولاً گرانتر است زیرا برای تولید نور لیزر در دهانه کوچکتر به محاسبات دقیق نیاز دارد.

فیبر چند حالته

فیبر چند حالته برای مسافت‌های کوتاه‌تر استفاده می‌شود، زیرا دهانه بزرگ‌تر هسته به سیگنال‌های نور اجازه می‌دهد تا در طول مسیر بازتابیده و بیشتر منعکس شوند. قطر بزرگتر اجازه می دهد تا چندین پالس نور از طریق کابل در یک زمان ارسال شود که منجر به انتقال داده بیشتر می شود. این همچنین به معنای امکان بیشتر از دست دادن سیگنال، کاهش یا تداخل است. فیبر نوری چند حالته معمولاً از یک LED برای ایجاد پالس نور استفاده می کند.

فیبر نوری در مقابل کابل های مسی

کابل های مسی برای سال ها انتخاب سنتی برای ارتباطات راه دور، شبکه و اتصالات کابلی بودند. اما با گذشت زمان، فیبر نوری جایگزین رایجی شد. اکثر خطوط راه دور شرکت های تلفن در حال حاضر از کابل های فیبر نوری ساخته شده اند.

فیبر نوری به دلیل پهنای باند بالاتر و سرعت بیشتر، اطلاعات بیشتری نسبت به سیم مسی معمولی دارد. از آنجایی که شیشه جریان الکتریسیته را هدایت نمی کند، فیبر نوری در معرض تداخل الکترومغناطیسی قرار نمی گیرد که تلفات سیگنال را به حداقل می رساند.

مزایا و معایب فیبر نوری

کابل های فیبر نوری عمدتا به دلیل مزایایی که نسبت به کابل های مسی دارند استفاده می شود. مزایا شامل موارد زیر است:

• آنها از ظرفیت های پهنای باند بالاتر پشتیبانی می کنند.
• نور می تواند بدون نیاز به افزایش سیگنال بیشتر حرکت کند.
• آنها کمتر مستعد تداخل هستند، مانند تداخل الکترومغناطیسی.
• آنها را می توان در آب غوطه ور کرد.
• کابل های فیبر نوری قوی تر، نازک تر و سبک تر از کابل های مسی هستند.
• آنها نیازی به نگهداری یا تعویض مکرر ندارند.

با این حال، توجه به این نکته مهم است که فیبر نوری دارای معایبی است. این معایب شامل موارد زیر است:

• فیبر نوری اغلب گرانتر از سیم مسی است.
• فیبر شیشه به محافظت بیشتری در داخل کابل بیرونی نسبت به مس نیاز دارد.
• نصب کابل کشی جدید کار فشرده ای است.
• کابل های فیبر نوری اغلب شکننده تر هستند. به عنوان مثال، اگر کابل به شعاع چند سانتی متری خم یا منحنی شود، فیبرها ممکن است شکسته شوند یا سیگنالی از بین برود.

کاربرد فیبر نوری

طیف وسیعی از صنایع از کابل های فیبر نوری برای اتصال مطمئن و سریع استفاده می کنند.

شبکه های کامپیوتری و پخش

شبکه های کامپیوتری به دلیل توانایی فیبر نوری در انتقال داده و ارائه پهنای باند بالا، یک مورد رایج استفاده از فیبر نوری است. به طور مشابه، فیبر نوری به طور مکرر در صدا و سیما و الکترونیک برای ارائه اتصالات و عملکرد بهتر استفاده می شود.

اینترنت و تلویزیون کابلی

اینترنت و تلویزیون کابلی دو مورد از رایج ترین موارد استفاده فیبر نوری هستند. فیبر نوری را می توان برای پشتیبانی از اتصالات از راه دور بین شبکه های کامپیوتری در مکان های مختلف نصب کرد.

محیط های زیر دریا

کابل‌های فیبر نوری در محیط‌های پرخطر مانند کابل‌های زیر دریا استفاده می‌شوند، زیرا می‌توانند در آب غوطه‌ور شوند و نیازی به تعویض مکرر ندارند.

نظامی و فضایی

صنایع نظامی و فضایی همچنین از فیبر نوری به عنوان وسیله ای برای ارتباط و انتقال سیگنال علاوه بر توانایی آن در ارائه سنجش دما استفاده می کنند. کابل های فیبر نوری به دلیل وزن سبک تر و اندازه کوچکتر می توانند مفید باشند.

پزشکی

فیبر نوری اغلب در انواع ابزار پزشکی برای ارائه روشنایی دقیق استفاده می شود. همچنین به طور فزاینده‌ای حسگرهای زیست‌پزشکی را فعال می‌کند که به روش‌های پزشکی کم تهاجمی کمک می‌کنند. از آنجایی که فیبر نوری در معرض تداخل الکترومغناطیسی نیست، برای آزمایش‌های مختلف مانند اسکن MRI ایده‌آل است. سایر کاربردهای پزشکی فیبر نوری شامل تصویربرداری اشعه ایکس، آندوسکوپی، نور درمانی و میکروسکوپ جراحی است.