فیبر نوری چیست و چگونه کار میکند؟
فیبرنوری چیست؟
فیبرنوری رشته های بلند و نازکی از شیشه بسیار خالص به قطر موی انسان است. آن ها در بسته هایی به نام کابل های نوری مرتب شده اند و برای انتقال سیگنال های نور در فواصل طولانی استفاده می شوند.
فیبرنوری یک فناوری برای انتقال ترافیک داده به صورت پالس های نور بر روی فیبر های نوری کوچک است. قطر این الیاف تقریباً به اندازه یک تار موی انسان است و معمولاً از سیلیس خالص ساخته می شوند. نور از هسته فیبر عبور می کند و با روکش کردن از خارج شدن آن جلوگیری می کند. پوشش برای عایق بندی کابل های فیبرنوری در برابر باران و سایر انواع آسیب ها استفاده می شود. فرستنده های نوری وسیله ای برای انتقال ترافیک داده در یک شبکه فیبرنوری با تبدیل داده ها به نور هستند. آن ها به عنوان لیزر های مخصوص طول موج، سیگنال های داده الکتریکی را از سوییچ ها به سیگنال های نوری تبدیل می کنند که می توانند از طریق این نوع کابل ها منتقل شوند.
فیبرنوری نسبت به سایر فناوری ها قادر است داده های بیشتری را با سرعت های بالا تر 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.
فیبرنوری یکی از روش هایی است که برای انتقال اطلاعات استفاده می شود. وقتی که با یک تلفن ثابت به مکالمه می پردازیم، یک کابل سیمی صدای ما را به یک سوکت در دیوار منتقل می کند و کابل دیگر هم صدا را به مرکز تلفن محلی انتقال می دهد.
تلفن های همراه به روش متفاوتی کار می کنند، بدین صورت که تلفن های همراه با استفاده از امواج رادیویی اطلاعات را ارسال و دریافت می کند و به این تکنولوژی وایرلس گفته می شود چون که کابلی در آن استفاده نمی شود.
فیبرهای نوری با روش دیگری کار می کنند؛ فیبرنوری اطلاعات را را از طریق تابش نور در یک لوله شیشه ای یا پلاستیکی ارسال می کند.
در ابتدا، در دهه 1950 میلادی برای اینکه پزشکان بتوانند داخل بدن انسان را بدون برش ببینند در اندوسکوپی ها از فیبرنوری استفاده شد. در دهه 1960 مهندسان با استفاده از همان فناوری روشی را پیدا کردند که می توانست تماس های تلفنی را با سرعت نور انتقال دهد ( به طور معمول 186000 مایل یا 300000 کیلوومتر در ثانیه در یک خلاء).
از آن جایی که صنعت ارتباطات پیشرفت کرده و مصرف داده به طور تصاعدی افزایش یافته است، روش های انتقال داده اهمیت بیشتری پیدا کرده اند. از نقطه نظر فناوری، فیبر وری به عنوان یک عامل کلیدی این روند ها عمل کرده است و استاندارد جدیدی را برای سرعت، فواصل و پهنای باند انتقال داده تعیین می کند. شبکه های فیبرنوری در حال حاضر به خوبی در سراسر جهان ایجاد شده اند. با این حال، هیچ راه درستی برای طراحی شبکه شما وجود ندارد، زیرا انواع مختلفی از راه حل های فیبرنوری برای موارد استفاده مختلف وجود دارد. در این مقاله ضمن آشنایی با فیبرنوری و انواع کابل های آن، موارد استفاده از آن ها و نحوه کارکرد فیبرنوری را مورد بررسی قرار می دهیم.
امروزه فیبر نوری یکی از دلایل سرعت و پیشرفت مخابرات و اینترنت و سایر زمینه های الکترونیکی است. اگرچه بسیاری از مردم تار نوری را یک فناوری جدید می دانند، اما در واقع تاریخچه این فناوری به دهه 1970 برمی گردد، زمانی که برای اولین بار در ارتباطات از راه دور استفاده شد. در سال 1988، با کمک کابل های فیبر نوری که در زیر اقیانوس کار گذاشته شدند، ایالات متحده را به اروپا متصل کرد.
در طول این سالها، خطوط بیشتر و بیشتری در زیر دریاها کشیده شدند و امروزه شبکه عظیمی از کابل های تار نوری در سراسر جهان گسترده شده است. شبکههای فیبر نوری شبکه ای رو به رشد، با قابلیتهای سرعت بسیار بالا و انتقال مطمئن داده ها، امکان پیشرفت چشمگیر در حوزه مخابرات را فراهم کرده اند. برخی افراد معتقدند فناوری تار نوری چیزی است که عصر اطلاعات را ممکن کرده است.
در کشورهای توسعه یافته، خطوط تار نوری سالها پیش جایگزین خطوط مسی قدیمیتر شدند و هسته یا «ستون فقرات» شبکههای اینترنتی فعلی ما را تشکیل دادند. اخیراً نصب خطوط فیبر نسبت به سیم های مسی مقرون به صرفه تر شده است. بنابراین، با پیشرفت این فناوری، شبکه های فیبر نوری به سرعت در شهرها و مستقیماً به خانه ها در حال گسترش هستند.
مقایسه فیبرنوری و سیم مسی
در گذشته، داده ها عمدتاً به شکل سیگنال های الکتریکی با استفاده از سیم های مسی منتقل می شدند. کابل های نوری با انتقال داده ها به عنوان نور، پیشرفت های قابل توجهی در کارایی نسبت به مس به شکل پهنای باند بالا تر و تضعیف سیگنال کمتر در همان شکل ارائه می کنند.
در حالی که نصب سیم های مسی ارزان تر است، کابل های فیبرنوری نیازی به نگهداری یا تعویض مکرر ندارند. با این حال، کابل های فیبرنوری شکننده تر هستند، زیرا اگر کابل بیش از چند سانتی متر خم شود، سیگنال از بین می رود. برخلاف سیم های مسی، کابل های فیبرنوری به تداخل الکتریکی و مغناطیسی حساس نیستند و می توانند در محیط های سخت تر مانند زیر آب استفاده شوند. هم چنین کابل های فیبرنوری به طور قابل توجهی سبک تر هستند، انرژی کمتری مصرف می کنند و از ایمنی بیشتری برخوردار هستند، زیرا ضربه زدن به آن ها سخت تر است.
قیمت ارزان تر: هزینه فیبر نوری نسبت به سیمهای مسی در مقیاسهای بالا کمتر است.
اندازه نازک تر: قطر فیبرهای نوری به مراتب کمتر از سیمهای مسی است.
ظرفیت بالا: پهنای باند فیبر نوری به منظور ارسال اطلاعات به مراتب بیشتر از سیم مسی است. لذا فیبر نوری توانایی انتقال دادههای بیشتری را دارد.
تضعیف ناچیز: تضعیف سیگنال در فیبر نوری به مراتب کمتر از سیم مسی است.
عدم تداخل: برخلاف سیگنالهای الکتریکی در یک سیم مسی، عبور سیگنالهای نوری در یک فیبر تأثیری بر فیبر دیگر نخواهد داشت و تداخل الکترومغناطیسی نخواهیم داشت.
مصرف برق پایین: با توجه به این که سیگنالها در فیبر نوری کمتر تضعیف میگردند، بنابراین میتوان از فرستندههایی با میزان برق مصرفی پائین نسبت به فرستندههای الکتریکی (که از ولتاژ بالایی استفاده مینمایند)، استفاده کرد.
اشتعال زا نبودن: با توجه به عدم وجود الکتریسته در فیبر نوری، امکان بروز آتش سوزی در این خصوص وجود نخواهد داشت.
وزن سبک: وزن یک کابل فیبر نوری به مراتب کمتر از کابل مسی هم رده آن است و این عامل در کارکردن، نصب و نگهداری فیبر بسیار مهم است.
انعطاف پذیر بودن: با توجه به انعطاف پذیری فیبر نوری و قابلیت ارسال و دریافت نور از آنان، در موارد متفاوت نظیر دوربینهای دیجیتال با موارد کاربردی خاص مانند عکسبرداری پزشکی و لولهکشی و… استفاده میگردد.
فاصله: از فیبر نوری میتوان در ارتباط شبکههایی که فاصله زیادی از هم دارند استفاده کرد اتصال شبکههای محلی(LAN) به یکدیگر. شایان ذکر است که قبل از استفاده از کابلهای فیبر نوری ارتباط بین LANها از طریق تلفن یا امواج رادیویی برقرار میشد
پایداری: در کابلهای فیبر نوری امکان نفوذ و ایجاد اختلال در انتقال دادهها کمتر است و از تأثیرگذاری انواع نویزهای الکترومغناطیسی شامل نویزهای رادیویی و یا نویزهای حاصل از نزدیکی کابلها بر روی دادههای در حال انتقال جلوگیری میکند.بطورکلی تارهای نوری از تداخل و ترویج با سایر کانالهای ارتباطی، خواه نوری و خواه الکتریکی، به خوبی محافظت شده است. یعنی نسبت به تداخل فرکانسهای رادیویی (RFI) و تداخل الکترومغناطیسی (EMI) عدم پذیرش عالی دارند.
سرعت: فیبر نوری توانایی در انتقال اطلاعات به مقدار زیاد چه به شکل دیجیتالی و چه به شکل آنالوگ دارند.
ترویج نوری: نیاز به زمین مشترک بین فرستنده تاری وگیرنده را منتفی می کند.
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.
امنیت: فیبرهای نوری درجهای از امنیت و پنهانی بودن را عرضه می کند. چون تارها انرژی تشعشع نمیکنند. برای یک مزاحم، آشکار سازی سیگنال ارسالی مشکل است.
پهنای باند بالا: این پهنای باند اکنون به 170 گیگابایت در ثانیه رسیده و دانشمندان بر این باورند که قابلیت ارتقاء تا چند صد ترابایت را دارد. فیبرنوری SMF که در حال حاضر مورد استفاده قرار میگیرد از پهنای باند 40 گیگابایتی برخوردار است.
عدم استفاده الکتریسیته برای ارتباط: از آنجا که در ابتدای مسیر نوری تولید شده و در انتها این نور دریافت میشود. دیگر نیازی به نیروی اکتریکی نیست و همچنین ایمنی بسیار بالایی را در مقابل نویز دارد.
عدم برقراری انشعاب غیر مجاز: از آنجا که برای برقرای انشعاب بایستی ابتدا فیبر قطع شود و گیرنده فیبر نصب شود. و این عمل نیز زمانبر است؛ نگهدارندههای بستر با استفاده از ابزارهای خطایابی میتواند به سرعت محل مورد نظر را شناسایی کنند.
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.
نحوه کار فیبرنوری
در بیشتر کاربرد ها، نور به هسته فیبر شیشه تزریق می شود و به دلیل انعکاس داخلی بین هسته / لبه روکش که به عنوان یک آینه عمل می کند، لکه فیزیکی فیبر را دنبال می کند. هنگامی که هسته فیبر از نظر قطر کوچک تر است، بازتاب هسته و روکش کمتری رخ می دهد که به نور اجازه می دهد تا بیشتر منتقل شود. این امکان سرعت انتقال سریع تر را فراهم می کند.
فیبرنوری بر اساس اصل بازتاب داخلی کامل کار می کند. از پرتو های نور می توان برای انتقال حجم عظیمی از داده ها استفاده کرد، اما مشکلی در این جا وجود دارد. مشکل این است که پرتو های نور در خطوط مستقیم حرکت می کنند. کابل های نوری به گونه ای طراحی شده اند که تمام پرتو های نور را به سمت داخل خم می کنند. پرتو های نور به طور پیوسته حرکت می کنند، از دیواره های فیبرنوری می پرند و داده ها را از سر به انتها منتقل می کنند. اگرچه سیگنال های نوری در فواصل در حال پیشرفت کاهش می یابند، بسته به خلوص مواد مورد استفاده، تلفات آن ها بسیار کمتر از استفاده از کابل های مسی است. یک سیستم فیبرنوری از اجزای زیر تشکیل شده است:
فرستنده: سیگنال های نور را تولید می کند و آن ها را به گونه ای رمز گذاری می کند که برای انتقال مناسب باشند.
فیبرنوری: وسیله ای برای انتقال سیگنال به صورت پالس نور.
گیرنده نوری: پالس نور ارسالی (سیگنال) را دریافت می کند و آن ها را برای استفاده مناسب رمز گشایی می کند.
تقویت کننده نوری: برای انتقال اطلاعات از راه دور ضروری است.
نور از طریق دیواره ها بارها و بارها از فیبرنوری عبور می کند. هر فوتون کوچک (ذره ای از نور)، لوله را مانند یک بابسلد باز می کند و به پایین سرازیر می شود. حالا شما ممکن است انتظار یک پرتوی نور را داشته باشید، که در یک لوله شیشه ای شفاف حرکت می کند، به سادگی از لبه ها به بیرون نشت پیدا می کند.
اما اگر نور با یک زاویه بسیار کم (کمتر از 42 درجه) به شیشه برخورد کند، آن را دوباره بازتاب می دهد، انگار که شیشه واقعا یک آینه است. این پدیده، بازتاب داخلی نامیده می شود و یکی از چیزهایی است که نور را درون لوله نگه می دارد. چیز دیگری که نور را در لوله نگه می دارد ساختار کابل است که از دو بخش مجزا تشکیل شده است.بخش اصلی کابل که در مرکز است هسته نامیده می شود و کمی طول می کشد تا نور از آن عبور کند. در اطراف هسته، لایه دیگری از شیشه به نام روکش قرار دارد.کار روکش این است که سیگنال های نور را درون هسته حفظ کند. روکش می تواند این کار را انجام دهد چون از نوع متفاوتی از شیشه تشکیل شده است. ( از لحاظ فنی، روکش فلزی دارای ضریب شکست پایینی است.)
مزایا و معایب فیبر نوری
کابل فیبرهای نوری عمدتاً به دلیل مزایایی که نسبت به کابل های مسی دارد، بیشتر مورد استفاده قرار می گیرد. برخی از این مزایا به شرح زیر هستند:
- از ظرفیت های پهنای باند بالاتری پشتیبانی می کنند.
- نور می تواند بدون نیاز به افزایش سیگنال بیشتر حرکت کند.
- به میزان کمتری مستعد تداخل هستند؛ مانند تداخل الکترومغناطیسی.
- این نوع کابل ها را می توان در آب غوطه ور کرد.
- کابل های تار نوری قوی تر، نازک تر و سبک تر از کابل های مسی هستند.
- این نوع کابل ها نیازی به نگهداری یا تعویض مکرر ندارند.
البته کابل های تار نوری در کنار این مزایا، معایبی نیز دارند که برخی از آنها به شرح زیر می باشند:
- سیم مسی اغلب ارزان تر از تار نوری است.
- فیبر شیشه به محافظت بیشتری در داخل کابل بیرونی نسبت به مس نیاز دارد.
- نصب کابل کشی جدید کاری فشرده است.
- کابل های تار نوری اغلب شکننده تر هستند. به عنوان مثال، اگر کابل به شعاع چند سانتی متری خم یا منحنی شود، فیبرها می توانند شکسته شوند یا سیگنالی از بین برود.
با توجه به موارد فوق، امیدواریم به درک کلی از چیستی فیبر نوری و نحوه عملکرد آن رسیده باشید. فیبر نوری برای استفاده از پالسهای نور طراحی شده است و میتواند سرعت انتقال داده سریع تری را ارائه دهد. علاوه بر این، می تواند نیازهای مختلف را در فاصله انتقال با هر دو نوع SMF و MMF را برآورده کند.