فیبرنوری

این مورد را ارزیابی کنید
(2 رای‌ها)

رسالت مجموعه هوپیران کمک به ایجاد اقتصاد پویا و تعامل در رشد سطوح علمی در کلیه سیستم های مرتبط به فعالیت این گروه میباشد. این مقاله بر اساس رسالت مجموعه در جهت رضایت بهره برداران پروژه ها تدوین و منتشر شده است و هر گونه کپی برداری از آن بدون ذکر منابع غیر مجاز میباشد. دپارتمان تخصصی و فروشگاه فیبر نوری هوپیران 

ماهیت نور 

برای درک برخی اجزای پیچیده‌تر مورد استفاده در سیستم‌های انتقال فیبر نوری جدید، با کارایی بالا، باید درک خوبی از ماهیت نور داشته باشید. بسیاری از ویژگی‌های نور در زندگی روزمره ما آشکار نیستند اما این خصوصیات برای موفقیت بسیاری از اجزای فیبر نوری ضروری هستند. یکی از ویژگی‌های مهم نور این واقعیت است که نور همانند یک موج عمل می‌کند (هم‌چنین نور می‌توانند مانند یک ذره نیز عمل کند اما این مورد در مبحث ما نمی‌گنجد). نور همانند یک موج نوسانی میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی حرکت می‌کند. در نتیجه، دو پدیده بر رفتار نور تأثیر می‌گذارند: تداخل «interference» و قطبش «polarization» که هر دو از اصول مهم در درک و طراحی اجزای فیبر نوری مدرن هستند.

تداخل در فیبرنوری «interference»

تداخل اساس بسیاری از اجزای فیبر نوری مدرن را شکل می‌دهد، برخی از این اجزا عبارتند از: توری براگ فیبری «Fiber Bragg Grating» که فیلترهای نوری را به طور مستقیم درون فیبر اعمال می‌کند؛ مدولاتور نایوبایت لیتیوم «Lithium Niobate Modulator» که برای مدولاسیون لیزر یا LED به صورت مدار خارجی به جای مدار داخلی استفاده می‌شود؛ و بسیاری از فیلترهای متراکم که دستگاه‌های استفاده شده در تسهیم ساز تقسیم طول موج هستند.

در شکل 1.2، دو منحنی بالا نشان‌دهنده دو موج نوری است که در امتداد یک مسیر حرکت می‌کنند. این تصویر تنها زمینه‌های الکتریکی را نشان می‌دهد. فاصله بین قله‌ها (بالاترین نقطه در شکل) و دره‌های (پایین‌ترین نقطه در شکل) موج‌ها، طول موج نور است. در مباحث بعدی منظور از رنگ و فرکانس نیز همین مفهوم طول موج تعریف شده است. دو موج نور نشان داده شده هم‌فاز هستند؛ به عبارت دیگر، قله‌ها و دره‌های دو شکل موج کاملاً تراز هستند. هنگامی که دو موج نور هم‌فاز بوده و دارای طول موج مشابه باشند، آن‌گاه دو موج برای تولید یک موج با مجموع دامنه‌های امواج ورودی به یکدیگر اضافه می‌شوند. به این فرآیند تداخل سازنده «constructive» امواج گفته می‌شود.

تداخل سازنده «constructive interference»

شکل 1.2: تداخل سازنده «constructive interference»

 

شکل 2.2 تداخل مخرب «destructive» را نشان می‌دهد. در تداخل مخرب، دو موج نور دارای طول موج یکسانی هستند اما هم‌فاز نیستند. امواج نور به گونه‌ای حرکت می‌کنند که نقطه قله موج اول با نقطه دره موج دوم هماهنگ باشد. در این حالت، دو موج نور ورودی تقریبا یکدیگر را خنثی می‌کنند و منجر به موج نوری بسیار کوچکی می‌شود.

تداخل مخرب «destructive»

شکل 2.2: تداخل مخرب «destructive interference»

 

چه چیزی باعث تداخل در سیستم‌های واقعی می‌شود؟ این اتفاق زمانی رخ می‌دهد که یک موج نور با یک موج تأخیری با طول موج مشابهی ترکیب می‌شود. این اصل مدولاتور نایوبایت لیتیوم را مدیریت می‌کند. نایوبایت لیتیوم یک کریستال نوری شفاف است که توانایی تغییر تاخیر نور در پاسخ به تغییر میدان الکتریکی مورد استفاده را دارد. برای شرح کامل این مدولاتورها به فصل 7 مراجعه کنید.

قطبش «polarization»

امواج نور در امتداد دو صفحه با زاویه ْ90 جدا می‌شوند. شکل 3.2 یک موج نوری قطبی شده که در طول محور x حرکت می‌کند را نشان می‌دهد. این شکل شامل دو بخش است: بخش E نشان‌دهنده میدان الکتریکی است و به عنوان بردار E شناخته شده، بخش B نشان‌دهنده میدان مغناطیسی است که با بردار B معرفی می‌شود. در این حالت گفته می‌شود که این موج نور به صورت عمودی قطبی شده است زیرا بردار E در امتداد محور عمودی است. هر محوری که بردار E بر روی آن قرار داشته باشد، صفحه قطبش است. یک موج نوری قطبی نشده، موج‌های نور قطبی شده به صورت افقی و عمودی هم راستای خود را آشفته می‌کند.

عینک آفتابی قطبی شده (پلاریزه) معمولاً از این مفهوم استفاده می‌کند. طراحی آن‌ها تنها اجازه عبور یک قطبش نور را می‌دهد. بیش‌ترین نور منعکس شده دارای یک قطبش افقی است. لنزها در عینک آفتابی‌های پلاریزه به صورت عمودی قطبی می‌شوند، بنابراین انعکاس افقی قطبش را مسدود می‌کند.

موج‌های نور نشان‌دهنده بردارهای E و B طیف الکترومغناطیسی

شکل 3.2: موج‌های نور نشان‌دهنده بردارهای E و B طیف الکترومغناطیسی

 

نور در واقع چیزی است که به عنوان طیف الکترومغناطیسی شناخته می‌شود. در این مقاله، نور بیش‌تر به بخشی از طیف الکترومغناطیسی اشاره دارد که برای چشم انسان قابل مشاهده است. طیف الکترومغناطیسی از نور مرئی قابل مشاهده و نزدیک به مادون قرمز مانند نوری که از فیبر عبور می‌کند و تمام دیگر طول موج‌های مورد استفاده برای انتقال سیگنال‌هایی مانند تلویزیون و رادیو AM و FM تشکیل می‌شود. شکل 4.2 طیف الکترومغناطیسی را نشان می‌دهد. همان‌طور که مشاهده می‌کنید، تنها بخش کوچکی از طیف به عنوان بخش قابل مشاهده توسط چشم انسان شناخته می‌شود.

طیف الکترومغناطیس فیبرنوری

شکل 4.2: طیف الکترومغناطیسی

 

طول موج‌های فیبر نوری با مقیاس‌های نانومتر (پیشوند نانو به معنای یک میلیاردم) و یا میکرون (پیشوند میکرو به معنای یک میلیونم) اندازه‌گیری می‌شوند. طول موج‌ها برای کاربردهای نوری فیبر را می‌توان به دو دسته اصلی مادون قرمز نزدیک «near-infrared» و قابل مشاهده تقسیم کرد. محدوده نور قابل مشاهده توسط چشم انسان، از 400 تا 700 نانومتر «nm» است و به دلیل افت نوری بالا کاربردهای فیبر نوری بسیار محدودی دارد. محدوده طول موج‌های مادون قرمز نزدیک از 700 تا 1700 نانومتر است؛ این طول موج‌ها تقریباً همیشه در سیستم‌های فیبر نوری مدرن استفاده می‌شوند.

سیگنال‌های نوری از زمانی که ملوانان توسط فانوس‌های دریانوردی از خط ساحلی هشدار دریافت می‌کردند، مورد استفاده قرار گرفته‌اند. این کار در مقابل کاربردهای امروزی ساده به نظر می‌رسد. هم‌چنان‌ که کشورها به توسعه شبکه‌های ارتباطی جهانی ادامه می‌دهند، فیبر نوری یک روش انتقال ارائه می‌دهد که ایجاد ارتباط واضح‌تر، سریع‌تر و کارآمدتری را نسبت به سیم مسی فراهم می‌آورد. سیستم ارتباطی فیبر نوری نسبت به سیم مسی دارای مزایای بسیاری است. برای مثال، در حالی‌که یک سیستم دو ردیفی ساده می‌تواند یک سیگنال با سرعت کم را در فاصله طولانی حمل کند، فیبر نوری می‌تواند سیگنال‌های با سرعت بالا را در مسافت‌های بسیار طولانی انتقال دهد. کابل کواکسیال می‌تواند انتقال سیگنال‌های با سرعت بالا را بهتر مدیریت کند اما هنوز این کار را تنها در مسافت‌های کوتاه می‌تواند انجام دهد. یک مزیت کابل‌های مسی که فیبر نمی‌تواند آن را تقلید کند، توانایی انتقال توان AC یا DC علاوه بر سیگنال‌های ارتباطی است. فیبر نوری نسبت به رسانه مسی برتری بیش‌تری دارد زیرا می‌تواند سیگنال‌های با سرعت بالا را در فاصله‌های طولانی مدیریت کند. دیگر مزایای فیبر عبارتند از:

ایمنی در برابر تابش الکترومغناطیسی «EM» و رعد و برق: از آن‌جایی که فیبر از مواد دی‌الکتریک (غیر رسانا) ساخته شده است، تحت تأثیر تابش الکترومغناطیسی قرار نمی‌گیرد. با این حال، بخش الکترونیکی مورد نیاز در انتهای فیبر هنوز حساس است و نیاز به محافظت دارد. ایمنی در برابر تابش الکترومغناطیسی در ابتدا برای ارتش مهم بود. از لحاظ ایمنی ارتباطات، فیبر به طور ذاتی امن نیست اما به طور معمول هیچ تابش الکترومغناطیسی که به راحتی قابل تشخیص باشد را منتشر نمی‌کند. ایمنی در برابر تابش الکترومغناطیسی در طراحی‌های جدید هواپیما دارای پوسته‌های کامپوزیتی مهم است، این پوسته‌های غیر رسانا بخش‌های الکترونیکی یا سیم‌کشی را از میدان‌های الکترومغناطیسی یا تابش محافظت نمی‌کنند. ایمنی در برابر رعد و برق یکی از دلایل اصلی استفاده از دستگاه‌های فیبر نوری در سیستم‌های حمل و نقل هوشمند و امنیت تجاری است زیرا این سیستم‌ها معمولاً در یک منطقه وسیع پراکنده شده‌اند و این امر آن‌ها را مستعد آسیب از طرف رعد و برق و تداخل می‌کند. ایمنی در برابر تابش الکترومغناطیسی عامل مهمی در انتخاب فیبر برای ارتقاء سیستم‌های ارتباطی موجود است. فیبر اغلب می‌تواند در خطوطی که در حال حاضر حامل خطوط برق است، به سادگی نصب و راه‌اندازی شود.

وزن سبک‌تر: در کاربردهای واقعی، کابل‌های مسی اغلب می‌توانند توسط فیبرهای نوری 10 برابر سبک‌تری جایگزین شوند. یک سیستم فیبر نوری کامل (کابل و فیبر نوری به علاوه پشتیبانی الکترونیکی) در فواصل طولانی نیز نسبت به سیستم‌های مسی از نظر وزن دارای مزیت است. با این حال، این سیستم اغلب برای فواصل کوتاه مناسب نیست زیرا سیستم‌های فیبر نوری تقریبا همیشه به جزئیات پیچیده‌تری نیاز دارند و به این ترتیب نسبت به سیستم‌های مسی نیازمند بخش‌های الکترونیکی بزرگ‌تر و سنگین‌تری هستند.

 پهنای باند بالاتر: فیبر نسبت به رسانه‌های جایگزین دیگر دارای پهنای باند بالاتری است. در گذشته که از کابل مسی استفاده می‌شد، تلویزیون کابلی «CATV» در هر 300 متر به تقویت‌کننده نیاز داشت. دلیل این امر پهنای باند محدود کابل مسی است. یک سیستم فیبر نوری مدرن می‌تواند همان سیگنال را با کیفیت مشابه یا بهتر را برای مسافت حدود 60 کیلومتر بدون نیاز به تقویت (تکرارکننده) حمل کند. حتی در این مورد، اغلب سیستم‌های مدرن فیبر نوری کم‌تر از چند درصد پهنای باند ذاتی فیبر را مورد استفاده قرار می‌دهند.

کیفیت سیگنال بهتر: از آن‌جایی که فیبر در برابر تداخل الکترومغناطیسی ایمن بوده، در هر واحد فاصله افت کم‌تری داشته و پهنای باند گسترده‌تری دارد، بنابراین کیفیت سیگنال معمول نسبت به سیم مسی بهتر است.

هزینه کم‌تر: قطعاً استفاده از فیبر برای کاربردهای با مسافت طولانی هزینه کم‌تری دارد. با این حال، برای انتقال سیگنال در فاصله چند متر، مس ارزان‌تر است و احتمالاً همیشه ارزان‌تر خواهد بود. اگر نیاز به پهنای باند بالا در فاصله انتقال طولانی باشد آن‌گاه هزینه فیبر در هر واحد مسافت ارزان‌تر است. با این حال، هزینه بخش‌های الکترونیکی و الکترونیک نوری در انتها فیبر می‌تواند قابل توجه باشد. امروز قیمت مس چنان است که برای اتصالات در فواصل طولانی، هزینه تبدیل به سیستم فیبر نوری را اغلب می‌توان از فروش مس‌های موجود به دست آورد. سیستم‌های فیبری و مسی را می‌توان با پیدا کردن یک فاصله مبنا «break-even» مقایسه کرد. در مسافت‌های کوتاه‌تر از فاصله مبنا، مس ارزان‌تر است و بالعکس. در اواسط دهه 1980، فاصله مبنا در حدود 10 کیلومتر یا بیش‌تر بود. امروزه فاصله مبنا حتی از 100 متر کم‌تر است. یکی از دلایل این امر کاهش هزینه سیستم‌ها و اجزای فیبر نوری بود. دلیل دیگر این واقعیت است که هزینه مس در این زمان افزایش یافته است.

راحتی ارتقاء: محدودیت سیستم‌های فیبر نوری در حال حاضر و در سال‌های آینده، بخش‌های الکترونیکی و الکترونیک نوری استفاده شده در انتهای فیبر است. فیبر نوری معمولا دارای قابلیت انتقال بسیار بیش‌تری به ویژه در افزایش پهنای باند می‌باشد. هنگامی‌که فیبر، به ویژه فیبر تک حالته نصب می‌شود، بخش‌های الکترونیکی و الکترونیک نوری متصل به فیبر را می‌توان به راحتی ارتقاء بخشید.

سهولت نصب: بسیاری از تازه‌واردان به دنیای فیبر نوری اغلب در مورد شکننده بودن شیشه نگران هستند. در حقیقت، شیشه چندین برابر قوی‌تر از فولاد است و فیبرهای نوری نیز بسیار کوچک و انعطاف‌پذیر هستند. یک کابل فیبر نوری با کیفیت خوب از مواد سخت با محدودکننده‌های خمش ساخته می‌شود. در واقع، کابل مسی بسیار شکننده‌تر از کابل فیبر نوری است. کابل کواکسیال مسی مستعد زنگ زدن و تغییر شکل است که این موضوع باعث کاهش مداوم عملکرد کابل می‌شود. با این حال، شیشه زنگ نمی‌زند یا تغییر شکل نمی‌دهد.

سیستم ارتباطی فیبر نوری معمولی

سیستم‌های انتقال فیبر نوری می‌توانند متناسب با افزایش نرخ داده‌ها، تعداد کانال‌ها و فاصله‌های انتقال فوق‌العاده پیچیده شوند. با این حال، اصول اساسی انتقال فیبر نوری نسبتاً ساده است. همان‌طور که در شکل 5.2 نشان داده شده است، اتصالات فیبر نوری شامل 3 عنصر اساسی است: فرستنده «transmitter-Tx» که امکان ورود و خروج سیگنال‌های ورودی و خروجی فراهم می‌کند، فیبر نوری که داده‌ها را منتقل می‌نماید و گیرنده «receiver-Rx» که سیگنال نوری را برای خروج داده‌ها رمزگشایی می‌کند.

عناصر اتصال فیبر نوری

شکل 5.2: عناصر اتصال فیبر نوری

 

فرستنده در شکل 5.2 از یک رابط الکتریکی، ویدئوئی، صوتی، داده‌ای یا سایر انواع ورودی استفاده می‌کند تا اطلاعات کاربر را از طریق مدولاسیون رمزگذاری کند. معمولاً از سه نوع مدولاسیون استفاده می‌شود: مدولاسیون دامنه «AM»، مدولاسیون فرکانس «FM» و مدولاسیون دیجیتال. خروجی الکتریکی مدولاتور معمولاً با استفاده از یک دیود نورافشان «LED» یا دیود لیزری «LD» به نور تبدیل می‌شود. طول موج‌های این منبع نور برای اغلب کاربردهای فیبر نوری از محدوده 780 تا 1625 نانومتر است.

گیرنده در شکل 5.2 سیگنال نور را به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌کند. معمولاً دو نوع آشکارساز استفاده می‌شود: دیود نوری PIN و دیود نوری بهمنی «APD». این آشکارسازها به طور معمول از سیلیکون «Si»، ایندیوم گالیوم آرسنید «InGaAs» و ژرمانیوم «Ge» ساخته شده‌اند. سیگنال الکتریکی تشخیص داده شده و تقویت شده از طریق رمزگشا «decoder» یا دمودولاتور که سیگنال‌های الکتریکی را به ویدئو، صدا، داده با سایر انواع ورودی کاربر تبدیل می‌کند، فرستاده می‌شود.

سطح بعدی پیچیدگی سیستم‌های فیبر نوری حاصل از افزودن چند طول موج‌بر روی یک فیبر نوری است. هر طول موج نور، یک رنگ متمایز است که می‌توانند برای انتقال ترکیب شوند و سپس در انتها گیرنده با استفاده از فیلترهای مختلف نوری جدا شوند. به این تکنیک تسهیم ساز تقسیم طول موج «WDM» گفته می‌شود. طول موج در فیبر نوری معمولاً با نماد یونانی لاندا «λ» مشخص می‌شود. اغلب نمادهای λ دارای اندیس هستند که نشان‌دهنده طول موج‌های مختلف است، مثلاً. شکل 6.2 یک سیستم WDM پایه را نشان می‌دهد که دو طول موج را در یک جهت در فیبر انتقال می‌دهد.

 سیستم WDM پایه

شکل 6.2: سیستم WDM پایه

 

هم‌زمان با افزایش ترافیک اینترنت، سیستم‌های WDM با سیستم‌هایی ترکیب شدند که قادر به حمل چندین طول موج (رنگ) بودند. این سیستم، تسهیم ساز تقسیم طول موج متراکم «DWDM» نامیده می‌شود. تقویت‌کننده‌های روکش شده با اربیوم «EDFA»، سیستم‌های DWDM را به طور عملی ساختند. EDFA اجازه می‌دهد که طول موج‌های مختلف بر روی فیبر به طور همزمان تقویت شوند و سیستم‌ها بسیار مقرون به صرفه باشند. سیستم‌های اولیه 4 تا 8 طول موج و سیستم‌های بعدی 16 طول موج را حمل می‌کردند. افزایش ظرفیت به ازای هر فیبر چشمگیر بود اما هنوز هم برای مدیریت رشد فوق‌العاده سریع بار ترافیک اینترنت کافی نیست. شکل 7.2 یک سیستم انتقال فیبر نوری DWDM با چهار طول موج را نشان می‌دهد. یک EDFA برای افزایش فاصله انتقال ممکن مورد نیاز است.

سیستم DWDM

شکل 7.2: سیستم DWDM چهار کانال مبنا

 

شکل 8.2 بسیاری از عناصر کلیدی مرتبط با یک سیستم انتقال فیبر نوری جدید مانند مدولاتور خارجی، اصلاح خطا رو به جلو، سالیتون‌ها و تقویت‌کننده‌های رامان را نشان می‌دهد.

سیستم ارتباطی طولانی DWDM

شکل 8.2: سیستم ارتباطی طولانی DWDM جدید

 

در هر سیستم انتقال، فیبر یک خط لوله خصوصی را فراهم می‌آورد که می‌تواند مقدار زیادی داده را حمل کند. جایگزین‌های فیبر نوری از جمله پخش فراگیر بی‌سیم و سیم‌های مسی سخت هستند که الکترون‌ها را حمل می‌کنند. شکل 9.2 این سه طرح را برای انتقال اطلاعات از یک نقطه به نقطه دیگر تشریح می‌کند.

راهکارهای انتقال اطلاعات

شکل 9.2: طرح‌های انتقال اطلاعات

 

اولین طرح، انتقال فلزی است که از یک سیستم مسی یا کابل کواکسیال برای انتقال الکتریکی مدولاسیون حاوی اطلاعات استفاده می‌کند. در این روش می‌توان تعداد نامحدودی کانال خصوصی ایجاد کرد (فرض کنید که مقدار بسیار زیادی کابل مسی وجود دارد)، اما هر کانال به دلیل ویژگی‌های ذاتی کابل مسی دارای قابلیت‌های اطلاعاتی و مسافتی محدودی است. طرح دوم برای انتقال اطلاعات بین دو محل انتقال فضای آزاد است. سیگنال‌های رادیویی و تلویزیون بی‌سیم به این روش دریافت می‌شوند. انتقال فضای آزاد از مزیت‌های پهنای باند بسیار بالا و هم‌چنین انتقال در مسافت‌های طولانی برخوردار است اما کانال خصوصی وجود ندارد. هم‌چنین، طیف فضای آزاد معین، محدود و گران است. با این روش نمی‌توان میلیون‌ها کانال ارتباطی مورد نیاز برای عصر اطلاعات جهانی را فراهم آورد. آخرین طرح، انتقال موج‌بر «Waveguide» است. این طرح، انتقال فیبر نوری را تشریح می‌کند. یک موج‌بر (فیبر نوری) تابش الکترومغناطیسی (نور) را محدود می‌کند و نور را در امتداد مسیر تعیین شده حرکت می‌دهد. فیبر نوری نسبت به روش فلزی و انتقال فضای آزاد بهترین گزینه است. فیبر نوری مزیت کلیدی انتقال فلزی یعنی توانایی حمل یک سیگنال از نقطه A به نقطه B بدون مسدود کردن طیف الکترومغناطیسی محدود فضای آزاد را دارد؛ با این حال، دارای معایب انتقال فلزی یعنی سرعت داده و پهنای باند بسیار محدود نیست.

 

اجزای فیبر نوری

فیبر نوری: فیبرهای نوری، رشته‌های بسیار نازک شیشه‌ای فوق‌العاده خالص هستند که برای انتقال سیگنال‌های نور از فرستنده به گیرنده طراحی شده‌اند. این سیگنال‌ها نشان‌دهنده سیگنال‌های الکتریکی ترکیب شده از ویدئو، صدا یا داده هستند. شکل 10.2 سطح مقطع فیبر نوری را نشان می‌دهد. فیبر از سه ناحیه اصلی تشکیل شده است. مرکز فیبر، هسته «Core» است. هسته بخشی از فیبر است که در واقع نور را حمل می‌کند. قطر هسته در رایج‌ترین فیبرهای مورد استفاده از 9 تا 100 میکرون () است. ناحیه بعدی، پوسته «cladding» دور هسته است که نور را درون هسته محدود می‌کند. پوسته معمولاً دارای قطر 125 میکرون است. یکی از ویژگی‌های کلیدی در طراحی تمام فیبرهای نوری این است که ضریب شکست هسته از ضریب شکست پوسته بالاتر است. هسته و پوسته معمولاً با مواد دیگر تغلیظ می‌شوند. ناحیه بیرونی فیبر نوری پوشش محافظ «coating» یا بافر «buffer» نامیده می‌شود. بافر معمولاً یک ماده پلاستیکی است که از فیبر شیشه‌ای محافظت می‌کند. قطر معمول برای بافر 250، 500 و 900 میکرون است.

سطح مقطع یک فیبر نوری

شکل 10.2: سطح مقطع یک فیبر نوری

 

انتشاردهنده «Emitter» نور: دو نوع منبع نور مورد استفاده در فیبر نوری عبارتند از: دیودهای نورافشان «LED» و دیودهای لیزری «LD». دیودهای LED ممکن است منابع نشر کننده از سطح «surface-emitting» یا از لبه «edge-emitting» باشند. دیو