انواع کابل فیبر نوری (0-100)

انواع کابل فیبر نوری و کاربردها

فیبر نوری چیست؟

سالهاست که دنیای ارتباطات از راه دور به سرعت از شبکه های سیم مسی، به سمت سیستم فیبر نوری حرکت کرده است و استفاده از آنها برای هدایت نور، قابلیت انعطاف ­پذیری بالایی را برای راه ­اندازی سیستم های اندازه ­گیری نوری فراهم می­ کند.

هدف یک سیستم (یا به اصطلاح لینک) فیبر نوری، تبدیل سیگنال به نور، حرکت نور در مسافتی مشخص و سپس بازسازی سیگنال اصلی است.

لینک، یک مسیر انتقال بین دو نقطه  و با استفاده از کابل فیبر نوری است و مسیر، شامل وسیله ای برای اتصال سیگنال به کابل و راهی برای دریافت آن در انتهای دیگر به روشی مفید است.

هر زمان که سیگنالی را از یک نقطه به نقطه دیگر از طریق سیم ارسال می کنیم، از یک لینک استفاده می کنیم. لینک ها، اغلب بر حسب توانایی آنها برای ارسال و دریافت سیگنال به عنوان بخشی از یک سیستم ارتباطی توصیف می شوند.

بر این اساس، لینک های فیبر نوری به دو نوع اصلی تقسیم می شوند:

• سیمپلکس
• دوبلکس

در حالت سیمپلکس، لینک تنها می تواند در یک انتها ارسال و در انتهای دیگر دریافت شود و به عبارت دیگر، سیگنال تنها به یک سمت می رود.

در گروه دوبلکس از فیبر نوری، لینک دارای فرستنده و گیرنده در هر انتها است و به کاربران امکان ارسال و دریافت همزمان را می دهد.

شکل1- شماتیک کلی از لینک فیبر نوری سیمپلکس (تصویر بالا) و دوپلکس (تصویر پایین)

یک لینک، از چهار جزء اصلی تشکیل شده است:

• فرستنده ای که سیگنال را به نور تبدیل می کند و نور را ارسال می کند.
• گیرنده ای که نور را گرفته و دوباره به سیگنال تبدیل می کند و معمولاً شامل فتودیود هستند.
• بدنه یا کابل فیبر نوری که نور را حمل می کند.
• کانکتورهایی که فرستنده را به گیرنده متصل می کنند.

شکل2- شماتیک کلی یک لینک فیبر نوری

در ادامه این مقاله، به طور مفصل و اختصاصی در مورد بخش کابل ها صحبت خواهیم کرد و انواع آن را توضیح خواهیم داد. با ما همراه باشید.

اجزای کلی یک کابل فیبر نوری

کابل فيبر نوري یا تار نوری، رشته باريک و بلندي از يک مادّه شفاف مثل شيشه يا پلاستيک است که به عنوان یک واسطه هدایت کننده نور در فواصل طولانی عمل می کند.

مکانیزم عملکرد کلی آن از یک اصل به نام بازتاب داخلی کل استفاده می کند که مي‌ تواند نوري را که از يک سر به آن وارد شده، از سر ديگر خارج کند.

ساختمان کابل فیبر نوری در واقع از دو لایه شیشه تشکیل شده است:

• هسته، که سیگنال نور واقعی را حمل می کند
• روکش، که لایه ای شیشه ای است که هسته را احاطه کرده است
• پوشش، که از روکش در برابر سایش محافظت می کند

روکش فیبرهای نوری، دارای ضریب شکست کمتری نسبت به هسته است و همین امر است که باعث بازتاب داخلی کامل نور در هسته می شود.

شکل3- بخش های مختلف یک کابل فیبر نوری

بسیاری از فیبرهای مورد استفاده در لینک، دارای هسته ای بین 8 تا 62.5 میکرون (میلیونم متر) قطر هستند. برای مقایسه، یک موی معمولی انسان حدود 100 میکرون قطر دارد. روکشی که هسته را احاطه کرده است معمولاً 125 میکرون قطر دارد.

پوشش فیبر نوری از روکش در برابر سایش محافظت می کند و ضخامت آن معمولاً نصف قطر روکش است که اندازه کلی فیبر نوری را تا 250 میکرون افزایش می دهد. حتی با وجود ضخامت اضافی پوشش، کابل های فیبری بسیار کوچک تر و سبک تر از کابل مسی است.

فیبرهای نوری می­ توانند از مواد زیادی مانند پلاستیک، شیشه و سیلیکات (SiO₂) ساخته شوند. برای فیبر نوری با کیفیت بالا، همانطور که در کاربردهای طیف ­سنجی استفاده می­ شود، معمولاً از سیلیس ذوب شده مصنوعی (دی اکسید سیلیکون آمورف) استفاده می­ شود.

فيبرهای نوري داراي پهناي باند بسيار بالاتری نسبت به کابل‌هاي معمولي مي‌ باشد و بنابراین، به راحتی می­ توان داده‌ها را با پهناي باند بالا (تا ۱۰ گيگابيت) انتقال داد.

مزیت دیگر انتقال نور از طریق فیبر نوری، در مقایسه با انتقال نور از طریق هوا این است که فیبر می تواند نور را در لبه ها و در فواصل زیاد حمل کند.

اصول اولیه نوری در فیبرهای نوری

یکی از عوامل موثر در سرعت بالای داده و فواصل انتقال طولانی فیبر، آگاهی از اصول نور است. در حقیقت، فیبر نوری واسطه انتقال است، در حالی که نور حاملی است که سیگنال ها از طریق آن حمل می شوند (یا به عبارتی بر روی آن سوار می شوند).

طول موج‌ های کم و سرعت انتقال بالای امواج الکترومغناطیسی، پهنای باندی را ممکن می‌ سازد که با استفاده از سایر اشکال انتقال، غیرقابل تصور است.

پدیده شکست یا تغییر جهت نور با تغییر سرعت عبور از یک ماده به ماده دیگر، جزء کلیدی در انتقال فیبر نوری است. در حقیقت، همین عامل اصولی است که نور را در هسته فیبر نوری حفظ کرده و به نتهای مسیر می رساند.

فرایند شکست زمانی اتفاق می‌افتد که امواج نور در حین حرکت بین دو محیط متفاوت (که هر کدام با ضریب شکست (n) متفاوتی دارند) تغییر سرعت دهند و همین موضوع، باعث تغییر جهت حرکتی آن ها می شود.

این وابستگی به محیط واسطه، با استفاده از قانون اسنل از طریق ضرایب انکساری و توصیف رابطه بین زوایای تابش و شکست  آشکار می شود:

شکل 4- شماتیک کلی قانون اسنل

میزان شکست، با تفاوت نسبی در سرعت نور در هر یک از محیط ها تعیین می شود و هر چه این اختلاف بیشتر باشد، انکسار بیشتر خواهد بود.

انواع کابل فیبر نوری براساس تعداد مسیرهای نوری

کابل های فیبر نوری، بر اساس تعداد مسیرهای نوری که در طول هسته فیبر منتقل می شوند، به دو طرح کلی تقسیم بندی می شوند که عبارتند از:

• فیبر نوری تک حالته (Single Mode Fiber)
• فیبر نوری چند حالته (Multi Mode Fiber)

عبارت “حالت”، تحت عنوان یک “مسیر” یا “پرتو” نور در هسته فیبر نوری توصیف می شود و تفاوت این دو نوع کابل، اساساً در اندازه هسته آنهاست که تعداد مسیرهای متفاوتی را ممکن می سازند.

نوع چند حالتی، دارای هسته بسیار پهن تری است که به چندین حالت یا پرتو نوری اجازه انتشار می دهد، در حالی که نوع تک حالته، تنها دارای یک هسته بسیار باریک است و امکان انتشاز تنها یک حالت نوری وجود دارد.

شکل 5- مقایسه قطر کابل های تک حالته و چند حالته

فیبر نوری تک حالته

این دسته از فیبرها، نور را به­ صورت مستقیم و بدون شکست عبور می‌ دهند و منبع نوری این دسته از کابل‌ها لیزر می‌باشد و بنابراین، شدت نور بالایی دارند.

همچنین قطر هسته این کابل‌ ها بسیار کم است و می­ توانند امواج الکترومغناطیسی در محدوده طول موجی مادون قرمز را عبور دهند.

شکل6- کابل فیبر نوری نوع تک حالته

فیبر نوری چند حالته

در این دسته از فیبر­ها، قطر هسته در مقایسه با کابل‌ های تک حالته بسیار بزرگتر است و معمولاً منبع نوری این کابل‌ها LEDها هستند و نور را با طول موج‌ های مختلفی منتشر می‌ کنند که بسته به نوع کابل، شکل انتشاری مختلفی در طول کابل دارند.

شکل7- کابل فیبر نوری نوع چند حالته

اغلب برای کاربردهای اسپکترومتری، از فیبرهای نوع چند حالته استفاده می­ شود، زیرا که هسته­ نسبتاً بزرگ و دیافراگم عددی بالا (NA)، این امکان را فراهم می کنند تا نور به راحتی به فیبر متصل شود.

فیبرهای چند حالته می ­توانند با سرعت 100 مگابیت در 2 کیلومتر مسافت را پاسخگو باشند. اما در سرعت­ های گیگابیتی، این فاصله تا حدود یک چهارم کاهش می­ یابد. در عوض، فیبرهای تک حالته می ­توانند سرعت انتشار 100 مگابیت را تا مسافت 100 کیلومتر پشتیبانی کنند.

انواع فیبر نوری بر اساس جنس هسته (ضریب شکست)

همانطور که در بخش های قبل نیز گفته شد، اصل اساسی انتقال نور از طریق فیبر نوری بازتاب داخلی کامل است و این بدان معنی است که نور درون فیبر منعکس شده و منتقل می­ شود.

بر اساس جنس هسته و ضریب شکستی که دارد، فرایندهای مختلفی را می توان راه اندازی کرد. دو نوع رایج ساختار فیبر نوری براساس ضریب شکست هسته موارد زیر هستند:

• فیبر نوری با ضریب شکست پله ای
• فیبر نوری با ضریب شکست تدریجی

فیبر نوری با ضریب شکست پله ­ای

در این نوع، ابتدا لایه­ هسته را با ضریب شکست و قطر مشخص می­ سازند و سپس بر روی آن، یک لایه با ضریب شکست کمتر لایه نشانی می گردد.

بدین ترتیب فیبری پدید می ­آید که ضریب شکست آن در مرز بین هسته و روکش به صورت ناگهانی (پلکانی) تغییر می­ کند.

شکل8- فیبر نوری با ضریب شکست پله ای

فیبر نوری با ضریب شکست تدریجی (مرحله­ ای)

در این نوع فیبرهای نوری، اندازه ضریب شکسته هسته به آرامی و با دور شدن از مرکز کاهش می ­یابد و به حداقل خود می ­رسد.

چنین ساختاری باعث می شود که مرز بین هسته و روکش به صورت آینه ­ای عمل نکند، بلکه پرتوهای نور همانند پدیده سراب به­ صورت منحنی وار شکسته شده و با رسیدن به زاویه­ بحرانی، مجدداً به سوی هسته باز می­ گردند.

فیبرهای سیلیکای نوع چند حالته، عموماً برای کاربردهای اسپکتروفوتومتری استفاده می ­شوند. ضخامت هسته آنها بین 50 تا 1000 میکرون است. هسته از سیلیس خالص ساخته شده است.

شکل9- شماتیک کلی یک فیبر نوری با ضریب شکست تدریجی

امیداوریم که این مطلب برای شما مفیده بوده 😍

به شما کاربر عزیز پیشنهاد می کنیم که محصولات شرکت دانش بنیان بلورآزما را نیز مشاهده کنید و در صورت نیاز، می توانید کاتالوگ هر محصول را به صورت جداگانه دانلود نمایید.💐

پیشنهاد می کنیم مقاله اسپکتروفتومتر را برسی کنید

منابع

wikipedia

Bill Woodward, Cabling Part 2