فیبر نوری چیست و انتقال داده با نور چگونه انجام می شود؟

فیبر نوری چیست و انتقال داده با نور چگونه انجام می شود؟

انتقال داده با استفاده از نور با الیافی از جنس شیشه

فیبر نوری الیاف شفاف و انعطاف پذیر است که با کشیدن شیشه (سیلیس) یا پلاستیک به قطر کمی ضخیم تر از موی انسان ساخته می شود. فیبر نوری اغلب به عنوان ابزاری برای انتقال نور بین دو سر فیبر استفاده می شود و یافتن کاربرد گسترده در ارتباطات فیبر نوری، جایی که امکان انتقال در مسافت های طولانی تر و با پهنای باند بالاتر (سرعت انتقال داده) نسبت به کابل های الکتریکی را امکانپذیر می کنند. از فیبر به جای سیم های فلزی استفاده می شود زیرا انتقال سیگنال ها در آنها با حداقل اتلاف ممکن انجام می شود. علاوه بر این، فیبر در برابر تداخل های الکترومغناطیسی مصون هستند، مشکلی که در سیم های فلزی بسیار رایج است و باعث ایجاد نویز در این کابل ها می شود.

 

یک دسته از فیبر نوریاز فیبر برای روشنایی و تصویربرداری نیز استفاده می شود و غالباً به صورت دسته ای (Bundles) بسته بندی می شود، و برای دستگاه هایی مانند Fiberscope برای انتقال نور یا تصویر برداری در فضای محدود که نیاز به تجهیزات پیشرفته است، استفاده شود. فیبرسکوپ یک باندل فیبر نوری انعطاف پذیر است که در یک سر آن چشمی و در سر دیگر آن یک عدسی قرار دارد که برای بررسی و بازرسی مکان های کوچک و محدود در دسترسی مانند داخل دستگاه ها، قفل ها و حتی بدن انسان استفاده می شود. از فیبر مخصوص طراحی شده برای کاربردهای مختلف دیگری نیز استفاده می شوند، برخی از آنها سنسورهای فیبر نوری و لیزرهای فیبر هستند.

فیبرهای نوری به طور معمول شامل هسته ای (Core) هستند که توسط ماده روکش (Cladding) شفاف با ضریب شکست (Refractive index) پایین احاطه شده است.

نور توسط پدیده انعکاس داخلی کامل در هسته نگهداری می شود که باعث می شود فیبر به عنوان یک Waveguide (راهنمای نوری یک ساختار فیزیکی است که امواج الکترومغناطیسی را در طیف نوری هدایت می کند) عمل کند. به فیبری که از بسیاری از مسیرهای انتشار یا حالت های تقاطعی پشتیبانی می کند فیبر چند حالته (multi-mode) گفته می شود، در حالی که به فیبری که از یک حالت واحد پشتیبانی می کند فیبر تک حالته (single-mode) گفته می شود. فیبر نوری multi-mode عموماً قطر هسته عریض تری دارند و برای پیوندهای ارتباطی در مسیرهای کوتاه و برای کاربری هایی که باید توان زیادی منتقل شود، مورد استفاده قرار می گیرند. فیبر نوری single-mode برای اکثر پیوندهای ارتباطی با طول بیش از 1000 متر (3300 فوت) استفاده می شود.

امکان پیوستن و اتصال به فیبرهای نوری با افت کم در ارتباطات فیبر نوری مهم است. این پیچیده تر از اتصال سیم یا کابل برق است و شامل شکاف دقیق الیاف، تراز دقیق هسته های فیبر و جفت شدن بدون خطا در این هسته های تراز شده است. در کاربری هایی که خواستار اتصال دائمی هستند، اتصال فیوژن بسیار متداول (fusion splice) است. در این تکنیک از یک قوس الکتریکی برای ذوب شدن انتهای فیبر در کنار هم استفاده می شود. تکنیک متداول دیگر، اتصال مکانیکی است، جایی که انتهای فیبر با نیروی مکانیکی در تماس هستند. اتصالات موقت یا نیمه دائمی با استفاده از کانکتورهای فیبر نوری تخصصی انجام می شود.

کابل فیبر نوری نصب شده در زمین

 

کاربرد در ارتباطات

فیبر نوری به عنوان یک رسانه برای ارتباطات از راه دور و شبکه های رایانه ای استفاده می شود زیرا انعطاف پذیر است و می تواند به صورت باندلی از کابل باشد. این امر خصوصاً برای ارتباطات از راه دور بسیار سودمند است، زیرا نور مادون قرمز در مقایسه با کابلهای الکتریکی با ضعف بسیار کمتری از طریق فیبر منتشر می شود. این اجازه می دهد تا در مسافت های طولانی تر با تعداد کمی تکرار کننده طی شود.

سیگنال های نوری در هر کانال که در فیبر منتشر می شوند با سرعت 111 گیگابیت در ثانیه (Gbit/s) تعدیل شده اند، اگرچه 10 یا 40 گیگابایت در ثانیه در سیستم های گسترش یافته، معمول است. در ژوئن 2013، محققان انتقال 400 گیگابایت بر ثانیه را از طریق یک کانال با استفاده از مولتی پلکسینگ حرکت زاویه ای مداری 4 حالته نشان دادند. هر فیبر می تواند کانالهای مستقلی را حمل کند، هر کدام از آنها از طول موج مختلفی از نور استفاده می کنند (مالتی پلکسینگ تقسیم طول موج (WDM)). از سال 2011 رکورد پهنای باند در یک تک هسته 101 ترابیت در ثانیه بود (370 کانال با هر یک 273 گیگابایت در ثانیه). رکورد فیبر چند هسته ای در ژانویه 2013 1.05 پتابیت در ثانیه بود.

استفاده از فیبر نوری در کاربردهای مسیر-کوتاه، مانند کابل کشی شبکه در یک ساختمان اداری باعث صرفه جویی فضای اختصاص داده شده برای کابل کشی در داکت می شود. به این دلیل که یک فیبر می تواند داده های بسیار بیشتری نسبت به کابل های الکتریکی مانند کابل کشی کابل اترنت Cat5، که معمولاً با سرعت 100 مگابیت در ثانیه یا 1 گیگابیت بر ثانیه کار می کنند، حمل کند.

فیبر همچنین از تداخل الکتریکی مصون است. هیچ تداخلی بین سیگنالها در کابلها وجود ندارد و هیچ گونه نویزی در محیط بروی آن اثر ندارد. کابل های فیبر غیر زره پوش، رسانای برق نیستند، که باعث می شود فیبر برای محافظت از تجهیزات ارتباطی در محیط های فشار قوی مانند تأسیسات تولید برق یا ساختارهای ارتباطی فلزی مستعد برخورد صاعقه مفید باشد و همچنین از مشکلات ایجاد شده توسط مغناطیس زمین جلوگیری می کند. آنها همچنین می توانند در محیط هایی که بخارات انفجاری وجود دارد، بدون خطر آتش گرفتن کابل فیبر نوری استفاده شوند. فیبر اغلب برای اتصالات فاصله کوتاه بین دستگاه ها نیز استفاده می شود. به عنوان مثال، اکثر تلویزیون های HD یک اتصال نوری صوتی دیجیتال را ارائه می دهند. با استفاده از پروتکل S/PDIF از طریق کانکتور TOSLINK، این امکان را برای پخش صوتی از طریق نور فراهم می کند.

کانکتور تسلینک

کانکتور toslink

کابل تسلینک

کابل toslink

 

اطلاعات موجود در داخل فیبر نوری حتی از پالس های الکترومغناطیسی تولید شده توسط دستگاه های تولید کننده انرژی هسته ای مصون است.

 

عملکرد اصلی

فیبر نوری یک راهنمای موج استوانه ای دی الکتریک (راهنمای موج غیر رسانا) است که با فرآیند بازتاب کلی داخلی، نور را در امتداد محور خود منتقل می کند. این فیبر از یک هسته تشکیل شده است که توسط یک لایه روکش احاطه شده است و هر دو از مواد دی الکتریک ساخته شده اند. برای محدود کردن سیگنال نوری در هسته، ضریب شکست هسته باید بیشتر از روکش باشد. برای ایجاد نور هم می توان از لیزر یا LED به استفاده کرد.

 

شاخص شکست نور (Index of refraction)

شاخص شکست (یا ضریب شکست) روشی برای اندازه گیری سرعت نور در یک ماده است. نور در خلا سریعتر حرکت می کند، مانند فضا. سرعت نور در خلا حدود 300000 کیلومتر در ثانیه است. ضریب شکست یک محیط با تقسیم سرعت نور در خلا بر سرعت نور در آن محیط محاسبه می شود. بنابراین، ضریب شکست خلا طبق تعریف 1 است. یک فیبر تک حالته معمولی که برای ارتباطات از راه دور استفاده می شود دارای روکش ساخته شده از سیلیس خالص با شاخص 1.444 در 1500 نانومتر و یک هسته سیلیس با شاخص در حدود 1.4475 است. هرچه ضریب شکست بزرگتر باشد، نور کمتری در آن محیط حرکت می کند. براساس این اطلاعات، یک قاعده ساده این است که سیگنالی که از فیبر نوری برای ارتباط استفاده می کند با سرعت 200000 کیلومتر در ثانیه حرکت می کند. به بیان دیگر، سیگنال 5 میلی ثانیه طول می کشد تا در فیبر مسافت 1000 کیلومتر را طی کند. بنابراین یک تماس تلفنی انجام شده توسط فیبر بین سیدنی و نیویورک، با فاصله 16000 کیلومتر، به این معنی است که حداقل 80 میلی ثانیه تأخیر وجود دارد (حدود 1/12 ثانیه) بین زمانی که یک تماس گیرنده صحبت می کند و دیگری می شنود. (فیبر، در این حالت، احتمالاً مسیر طولانی تری را طی خواهد کرد و به دلیل تعویض تجهیزات ارتباطی و روند رمزگذاری و رمزگشایی صدا روی فیبر، تأخیرهای اضافی ایجاد خواهد شد).

اکثر فیبرهای نوری مدرن راهنمای موج ضعیفی دارند، به این معنی که تفاوت در ضریب شکست بین هسته و روکش بسیار کم است (معمولاً کمتر از 1٪).

شکست نور

 

بازتاب کلی داخلی (Total internal reflection)

وقتی نوری که در یک محیط نوری متراکم حرکت می کند به یک مرز در یک زاویه شیب دار برخورد کند (بزرگتر از زاویه بحرانی برای مرز)، نور کاملاً منعکس می شود. به این وضعیت، بازتاب کلی داخلی می گویند. این اثر در فیبرهای نوری برای محدود کردن نور در هسته استفاده می شود. نور از طریق هسته فیبر عبور می کند و از مرز بین هسته و روکش به عقب و جلو باز می گردد. از آنجا که نور باید با زاویه ای بیشتر از زاویه بحرانی به مرز برخورد کند، فقط نوری که در محدوده خاصی از زاویه ها به فیبر وارد شود می تواند بدون نشت نور به پایین فیبر حرکت کند.

به عبارت ساده تر، حداکثر زاویه ای از محور فیبر وجود دارد که ممکن است در آن نور به فیبر وارد شود تا در هسته فیبر منتشر یا حرکت کند. سینوس این حداکثر زاویه دیافراگم عددی (NA) فیبر است. فیبر با NA بزرگتر نسبت به فیبر با NA کوچکتر برای اتصال و کار با دقت کمتری نیاز دارد. فیبر تک حالته NA کوچکی دارد.

انکسار نور

 

فیبر چند حالته (Multi-mode)

فیبر با قطر هسته بزرگ (بیشتر از 10 میکرومتر) ممکن است توسط اپتیک هندسی مورد تجزیه و تحلیل قرار گیرد. از تجزیه و تحلیل الکترومغناطیسی این فیبر، فیبر چند حالته گفته می شود. در یک فیبر چند حالته شاخص پله ای، پرتوهای نور در امتداد هسته فیبر توسط بازتاب داخلی کامل هدایت می شوند. اشعه هایی که مرز روکش هسته را با یک زاویه بالا (اندازه گیری شده نسبت به یک خط نرمال از مرز اندازه می گیرند)، بیشتر از زاویه بحرانی برای این مرز، برآورده می کنند تا کاملاً منعکس شوند. زاویه بحرانی (حداقل زاویه برای بازتاب داخلی کل) با تفاوت در شاخص شکست (index of refraction) بین هسته و مواد روکش تعیین می شود. اشعه هایی که با زاویه کم مرز را می یابند از هسته به داخل روکش شکسته می شوند و باعث عدم انتقال نور و اطلاعات می شوند. زاویه بحرانی، زاویه پذیرش فیبر را تعیین می کند که اغلب به صورت دیافراگم عددی در نظر گرفته می شود. دیافراگم عددی بالا به نور اجازه می دهد تا فیبر در اشعه نزدیک به محور و در زوایای مختلف به پایین فیبر پخش شود، و به این ترتیب اتصال موثر نور به فیبر امکان پذیر است. با این حال، این دیافراگم عددی بالا، میزان پراکندگی را افزایش می دهد زیرا اشعه ها در زوایای مختلف دارای طول مسیر متفاوت هستند و بنابراین زمان های مختلفی برای عبور از فیبر، طول می کشد.

در فیبر شاخص درجه بندی شده، شاخص شکست در هسته به طور مداوم بین محور و روکش کاهش می یابد. این امر باعث می شود که اشعه های نور هنگام نزدیک شدن به روکش، به آرامی خم شوند و نه اینکه از مرز روکش هسته منعکس شوند. مسیرهای منحنی حاصل، پراکندگی چند مسیر را کاهش می دهد زیرا اشعه های با زاویه بالا بیشتر از مرکز با شاخص پایین تر از مرکز عبور می کنند.

عبور نور از فیبر نوری multi-mode

عبور نور از فیبر نوری

عبور نور از هسته فیبر نوری

 

فیبر تک حالته (Single-mode)

فیبر با قطر هسته کمتر از ده برابر طول موج نور انتشار را نمی توان با استفاده از اپتیک هندسی مدل کرد. در عوض ، باید با استفاده از حل معادلات ماکسول (Maxwell's equations) که به معادله موج الکترومغناطیسی تقلیل داده می شود، به عنوان یک ساختار موجدار الکترومغناطیسی تجزیه و تحلیل شود. برای درک رفتارهایی مانند ذره ای که هنگام انتشار نور منسجم در فیبر چند حالته رخ می دهد، ممکن است تجزیه و تحلیل الکترومغناطیسی مورد نیاز باشد. به عنوان یک راهنمای موج نوری، فیبر از یک یا چند حالت عرضی محدود پشتیبانی می کند که در آن نور می تواند در امتداد فیبر منتشر شود. فیبرهایی که فقط از یک حالت پشتیبانی می کنند، فیبر تک حالته (Single-mode) نامیده می شوند. رفتار فیبر چند حالته هسته بزرگتر نیز می تواند با استفاده از معادله موج مدل سازی شود، که نشان می دهد چنین فیبری بیش از یک حالت انتشار را پشتیبانی می کند (از این رو نام آن است). اگر هسته فیبر آنقدر بزرگ باشد که بتواند بیش از چند حالت را پشتیبانی کند، نتایج حاصل از چنین مدلی از فیبر چند حالته تقریباً با پیش بینی اپتیک هندسی موافق است.

انواع فیبر نوری

 

تجزیه و تحلیل راهنمای موج نشان می دهد که انرژی نور فیبر به طور کامل در هسته محدود نشده است. در عوض، به خصوص در فیبر تک حالته، بخش قابل توجهی از انرژی در حالت محدود، در روکش فلزی به صورت یک موج ناپایدار (evanescent wave) حرکت می کند.

رایج ترین نوع فیبر تک حالته دارای قطر هسته 10-8 میکرومتر است و برای استفاده در مادون قرمز طراحی شده است. ساختار حالت به طول موج نور استفاده شده بستگی دارد، بنابراین این فیبر در واقع از تعداد کمی حالت اضافی در طول موج های قابل مشاهده پشتیبانی می کند. در مقایسه، فیبر چند حالته با قطر هسته به اندازه 50 میکرومتر و به اندازه صدها میکرومتر تولید می شود.

 

فیبر برای اهداف خاص

برخی از فیبرهای نوری برای اهداف خاص با یک هسته غیر استوانه ای و یا لایه روکش ساخته می شوند، معمولاً با مقطع بیضوی یا مستطیل. این موارد شامل فیبر نگهدارنده پلاریزاسیون (polarization-maintaining) هستند که برای فرونشاندن حالت انتشار whispering gallery طراحی شده اند. فیبر نگهدارنده پلاریزاسیون نوع منحصر به فردی از فیبر است که به دلیل توانایی حفظ قطب نور وارد شده در آن، معمولاً در سنسورهای فیبر نوری استفاده می شود.

فیبر کریستال فوتونی (Photonic-crystal) با یک الگوی منظم از تغییر شاخص (اغلب به صورت سوراخ های استوانه ای که در امتداد طول الیاف قرار دارند) ساخته می شود. چنین فیبری برای محدود کردن نور به هسته فیبر به جای انعکاس داخلی کامل یا علاوه بر آن، از اثرات انکسار استفاده می کند. خواص فیبر را می توان متناسب با کاربردهای متنوعی تنظیم کرد.

کریستال فوتونی

فیبر نوری کریستال فوتونی

نقاط روشن و تیره در تداخل لیزر

تداخل پرتو لیزر

 

کاربردهای فیبر نوری

  • کاربرد در مخابرات : یکی از مرسوم‌ترین کاربردهای فیبر نوری انتقال اطلاعات توسط لیزر است.

  • کاربرد در حسگرها : استفاده از حسگرهای فیبر نوری برای اندازه‌گیری کمیت‌های فیزیکی مانند جریان الکتریکی، میدان مغناطیسی، فشار، حرارت، جابجایی، آلودگی آب‌های دریا، سطح مایعات، تشعشعات پرتوهای گاما و ایکس در سال‌های اخیر شروع شده است. در این نوع حسگرها، از فیبر نوری به عنوان عنصر اصلی حسگر بهره‌گیری می‌شود بدین ترتیب که ویژگی‌های فیبر تحت میدان کمیت مورد اندازه‌گیری تغییر یافته و با اندازه شدت کمیت تأثیرپذیر می‌شود.

  • کاربردهای نظامی : فیبر نوری کاربردهای بی‌شماری در صنایع جنگ‌افزاری دارد که از آن جمله می‌توان برقراری ارتباط و کنترل با آنتن رادار، کنترل و هدایت موشکها، ارتباط زیردریاییها (هیدروفون) را نام برد.

  • کاربردهای پزشکی : فیبرنوری در تشخیص بیماریها و آزمایشهای گوناگون در پزشکی کاربرد فراوان دارد که از آن جمله می‌توان دُزیمتری غدد سرطانی، شناسایی نارسایی‌های داخلی بدن، جراحی لیزری، استفاده در دندانپزشکی و اندازه‌گیری مایعات و خون نام برد. همچنین تارهای نوری در دستگاه‌هایی به نام درون بین یا آندوسکوپ استفاده می‌شود تا به درون نای، مری، روده و مثانه فرستاده شود و درون بدن انسان به‌طور مستقیم قابل مشاهده باشد.

  • کاربرد فیبرنوری در روشنائی : از جمله کاربردهای فیبر نوری که در اواخر قرن بیستم به عنوان یک فناوری روشنایی متداول شده و در چند سال قرن اخیر توسعه و رشد فراوانی پیدا کرده‌است کاربرد آن در سیستم‌های روشنایی است. در این فناوری نور از منبع نوری که می‌تواند نور مصنوعی (نور لامپهای الکتریکی) یا نور طبیعی (نور خورشید) باشد وارد فیبر نوری شده و از این طریق به محل مصرف منتقل می‌شود. به این ترتیب نور به هر نقطه‌ای که در جهت تابش مستقیم آن است منتقل می‌شود. امتیاز این نور که موجبات رشد سریع به‌کارگیری و توجه زیاد به این فناوری شده است این است که فاقد الکتریسیته گرما و تشعشعات خطرناک ماورای بنفش بوده (نور خالص و بی‌خطر) و دیگر اینکه با این فناوری می‌شود نور روز (بدون گرما و اشعه‌های ماورای بنفش) را هم به داخل ساختمان‌ها و نقاط غیرقابل دسترسی به نور خورشید منتقل کرد.

 

فناوری ساخت فیبرهای نوری

برای تولید فیبر نوری، نخست ساختار آن در یک میله شیشه‌ای موسوم به پیش‌سازه از جنس سیلیکا ایجاد می‌گردد و سپس در یک فرآیند جداگانه این میله کشیده شده تبدیل به فیبر می‌شود. از سال 1970 روش‌های متعددی برای ساخت انواع پیش‌سازه‌ها به کار رفته است که اغلب آنها بر مبنای رسوب‌دهی لایه‌های شیشه‌ای در داخل یک لوله به عنوان پایه قرار دارند.

 

روش‌های ساخت پیش‌سازه

روش‌های فرایند فاز بخار برای ساخت پیش‌سازه فیبر نوری را می‌توان به سه دسته تقسیم کرد :

  • رسوب‌دهی داخلی در فاز بخار
  • رسوب‌دهی بیرونی در فاز بخار
  • رسوب‌دهی محوری در فاز بخار

 

مواد لازم در فرایند ساخت پیش سازه

  • تتراکلرید سیلیکون : این ماده برای تأمین لایه‌های شیشه‌ای در فرایند مورد نیاز است.
  • تتراکلرید ژرمانیوم : این ماده برای افزایش ضریب شکست شیشه در ناحیه مغزی پیش‌سازه استفاده می‌شود.
  • اکسی کلرید فسفریل : برای کاهش دمای واکنش در حین ساخت پیش‌سازه، این مواد وارد واکنش می‌شود.
  • گاز فلوئور : برای کاهش ضریب شکست شیشه در ناحیه غلاف استفاده می‌شود.
  • گاز هلیم : برای نفوذ حرارتی و حباب‌زدایی در حین واکنش شیمیایی در داخل لوله مورد استفاده قرار می‌گیرد.
  • گاز کلر : برای آب‌زدایی محیط داخل لوله قبل از شروع واکنش اصلی مورد نیاز است.

 

مراحل ساخت

  1. مراحل صیقل گرمایشی : پس از نصب لوله با عبور گازهای کلر و اکسیژن، در دمای بالاتر از 1800 درجه سلسیوس لوله صیقل داده می‌شود تا بخار آب موجود در جدار درونی لوله از آن خارج شود.

  2. مرحله اچینگ : در این مرحله با عبور گازهای کلر، اکسیژن و فرئون لایه سطحی جدار داخلی لوله پایه خورده می‌شود تا ناهمواری‌ها و ترک‌های سطحی بر روی جدار داخلی لوله از بین بروند.

  3. لایه‌نشانی ناحیه غلاف : در مرحله لایه‌نشانی غلاف، ماده تتراکلرید سیلیسیوم و اکسی کلرید فسفریل به حالت بخار به همراه گازهای هلیم وارد لوله شیشه‌ای می‌شوند و در حالتی که مشعل اکسی هیدروژن با سرعت تقریبی 120 تا 200 میلی‌متر در دقیقه در طول لوله حرکت می‌کند و دمایی بالاتر از 1900 درجه سلسیوس ایجاد می‌کند، واکنش‌های شیمیایی زیر به دست می‌آیند.

ذرات شیشه‌ای حاصل از واکنش‌های فوق به علت پدیده ترموفرسیس کمی جلوتر از ناحیه داغ پرتاب شده و بر روی جداره داخلی رسوب می‌کنند و با رسیدن مشعل به این ذرات رسوبی حرارت کافی به آن‌ها اعمال می‌شود به‌طوری‌که تمامی ذرات رسوبی شفاف می‌گردند و به جدار داخلی لوله چسبیده و یکنواخت می‌شوند. بدین ترتیب لایه‌های شیشه‌ای مطابق با طراحی با ترکیب در داخل لوله ایجاد می‌گردند و در نهایت ناحیه غلاف را تشکیل می‌دهند.

 

منبع : ویکی پدیا

هیچ فایلی در این قسمت ثبت نشده است
تماس با ما ۰۲۱ ۷۸۴۱۸