فیبر نوری یکی از محیط های انتقال داده با سرعت بالا است که از پالس های نـور بـرای انتقـال داده هـا ازطریق تارهای سیلیکون بهره می گیرد.یک کابل فیبر نوری که کمتر از یک اینچ قطر دارد مـی توانـد صـدها هزار مکالمه صوتی را حمل کند. فیبرهای نوری تجاری ظرفیت 5/2 تا 10 گیگا بایت درثانیه را فـراهم مـیسازند. امروزه از فیبر نوری در موارد متفاوتی نظیر شبکه هـای تلفـن شـهری و بـین شـهری ، شـبکه هـای کامپیوتری و اینترنت استفاده بعمل می آید.
انسان‌ها در ابتدا نور را در جو زمین منتشر کردند، اما به عوامل مختلف مانند برف، باران، گرد و خاک و … با مشکل مواجه شدند. بعد از آن برای انتشار نور از لوله و کانال استفاده کردند و بوسیله آینه‌ها و عدسی‌ها نور را داخل این لوله‌ها هدایت می‌کردند؛ اما باز هم چون تنظیم این آینه‌ها و عدسی‌ها دشوار بود، به مشکل برخوردند. بعد از آن از شیشه استفاده کردند و اما در این مرحله هم چون نور با سرعت ۱۰۰ مگابیت یا بیشتر منتقل می‌شد، با تضعیف زیاد انرژی مواجه شدند تا اینکه یک شرکت آمریکایی (کورنینگ اینکورپریتد) به این هدف دست یافت. در اوایل سال ۱۹۶۰ میلادی با اختراع اشعه لیزر ارتباطات فیبر نوری ممکن گردید. فیبرنوری بسیار سبک‌تر و ارزان‌تر از کابل مسی است و ظرفیت انتقالی تا چندین هزار برابر کابل مسی دارد.
در ایران در اوایل دهه ۶۰، مجتمع تولید فیبر نوری در پونک تهران برپا شد و در سال ۱۳۷۳ تولید فیبر نوری با ظرفیت ۵۰٫۰۰۰ کیلومتر در سال در ایران آغاز شد. در دیگر شهرهای بزرگ ایران نیز فعالیت استفاده از کابل‌های نوری آغاز شد تا در آینده نزدیک از طریق یک شبکه ملی مخابرات نوری به هم بپیوندند.
مبانی فیبر نوری
فیبر نوری ، رشته ای از تارهای بسیار نـازك شیشـهای بوده که قطر هر یک از تارها نظیر قطـر یـک تـارموی انسـان اسـت . تارهـای فـوق در کـلاف هـائیسازماندهی و کابل های نوری را بوجود می آورند. از فیبر نوری بمنظـور ارسـال سـیگنال هـای نوری درمسافت های طولانی استفاده می شود .
بخش های مختلف فیبر نوری
یک فیبر نوری از سه بخش متفاوت تشکیل شده است :
1- هسته یا Core
هسته شامل یک تار کاملاً بازتاب کننده از شیشه خالص (معمولاً) در مرکز فیبر است کـه سـیگنال هـای نوری در آن حرکت می نمایند. هسته در بعضی از کابل ها از پلاستیک کاملاً بازتابنده ساخته می شود، که هزینه ساخت را پایین می آورد. با این حال، یک هسته پلاستیکی معمولاً کیفیت شیشه را نـدارد و بیشـتر برای حمل داده ها در فواصل کوتاه به کار می رود. قطر این بخش، بسته به نوع فیبر چیـزی بـین 5 تـا 500 میکرون است.
2- روکش یا Cladding
بخش خارجی فیبر بوده که دورتا دور هسته را احاطه کرده و باعث برگشت نور منعکس شده بـه هسـته مـیگردد. این عمل بازتاب نور به مرکز هسته را (بازتاب داخلی کلی) مـی نامنـد، . روکـش، یـک لایـه حائـل پلاستیکی می باشد که به منظور محافظت از Core مورد استفاده قرار می گیرد .
قطر هسته و پوسته با هم حدود 125 میکرون است (هر میکرون معادل یک میلیـونیم متـر اسـت)، کـه درحدود اندازه یک تار موی انسان است .کلا قطر فیبر بر اساس قطر خارجی روکـش آن ( Cladding) بیـان می شود. در حالی که فقط قطر هسته مرکزی فیبر در عملکرد آن تاثیر دارد. وقتی ابعاد یک فیبر بـه صـورت 50/125 یا 10/125 میکرون معرفی می شـود، عـدد اول، قطـر هسـته و دیگـری قطـر خـارجی روکـش رامشخص کرده است.
3- Buffer Coating
روکش پلاستیکی که باعث حفاظت فیبر در مقابل رطوبت و سایر موارد آسیب پذیر است.صـدها و هـزاران نمونه از رشته های نوری فوق در دسته هائی سازماندهی شده و کابل های نوری را بوجود می آورنـد. هـریک از کلاف های فیبر نوری توسط روکش هائی با نام Jacket محافظت می گردند که جنس آن از تفلـونیا PVC می باشد .
سیستم ارتباط بوسیله فیبر نوری
برای پی بردن به اینکه فیبرهای نوری چگونه در سیستم های ارتباطی مورد استفاده قـرار مـی گیرنـد، اجـازه دهید نگاهی بیاندازیم به سندی که مربوط به جنگ جهانی دوم اسـت. دو کشـتی نیـروی دریـایی را درنظـر بگیرید که از کنار یکدیگر عبور می کنند و لازم است باهم ارتباط برقرار کنند درحالی کـه امکـان اسـتفاده از رادیو وجود ندارد و یا دریا طوفانی است. کاپیتان یکی از کشتی ها پیامی را برای یک ملوان که روی عرشـه است می فرستد. ملوان آن پیام را به کد مورس ترجمه می کند و از نورافکنی ویژه که یک پنجره کرکره جلـوآن است برای ارسال پیام به کشتی مقابل استفاده می نماید. ملوانی که در کشتی مقابل است این پیـام مـورس را می گیرد، ترجمه می کند و به کاپیتان می دهد .
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.
یا تصور کنید اگر در یک راهروی بزرگ و مستقیم چراغ قوه‌ای را روشن نماییم، با توجه به عدم وجود خم و یا پیچ در راهرو، محدوده مورد نظر روشن می‌شود ولی اگر راهروی فوق دارای خم و یا پیچ باشد، در این حالت باید از یک آیینه در محل پیچ راهرو استفاده کرد تا باعث انعکاس نور در راهرو گردد؛ و در صورتیکه راهروی فوق دارای پیچ‌های زیادی باشد، در چنین حالتی بایست از آیینه‌های متعددی استفاده کرد. بدین ترتیب نور تابانده شده توسط چراغ قوه از نقطه‌ای به نقطه دیگر حرکت کرده و طول مسیر راهرو را روشن خواهد کرد. عملیات فوق مشابه آن چیزی است که در فیبر نوری انجام می‌گیرد.
نور در کابل فیبر نوری از طریق هسته (نظیر راهروی مثال ارائه شده) و توسط جهش‌های پیوسته با توجه به سطح آبکاری شده (cladding)(مشابه دیوارهای شیشه‌ای مثال ارائه شده) حرکت می‌کند. (مجموع انعکاس داخلی) و چون سطح آبکاری شده، قادر به جذب نور موجود در هسته نمی‌باشد، نور قادر به حرکت در مسافت‌های طولانی می‌باشد. اما گاهی به دلیل خالص نبودن شیشه، برخی از سیگنال‌های نوری دچار نوعی تضعیف در طول هسته می‌شوند که این تضعیف به درجه خلوص شیشه و طول موج نور انتقالی بستگی دارد. (مثلاً اگر طول موج ۱۳۰۰ نانومتر باشد، بین ۵۰ تا ۶۰ درصد در هر کیلومتر تضعیف می‌شود و موج با طول ۱۵۵۰ نانومتر بیش از ۵۰ درصد در هر کیلومتر تضعیف می‌شود)
سیستم رله فیبر نوری
برای روشن شدن موضوع فرض می‌کنیم دو ناوگان دریایی بر روی سطح دریا می‌خواهند با یکدیگر ارتباط برقرار کنند. یکی از ناوها می‌خواهد پیامی را برای دیگری ارسال کند؛ بنابراین کاپیتان ناو فوق پیام را برای یک ملوان که بر روی عرشه کشتی مستقر است، ارسال می‌کند. ملوان فوق پیام دریافتی را به مجموعه‌ای از کدهای مورس (نقطه و فاصله) ترجمه می‌نماید و با استفاده از یک نورافکن آن را برای ناو دیگر ارسال می‌نماید. یک ملوان بر روی عرشه کشتی دوم، کدهای مورس را مشاهده می‌نماید و آنها را به یک زبان خاص (مثلاً انگلیسی) تبدیل می‌کند و برای کاپیتان ناو ارسال می‌کند. حال اگر فاصله دو ناو فوق از یکدیگر بسیار زیاد (هزاران مایل) باشد، برای برقراری ارتباط بین آنها از یک سیستم مخابراتی مبتنی بر فیبر نوری استفاده می‌شود.
سیستم رله فیبر نوری از عناصر زیر تشکیل شده است:
- فرستنده:مسئول تولید و رمز نگاری سیگنال‌های نوری است.
- بازتاب نوری:به منظور تقویت سیگنال‌های نوری در مسافت‌های طولانی استفاده می‌گردد.
- دریافت کننده نوری:سیگنال‌های نوری را دریافت و رمز گشایی می‌نماید.
فرستنده
وظیفه فرستنده، مشابه نقش ملوان بر روی عرشه کشتی ناو فرستنده پیام است. فرستنده سیگنال‌های نوری را دریافت و دستگاه نوری را به منظور روشن و خاموش شدن در یک دنباله مناسب (حرکت منسجم) هدایت می‌نماید. فرستنده از لحاظ فیزیکی در مجاورت فیبر نوری قرار داشته و ممکن است دارای یک لنز به منظور تمرکز نور در فیبر باشد. متداول‌ترین طول موج سیگنال‌های نوری ،۸۵۰ نانومتر، ۱۳۰۰ نانومتر و ۱۵۵۰ نانومتر است.
بازتاب (تقویت کننده) نوری
برای جلوگیری از تضعیف و از بین رفتن سیگنال‌های نوری از یک یا چند «تقویت کننده نوری» استفاده می‌گردد. تقویت کننده نوری از فیبرهای نوری متعدد به همراه یک روکش خاص تشکیل می‌گردند. بخش دوپینگ با استفاده از یک لیزر پمپ می‌گردد. زمانی که سیگنال تضعیف شده به روکش دوپینگی می‌رسد، انرژی ماحصل از لیزر باعث می‌گردد که مولکول‌های دوپینگ شده، به لیزر تبدیل گردند. مولکول‌های دوپینگ شده در ادامه باعث انعکاس یک سیگنال نوری جدید و قویتر با همان خصایص سیگنال ورودی تضعیف شده، خواهند بود. (تقویت کننده لیزری)
دریافت کننده نوری
وظیفه دریافت کننده مشابه نقش ملوان بر روی عرشه کشتی ناو دریافت کننده پیام است. دستگاه فوق سیگنال‌های دیجیتالی نوری را اخذ و پس از رمزگشایی، سیگنال‌های الکتریکی را برای سایر استفاده کنندگان (کامپیوتر، تلفن و …)ارسال می‌نماید. دریافت کننده به منظور تشخیص نور از یک «فتوسل» و یا «فتودیود» استفاده می‌کند
مزایای فیبر نوری در مقایسه با سیم‌های مسی
- قیمت ارزان‌تر : هزینه فیبر نوری نسبت به سیم‌های مسی در مقیاس‌های بالا کمتر است.
- اندازه نازک‌تر: 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.
- ارتقا آسان: با پیشرفت تکنولوژی در آینده می توان فقط لوازم الکترونیکی را ارتقا داد و کابل فیبر نوی سر جای خود بماند.
- 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 الکترو مغناطیسی 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.
- اشتعال‌زا نبودن: با توجه به عدم وجود الکتریسته در فیبر نوری، امکان بروز آتش‌سوزی در این خصوص وجود نخواهد داشت.
- وزن سبک: وزن یک کابل فیبر نوری به مراتب کمتر از کابل مسی هم‌رده‌آن است و این عامل در کارکردن، نصب و نگهداری فیبر بسیار مهم است.
- انعطاف‌پذیر بودن: با توجه به انعطاف‌پذیری 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 و کابل‌های فلزی توانایی برقراری این ارتباط را نداشتند.
- 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 می‌باشد. 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 دیجیتالی‌وچه به شکل آنالوگ دارند.
- ترویج نوری : نیاز به زمین مشترک بین فرستنده تاری و گیرنده را منتفی می‌کند.
- امکان تعمیر فیبر: (تار) نوری در حالیکه سیستم روشن است، بدون آنکه احتمال اتصال کوتاه شدن مدارهای الکتریکی در فرستنده ویا در گیرنده باشد، وجود دارد.
- امنیت: فیبرهای نوری درجه‌ای از امنیت وپنهانی بودن را عرضه می‌کند. چون تارها انرژی تشعشع نمی‌کنند. برای یک مزاحم، آشکار سازی سیگنال ارسالی مشکل است.
- پهنای باند بالا: این پهنای باند اکنون به ۱۷۰ 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 ۴۰ 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 غیرمجاز: 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.
کاربردهای فیبر نوری
- در سیستمهای مخابرات نوری جهت انتقال POTS
- در سازمانهای محلی برای انتقال سرویس فوق در بین بخشهای مختلف
- در کارخانجات بینالمللی
- در شرکتهای تلویزیون کابلی
- در سیستمهای نقل و انتقال هوشمند
- در صنعت پزشکی
- در صنایع نظامی
- در سیستمهای پر سرعت نظیر GigaBit Ethernet، FDDI، MultiMedia، ATM، SONET، Fiber Channel
- در بخش فضایی، حمل و نقل و صنعت
