بانك مقالات تخصصي كامپيوتر - شهروئي

وبلاگ شخصي مسعود راهخدازاده

فیبر نوری
نویسنده : مسعود راه خدازاده - ساعت ۱۱:۱٤ ‎ب.ظ روز ۱۳۸٧/٧/۳٠
 

 

فیبر نوری

 

مبانی فیبر نوری

فیبر نوری ، رشته ای از تارهای بسیار نازک شیشه ای بوده که قطر هر یک از تارها نظیر قطر یک تار موی انسان است . تارهای فوق در کلاف هائی سازماندهی و کابل های نوری را بوجود می آورند. از فیبر نوری بمنظور ارسال سیگنال های نوری در مسافت های طولانی استفاده می شود.

 

مزایای فیبر نوری

فیبر نوری در مقایسه با سیم های های مسی دارای مزایای زیر است :

-          ارزان‌تر: هزینه‌ی چندین کیلومتر کابل نوری نسبت به سیم های مسی کمتر است .

-         نازک‌تر: قطر فیبرهای نوری به مراتب کم‌تر از سیم های مسی است .

-         ظرفیت بالا: پهنای باند فیبر نوری به منظور ارسال اطلاعات به مراتب بیشتر از سیم مسی است .

-         تضعیف ناچیز: تضعیف سیگنال در فیبر نوری به مراتب کمتر از سیم مسی است .

-         سیگنال‌های نوری: برخلاف سیگنال‌های الکتریکی در یک سیم مسی ، سیگنال‌ها ی نوری در یک فیبر، تاثیری بر فیبر دیگر نخواهند داشت .

-         مصرف برق پایین : با توجه به این‌که سیگنال‌ها در فیبرنوری کمتر تضعیف می گردند ، بنابراین می‌توان از فرستنده‌هایی استفاده کرد که با میزان برق مصرفی پایین نسبت به فرستنده‌های الکتریکی که از توان بالایی استفاده می‌نمایند.

-         سیگنال‌های دیجیتال: فیبر نور ی مناسب انتقال اطلاعات دیجیتالی است .

-         غیر اشتعال زا : با توجه به عدم وجود الکتریسیته ، امکان بروز آتش سوزی وجود نخواهد داشت .

-         سبک وزن: وزن یک کابل فیبر نوری به‌مراتب کمتر از کابل مسی (قابل مقایسه) است.

-         انعطاف‌پذیر: با توجه به انعطاف‌پذیری فیبر نوری و قابلیت ارسال و دریافت نور از آنان، در موارد متفاوت نظیر دوربین های دیجیتال با موارد کاربردی خاص مانند : عکس برداری پزشکی ، لوله کشی و ...استفاده می‌گردد.

با توجه به مزایای فراوان فیبر نوری ، امروزه از این نوع کابل ها در موارد متفاوتی استفاده می شود. اکثر شبکه‌های کامپیوتری و یا مخابرات ازراه دور در مقیاس وسیعی از فیبر نوری استفاده می نمایند.

 

بخش های مختلف فیبر نوری

 

یک فیبر نوری از سه بخش متفاوت تشکیل شده است :

 

هسته (Core)

-         هسته‌ی نازک شیشه‌ای در مرکز فیبر که سیگنال‌های نوری در آن حرکت می‌نمایند.

-     روکش     Cladding بخش خارجی فیبر بوده که دورتادور هسته را احاطه کرده و باعث برگشت نورمنعکس شده به هسته می گردد.

 

روکش بافر Buffer Coating  

           روکش پلاستیکی که باعث حفاظت فیبر در مقابل رطوبت و سایر موارد آسیب پذیر  است .

 

 

انواع فیبر نوری

صدها و هزاران نمونه از رشته‌های نوری فوق در دسته‌هایی سازماندهی شده و کابل‌های نوری را به‌وجود می‌آورند. هر یک از کلاف‌های فیبر نوری توسط روکش هایی با نام Jacket محافظت می گردند. فیبر های نوری در دو گروه عمده ارائه می گردند

 

فیبرهای تک حالته (Single-Mode)

 به‌منظور ارسال یک سیگنال در هر فیبر استفاده می شود نظیر : تلفن

 

فیبرهای چندحالته Multi-Mode

به‌منظور ارسال چندین سیگنال در یک فیبر استفاده می شود( نظیر : شبکه های کامپیوتری)

 فیبرهای تک حالته دارای یک هسته‌ی کوچک ( تقریبا" با قطر 9 میکرون ) بوده و قادر به ارسال نور مادون قرمز ( طول موج از ۱۳۰۰ تا ۱۵۵۰ نانومتر) می باشند. فیبرهای چند حالته دارای هسته بزرگ‌تر ( تقریبا" ۵ / ۶۲ میکرون قطر ) و قادر به ارسال نور مادون قرمز از طریق LED می باشند.

 

ارسال نور در فیبر نوری

فرض کنید ، قصد داشته باشیم با استفاده از یک چراغ قوه، یک راهروی بزرگ و مستقیم را روشن نماییم . هم‌زمان با روشن نمودن چراغ قوه، نور مربوطه در طول مسیر مستقیم راهرو تابانده شده و آن را روشن خواهد کرد. با توجه به عدم وجود خم و یا پیچ در راهرو، در رابطه با تابش نور چراغ قوه مشکلی وجود نداشته و چراغ قوه می تواند ( با توجه به نوع آن ) محدوده‌ی مورد نظر را روشن کرد. در صورتی‌که راهروی فوق دارای خم و یا پیچ باشد، با چه مشکلی برخورد خواهیم کرد؟

در این حالت می توان از یک آیینه در محل پیچ راهرو استفاده کرد تا باعث انعکاس نور از زاویه مربوطه گردد. در صورتی‌که راهروی فوق دارای پیچ های زیادی باشد ، چه کار بایست کرد؟ در چنین حالتی در تمام طول مسیر دیوار راهروی مورد نظر ، می بایست از آیینه استفاده کرد. به این ترتیب نور تابانده شده توسط چراغ قوه (با یک زاویه‌ی خاص) از نقطه‌ای به نقطه‌ای دیگر حرکت کرده ( جهش کرده و طول مسیر راهرو را طی خواهد کرد). عملیات فوق مشابه آن چیزی است که در فیبر نوری انجام می گیرد.

 

تکنولوژی فیبر نوری

نور، در کابل فیبر نوری از طریق هسته (نظیر راهروی مثال ارائه شده ) و توسط جهش‌های پیوسته با توجه به سطح آب‌کاری شده ( Cladding) (مشابه دیوارهای شیشه ای مثال ارائه شده ) حرکت می کند.  (مجموع انعکاس داخلی) . با توجه به این‌که سطح آب‌کاری شده ، قادر به جذب نور موجود در هسته نمی‌باشد ، نور قادر به حرکت در مسافت های طولانی می باشد. برخی از سیگنال‌های نوری به‌دلیل عدم خلوص شیشه‌ی موجود ، ممکن است دچار نوعی تضعیف در طول هسته گردند. میزان تضعیف سیگنال نوری به درجه‌ی خلوص شیشه و طول موج نور انتقالی بستگی دارد. ( مثلا" موج با طول ۸۵۰ نانومتر بین ۶۰ تا ۷۵ درصد در هر کیلومتر ، موج با طول ۱۳۰۰ نانومتر بین ۵۰ تا ۶۰ درصد در هر کیلومتر ، موج با طول ۱۵۵۰ نانومتر بیش از ۵۰ درصد در هر کیلومتر.

 

سیستم رله فیبر نوری

به‌منظور آگاهی از نحوه‌ی استفاده‌ی فیبر نوری در سیستم‌های مخابراتی ، مثالی را دنبال خواهیم کرد که مربوط به یک فیلم سینمایی و یا مستند در رابطه با جنگ جهانی دوم است . در فیلم فوق دو ناوگان دریایی که بر روی سطح دریا در حال حرکت می‌باشند ، نیاز به برقراری ارتباط با یکدیگر در یک وضعیت کاملا" بحرانی و توفانی را دارند. یکی از ناوها قصد ارسال پیام برای ناو دیگر را دارد. کاپیتان ناو فوق پیامی برای یک ملوان که بر روی عرشه کشتی مستقر است ، ارسال می دارد. ملوان فوق پیام دریافتی را به مجموعه‌ای از کدهای مورس ( نقطه و فاصله ) ترجمه می نماید. در ادامه، ملوان مورد نظر با استفاده از یک نورافکن، اقدام به ارسال پیام برای ناو دیگر می نماید.

یک ملوان بر روی عرشه‌ی کشتی دوم ، کدهای مورس ارسالی را مشاهده می نماید. در ادامه ملوان فوق کدهای فوق را به یک زبان خاص ( مثلا" انگلیسی ) تبدیل و آن‌ها را برای کاپیتان ناو ارسال می دارد. فرض کنید فاصله دو ناو فوق از یکدیگر بسار زیاد ( هزاران مایل ) بوده و برای برقرای ارتباط بین آن‌ها از یک سیستم مخابراتی مبتنی بر فیبر نوری استفاده گردد.

 

سیستم رله‌ی فیبر نوری از عناصر زیر تشکیل شده است :

فرستنده: مسئول تولید و رمزنگاری سیگنال های نوری است .

فیبر نوری: مدیریت سیگنال‌های نوری در یک مسافت را برعهده می گیرد.

بازیاب نوری:  به منظور تقویت سیگنال‌های نوری در مسافت‌های طولانی استفاده می گردد.

 دریافت کننده نوری: سیگنال‌های نوری را دریافت و رمزگشایی می نماید

 

در ادامه به بررسی هر یک از عناصر فوق خواهیم پرداخت .

 

فرستنده

وظیفه‌ی فرستنده، مشابه نقش ملوان بر روی عرشه کشتی ناو فرستنده پیام است . فرستنده سیگنال‌های نوری را دریافت و دستگاه نوری را به‌منظور روشن و خاموش شدن در یک دنباله مناسب ( حرکت منسجم ) هدایت می نماید. فرستنده ، از لحاظ فیزیکی در مجاورت فیبر نوری قرار داشته و ممکن است دارای یک لنز به‌منظور تمرکز نور در فیبر باشد. لیزرها دارای توان بمراتب بیشتری نسبت به LED می‌باشند. قیمت آن‌ها نیز در مقایسه با LED به‌مراتب بیشتر است . متداول‌ترین طول موج سیگنال‌های نوری ، ۸۵۰ نانومتر ، ۱۳۰۰ نانومتر و ۱۵۵۰ نانومتر است .

 

بازیاب ( تقویت کننده ) نوری

همانگونه که قبلا" اشاره گردید ، برخی از سیگنال‌ها در مواردی که مسافت ارسال اطلاعات طولانی بوده ( بیش از یک کیلومتر ) و یا از مواد خالص برای تهیه فیبر نوری ( شیشه ) استفاده نشده باشد ، تضعیف و از بین خواهند رفت . در چنین مواردی و برای تقویت ( بالا بردن ) سیگنال‌های نوری تضعیف شده، از یک یا چندین " تقویت کننده نوری " استفاده می گردد. تقویت کننده‌ی نوری از فیبرهای نوری متععدد، به همراه یک روکش خاص (doping) تشکیل می گردند. بخش دوپینگ با استفاده از یک لیزر پمپ می گردد . زمانی‌که سیگنال تضعیف شده به روکش دوپینگی می رسد ، انرژی ماحصل از لیزر باعث می گردد که مولکول های دوپینگ شده، به لیزر تبدیل می گردند. مولکول های دوپینگ شده در ادامه باعث انعکاس یک سیگنال نوری جدید و قوی‌تر با همان خصایص سیگنال ورودی تضعیف شده ، خواهند بود.( تقویت کننده لیزری)

 

دریافت کننده نوری

وظیفه‌ی دریافت کننده ، مشابه نقش ملوان بر روی عرشه کشتی ناو دریافت کننده پیام است. دستگاه فوق سیگنال‌های دیجیتالی نوری را اخذ و پس از رمزگشایی ، سیگنال‌های الکتریکی را برای سایر استفاده کنندگان ( کامپیوتر ، تلفن و ... ) ارسال می نماید. دریافت کننده، به منظور تشخیص نور از یک "فتوسل" و یا "فتودیود" استفاده می کند.

 

 

 

فیبر نوری(قسمت اول)

پس از اختراع لیزر در سال ۱۹۶۰ میلادی، ایده به‌کارگیری فیبر نوری برای انتقال اطلاعات شکل گرفت. خبر ساخت اولین فیبر نوری در سال ۱۹۶۶ هم‌زمان در انگلیس و فرانسه با تضعیف کم اعلام شد که عملا" در انتقال اطلاعات مخابراتی قابل استفاده نبود تا این‌که در سال ۱۹۷۶ با کوشش فراوان پژوهندگان، تلفات فیبر نوری تولیدی شدیدآ کاهش داده شد و به مقداری رسید که قابل ملاحظه با سیم‌های Coaxial به‌کاررفته در شبکه مخابرات بود.

فیبر نوری از پالس‌های نور برای انتقال داده‌ها و از طریق تارهای سیلکون بهره می‌گیرد. یک کابل فیبر نوری که کمتر از یک اینچ قطر دارد می‌تواند صدها هزار مکالمهٔ صوتی را حمل کند . فیبرهای نوری تجاری ظرفیت ۲٫۵ گیگابایت در ثانیه تا ۱۰ گیگابایت در ثانیه را فراهم می‌‌سازند . فیبر نوری از چندین لایه ساخته می‌شود. درونی‌ترین لایه را هسته می‌‌نامند. هسته شامل یک تار کاملاً بازتاب کننده از شیشه خالص (معمولاً) است. هسته در بعضی از کابل‌ها از پلاستیک کا ملاً بازتابنده ساخته می‌شود که هزینه ساخت را پایین می‌‌آورد. با این حال، یک هسته‌ی پلاستیکی معمولاً کیفیت شیشه را ندارد و بیشتر برای حمل داده‌ها در فواصل کوتاه به کار می‌رود. دور هسته، بخش پوسته قرار دارد که از شیشه یا پلاستیک ساخته می‌شود. هسته و پوسته به همراه هم یک رابط بازتابنده را تشکیل می‌‌دهند که باعث می‌شود نور در هسته تابیده شود تا از سطحی به طرف مرکز هسته باز تابیده شود که در آن دو ماده به هم می‌‌رسند. این عمل بازتاب نور به مرکز هسته را (بازتاب داخلی کلی) می‌‌نامند. قطر هسته و پوسته با هم حدود ۱۲۵ میکرون است (هر میکرون معادل یک میلیونیم متر است) که در حدود اندازه یک تار موی انسان است. بسته به سازنده، دور پوسته، چند لایه‌ی محافظ به‌صورت یک پوشش قرار می‌گیرد. یک پوشش محافظ پلاستکی سخت، لایه بیرونی را تشکیل می‌‌دهد. این لایه کل کابل را در خود نگه می‌‌دارد و می‌تواند صدها فیبر نوری مختلف را در بر بگیرد. قطر یک کابل نمونه کمتر از یک اینچ است .

از لحاظ کلی، دو نوع فیبر وجود دارد: تک حالتی (single mode) و چند حالتی(Multi mode). فیبر تک حالتی، یک سیگنال نوری را در هر زمان انتشار می‌‌دهد در حالی که فیبر چند حالتی می‌تواند صدها سیگنال نوری را به طور هم‌زمان انتقال بدهد.

جمع آوری:مسعود راه خدازاده دانشجوی کاردانی کامپیوتر

 


 
comment نظرات ()