انواع کابل فیبر نوری: ساختار، تک مد و چندمد، خاکی و هوایی

فیبر نوری رشته ای بسیار نازک از شیشه یا پلاستیک شفاف است که نور را در فاصله های طولانی هدایت می کند. کابل فیبر نوری یا سیم فیبر نوری مجموعه ای از یک یا چند فیبر نوری است که با لایه های محافظ پوشانده شده اند.

سال هاست که شبکه های ارتباطی جهان از سیم های مسی به سمت فیبر نوری حرکت کرده اند. امروزه اینترنت پرسرعت، شبکه های تلفن همراه، ارتباطات بین شهری و بین قاره ای و حتی اینترنت خانگی از طریق فیبر نوری منتقل می شوند. علاوه بر مخابرات، فیبرهای نوری در پزشکی، حسگرها و ابزارهای اندازه گیری نوری مانند طیف سنج ها نیز کاربرد گسترده ای دارند.

در این مقاله با ساختار فیبر نوری، اصول کار آن و انواع کابل فیبر نوری از نظر نوع فیبر، ساختار و محل نصب آشنا می شوید.

فیبر نوری چگونه کار می کند؟

یک لینک فیبر نوری سه بخش اصلی دارد:

1. فرستنده: سیگنال الکتریکی را به نور تبدیل می کند؛ معمولا با یک لیزر یا LED.

2. کابل فیبر نوری: نور را در طول مسیر هدایت می کند.

3. گیرنده: نور را با یک آشکارساز نوری دوباره به سیگنال الکتریکی تبدیل می کند.

برای آشنایی بیشتر با این اجزا، مقاله های فرستنده، گیرنده و آشکارساز نوری را بخوانید.

سیمپلکس و دوبلکس

• سیمپلکس: سیگنال فقط در یک جهت ارسال می شود. کابل سیمپلکس معمولا یک فیبر دارد.

• دوبلکس: در هر دو انتها فرستنده و گیرنده وجود دارد و ارسال و دریافت همزمان ممکن است. کابل دوبلکس معمولا دو فیبر دارد؛ یکی برای ارسال و دیگری برای دریافت.

بازتاب کلی داخلی

اساس کار فیبر نوری، پدیده بازتاب کلی داخلی است. فیبر از یک هسته با ضریب شکست بیشتر و یک روکش با ضریب شکست کمتر تشکیل شده است. طبق قانون اسنل:

n₁ sin θ₁ = n₂ sin θ₂

وقتی نور درون هسته با زاویه ای بیشتر از زاویه بحرانی به مرز هسته و روکش می رسد، به طور کامل بازتاب می شود و درون هسته باقی می ماند. به این ترتیب نور با بازتاب های پیاپی، حتی در پیچ و خم های کابل، تا هزاران کیلومتر منتقل می شود. برای آشنایی کامل با این پدیده، مقاله شکست نور را بخوانید.

میزان نوری که فیبر می تواند از ورودی خود بپذیرد، با دهانه عددی (NA) بیان می شود:

NA = √(n₁² − n₂²)

هرچه دهانه عددی بزرگ تر باشد، فیبر نور را از زاویه های بیشتری می پذیرد و اتصال نور به آن آسان تر است.

ساختار فیبر نوری

هر فیبر نوری از سه لایه اصلی تشکیل شده است:

• هسته: بخش مرکزی که نور را حمل می کند. قطر هسته در فیبرهای مخابراتی بین حدود ۸ تا ۶۲.۵ میکرومتر است. برای مقایسه، قطر یک تار مو حدود ۵۰ تا ۱۰۰ میکرومتر است.

• روکش (کلدینگ): لایه ای شیشه ای با ضریب شکست کمتر که هسته را احاطه کرده و نور را درون آن نگه می دارد. قطر روکش در فیبرهای مخابراتی معمولا ۱۲۵ میکرومتر است.

• پوشش اولیه: لایه ای پلیمری که فیبر را در برابر خراش و رطوبت محافظت می کند و قطر کلی فیبر را به حدود ۲۵۰ میکرومتر می رساند.

حتی با این لایه ها، فیبر نوری بسیار کوچک تر و سبک تر از سیم مسی است.

جنس فیبر نوری

• شیشه سیلیکا (دی اکسید سیلیسیم): جنس اصلی فیبرهای مخابراتی و ابزارهای اندازه گیری. برای کیفیت بالا از سیلیس ذوب شده مصنوعی بسیار خالص استفاده می شود. برای ایجاد اختلاف ضریب شکست، به هسته یا روکش مقدار کمی ماده دیگر، مانند ژرمانیوم، اضافه می شود.

• پلاستیک (POF): ارزان تر، انعطاف پذیرتر و نصب آن ساده تر است، اما تضعیف بسیار بیشتری دارد و فقط برای فاصله های کوتاه، مانند خودروها، لوازم خانگی و روشنایی تزئینی، استفاده می شود.

فیبرهای شیشه ای با کشیدن یک استوانه شیشه ای بسیار خالص به نام پیش ساخته در دمای بالا ساخته می شوند؛ به گونه ای که ساختار هسته و روکش در فیبر نهایی حفظ می شود.

مزایای فیبر نوری نسبت به کابل مسی

• پهنای باند بسیار زیاد: یک فیبر می تواند با فناوری تسهیم طول موج، صدها کانال را همزمان و با ظرفیت ترابیت بر ثانیه منتقل کند.

• تضعیف بسیار کم: سیگنال می تواند ده ها کیلومتر بدون نیاز به تقویت منتقل شود.

• مصونیت در برابر تداخل الکترومغناطیسی: چون نور منتقل می شود، نه جریان الکتریکی.

• امنیت بیشتر: شنود اطلاعات از فیبر بسیار دشوار است.

• وزن و حجم کمتر

• عدم خطر جرقه و برق گرفتگی: مناسب برای محیط های قابل اشتعال

انواع فیبر نوری بر اساس حالت انتشار

حالت یا مد به یکی از مسیرهای مجاز انتشار نور در هسته فیبر گفته می شود. تعداد مدها به قطر هسته و طول موج نور بستگی دارد. بر این اساس، فیبرها به دو نوع اصلی تقسیم می شوند:

فیبر نوری تک مد

فیبر تک مد هسته ای بسیار باریک، حدود ۸ تا ۱۰ میکرومتر، دارد و فقط یک مد نور در آن منتشر می شود. نور همچنان با بازتاب کلی داخلی در هسته هدایت می شود، اما چون فقط یک مسیر وجود دارد، پاشندگی مدی رخ نمی دهد و پالس های نور در مسافت های طولانی پهن نمی شوند.

• منبع نور: معمولا لیزر

• طول موج های کاری: ۱۳۱۰ و ۱۵۵۰ نانومتر در ناحیه فروسرخ نزدیک

• تضعیف: حدود ۰.۲ تا ۰.۴ دسی بل بر کیلومتر

• فاصله انتقال: ده ها کیلومتر بدون تقویت و تا هزاران کیلومتر با تقویت کننده های نوری

• رنگ رایج روکش کابل: زرد

• کاربرد: شبکه های بین شهری، اینترنت خانگی فیبر نوری (FTTH)، شبکه های تلفن همراه و کابل های زیردریایی

فیبر نوری چندمد

فیبر چندمد هسته ای پهن تر، معمولا ۵۰ یا ۶۲.۵ میکرومتر، دارد و چندین مد نور به طور همزمان در آن منتشر می شوند. چون مدهای مختلف مسیرهایی با طول متفاوت را طی می کنند، در زمان های کمی متفاوت به انتهای فیبر می رسند. این پدیده که پاشندگی مدی نام دارد، پالس ها را پهن می کند و فاصله و سرعت انتقال را محدود می کند.

• منبع نور: LED یا لیزرهای ارزان VCSEL

• طول موج های کاری: ۸۵۰ و ۱۳۰۰ نانومتر

• تضعیف: حدود ۳ دسی بل بر کیلومتر در ۸۵۰ نانومتر

• فاصله انتقال: برای سرعت ۱۰ گیگابیت، حدود ۳۰۰ تا ۴۰۰ متر در فیبرهای OM3 و OM4

• مزیت: هسته بزرگ تر، اتصال نور را آسان تر و تجهیزات را ارزان تر می کند.

• کاربرد: مراکز داده، شبکه های داخل ساختمان و شبکه های محلی

استانداردهای فیبر نوری

انواع فیبر نوری بر اساس ضریب شکست هسته

فیبر با ضریب شکست پله ای

در فیبر پله ای، ضریب شکست در کل هسته یکسان است و در مرز هسته و روکش به طور ناگهانی کاهش می یابد. نور با بازتاب کلی داخلی در این مرز، به صورت زیگزاگ درون هسته پیش می رود. همه فیبرهای تک مد و بسیاری از فیبرهای چندمد با هسته بزرگ، از این نوع هستند.

فیبر با ضریب شکست تدریجی

در فیبر تدریجی، ضریب شکست در مرکز هسته بیشترین مقدار است و با دور شدن از مرکز به تدریج کاهش می یابد. در این حالت، نور به جای بازتاب ناگهانی از مرز، به تدریج خم می شود و روی مسیرهای منحنی به سمت مرکز بازمی گردد؛ مشابه پدیده سراب که در آن نور در لایه های هوا با ضریب شکست متفاوت خم می شود.

مزیت مهم این طراحی این است که پرتوهایی که مسیر طولانی تری از مرکز دور می شوند، در نواحی با ضریب شکست کمتر حرکت می کنند و سریع تر پیش می روند. در نتیجه مدهای مختلف تقریبا همزمان به انتهای فیبر می رسند و پاشندگی مدی به شدت کاهش می یابد. فیبرهای چندمد مخابراتی امروزی (OM2 تا OM5) از این نوع هستند.

انواع کابل فیبر نوری بر اساس ساختار

کابل لوله آزاد

در کابل لوله آزاد، فیبرها درون لوله های پلاستیکی قرار دارند که معمولا با ژل ضدآب پر شده اند. فیبرها درون لوله کمی آزادی حرکت دارند و در برابر کشش، تغییرات دما و رطوبت محافظت می شوند. این ساختار برای کابل های خارجی رایج است.

کابل بافر محکم

در کابل بافر محکم، هر فیبر مستقیما با یک لایه پلاستیکی محکم به قطر حدود ۹۰۰ میکرومتر پوشانده می شود. این کابل ها انعطاف پذیرتر هستند و نصب کانکتور روی آنها آسان تر است و بیشتر برای کابل های داخلی و پچ کوردها استفاده می شوند.

اجزای محافظ کابل

• عضو استحکام: الیاف آرامید (کولار) یا میله های فایبرگلاس که نیروی کشش را تحمل می کنند تا به فیبرها فشار وارد نشود.

• مواد ضدآب: ژل یا نوارهای جاذب آب

• زره: نوار یا سیم فولادی برای محافظت در برابر ضربه، فشار و جوندگان

• روکش بیرونی: معمولا از پلی اتیلن برای کابل های خارجی و مواد کم دود و بدون هالوژن برای کابل های داخلی

تعداد فیبر: کابل ها با تعداد فیبرهای مختلف، مانند ۴، ۶، ۱۲، ۲۴، ۴۸، ۹۶ یا بیشتر، تولید می شوند. در بازار ایران به تعداد فیبرها کور گفته می شود؛ مثلا کابل ۱۲ کور یعنی کابلی با ۱۲ فیبر. فیبرها با یک کد رنگی استاندارد از هم متمایز می شوند.

انواع کابل فیبر نوری بر اساس محل نصب

کابل فیبر نوری داخلی

کابل های داخلی برای نصب درون ساختمان، مانند اتاق سرور، مراکز داده و بین طبقات، طراحی شده اند. این کابل ها سبک و انعطاف پذیر هستند و معمولا ساختار بافر محکم دارند. روکش آنها باید مقاوم در برابر آتش و کم دود باشد تا در صورت آتش سوزی، دود سمی کمتری تولید شود.

کابل فیبر نوری داکتی

کابل داکتی برای نصب درون لوله ها یا کانال های زیرزمینی طراحی شده است. این کابل معمولا ساختار لوله آزاد با مواد ضدآب و روکش پلی اتیلن دارد. چون لوله از کابل محافظت می کند، معمولا به زره فولادی نیاز ندارد و سبک تر و ارزان تر است.

کابل فیبر نوری خاکی

کابل خاکی برای دفن مستقیم در خاک بدون لوله طراحی شده است. چون در معرض رطوبت، فشار خاک، ضربه هنگام حفاری و جوندگان قرار دارد، محافظت بیشتری دارد:

• زره فولادی: معمولا نوار فولادی موج دار یا سیم های فولادی برای محافظت در برابر فشار و جوندگان

• چند لایه روکش: معمولا دو لایه پلی اتیلن با زره بین آنها

• ضدآب بودن کامل: با ژل و نوارهای جاذب آب

کابل خاکی سنگین تر و گران تر از کابل داکتی است، اما هزینه لوله گذاری را حذف می کند و برای مسیرهای طولانی بین شهری و مناطقی که لوله کشی دشوار است، مناسب است. برای انتخاب کابل خاکی مناسب، به نوع خاک، عمق دفن، احتمال حضور جوندگان و تعداد فیبر مورد نیاز توجه کنید.

کابل فیبر نوری هوایی

کابل هوایی روی تیرهای برق یا دکل ها نصب می شود. دو نوع رایج آن عبارت اند از:

• کابل خودنگهدار تمام دی الکتریک (ADSS): این کابل هیچ جزء فلزی ندارد و با الیاف آرامید وزن خود را تحمل می کند. به همین دلیل می توان آن را در کنار خطوط برق نصب کرد.

• کابل هشت لاتین: یک سیم فولادی نگهدارنده در کنار کابل قرار دارد و مقطع آن شبیه عدد ۸ انگلیسی است.

کابل های هوایی باید در برابر باد، یخ زدگی و نور فرابنفش خورشید مقاوم باشند. همچنین در شبکه های برق فشار قوی، از کابل OPGW استفاده می شود که فیبرها درون سیم محافظ زمین خط انتقال برق قرار دارند.

کابل فیبر نوری دریایی

کابل های زیردریایی قاره ها را به هم متصل می کنند و بخش بزرگی از ترافیک اینترنت جهان را منتقل می کنند. این کابل ها لایه های متعدد فولاد، مس و پلی اتیلن دارند و در فواصل مشخص، تقویت کننده های نوری در آنها قرار داده می شود.

کابل دراپ (FTTH)

در اینترنت خانگی فیبر نوری (FTTH)، از کابل های دراپ کوچک و سبک با یک یا چند فیبر تک مد استفاده می شود که از جعبه توزیع تا داخل منزل کشیده می شوند. در این کابل ها معمولا از فیبرهای مقاوم در برابر خم شدگی استفاده می شود تا در پیچ و خم های ساختمان، تضعیف کمتری داشته باشند.

کانکتورهای رایج فیبر نوری

فیبرها با کانکتورهای ویژه به تجهیزات متصل می شوند. رایج ترین آنها عبارت اند از LC (کوچک و رایج در تجهیزات پرتراکم)، SC (مربعی و رایج در FTTH)، FC (پیچی و رایج در تجهیزات اندازه گیری) و ST (سرنیزه ای و رایج در شبکه های قدیمی تر). برای آشنایی بیشتر و نحوه کنترل توان نور در شبکه، مقاله تضعیف کننده نوری را بخوانید.

فیبر نوری در طیف سنجی و ابزارهای اندازه گیری

در طیف سنج ها و ابزارهای اندازه گیری نوری، فیبرهای نوری امکان هدایت نور از نمونه به دستگاه را با انعطاف بالا فراهم می کنند؛ برای مثال، اندازه گیری در محل فرایند، داخل راکتورها یا در فاصله دور از دستگاه.

در این کاربردها معمولا از فیبرهای چندمد سیلیکا با هسته بزرگ، بین حدود ۵۰ تا ۱۰۰۰ میکرومتر، و دهانه عددی بالا استفاده می شود تا نور بیشتری وارد فیبر شود. انتخاب نوع شیشه نیز به ناحیه طیفی بستگی دارد:

• برای ناحیه فرابنفش و مرئی، فیبرهایی با مقدار بیشتر گروه های هیدروکسیل در شیشه مناسب ترند.

• برای ناحیه فروسرخ نزدیک، فیبرهای کم هیدروکسیل مناسب ترند، چون گروه های هیدروکسیل در این ناحیه نور را جذب می کنند.

• برای فرابنفش دور، فیبرهای مقاوم در برابر تخریب ناشی از نور فرابنفش استفاده می شوند.

برای آشنایی با طیف سنج هایی که با ورودی فیبر نوری کار می کنند، مقاله های اسپکترومتر و موجبر را بخوانید.

تاریخچه کوتاه

در سال ۱۹۶۶، چارلز کائو نشان داد که اگر ناخالصی های شیشه کاهش یابد، فیبر نوری می تواند نور را در فاصله های طولانی برای ارتباطات منتقل کند. چند سال بعد، نخستین فیبرهای کم تضعیف ساخته شدند و انقلابی در مخابرات ایجاد کردند. کائو به خاطر این کشف در سال ۲۰۰۹ جایزه نوبل فیزیک را دریافت کرد.

سوالات متداول

کابل فیبر نوری چیست؟

کابلی شامل یک یا چند رشته بسیار نازک شیشه ای یا پلاستیکی که اطلاعات را به صورت نور و با استفاده از بازتاب کلی داخلی منتقل می کند.

تفاوت فیبر تک مد و چندمد چیست؟

فیبر تک مد هسته باریک تری دارد، فقط یک مد نور را عبور می دهد و برای فاصله های طولانی مناسب است، اما فیبر چندمد هسته پهن تری دارد، ارزان تر است و برای فاصله های کوتاه مانند داخل ساختمان استفاده می شود.

کابل فیبر نوری خاکی چیست؟

کابلی با زره فولادی و چند لایه روکش ضدآب که برای دفن مستقیم در خاک بدون نیاز به لوله طراحی شده است.

جنس فیبر نوری چیست؟

بیشتر فیبرها از شیشه سیلیکای بسیار خالص ساخته می شوند و برای فاصله های کوتاه از فیبر پلاستیکی نیز استفاده می شود.

منظور از کابل ۱۲ کور چیست؟

کابل فیبر نوری با ۱۲ رشته فیبر.

جمع بندی

فیبر نوری با استفاده از بازتاب کلی داخلی، نور را در هسته ای با ضریب شکست بیشتر از روکش هدایت می کند. فیبرها بر اساس حالت انتشار به تک مد (برای فاصله های طولانی) و چندمد (برای فاصله های کوتاه) و بر اساس ضریب شکست هسته به پله ای و تدریجی تقسیم می شوند. کابل های فیبر نوری نیز بر اساس ساختار به لوله آزاد و بافر محکم و بر اساس محل نصب به کابل های داخلی، داکتی، خاکی، هوایی، دریایی و دراپ تقسیم می شوند. انتخاب کابل مناسب به نوع فیبر، فاصله انتقال، محل نصب، تعداد فیبر و شرایط محیطی بستگی دارد.

برای آشنایی با محصولات اپتیکی بلورآزما، به بخش محصولات مراجعه کنید.

منابع

• B. Woodward and E. B. Husson, Fiber Optics Installer and Technician Guide (Cabling, Part 2)