فیبر نوری و کاربرد آن در ارتباطات

فیبر نوری چیست؟

فیبر نوری از رشته یا تارهای خیلی نازک شیشه‌ ای تشکیل شده و ضخامت هر یک از این تارها تقریبا به اندازه‌ یک تار مو است. تجمع این تارهای بسیار نازک در کلاف باعث به وجود آمدن کابل‌ های نور می‌ شود. امروزه از فیبر نوری برای انتقال امواج نوری در طول مسافت‌ های زیاد استفاده و انتقال اطلاعات در طریق فیبر نوری با سرعت بسیار بالایی انجام می‌ شود. در حال حاضر کابل های فیبر نوری در شبکه تلفن شهری، بین شهری و شبکه اینترنت و کامپیوتری کاربرد بسیار زیادی دارد.

در این مقاله قصد داریم تا به بررسی مزایای فیبر نوری بپردازیم. در مقایسه با کابل های مسی، فیبر نوری مزیت‌ های زیادی دارد که باعث افزایش محبوبیت روزافزون آن شده است. سرعت رشد استفاده از فیبر نوری به جای کابل مسی با افزایش قیمت کابل‌ های مسی بیش از پیش افزایش پیدا کرده است. پیش‌ بینی می‌ شود که در آینده‌ ای نه چندان دور فیبر نوری کاملا جایگزین سیم‌ های مسی شود.

اجزاء فیبر نوری

به طور کلی هر فیبر نوری از سه بخش اصلی تشکیل شده است:

هسته یا Core: این بخش یک هسته ی نازک از جنس شیشه در فیبر است که امواج نوری را منتقل می کند.
روکش یا Cladding: این بخش که در اطراف هسته کشیده شده است و بخش خارجی فیبر نوری را تشکیل می دهد، نور منعکس شده به هسته را بر می گرداند.
رویه بافر یا Buffer Coating: در بخش یک روکش از جنس پلاستیک است که فیبر نوری را در برابر رطوبت و سایر عواملی که می توانند آسیب های احتمالی ایجاد کنند محافظت می کند.

کابل فیبر نوری

کابل فیبر نوری مونتاژ شبیه به کابل الکتریکی است ، اما حاوی یک یا چند فیبر نوری است که برای حمل نور استفاده می شود. عناصر فیبر نوری به طور معمول با لایه های پلاستیکی پوشانده – در یک لوله محافظ برای محیطی که کابل مستقر شده – قرار می گیرند.

انواع مختلفی از کابل برای کاربردهای مختلف وجود دارد. به عنوان مثال برای ارتباط از راه دور یا اتصال داده با سرعت بالا بین قسمت های مختلف یک ساختمان.

نقش فیبر نوری در ارتباطات

فیبر نوری به عنوان وسیله ای برای ارتباطات از راه دور و شبکه رایانه ای استفاده می شود، زیرا انعطاف پذیر است و به صورت کابل می توان آن را همراهی کرد. این موضوع برای ارتباطات از راه دور سودمند است ، زیرا نور مادون قرمز از طریق فیبر با کاهش بسیار کمتری در مقایسه با کابل های الکتریکی پخش می شود.

سیگنال های نور در هر کانال که در فیبر پخش می شوند با NTT با سرعت 111 گیگا بیت بر ثانیه تعدیل شده است.

فیبر در برابر تداخل الکتریکی مصون است. کابل های فیبر بدون زره باعث برق نمی شود، به همین دلیل فیبر به عنوان راه حل مناسبی برای محافظت از تجهیزات ارتباطی در محیط های دارای ولتاژ بالا مانند تأسیسات تولید برق یا سازه های ارتباطی فلزی در معرض حمله صاعقه است و همچنین از بروز مشکلات در حلقه های زمینی جلوگیری می کند. فیبر همچنین می تواند در محیط هایی که دودهای مواد منفجره در آن وجود دارد ، بدون خطر احتراق استفاده شود.

الیاف غالباً برای اتصالات از راه دور بین دستگاه ها نیز استفاده می شود. به عنوان مثال ، بیشتر تلویزیون های با کیفیت بالا ، اتصال نوری دیجیتال صوتی را ارائه می دهند. این کار با استفاده از پروتکل TOSLINK امکان پخش صوت از طریق نور را فراهم می کند.

اطلاعات در داخل فیبر نوری حتی در برابر پالس های الکترومغناطیسی تولید شده توسط دستگاه های هسته ای نیز مصون هستند.

سیستم های کابل مس از مقادیر زیادی مس استفاده می کنند و از سال 2000 با رونق سرقت فلزات هدف قرار گرفته اند.

کاربرد فیبر نوری

فیبر نوری توسط بسیاری از شرکتهای مخابراتی برای انتقال سیگنالهای تلفنی ، ارتباطات اینترنتی و سیگنالهای تلویزیونی کابل استفاده می شود. همچنین در بسیاری از صنایع دیگر از جمله پزشکی ، دفاعی / دولتی برای ذخیره سازی داده ها و صنعتی / تجاری مورد استفاده قرار می گیرد. علاوه بر ارائه اهداف ارتباط از راه دور ، از آن به عنوان راهنمای نور استفاده می شود ، برای ابزارهای تصویربرداری ، لیزرها ، آبگریزهای امواج لرزه ای ، SONAR و همچنین به عنوان سنسورها برای اندازه گیری فشار و دما.

به دلیل کاهش و تداخل بسیار پایین ، فیبر نوری مزایای زیادی نسبت به سیم مسی موجود در برنامه های بلند و پر تقاضا دارد. با این حال ، توسعه زیرساخت ها در شهرها نسبتاً دشوار و وقت گیر بود و سیستم های فیبر نوری برای نصب و بهره برداری پیچیده و گران بودند. به دلیل این مشکلات ، سیستم های ارتباطی فیبر نوری در درجه اول در برنامه های مسافت طولانی نصب شده اند که در آنجا می توان از ظرفیت انتقال کامل آنها استفاده کرد و هزینه های آن را جبران کرد.

قیمت ارتباطات فیبر نوری از سال 2000 به طور قابل توجهی کاهش یافته است.

مزایای استفاده از کابل نوری

1.قیمت ارزان: در مقایسه با سیم های مسی، فیبر نوری قیمت اقتصادی تری دارد. به خصوص زمانی که در مقیاس های بالا تهیه شود.

2.نازک تر بودن: در مقایسه با سیم های مسی، فیبر نوری بسیار نازک تر است در نتیجه فضای کمتری را اشغال می کند.

3.ظرفیت زیاد: ارسال اطلاعات با فیبرنوری با سرعت بسیار بالاتری انجام می شود. علت این امر هم ظرفیت بالای پهنای باند فیبر نوری است. به همین دلیل کابل نوری در انتقال دیتا توانا تر عمل می کند.

4.ارسال سریع و پر قدرت: ضعیف شدن های مکرر در هنگام انتقال اطلاعات در فیبر نوری بسیار کمتر از دیگر مدل ها است.

5.عدم وقوع تداخل: در فیبر نوری انتقال سیگنال های نوری از طریق یک فیبرنوری باعث به وجود آمدن تداخلات الکترومغناتیسی در فیبرهای دیگر نمیشود. این در حالی است که در سیم مسی احتمال وقوع چنین تداخلاتی وجود دارد.

6.مصرف پایین برق: کاربران می توانند برای تامین برق در فیبرهای نوری از فرستنده هایی که در مقایسه با فرستنده های الکتریکی میزان مصرف برق پایین تری دارند استفاده کنند؛ علت این امر هم عدم ضعف سیگنال ها در فیبر نوری است.

7.وزن کم: در قیاس با کابل های مسی، کابل فیبر نوری بسیار سبک وزن تر است. این ویژگی باعث سهولت در هنگام نصب، نگهداری و استفاده از کابل فیبر نوری می شود.

8.انعطاف در استفاده: از کابل های نوری در زمینه های مختلفی مانند دوربین های دیجیتال، عکس برداری پزشکی، حتی لوله کشی، هوا و فضا و ده ها زمینه ی دیگر استفاده می شود. علت این گستردگی نیز انعطاف پذیری فیبر نوری و امکان ارسال کردن و دریافت کردن نور از این کابل ها است.

9.فاصله یک مانع نیست: هنگامی که شبکه ها فاصله ی زیادی با یکدیگر دارند فیبر نوری گزینه ی بسیاری خوبی برای برقراری ارتباط میان این شبکه ها است. پیش از کابل های فیبر نوری استفاده از تلفن و امواج رادیویی برای ایجاد ارتباط میان درگاه های LAN دو شبکه بسیار رایج بود.

9.استقامت: احتمال نفوذ و اختلال های شایع در هنگام استفاده از کابل های فیبر نوری بسیار کم است. ساختار این کابل به گونه ای است که از متاثر شدن آن از انواع اختلالات الکترومغناتیسی جلوگیری می کند (مانند نویز های رادیویی و یا نویز هایی که حاصل فاصله ی کم میان کابل ها است و از انتقال درست داده ها جلوگیری می کند). بنابراین کابل های فیبر نوری در برابر انواع تداخلات با سایر کابل ها و نویز های احتمالی مصون هستند. این کابل ها همچنین در برابر فرکانس رادیویی RFI و اختلالات الکترومغناتیسی EMI به خوبی محافظت می شوند.

10.سرعت بالا: انتقال اطلاعات حتی در حجم زیاد به وسیله ی کابل نوری به صورت دیجیتال و آنالوگ ممکن است.

11.بی نیازی به تکرار کننده تا چند کیلومتر: در شرایطی که جنس هسته فیبر نوری مرغوب باشد تا فاصله ی چندین کیومتر، به علت استفاده از نور، سیگنال های در حال انتقال، ضعیف شدن را تجربه نخواهند کرد. در نتیجه به Repeater نیازی نخواهد بود.

قلم فیبر نوری چه کاربردی دارد؟

قلم فیبر نوری که مختصر شده ای نام آن VFL (Visual Fault Locator) است یکی از ضروری ترین و کاربردی ترین ابزارهای در هنگام کار با کابل های فیبر نوری محسوب می شود. از طریق این قلم، اولین تست فیبر نوری انجام می شود. لازم به ذکر است که این تست قابلیت تکرار پذیری بالایی دارد. بسیاری از کاربران تصور درستی در مورد قیمت قلم فیبر نوری ندارند؛ باید بگوییم که بر خلاف تصور عمومی، قلم فیبر نوری به هیچ وجه یک ابزار ارزان قیمت برای بررسی شبکه های فیبر نوری نیست. به کمک قلم VLF می توان خیلی سریع شکستگی ها و یا میکروبند هایی (زوایایی که به شکل نامتعارفی خم شده اند) را در شبکه های فیبر نوری ردیابی کرد. همچنین امکان تشخیص فیوژن های بسیار ضعیف در انواع کابل های فیبر نوری (کابل های فیبرنوری مالتی مود و یا سینگل مود) وجود دارد.

توان خروجی قلم فیبر نوری به شکل منبع نور است. استفاده از منبع نور لیزر قرمز (635-650 نانومتر) در قلم های فیبر نوری بسیاری رایج است. قدرت خروجی نوری لیرز VFL چیزی در حدود 1 میلی وات و یا حتی کمتر از آن تخمین زده می شود. لازم به ذکر است که با این درجه توان خروجی، لازم است که همیشه در هنگام کار با قلم فیبر نوری مراقب باشید و از نگاه کردن مستقیم به خروجی نوری، به شدت خودداری کنید.

ظاهر قلم های فیبر نوری بسیار متغیر است. این ابزار شبکه های فیبر نوری در شکل ها و اندازه های متنوعی تولید و به بازار عرضه می شود. برخی از VFL ها ظاهری بسیار مشابه با یک قلم عادی دارند اما گروهی دیگر از آن ها نیز وجود دارد که می توانند در محدوده ی یک بازتاب سنج دامنه ی نوری (OTDR) بگیرند. تعدادی دیگر از قلم های فیبر نوری نیز وجود دارد که شباهت زیادی به ریموت و یا دیگر تجهیزات مشابه دارند.

انواع قلم فیبر نوری

در یک دسته بندی، به طور کلی دو نوع قلم فیبر نوری (VFL) وجود دارد. گروه اول برای تماس همسطح استفاده می شود و گروه دوم از طریق تماس غیر همسطح عمل می کند. در گروه اول، یعنی قلم ها فیبر نوری با تماس همسطح، قلم باید با فیبر نوری که قصد داریم آن را مورد بررسی قرار دهیم تماس داشته باشد. در مقابل، در کابل هایی که به روش تماس غیرهمسطح عمل می کنند، کابل فیبر نوری بدون تماس با قلم فیبر نوری مورد بررسی قرار می گیرد. یکی از ویژگی های قلم فیبر نوری این است که محدودیتی در مورد آزمایش کردن کابل های فیبر نوری تا دو کیلومتر ندارد؛ این ویژگی کاملا نقطه ی مقابل آزمایش های پیوسته با تستر های پیوسته نوری (LED) است. بنابراین تا فاصله ای به اندازه ی 2 کیلومتر می توان از قلم فیبر نوری برای تایید امتداد سالم کابل های فیبر نوری مالتی مود و همچنین سینگل مود استفاده کرد. البته با توجه به منبع لیزری با طول موج مرئی 635-650 نانومتر و افت آن و البته نوع کابل فیبر نوری، این تشخیص هم محدودیت هایی درد. به طور مثال در ممکن است که در کابل های فیبر نوری مالتی مورد بیش از 1 کیلومتر و در کابل های فیبر نوری سینگل مود بیش از 500 متر، زوایای خمیدگی تند و همچنین مایکروبند ها قابل تشخیص نباشند. لازم به ذکر است که در هنگام شکسته شدن کابل فیبر نوری به وسیله ی ژاکت نیز اندازه های ذکر شده صادق است.

نحوه‌ی کار قلم فیبر نوری (VFL)

انتقال سینگال های نوری بر روی یک کابل فیبر نوری به طور معمول با استفاده از طول موج 1300-1650 نانومتر انجام می گیرد بنابراین چشم غیر مسلح قادر به دیدن این جریان نور است. در روش OTDR برای آسیب شناسی کابل های فیبر نوری و اندازه گیری درجه ی خطا در این کابل ها، از زمان پرتور و دامنه انعکاس پالس در کابل های فیبر نوری استفاده می شود. این در حالی است که قلم فیبرنوری، برای تشخیص دادن محل آسیب دیده و خطا در کابل های فیبر نوری از نوری مرئی با طول موج 360-670 نانومتر استفاده می شود. این نور مرئی از طریق هسته ی مرکزی فیبرنوری منتقل می شود و در نهایت در نقطه ای از کابل که آسیب دیده است خارج می شود. این نور به گونه ای است که کاربران به راحتی می توانند خروج آن را از نقاط آسیب دیده روکش فیبر و یا کابل و یا حتی هسته تشخیص دهند. در واقع امکان افشای محل دقیق خطا و آسیب دیدگی یکی از مزیت های پررنگ این وسیله است.

تابش نور در قلم فیبر نوری به دو شکل انجام می گیرد: به شکل پیوسته و به شکل پالسی. در بازار اغلب قلم های فیبر نوری با رنج نور 1 الی 2 کیلوهرتز در دسترس است. توان خروجی این قلم ها به طور معمول به اندازه ی 1 میلی وات و یا کمتر است و محدوده ای که قادر است آن را پوشش دهد بین 2 تا 5 کیلومتر است.

ویژگی‌های قلم فیبر نوری (VLF)

برای اتصالات 1.25 میلی متر، یک کانکتور 2.5 میلی متر
کانکتور FC و LC
عملکردی در دو حالت پیوسته (CW) و یا پالسی (Pulsed)
ثابت بودن توان خروجی
پایین بودن هشدار باتری
بالا بودن عمر باتری تا حداکثر 60 ساعت
سر لیرز در برابر آب و گرد و غبار مصونیت دارد
در هنگام سقوط بر روی زمین می تواند از آسیب ESD جلوگیری کند
برای کسب اطمینان از قابلیت اطمینان امکان آزمایش سوختن وجود دارد
جا به جایی و استفاده از قلم فیبر نوری راحت است

چگونه باید از یک قلم فیبر نوری (VFL) استفاده کرد؟

اولین قدم برای استفاده از قلم فیبر نوری اطمینان از تمیز بودن انتهای کانکتور (سطح فرول) است (درست مانند تست پیوسته با منبع نوری). بررسی دقیق فرول با میکروسکوپ بسیار اهمیت دارد. در صورت تمیز بودن سطح فرول از هر گونه آلودگی و یا غبار، باید VFL را به کانکتور فیبر وصل کنید. توصیه می شود که از نگاه کردن مستقیم به نور جدا خوداری کنید. در ادامه برخی از نکاتی که در هنگام کار با قلم فیبر نوری باید به آن ها دقت شود را بیان کرده ایم:

از نگاه کردن مستقیم به نور لیزر جدا خودداری شود.
اطمینان حاصل کنید که پس از استفاده درپوش را درست به جای خود برگردانده اید.
اگر برای مدت طولانی از قلم فیبر نوری استفاده نمی کنید، باتری آن را جدا کنید.