فیبر نوری — به زبان ساده

در دو مقاله «مخابرات نوری -- از صفر تا صد» و «مخابرات فیبر نوری -- راهنمای جامع» با کلیات مخابرات فیبر نوری و نسل‌های مختلف آن آشنا شدیم. همچنین در مقاله «FTTH چیست؟ -- از صفر تا صد» با شبکه‌های پسیو نوری (PON) و ساختارهای مختلف شبکه‌های نوری FTTX آشنا شدیم. در این مقاله قصد داریم تا با یکی از مهم‌ترین بخش‌های این نوع ارتباط، یعنی فیبر نوری آشنا شویم. می‌دانیم که در مخابرات رادیویی، کانال انتقال پیام بین فرستنده و گیرنده، هوا یا فضای آزاد است. در مخابرات فیبر نوری نیز نیاز به یک کانال برای انتقال پیام داریم که این کانال انتقال، فیبر نوری بوده و اطلاعات از طریق نور یا دقیق‌تر بگوییم، موجی با فرکانسی در ناحیه اپتیکی در آن منتقل می‌شوند.

در ادامه این مقاله با ما همراه باشید تا با زبانی ساده به معرفی ساختار «فیبر نوری» (Fiber optic) و برخی کاربرد‌های آن بپردازیم.

فیبر نوری چیست؟

اطلاعات به شیوه‌های مختلفی نظیر موج مکانیکی صوتی، امواج الکترومغناطیسی رادیویی و اپتیکی، علائمی نظیر دود و ... مخابره می‌شوند. محیط انتقال هر کدام از روش‌های فوق می‌تواند متفاوت باشد.

فیلم آموزش آشنایی با ساختار فیبر نوری و شبکه WDM در فرادرس

کلیک کنید

به طور مثال محیط انتقال بین دو نفر که به طور مستقیم در حال صحبت کردن هستند، هوا است. یا در صحبت تلفنی، یک سیم مسی کشیده شده از خانه به سمت مرکز تلفن (مخابرات)، کانال انتقال پیام است. در مورد تلفن همراه نیز، اطلاعات توسط محیط انتقال هوا از طریق امواج الکترومغناطیسی در فرکانس‌های رادیویی و میکروویو منتشر می‌شود.

فیبر نوری یکی دیگر از محیط‌های انتقال پیام بوده که اطلاعات از طریق نور در آن منتشر می‌شوند. احتمالاً شنیده‌اید که فیبر نوری لوله شیشه‌ای یا پلاستیکی بسیار نازکی است که می‌تواند نور لیزر را به مکانی دیگر هدایت کند. یکی از کاربردهای ابتدایی فیبر نوری در اوایل کشف (دهه 1950 میلادی)، استفاده در سیستم‌های اندوسکوپی برای رصد داخل بدن انسان بود. با بهبود ساختار فیبرهای نوری، در دهه 1960 میلادی، از فیبر نوری برای انتقال تماس تلفنی با سرعت نور استفاده کردند. البته بهتر است که بگوییم سرعت نور در فضای آزاد برابر با $$c=3\times10^{8} \frac{m}{s}$$ بوده که به دلیل ضریب شکست شیشه (هسته فیبر) به حدود یک سوم این مقدار کاهش پیدا می‌کند. سرعت حرکت فوتون (کوانتوم نور) در محیط‌های مختلف از رابطه $$v=\frac{c}{n}$$ به دست می‌آید که در آن $$n$$ ضریب شکست محیط است.

کابل فیبر نوری

کابل‌های فیبر نوری از رشته‌های بسیار نازکی از جنس شیشه یا پلاستیک ساخته شده‌اند. یک کابل می‌تواند بیش از 100 فیبر نوری را در خود جای‌ دهد. هر فیبر نوری (تک رشته) می تواند ضخامتی در حدود یک دهم تار موی انسان داشته باشد. این تک رشته بسیار نازک، توانایی انتقال 25000 تماس تلفی در لحظه را دارد. فوق العاده نیست؟

پیش‌تر بیان کردیم که فیبرهای نوری، اطلاعات را بین دو مکان از طریق نور منتقل می‌کنند. در مقاله «مخابرات نوری -- از صفر تا صد» یک لینک مخابرات نوری مبتنی بر فیبر به طور کامل تشریح شد. دیدیم که برای انتقال اطلاعات از طریق نور، باید بتوانیم اطلاعات را به نور تبدیل کنیم. البته اصطلاح دقیق‌تر و علمی‌تر این است که اطلاعات را به صورت اپتیکی مدوله کرده تا بتوان آن‌ها را از طریق نور ارسال کرد. در زبان فارسی ترجمه غالب کلمه اپتیک، نور است. توجه داشته باشید که منظورمان از کلمه نور، صرفاً امواج ناحیه مرئی نبوده و منظور، طیف اپتیکی (مادون قرمز، مرئی و فرابنفش) است. طول موج‌های استاندارد مخابرات فیبر نوری $$1550nm$$، $$1490nm$$ و $$1310nm$$ است که در ناحیه مادون قرمز قرار دارند.

به عنوان مثالی ساده، فرض کنید که بین اتاق شما و هم‌کلاسی خود یک رشته فیبر نوری وجود دارد. شما اطلاعات تولید شده توسط کامپیوتر خود را توسط یک مبدل، به سیگنال اپتیکی تبدیل کرده و از طریق یک لیزر به درون فیبر نوری ارسال می‌کنید. دوست شما برای گرفتن اطلاعات به یک آشکارساز نوری (فوتودیود) نیاز دارد تا سیگنال اپتیکی را به الکتریکی تبدیل کرده تا بتواند بر روی کامپیوتر خود نمایش دهد.

فیبر نوری چگونه کار می‌کند؟

اساس کار و چکونگی انتشار نور در فیبر نوری اصلاً بحث پیچیده‌ای نبوده و بر اساس قانون بازتاب کامل (داخلی کلی) کار می‌کند.

فیلم آموزش آشنایی با ساختار فیبر نوری و شبکه WDM در فرادرس

کلیک کنید

می‌دانیم که مطابق با قانون اسنل اگر نوری تحت زاویه‌ای بزرگتر از زاویه حد $$\theta_{c}$$ به سطح مشترک دو محیط با ضریب شکست‌های مختلف بتابد، دچار بازتاب کامل (داخلی) می‌شود. به یاد داریم که قانون اسنل به شکل زیر است:

$$n_{1}\sin{\theta_{1}}=n_{2}\sin{\theta_{2}}$$

فیلم آموزش الکترومغناطیس 1 – جامع و با مفاهیم کلیدی در فرادرس

کلیک کنید

در رابطه فوق $$n_{1}$$ ضریب شکست محیط اول، $$\theta_{1}$$ زاویه تابش در مرز دو محیط، $$n_{2}$$ ضریب شکست محیط دوم و $$\theta_{2}$$ زاویه‌ شکست است. مطابق با شکل (5) و قانون اسنل، اگر زاویه شکست 90 درجه باشد، نور روی مرز مشترک دو محیط شکسته می‌شود. از قانون اسنل، زاویه‌ای که در آن این امر محقق می‌شود، به صورت زیر است:

$$n_{1}\sin_{\theta_{1}}=n_{2}\sin90 \rightarrow \theta_{1}\equiv \theta_{c}=\sin^{-1}(\frac{n_{2}}{n_{1}})$$

زاویه فوق، به زاویه حد معروف است. حال اگر نوری تحت زاویه‌ای بیشتر از زاویه حد به مرز مشترک دو محیط بتابد، به طور کامل از مرز مشترک بازتاب شده و وارد محیط دوم نمی‌شود. مطابق با شکل (5) و (6) این حالت وقتی رخ می‌دهد که نور از محیطی غلیظ (ضریب شکست بیشتر) به مرز مشترک محیطی با ضریب شکست کمتر (محیط رقیق) برخورد کند. در واقع در شکست‌های داخلی ($$n_{1}>n_{2}$$) این امر محقق می‌شود.

فیبر نوری از دو قسمت اصلی هسته و پوسته که ضریب شکستی متفاوت دارند، ساخته شده است. نور در هسته با ضریب شکست $$n_{1}$$ منتشر شده و در صورت برخورد به مرز مشترک هسته و پوسته با ضریب شکست دچار بازتاب داخلی کامل می‌شود. توجه داشته باشید که ضریب شکست هسته از ضریب شکست پوسته بیشتر است.

یکی از پارامترهای مهم یک فیبر نوری، «زاویه پذیرش» (Acceptance Angle) یا «روزنه عددی» (Numerical Aperture) آن است که آن را به $$\theta_{a}$$ نمایش می‌دهند. زاویه پذیرش تعیین می‌کند که اگر نوری با زاویه‌ای کمتر از آن به فیبر نوری وارد شود، دچار شکست کامل شده و می‌تواند در فیبر نوری منتشر شود. پرتوهایی که در زاویه $$\theta_{a}$$ و بزرگ‌تر از آن به فیبر وارد شوند، در مرز مشترک هسته و پوسته دچار شکست شده و به داخل پوسته نفوذ کرده و در نتیجه تلف می‌شوند. با در نظر گرفتن $$\theta_{a}$$ برای هر دو نیمه بالایی و پایینی فیبر، می‌توانیم مخروطی به نام «مخروط پذیرش» (Acceptance Cone) تعریف کرده که اگر نوری در آن قرار گیرد، می‌تواند توسط فیبر نوری هدایت شود.

مطابق شکل فوق، نور حین انتشار در فیبری با زاویه پذیرش (روزنه عددی) بزرگتر، به تعداد بیشتری دچار بازتاب کامل می‌شود. روزنه عددی به صورت زیر محاسبه می‌شود.

$$NA=\sin\theta_{a}=\sqrt{n_1^2-n_2^2}$$

در رابطه فوق $$n_{1}$$ ضریب شکست هسته و $$n_{2}$$ ضریب شکست پوسته فیبر نوری است.

انواع فیبر نوری

فیبر نوری، سیگنال‌های نوری را در حالت‌های مختلفی منتشر می‌کند. این حالت‌های مختلف به «مُد یا مود» (Mode) معروف هستند. به بیان ساده به حالت‌های مختلف انتشار موج درون یک موجبر (نظیر فیبر نوری) یا کاواک (در لیزر) مُد می‌گویند. به مسیری که پرتو نور در یک فیبر نوری طی می‌کند نیز مُد می‌گویند. دقت داشته باشید که تعریف اول در خصوص مُد، دقیق‌تر و علمی‌تر است.

فیلم آموزش آشنایی با ساختار فیبر نوری و شبکه WDM در فرادرس

کلیک کنید

ساده‌ترین نوع فیبر نوری، مدل «تک مد» (Single Mode) آن است. فیبرهای نوری تک مد عموماً هسته‌ای به قطر کمتر از 10 میکرو‌متر دارند. می‌توان گفت که سیگنال نوری (پرتو نور) تنها در یک حالت و در وسط هسته فیبر حرکت می‌کند. برای مسافت‌های طولانی (در حدود 100 کیلومتر) و ارسال حجم‌ زیادی از اطلاعات نظیر کانال‌های تلویزیونی HD و اینترنت پر سرعت، غالباً از فیبر نوری تک مد استفاده می‌شود. همان‌طور که در شکل (9) مشاهده می‌شود پهنای پالس در فیبر‌های نوری تک مُد بسیار باریک بوده و لذا دچار پهن‌شدگی کمتری نسبت به فیبرهای چند مد می‌شود. از همین حیث دارای اتلاف کمتری نسبت به دیگر فیبر‌ها هستند. دلیل استفاده از فیبرهای تک مد در ارتباطات راه دور و پهن‌باند نیز همین امر است.

نوع دیگر فیبرهای نوری، «مالتی مد» (Multi Mode) نامیده می‌شوند. هسته یک فیبر مالتی مد (چند حالته - مد) می‌تواند تا 10 برابر بزرگتر از هسته یک فیبر تک مد باشد. همان‌طور که از نام این فیبر نوری بر می‌آید، سیگنال اپتیکی در چند حالت مختلف می‌تواند از طریق فیبر ارسال شود. از فیبرهای مالتی مد معمولا در فاصله‌های کوتاه و یا در شبکه‌های کامپیوتری یک سازمان کوچک استفاده می‌کنند.

مدلی از فیبرهای چند مد وجود دارند که ضریب شکست هسته آنها به صورت تدریجی تغییر کرده و عددی ثابت نیستند. در واقع ضریب شکست هسته این مدل فیبرهای نوری تابعی از مکان است (شکل 9). تصویر زیر محیطی را نشان می‌دهد که ضریب شکست آن به صورت تدریجی و به صورت تابعی از مکان تغییر می‌کند. در این نوع فیبرهای نوری به نظر می‌آید که نور خم شده است. اما در واقع نور به تعداد خیلی زیادی دچار شکست می‌شود (فرض کنید $$n$$تا محیط با ضریب شکست‌های مختلف پشت سرهم قرار گرفته‌اند.)

کاربردهای فیبر نوری

فیبر نوری به دلیل ساختار باریک و افت توان بسیار کم و در عین حال ظرفیت بسیار بالا در مخابره اطلاعات کاربردهای زیادی در صنعت مخابرات، شبکه‌های سریع کامپیوتری، انتقال نور لیزر به دیگر مکان‌‌ها، اسکنرهای پزشکی، تجهیزات نظامی و ... دارد. در ادامه به برخی از این کاربردها می‌پردازیم.

فیلم آموزش آشنایی با ساختار فیبر نوری و شبکه WDM در فرادرس

کلیک کنید

شبکه‌های مخابراتی و کامپیوتری

بیشترین کاربرد فیبر نوری امروزه در صنعت مخابرات است. فیبرهای نوری در مقایسه با همتای الکتریکی خود، یعنی زوج سیم‌های مسی، سه مزیت بزرگ دارند:

• تضعیف کمتر توان: به هنگام مخابره اطلاعات از طریق فیبر نوری، اطلاعات تقریبا تا میزان 10 برابر نیاز کمتری به تقویت و بازسازی دارند. این مزیت، فیبر نوری را به گزینه‌ای ارزان‌تر در استفاده و نگه‌داری از شبکه نسبت به کابل مسی تبدیل کرده است.
• عدم تداخل: برخلاف کابل‌های مسی هیچ‌گونه تداخلی بین مد‌های مختلف در حال انتشار در فیبر و یا تاثیر گرفتن از امواج الکترومغناطیسی محیط بیرونی مشاهده نمی‌شود. این امر را می‌توان مدیون فوتون‌ها دانست. چرا که فوتون‌ها نسبت به هم ایزوله بوده و تنها تحت شرایط خاص با یکدیگر برهمکنش می‌کنند.
• پهنای‌باند بالا: از آنجا که سیگنال‌های اپتیکی فرکانس بالاتری نسبت به امواج رادیویی دارند، و افزایش فرکانس با افزایش پهنای‌باند رابطه مستقیم دارد، یک دسته فیبر نوری به اندازه قطر یک کابل مسی، توانایی ارسال داده بسیار بیشتری دارد.

خوب است بدانید که تمامی سرور‌های اطلاعاتی دنیا و تمامی «مسیر یاب - روتر» (Router)ها که شبکه جهانی اینترنت را شکل داده‌اند از طریق فیبرنوری با یکدیگر در ارتباط هستند. با جست‌وجوی شما در گوگل و کلیک بر روی یک لینک، اطلاعات با سرعت بسیار بالایی از سروری در آن طرف کره‌ زمین از طریق فیبر نوری به سمت شما منتقل می‌شود. شاید نوع اینترنتی که شما استفاده می‌کنید هنوز بر اساس تکنولوژی‌های قدیمی نظیر ADSL باشد، اما در واقع تنها ارتباط بین شما و مرکز مخابرات (مرکز سرویس دهنده) بر اساس زوج سیم‌های مسی است و ارتباط بین مرکز مخابرات و شبکه‌ جهانی اینترنت حتماً از نوع فیبر نوری است. بدون اغراق می‌توان گفت که 99درصد کل ترافیک ارتباطات بین‌المللی از طریق فیبرهای نوری حمل می‌شود.

با همه‌گیر شدن تکنولوژی فیبر نوری برای تمامی کاربران بر اساس ساختارهای شبکه‌ای FTTH، همه مردم توانایی دسترسی به اینترنت سریع را دارند. پهنای باند بسیار بالای فیبرهای نوری اجازه استفاده راحت و بدون دغدغه به پردازش ابری را می‌دهد. سرعت و پهنای باند بالا امکان مکالمه‌های صوتی و ویدئویی را با کیفیت بسیار بالا بر بستر اینترنت فراهم می‌کند. همچنین امکان مشاهده کانال‌های تلوزیونی HD به صورت آنلاین (IPTV) فراهم می‌شود. به طور خلاصه در دنیای مدرن امروزی، اینترنت مهم‌ترین بستر اطلاعاتی و ارتباطی در جهان است. با رشد بسیار سریع حجم اطلاعات در جهان، نیاز به سرعت و پهنای‌باند بالا بیش از هر زمان دیگری احساس می‌شود.

لازم به ذکر است که ارتباط بین آنتن‌های «Base Transceiver Station) «BTS)، در واقع ارتباط بین دکل‌های مخابراتی پر سرعت موبایل نظیر $$4G$$ و $$5G$$ از طریق فیبر نوری مهیا می‌شود.

کاربردهای پزشکی

یکی دیگر از کاربردهای مهم فیبرهای نوری استفاده از آن‌ها در علم پزشکی است. از آنجا که فیبر‌های نوری نازک بوده و تا حدی که هسته آن‌ها دچار شکست نشود قابلیت خم شدن دارند، ابزار مناسبی برای رصد داخل بدن انسان از طریق سیستم‌های «اندوسکوپی» (Endoscopes) هستند. شکل (14) اجزای داخلی کابل یک سیستم اندوسکوپی را نشان می‌دهد.

یکی از نمونه‌های قدیمی این ابزارهای مبتنی بر فیبر نوری، «گاستروسکوپ» (Gastroscope) دارد که شامل چندین فیبر نوری بوده و از طریق گلو به داخل معده بیمار فرستاده می‌شود.

اساس کار سیستم‌های اندوسکوپی به این صورت است که یک لنز بسیار کوچک در انتهای یکی از فیبرهای نوری تعبیه شده و نور از طریق دیگر فیبرهای نوری برای روشنایی محیط داخلی معده، جهت مشاهده داخل معده فرستاده می‌شود.

یکی دیگر از کاربردهای فیبر نوری در پزشکی که اخیرا پیشرفت قابل ملاحظه‌ای را شاهد بوده، قرار دادن سنسورهای بسیار کوچکی بر روی فیبر نوری و فرستادن آن به داخل بدن بیمار است. این سیستم‌ها به آزمایشگاه روی فیبر (Lab on Fiber) معروف هستند. با ارسال نور به درون فیبر، تداخل سنجی و تشخیص تغییراتش (مثلا شدت یا طول موج به اندازه کم) به هنگام برگشت می‌توان اطلاعاتی را از درون بدن بیمار به دست آورد.

ژیروسکوپ‌های فیبر نوری

یکی از کاربردهای مهم فیبرهای نوری استفاده از آنها به عنوان ژیروسکوپ است. ژيروسکوپ‌های فیبر نوری (Fibre Optic Gyroscope) بر اساس تداخل سنج «ساگ‌ناگ» (Sagnac interference) تغییرات در چرخش را اندازه می‌گیرند.

اثر ساگناگ، تداخل‌ سنجی دو پرتو نوری حاصل از چرخش را بررسی می‌کند. یک پرتو نوری توسط یک «شکافنده پرتو» (Beam Splitter) دو قسمت شده و در جهت خلاف جهت یکدیگر مطابق با شکل (۱۷) وارد مسیر فیبر نوری می‌شوند. چرخش سیستم به صورت ساعتگرد و یا پادساعتگرد در بین دو پرتویی که یک از آن‌ها در جهت چرخش و دیگری در خلاف جهت چرخش است، اختلاف زمان و در نتیجه اختلاف فاز ایجاد کرده و در نتیجه بر روی طرح تداخلی اثر می‌گذارد. طرح خطوط تداخلی دو پرتو به سرعت زاوایه‌ای سیستم بستگی دارد. اختلاف فاز حاصل و سرعت زاویه‌ای چرخش را می‌توان از پرتو آشکار شده توسط فوتودیود و طرح تداخلی به دست آورد.

صنایع هوایی و نظامی

فیبرهای نوری به دلیل قیمت کمتر نسبت به زوج سیم‌های مسی، نازکی، وزن کمتر، پهنای‌باند و ظرفیت و امنیت بالا، گزینه‌ای مناسب برای ارتباط بین پایگاه و ایستگاه‌های نظامی است. از آنجا که فیبرهای نوری سیگنال‌های الکتریکی را حمل نمی‌کنند، تابش الکترومغناطیسی نداشته و لذا توسط ردیاب‌های دشمن شناسایی نمی‌شوند. فیبرهای نوری همچنین تحت تاثیر تداخل‌های الکترومغناطیسی که به عنوان یک حمله سیستماتیک توسط دشمن صورت می‌گیرند، نیستند.

فیبرهای نوری تا 90درصد نسبت به کابل‌های مسی سبک‌تر هستند. این امر باعث به کار گیری آنها در اتصالات درون هواپیما و هلیکوپترها شده است. جدا از مسئله وزن، همان‌طور که پیش‌تر بیان کردیم، تاثیر نگرفتن از نویزهای محیط بیرون مسئله مهمی در پرواز بوده که فیبرهای نوری در این زمینه بسیار موفق هستند.

یکی دیگر از کاربردهای نظامی فیبرهای نوری استفاده از آن‌ها برای هدایت موشک و یا پهپادهای کوچک است. طبق شکل (21) کابل فیبر نوری قرقره شده به طول چندین کیلومتر با به پیش رفتن موشک باز شده و در همین حین، ضمن کنترل موشک، تصاویر ارسال شده از دوربین بکار رفته در موشک به سمت ایستگاه زمینی ارسال می‌شود.

روشنایی و زیبایی

یکی دیگر از کاربردهای فیبرهای نوری در زیباسازی و تزیین محیط است. به وسیله فیبرهای نوری می‌توان نقش و نگاره‌های زیبای فعالی که با نور ساخته و یا تغییر می‌کنند ساخت.

یکی از ایده‌های جالب توجه استفاده از نور خورشید جهت روشنایی داخل ساختمان‌ها در طول روز است. مطابق با تصویر زیر، نور محیط بیرون از طریق عدسی‌هایی متمرکز شده و از طریق فیبرهای نوری به درون ساختمان هدایت می شوند. در صورت امکان استفاده از ساختار مذکور با توجه به موقعیت مکانی ساختمان، شاهد کاهش مصرف قابل ملاحظه انرژی در طول روز هستیم.