فیبر نوری چیست؟ هر آنچه باید درباره این فناوری بدانید

به گزارش «خبرنامه دانشجویان ایران»؛ در دنیای امروز که سرعت و پهنای باند انتقال داده‌ها حرف اول را می‌زند، فیبر نوری به عنوان یک فناوری انقلابی، نقش حیاتی در زیرساخت‌های ارتباطی ایفا می‌کند. از اینترنت پرسرعت منازل گرفته تا شبکه‌های عظیم مخابراتی، فیبر نوری به دلیل مزایای بی‌شمارش، به سرعت جایگزین سیم‌های مسی سنتی شده است. این مقاله جامع به بررسی عمیق فیبر نوری، از تاریخچه و ساختار گرفته تا کاربردها و اصطلاحات رایج در این حوزه می‌پردازد.

تاریخچه ساخت فیبر نوری

ایده انتقال نور از طریق لوله‌های شیشه‌ای به قرن نوزدهم بازمی‌گردد، اما اولین گام‌های عملی در دهه ۱۹۵۰ با تحقیقات دانشمندان بر روی انتقال نور در الیاف شیشه‌ای آغاز شد. در دهه ۱۹۶۰، با اختراع لیزر و تلاش‌های بی‌وقفه محققان، فیبرهای نوری با تلفات نوری کم توسعه یافتند. شرکت کورنینگ گلس در سال ۱۹۷۰ موفق به تولید فیبر نوری با تلفات ۲۰ دسی‌بل در هر کیلومتر شد که نقطه عطفی در تجاری‌سازی این فناوری به شمار می‌رفت. از آن زمان، فیبر نوری به سرعت توسعه یافت و به فناوری غالب در ارتباطات راه دور تبدیل شد.

ساختار فیبر نوری

فیبر نوری از رشته‌های بسیار نازک شیشه‌ای یا پلاستیکی به قطر موی انسان تشکیل شده است. هر فیبر نوری از سه بخش اصلی تشکیل می‌شود:

هسته (Core): مرکز فیبر نوری که نور در آن حرکت می‌کند. هسته از جنس شیشه سیلیس با خلوص بسیار بالا ساخته می‌شود.

روکش (Cladding): لایه‌ای شیشه‌ای که هسته را احاطه کرده و ضریب شکست نوری کمتری نسبت به هسته دارد. این اختلاف ضریب شکست باعث بازتاب داخلی کلی نور و هدایت آن در هسته می‌شود.

پوشش محافظ (Coating/Jacket): لایه بیرونی پلاستیکی که از فیبر نوری در برابر آسیب‌های فیزیکی و رطوبت محافظت می‌کند.

فیبر نوری چگونه کار می‌کند؟

اساس کار فیبر نوری بر مبنای پدیده بازتاب داخلی کلی است. هنگامی که نور با زاویه‌ای مناسب وارد هسته فیبر نوری می‌شود، به دلیل اختلاف ضریب شکست بین هسته و روکش، به طور مداوم در مرز بین این دو لایه بازتاب شده و در طول فیبر حرکت می‌کند. به این ترتیب، سیگنال‌های نوری می‌توانند مسافت‌های طولانی را با کمترین افت کیفیت طی کنند. اطلاعات در فیبر نوری به صورت پالس‌های نوری کدگذاری شده و منتقل می‌شوند.

مزایای فیبر نوری در مقایسه با سیم‌های مسی

فیبر نوری نسبت به سیم‌های مسی مزایای متعددی دارد که عبارتند از:

1. پهنای باند بالا: انتقال حجم زیاد داده با سرعت بالا.

2. سرعت انتقال بالا: نزدیک به سرعت نور.

3. تلفات سیگنال کم: سیگنال‌ها مسافت‌های طولانی‌تری را بدون نیاز به تقویت طی می‌کنند.

4. مصونیت در برابر تداخل: مقاوم در برابر EMI و RFI، حتی در محیط‌های پر نویز.

5. امنیت بالا: استراق سمع دشوارتر و امنیت بیشتر.

6. وزن و حجم کم: سبک‌تر و کم‌حجم‌تر، نصب و نگهداری آسان‌تر.

7. مقاومت در برابر خوردگی: طول عمر بیشتر و مقاومت بهتر در برابر عوامل محیطی.

محدودیت‌ها و نقاط ضعف فیبرهای نوری

با وجود مزایای فراوان، فیبر نوری محدودیت‌ها و نقاط ضعفی نیز دارد:

هزینه نصب بالا: هزینه اولیه نصب و راه‌اندازی بیشتر است، اما این اختلاف در حال کاهش است.

حساسیت به خمش: در برابر خمش بیش از حد حساس است و ممکن است دچار شکستگی یا افت سیگنال شود.

پیچیدگی اتصال و تعمیر: نیاز به تجهیزات و تخصص خاص دارد و فرآیند پیچیده‌تری نسبت به سیم‌های مسی دارد.

آسیب‌پذیری در برابر ضربه: در برابر ضربه و فشارهای ناگهانی آسیب‌پذیر است و نیاز به محافظت فیزیکی دارد.

انواع فیبرهای نوری از نظر نحوه انتقال سیگنال

فیبرهای نوری از نظر نحوه انتقال سیگنال به دو نوع اصلی تقسیم می‌شوند:

فیبر نوری تک حالته (Single-mode): در این نوع فیبر، نور فقط در یک حالت (مستقیم و بدون انعکاس) در هسته حرکت می‌کند. فیبرهای تک حالته برای انتقال داده‌ها در مسافت‌های طولانی و با پهنای باند بسیار بالا مناسب هستند و معمولاً در شبکه‌های مخابراتی و زیرساخت‌های اینترنت استفاده می‌شوند. قطر هسته فیبرهای تک حالته بسیار کوچک (حدود ۹ میکرومتر) است.

فیبر نوری چند حالته (Multi-mode): در این نوع فیبر، نور در حالت‌های مختلف (با انعکاس‌های متعدد) در هسته حرکت می‌کند. فیبرهای چند حالته برای انتقال داده‌ها در مسافت‌های کوتاه‌تر و با پهنای باند کمتر مناسب هستند و معمولاً در شبکه‌های محلی (LAN) و داخل ساختمان‌ها استفاده می‌شوند. قطر هسته فیبرهای چند حالته بزرگتر از فیبرهای تک حالته است (حدود ۵۰ تا ۶۲.۵ میکرومتر).

انواع کابل فیبر نوری از نظر جنس مواد

کابل‌های فیبر نوری از نظر جنس مواد به دسته‌های مختلفی تقسیم می‌شوند، از جمله:

1. کابل ژله فیلد (ژله‌ای):

   • پر شده با ژله برای محافظت در برابر رطوبت.

   • مناسب برای محیط‌های بیرونی و زیرزمینی.

2. کابل خشک (Dry):

   • استفاده از مواد جاذب رطوبت به جای ژله.

   • سبک‌تر و انعطاف‌پذیرتر، مناسب برای محیط‌های داخلی.

3. کابل مهاردار (Messengered):

   • مجهز به سیم فولادی برای افزایش استحکام کششی.

   • مناسب برای نصب هوایی.

4. کابل زره‌دار (Armored):

   • دارای لایه محافظ زرهی برای مقاومت در برابر آسیب‌های مکانیکی و جوندگان.

   • مناسب برای محیط‌های صنعتی و خشن.

کاربرد فیبر نوری چیست

فیبر نوری در طیف گسترده‌ای از کاربردها استفاده می‌شود، از جمله:

1. مخابرات: ستون فقرات شبکه‌های مدرن برای انتقال صدا، تصویر و داده در مسافت‌های طولانی.

2. اینترنت: زیرساخت اصلی اینترنت پرسرعت با پهنای باند بالا.

3. شبکه‌های کامپیوتری (LAN): اتصال دستگاه‌ها و انتقال داده با سرعت بالا.

4. پزشکی: استفاده در آندوسکوپ‌ها و لیزرها برای تصویربرداری و درمان.

5. صنعت: کاربرد در حسگرها، اتوماسیون و کنترل فرآیندها.

6. نظامی و هوافضا: به دلیل امنیت بالا و وزن کم در این حوزه‌ها استفاده می‌شود.

7. روشنایی: استفاده در نورپردازی و سیستم‌های روشنایی تزئینی.

اصطلاحات رایج در زمینه خرید تجهیزات فیبر نوری

هنگام خرید کابل فیبر نوری، آشنایی با اصطلاحات رایج در این زمینه ضروری است:

تک حالته (Single-mode) و چند حالته (Multi-mode): انواع فیبر نوری از نظر نحوه انتقال سیگنال که قبلاً توضیح داده شد.

کانکتور (Connector): اتصال‌دهنده‌هایی که در انتهای کابل فیبر نوری برای اتصال به تجهیزات استفاده می‌شوند. انواع مختلفی از کانکتورها مانند SC، LC، ST و FC وجود دارد.

پیگتیل (Pigtail): تکه‌های کوتاه کابل فیبر نوری با کانکتور در یک سر که برای اتصال فیبر نوری به تجهیزات یا سایر کابل‌ها استفاده می‌شوند.

پچ کورد (Patch Cord): کابل‌های کوتاه فیبر نوری با کانکتور در هر دو سر که برای اتصال تجهیزات به پچ پنل یا سایر تجهیزات استفاده می‌شوند.

تلفات (Loss): کاهش قدرت سیگنال نوری در طول فیبر نوری که بر حسب دسی‌بل (dB) اندازه‌گیری می‌شود.

پهنای باند (Bandwidth): ظرفیت انتقال داده‌های فیبر نوری که بر حسب گیگابیت بر ثانیه (Gbps) یا ترابیت بر ثانیه (Tbps) اندازه‌گیری می‌شود.

طول موج (Wavelength): رنگ نور مورد استفاده برای انتقال سیگنال در فیبر نوری که بر حسب نانومتر (nm) اندازه‌گیری می‌شود. طول موج‌های رایج عبارتند از ۸۵۰ نانومتر، ۱۳۱۰ نانومتر و ۱۵۵۰ نانومتر.

تجهیزات فیبر نوری

برای راه‌اندازی و نگهداری شبکه‌های فیبر نوری، تجهیزات مختلفی مورد نیاز است، از جمله:

1. تجهیزات انتقال (Transceivers): تبدیل سیگنال‌های الکتریکی به نوری و بالعکس.

2. تجهیزات فعال (Active Equipments): سوئیچ‌ها و روترها برای مدیریت ترافیک شبکه.

3. تجهیزات غیرفعال (Passive Equipments): پچ پنل‌ها، کاست‌ها و اتصالات برای سازماندهی کابل‌ها.

4. تجهیزات تست و اندازه‌گیری: OTDR، پاورمتر و منبع نور برای تست و عیب‌یابی.

5. تجهیزات فیوژن (Fusion Splicer): اتصال دائمی فیبرها با حرارت.

6. تجهیزات کانکتورسازی: ابزارهای نصب کانکتور روی کابل‌ها.

فیبر نوری در ایران

ایران نیز به عنوان بخشی از جامعه جهانی، به اهمیت فیبر نوری در توسعه زیرساخت‌های ارتباطی پی برده و سرمایه‌گذاری‌های قابل توجهی در این زمینه انجام داده است. پروژه‌های ملی فیبر نوری مانند پروژه "تار" با هدف توسعه شبکه ملی اطلاعات و افزایش پهنای باند اینترنت در سراسر کشور در حال اجرا هستند. شرکت‌های داخلی نیز در زمینه تولید کابل فیبر نوری و تجهیزات مرتبط فعال هستند و تلاش می‌کنند تا نیازهای داخلی را تامین کنند.

فیبر نوری در منازل

فیبر نوری به تدریج در حال ورود به منازل است و فناوری FTTH (Fiber To The Home) امکان ارائه اینترنت پرسرعت، تلویزیون اینترنتی (IPTV) و تلفن ثابت بر بستر فیبر نوری را فراهم می‌کند. استفاده از فیبر نوری در منازل مزایای زیادی از جمله سرعت و پهنای باند بسیار بالا، پایداری و کیفیت بالای سرویس و امکان ارائه خدمات متنوع را به همراه دارد. با گسترش زیرساخت‌های فیبر نوری، انتظار می‌رود که در آینده نزدیک، شاهد فراگیر شدن این فناوری در منازل و کسب‌وکارها باشیم.

نتیجه‌گیری

فیبر نوری به عنوان یک فناوری پیشرفته و کارآمد، نقش کلیدی در توسعه ارتباطات و انتقال داده‌ها در دنیای مدرن ایفا می‌کند. مزایای بی‌شمار این فناوری در مقایسه با سیم‌های مسی، آن را به گزینه‌ای ایده‌آل برای طیف گسترده‌ای از کاربردها تبدیل کرده است. با پیشرفت روزافزون فناوری و کاهش هزینه‌ها، انتظار می‌رود که فیبر نوری به عنوان فناوری غالب در زیرساخت‌های ارتباطی و حتی در منازل، جایگاه خود را بیش از پیش تثبیت کند.