مخترع فیبر نوری
صدها سال است که انسان‌ها به کمک بازتاب نور خورشید در طی روز و استفاده از نور فانوس در شب ارتباط برقرار کرده است. سیگنال‌دهنده‌های نیروی دریایی هنوز هم به کمک چراغ‌های چشمک زن قدرتمند برای انتقال پیام‌های رمزگذاری شده به کشتی‌های دیگر استفاده می‌کنند. ارتباطات نوری محدود به نقاط و خطوط ساده نوری نشده است. این واقعیت جالب است که الکساندر گراهام بل اندکی پس از اختراع تلفن خود دستگاهی را به نام “فوتوفون” اختراع کرد. فوتوفون بل، پرتوی بازتاب شده‌ی نور خورشید را بر روی یك دتکتور سلنیومی در فاصله چند صد متری متمرکز می‌کرد.
درواقع فوتوفون، یک وسیله ارتباطی با قابلیت تراگسیل صدا از طریق یک پرتو نور بود.
با این دستگاه، بل میتوانست یک پیام صوتی را از طریق پرتوی نور منتقل کند. این ایده برای سال‌های طولانی باقی ماند. اخیرا، ایده انتقال نور از طریق فیبر نوری نازک دوباره زنده شده و در فناوری ارتباطات مورد استفاده قرار می‌گیرد.
استفاده از نور به عنوان موج حامل در فیبر نوری نسبت به حامل‌های موج رادیویی برتری‌هایی از قبیل پهنای باند بسیار وسیع تر و مصونیت از تداخل الکترومغناطیسی دارد.
همچنین از فیبرهای نوری برای انتقال نور به مکان‌های غیرقابل دسترس استفاده می‌شود. استفاده از ابزارهای دارای فیبر نوری در صنعت بسیار رایج است و اهمیت آنها به عنوان ابزارهای تشخیصی در پزشکی اثبات شده است.
اخیراً فناوری فیبر نوری به یک سیستم ارتباطی با قابلیت‌های بسیار عظیم تبدیل شده است.
یکی از ویژگی‌های چنین سیستمی، توانایی آن در انتقال هزاران مکالمه تلفنی، چندین برنامه تلویزیونی و سیگنال‌های بیشمار بین ایستگاه‌ها از طریق یک یا دو فیبر نوری انعطاف‌پذیر و نازک است. بدون شک به دلیل ظرفیت فوق العاده حمل اطلاعات ( پهنای باند) سیستم فیبر نوری، دستگاه‌هایی نظیر تلویزیون دو طرفه طراحی شده است که قبل از توسعه فیبر نوری بسیار پرهزینه بوده است.
علاوه بر ارائه پهنای باند بسیار گسترده، سیستم فیبر نوری دارای کابل‌های بسیار نازک و سبک وزن است. فیبر نوری به همراه محافظش معمولاً 6.0 میلی‌متر قطر دارد، اما می‌تواند با یک دسته سیم مسی به قطر 7.62 سانتی‌متر که اکنون برای حمل همان مقدار سیگنال استفاده می‌شود، جایگزین شود.
فیبرهای نوری چگونه کار می‌کنند؟
انتشار نور در فیبر نوری مستلزم این است که نور کاملاً درون فیبر محدود شود.
این امر با انعکاس داخلی کامل و انکسار مداوم انجام می‌شود.
انواع مختلف فیبرهای نوری
سه نوع فیبر نوری وجود دارد که بر اساس مدل پخش نور توسط آنها، طبقه‌بندی می‌شوند:
- فیبر نوری تک حالتی یا سینگل مد (Single-mode)
- فیبر نوری چند حالتی یا مالتی مد (Multimode)با ضریب شکست پله‌ای
- فیبر نوری چند حالتی یا مالتی مد (Multimode)با ضریب شکست مرحله‌ای
- فیبرهای نوری ریزساختار (microstructured) نوع جدیدی از فیبرهای نوری هستند که با سه مورد فوق تفاوت‌هایی دارند. تفاوت اصلی این دو، در روش کنترل نور می‌باشد.
چرا باید درباره‌ی انواع مختلف فیبرهای نوری اطلاع داشته باشید؟
استفاده از انواع مختلف فیبرهای نوری برای برقراری ارتباط، به شناخت صحیح آنها وابسته است. مهندسان ارتباطات یا تکنسین‌های شبکه، قبل از طراحی شبکه‌ای از فیبرهای نوری باید به خوبی از اصول اولیه فیبرهای نوری و کارایی آنها آگاهی داشته باشند تا بتوانند به خوبی تصمیم‌گیری کنند.
شناختن فیبرهای نوری به شما کمک می‌کند تا براساس نیاز خود یک تصمیم هوشمندانه بگیرید.
تک حالتی و چند حالتی بودن فیبر نوری یعنی چه؟ / نظریه حالت چیست؟
ما قصد داریم داده‌ها را با استفاده از نور انتقال دهیم. از این رو، از فیبرهای نوری استفاده می‌کنیم. فیبرهای نوری کابل‌های مخصوصی هستند که می‌توانند پرتوی نور را هدایت کنند.
برای درک رفتار امواج الکترومغناطیسی در موج برها، از نظریه‌ای استفاده می‌کنیم که به عنوان تئوری حالت شناخته می‌شود. تئوری حالت در اصل امواج الکترومغناطیسی را بر اساس طول موج به حالت‌های مختلف طبقه‌بندی می‌کند. شما می‌توانید در ادامه‌ی این مقاله تئوری حالت نور را یاد بگیرید.
فیبر نوری تک حالتی یا سینگل مد (Single-mode)
همان طور که از نام آن پیدا است، این نوع فیبر نوری تنها یک حالت نور را منتقل می‌کند. به عبارت دیگر، می‌تواند تنها یک طول موج از نور را در طول خود حمل کند.
این طول موج معمولاً 1310 نانومتر یا 1550 نانومتر است.
ممکن است شما فکر کنید که این امر، قابلیت انتقال اطلاعات را محدود می‌کند. اما فیبر نوری تک حالتی بسیار بهتر از فیبرهای نوری چند حالتی کار می کند زیرا پهنای باند بیشتری دارد و بنابراین سرعت آن بی نظیر است.
جالب است که بدانید فیبرهای تک حالتی بعد از فیبرهای چند حالتی به وجود آمده‌اند. درواقع آنها جدیدتر از کابل‌های چند حالتی فیبر نوری هستند.
این کابل‌ها می‌توانند با داشتن یک هسته کوچک فقط یک حالت نور را انتقال دهند. درواقع می‌توانیم بگوییم که در اصل قطر هسته به اندازه‌ی طول موج نوری است که از آن عبور می‌کند.
فقط لیزرها به عنوان منبع نور استفاده می‌شوند. نور مورد استفاده درفیبر های تک حالتی در بخش مرئی طیف قابل رویت نیستند.
از آنجا که نور در یک مسیر مستقیم حرکت می‌کند، تلفات کمتری دارد و می توان از آن در برنامه‌هایی که به مسافت طولانی تر نیاز دارند استفاده کرد.
یک نقطه ضعف فیبر تک حالتی این است که جفت شدن آنها سخت است.
فیبر نوری چند حالتی یا مالتی مد (Multimode)
همانطور که از نام آن پیدا است، این نوع از فیبرهای نوری اجازه می‌دهند تا چندین حالت نور در امتداد محور آنها حرکت کنند.
برای توضیح بیشتر می توانیم بگوییم، آنها می‌توانند این کار را با داشتن هسته قطورتر انجام دهند.
طول موج امواج نور در فیبرهای چند حالتی در طیف مرئی از 850 تا 1300 نانومتر قرار دارند.
بازتاب امواج داخل فیبر چند حالتی در هر حالت با زوایای مختلفی اتفاق می‌افتد. در نتیجه، بر اساس این زاویه‌ها، تعداد بازتاب‌ها می‌توانند متفاوت باشند.
از آنجا که اساس فیبر نوری برای برقراری ارتباط، بازتاب داخلی است، تمام حالت‌های دارای زاویه حادثه که باعث انعکاس کامل داخلی نمی‌شوند، توسط روکش جذب می‌شوند.
ما می‌توانیم حالتی با مرتبه بالاتر داشته باشیم، امواج عرضی بر محور موجبر موج می‌توانند بارها منعکس شوند. در حقیقت، به دلیل افزایش بازتاب در زوایای غیرمعمول، حالت‌های مرتبه بالاتر می‌توانند کاملاً درون کابل از بین بروند.
حالت‌های دارای مرتبه پایین نسبتاً عرضی یا حتی کاملاً مستقیم‌اند و از این رو نسبتاً بهتر هدایت می‌شوند.
دو نوع فیبر نوری چند حالتی وجود دارد:
- فیبر نوری چند حالتی یا مالتی مد (Multimode)با ضریب شکست پله‌ای
- فیبر نوری چند حالتی یا مالتی مد (Multimode)با ضریب شکست پله‌ای مرحله‌ای
- فیبر نوری چند حالتی یا مالتی مد (Multimode)با ضریب شکست پله‌ای
- ضریب شکست هسته مولتی مد در کل کابل یکنواخت است
- فیبر نوری چند حالتی یا مالتی مد (Multimode)با ضریب شکست پله ای مرحله‌ای
ضریب شکست هسته از شعاع مرکزی تا سطح آن تغییر می‌کند.
این موضوع چه اهمیتی دارد؟
اگر به شکل فیبرهای چند حالتی با ضریب شکست پله‌ای و مرحله‌ای نگاه کنید، متوجه خواهید شد که امواج موجود در فیبر چند حالتی با ضریب شکست پله‌ای در زمان‌های مختلف به یک نقطه واحد می‌رسند. این امر به این دلیل است که حالت‌های مختلف، سرعت‌های مختلفی دارند. در نتیجه این امر باعث کاهش پهنای باند می‌شود. به این کار پراکندگی یا تحریف میانی گفته می‌شود.
با این حال، این مسئله با استفاده از فیبرهای مالتی مد با ضریب شکست مرحله ای قابل کاهش است.
فیبرهای نوری ریزساختار
اینها انواع جدیدی از کابل‌های فیبر نوری هستند. آنها مفهومی کاملاً متفاوت از استفاده از نور برای برقراری ارتباط را بیان می‌کنند. در انواع فیبرهای نوری که در بالا به آنها اشاره شد، انتقال نور به دلیل وجود بازتاب کلی داخلی و شاخص‌های انکسار هسته و روکش انجام می‌شد. درفیبر های نوری ریزساختار، از ساختار فیزیکی موج بر در مقیاس نانو برای هدایت نور استفاده می‌شود.
انواع مختلف فیبرهای نوری ریزساختار عبارت اند از:
- کریستال‌های فوتونی
- فیبرهای Air-clad یا double-clad
- فیبرهای فرنل
منابع :
نظرات کاربران