مهندسین برق باید بدانند

تاریخچه:

بعد از اختراع لیزر در سال 1960 میلادی، ایده بکارگیری فیبر نوری برای انتقال اطلاعات شکل گرفت. خبر ساخت اولین فیبر نوری در سال 1966 همزمان در انگلیس و فرانسه اعلام شد که عملا درانتقال اطلاعات مخابراتی قابل استفاده نبود تا اینکه در سال 1976 با کوشش فراوان محققین تلفات فیبر نوری تولیدی شدیدا کاهش داده شد و به مقداری رسید که قابل ملاحظه با سیم های کوکسیال مورد استفاده در شبکه مخابرات بود.

در ایران در اوایل دهه 60 ، فعالیت های تحقیقاتی در زمینه فیبر نوری در مرکز تحقیقات منجر به تاسیس مجتمع تولید فیبر نوری در پونک تهران گردیدو عملا در سال 1373 تولید فیبرنوری با ظرفیت 50.000 کیلومتر در سل در ایران آغاز شد.فعالیت استفاده از کابل های نوری در دیگر شهرهای بزرگ ایران شروع شد تا در آینده نزدیک از طریق یک شبکه ملی مخابرات نوری به هم متصل شوند.

چگونگی:

می دانیم هر گاه نور از محیط اول به محیط دوم که غلیظتر است وارد شود دچار شکست میشود.واگر نور از محیط غلیظ با بیش از زاویه حد به سطح آن برخورد کندسطح ماده همانند یک آینه تخت عمل می کند و نور بازتابش می کند.

از این خاصیت در فیبرهای نوری استفاده شده است. فیبرنوری یک موجبر استوانه ای از جنس شیشه (یا پلاستیک)است که دو ناحیه مغزی وغلاف با ضریب شکست متفاوت ودولایه پوششی اولیه وثانویه پلاستیکی دارد . بر اساس قانون اسنل برای انتشار نور در فیبر نوری شرط فوق می بایست برقرار باشد که به ترتیب ضریب شکست های مغزی و غلاف هستند . انتشار نور تحت تاثیر عواملی ذاتی و اکتسابی دچار تضعیف می شود. این عوامل عمدتا ناشی از جذب ماورای بنفش ، جذب مادون قرمز ،پراکندگی رایلی، خمش و فشارهای مکانیکی بر آنها هستند . منحنی تغییرات تضعیف برحسب طول موج در شکل زیر نشا ن داده شده است.

طرز کار:

طرز کار فیبر نوری بدین صورت می باشد که توسط یک منبع نوری ( که معمولا یک نوع LED می باشد ) یک شعاع نوری به مقطع فیبر تابیده می شود ( با زاویه مشخص ) و این شعاع نوری در داخل فیبر منعکس می شود و این انعکاس تا زمانی که به مقصد می رسد ادامه می یابد. چگونگی انتقال اطلاعات از طریق فیبر نوری را می توان به این گونه بیان کرد که ابتدا به وسیله سیستم های دیجیتال تمام پیام ها اعم از صوتی و تصویری و غیره را به صفر و یک تبدیل می کنند و این اطلاعات را به LED منتقل می کنند زمانی که LED روشن است را یک در نظر می گیرند و زمانی که LED خاموش است صفر در نظر گرفته می شود.

البته LED هایی که برای این منظور استفاده می شوند بسیار پر سرعت می باشند. در یک ثانیه می توانند هزاران و بلکه صدها هزار صفر ویک را منتقل نمایند. البته برای ارسال اطلاعات با حجم بالا از یک دسته فیبر نوری در کنار هم استفاده می شود. ( که برای هر کدام یک LED نیاز داریم)

در قسمت گیرنده نیز ما یک سنسور حساس داریم که برابر این شعاع نوری که بسیار سریع و همچنین ضعیف می باشد واکنش نشان می دهد و این صفر و یک ها را به پالس های الکتریکی تبدیل می کند.

ساختمان یک کابل فیبر نوری:

یک رشته فیبر نوری از قسمت های زیر تشکیل شده است :

هسته یا Core

Clade 
Coating

‌Buffer

:Core یک استوانه شیشه ای که قسمت اصلی یک رشته فیبر را تشکیل میدهد و در دو نوع Multi Mode و Single Mode وجود دارد . کابل های Multi Mode به دو نوع 62.5 میکرون و 50 میکرون تقسیم میشوند . کابل های Single Mode نیز در دو نوع 6 میکرون و  9 میکرون وجود دارند.

:Clade  روکشی که بر روی Core قرار گرفته و با ایجاد شکست در نور باعث حرکت آن در طول فیبر میشود

:Coating  روکشی که از Core و Clade محافظت میکند

‌ :Buffer  روکشی که بر روی کل کابل کشیده میشود و تعیین کننده محیطی است که قرار است کابل در آن کشیده شود . همچنین انعطاف پذیری و عدم انعطاف پذیری کابل از روی این قسمت مشخص میشود

‌ :Buffer  روکشی که بر روی کل کابل کشیده میشود و تعیین کننده محیطی است که قرار است کابل در آن کشیده شود . همچنین انعطاف پذیری و عدم انعطاف پذیری کابل از روی این قسمت مشخص میشود.

فیبرهای نوری نسل سوم:

طراحان فیبرهای نسل سوم ، فیبرهایی را مد نظر داشتند که دارای حداقل تلفات و پاشندگی باشند. برای دستیابی به این نوع فیبرها، محققین از حداقل تلفات در طول موج 55/1 میکرون و از حداقل پاشندگی در طول موج 3/1 میکرون بهره جستند و فیبری را طراحی کردند که دارای ساختار نسبتا پیچیده تری بود. در عمل با تغییراتی در پروفایل ضریب شکست فیبرهای تک مد از نسل دوم ، که حداقل پاشندگی آن در محدوده 3/1 میکرون قرار داشت ، به محدوده 55/1 میکرون انتقال داده شد و بدین ترتیب فیبر نوری با ماهیت متفاوتی موسوم به فیبر دی.اس.اف ساخته شد.

نکته قابل ذکر این است که مشخصات یک محیط (ماده) را با پنج عامل Σ(سیکما (،μ(میو (،? ) μ  میوپریم) ،ε(اپسیلن) و" )εاپسیلن پریم) تعریف میکنند.حال فیبر نوری را از جنسی می سازند تا نور با هر زاویه ای که به سطح مقطع آن برخورد کرد از آن خارج نشود و در طول فیبر حرکت کند.فرایند انتقال سیگنال بدین صورت است که یک سیگنال را توسط چند عمل مدولاسیون به فرکانسkHz 64 می رسانند سپس توسط لیزر آن را به فرکانس نور تبدیل و به داخل فیبر می تابانند.چون فر کانس نور در حد گیگابایت است یک پهنای باند فوق العاده زیاد برای انتقال سیگنال در اختیار ما قرار می دهد وهمچنین با مالتی پلکس کردن سیگنالها میتوان 1920 کانال را همزمان از داخل فیبر عبور داد.این خاصیت باعث شده تا ارتباط بین دو مرکز مخابرات تنها با یک رشته فیبر بر قرار شود.اتلاف توان سیگنال در 1 کیلومتر از فیبر نوری در فرکانس 400 گیگا هرتز dB 10 است در مقایسه با کابل هم محور به قطر 1 سانتی متر که در فرکانس 100 کیلو هرتز ،dB 1 و در فرکانس 3مگاهرتز dB 1/ 5 اتلاف دارد .این اتلاف کم ترفیبرها باعث شده تا در میان راه از repeater کمتری استفاده شود و از هزینه ها کاسته شود.همچنین ارزان بودن فیبر وخواصی همچون ضد آب بودن آن باعث شده تا از فیبر روز به روز به طور گسترده تری استفاده شود.تنها ایرادی که به فیبر وارد است این ا ست که به راحتی سیمها نمیتوان آنها را پیچ وخم داد زیرا  زا ویه تابش نور در داخل آن تغییر میکند و باعث می شود نور از سطح آن خارج شودو اینکه اتصال دو رشته فیبر نیز احتیاج به دقت ولوازم خاص خود را دارد.

انواع فیبر نوری:

1 – (single mode fiber) smf : قطر هسته 9 میکرون و طول موج 3/1 میکرومتر:

2 –( multi mode fiber) mmf: خود بر دو نوع است:

الف :multi mode step index:زاویه شکست در سراسر کابل یکسان است ودارای پهنای باند 20 تا 30 مگاهرتز است.

ب :multi mode graded index:سرعت انتشار نور در این کابل در جایی که شکست نور تحت زاویه کمتری صورت می گیرد نسبت به جایی که تحت زاویه بزرگتری صورت می گیرد،بیشتر است. پهنای باند آن 100مگا هرتز تا 1 گیگا هرتز است.

فن آوری ساخت فیبرهای نوری:

برای تولید فیبر نوری ، ابتدا ساختار آن در یک میله شیشه ای موسوم به پیش سازه از جنس سیلیکا ایجادمی گردد و سپس در یک فرایند جداگانه این میله کشیده شده تبدیل به فیبرمی گردد . از سال 1970 روش های متعددی برای ساخت انواع پیش سازه ها به کار رفته است که اغلب آنها بر مبنای رسوب دهی لایه های شیشه ای درداخل یک لوله به عنوان پایه قرار دارند .

روشهای ساخت پیش سازه :

روش های فرایند فاز بخار برای ساخت پیش سازه فیبرنوری را می توان به سه دسته تقسیم کرد :
- رسوب دهی داخلی در فاز بخار
- رسوب دهی بیرونی در فاز بخار
- رسوب دهی محوری در فاز بخار

موادلازم در فرایند ساخت پیش سازه:

-  تتراکلرید سیلسکون :این ماده برای تامین لایه های شیشه ای در فرایند مورد نیاز است .
- تتراکلرید ژرمانیوم : این ماده برای افزایش ضریب شکست شیشه در ناحیه مغزی پیش سازه استفاده می شود .
- اکسی کلرید فسفریل: برای کاهش دمای واکنش در حین ساخت پیش سازه ، این مواد وارد واکنش می شود .
- گازفلوئور : برای کاهش ضریب شکست شیشه در ناحیه غلاف استفاده می شود .
- گاز هلیم : برای نفوذ حرارتی و حباب زدایی در حین واکنش شیمیایی در داخل لوله مورد استفاده قرار می گیرد.
-گاز کلر: برای آب زدایی محیط داخل لوله قبل از شروع واکنش اصلی مورد نیاز است .

مراحل ساخت:

- مراحل سیقل حرارتی: بعد از نصب لوله با عبور گاز های کلر و اکسیژن ، در درجه حرارت بالاتر از 1800 درجه سلسیوس لوله صیقل داده می شود تا بخارآب موجود در جدار داخلی لوله ازآن خارج شود.
- مرحله اچینگ: در این مرحله با عبور گازهای کلر، اکسیژن و فرئون لایه سطحی جدار داخلی لوله پایه خورده می شود تا ناهمواری ها و ترک های سطحی بر روی جدار داخلی لوله از بین بروند .
- لایه نشانی ناحیه غلاف : در مرحله لایه نشانی غلاف ، ماده تترا کلرید سیلیسیوم و اکسی کلرید فسفریل به حالت بخار به همراه گاز های هلیم و فرئون وارد لوله شیشه ای می شوند ودر حالتی که مشعل اکسی هیدروژن با سرعت تقریبی 120 تا 200 میلی متر در دقیقه در طول لوله حرکت می کند و دمایی بالاتر از 1900 درجه سلسیوس ایجاد می کند ، واکنش های شیمیایی زیر به دست می آیند.

ذرات شیشه ای حاصل از واکنش های فوق به علت پدیده ترموفرسیس کمی جلوتر از ناحیه داغ پرتاب شده وبر روی جداره داخلی رسوب می کنند و با رسیدن مشعل به این ذرات رسوبی حرارت کافی به آنها اعمال می شود به طوری که تمامی ذرات رسوبی شفاف می گردند و به جدار داخلی لوله چسبیده ویکنواخت می شوند. بدین ترتیب لایه های شیشه ای مطابق با طراحی با ترکیب در داخل لوله ایجاد می گردد و در نهایت ناحیه غلاف را تشکیل می دهد.

مزایای فیبر نوری:

-1 انتقال اطلاعات در فیبر نوری بسیار بالا و در حد سرعت نور می باشد.
-2 فیبر های نوری از عوامل طبیعی کمتر تاثیر می پذیرند بدین صورت که میدان های مغناطیسی و یا الکتریکی شدید بر آن هیچ تاثیری نمی گذارد.
-3 به دلیل عدم تاثیر پذیری عواملی چون میدان های مغناطیسی می توان آن را در کنار کابلهای فشار قوی استفاده کرد.
-4 تولید آن مقرون به صرفه است به طوری که حتی از کابلهای مسی که هم اکنون برای انتقال اطلاعات استفاده می شود مقرون به صرفه تر می باشد.
-5 به دلیل تضعیف بسیار کم شعاع نوری در فیبر نوری نیاز به تقویت کننده های بین راهی در مسافت های طولانی بسیار کمتر از کابلهای کواکسیال می باشد.