فیبر نوری و پهنای باند آن

فیبر نوری یا Optical Fiber رشته بسیار باریکی از یک مادّه شفاف مثل شیشه است و نور وارد شده با یک شکست منطقی از یک سر وارد و ازسمت دیگر خارج می کند. فیبر نوری داری پهنای باند بالاتری از کابل‌های مسی دارد و با توجه به نوع آن ، مالتی مود و سینگل مود (تفاوت در طول موج ارسال نور) به راحتی با پهنای باند ۱۰ گیگابیت بر ثانیه و بالاتر مثلا تا ۱۰۰ گیگ بر ثانیه اطلاعات را منتقل میکند.

تاریخچه فیبر نوری

شاید اولین تلاش در سیر تکاملی سیستم ارتباط نوری به وسیله الکساندر گراهام بل در سال ۱۸۸۰ صورت گرفت که درست ۴ سال پس از اختراع تلفن، اختراع تلفن نوری (فوتوفون) یا سیستمی که صدا را تا فواصل چندین صد متر منتقل می کرد، به ثبت رساند. تلفن نوری بر مبنای مدوله کردن نور خورشید بازتابیده با به ارتعاش در آوردن آینه ای کار می کرد. گیرنده یک فتوسل بود. در این روش نور در هوا منتشر می شد و بنابراین امکان انتقال اطلاعات تا بیش از ۲۰۰ متر میسر نبود. به همین دلیل، اگرچه دستگاه بل ظاهراً کار می کرد اما از موفقیت تجاری برخوردار نبود.

اولین کسانی که در قرون اخیر به فکر استفاده از نور برای انتقال اطلاعات افتادند، انتشار نور را در جو زمین تجربه کردند. اما وجود موانع مختلف نظیر گرد و خاک، دود، برف، باران، مه و… انتشار اطلاعات نوری در جو را با مشکل مواجه ساخت. بعدها استفاده از لوله و کانال برای هدایت نور مطرح گردید. نور در داخل این کانالها بوسیله آینه‌ها و عدسی‌ها هدایت می‌شد، اما از آنجا که تنظیم این آینه‌ها و عدسی‌ها کار بسیار مشکلی بود این کار نیز غیر عملی تشخیص داده شد و مردود ماند.
ایده استفاده از انکسار (شکست) برای هدایت نور (که اساس فیبرهای نوری امروزی است) برای اولین بار در سال ۱۸۴۰ توسط Daniel Colladon و Jacques Babinet در پاریس پیشنهاد شد. همچنین John Tyndall در سال ۱۸۷۰ در کتاب خود ویژگی بازتاب کلی را شرح داد: «وقتی نور از هوا وارد آب*می شود به سمت خط عمود بر سطح خم می‌شود و وقتی از آب وارد هوا می شود از خط عمود دور می شود. اگر زاویه ی پرتو نور با خط عمود در تابش از داخل آب بزرگتر از ۴۸ درجه شود هیچ نوری از آب خارج نمی‌شود در واقع نور به طور کامل از سطح آب منعکس می شود. زاویه ای که انعکاس کلی آغاز می شود را زاویه بحرانی می نامیم.
کاکو و کوکهام انگلیسی برای اولین بار استفاده از شیشه را بعنوان محیط انتشار مطرح ساختند. آنان مبنای کار خود را بر آن گذاشتند که به سرعتی حدود ۱۰۰ مگابیت بر ثانیه و بیشتر بر روی محیط‌های انتشار شیشه دست یابند. این سرعت انتقال با تضعیف زیاد انرژی همراه بود. این دو محقق انگلیسی، کاهش انرژی را تا آنجا می‌پذیرفتند که کمتر از ۲۰ دسی بل نباشد. اگر چه آنان در رسیدن به هدف خود ناکام ماندند، اما شرکت آمریکائی (کورنینگ گلس) به این هدف دست یافت. در اوایل سال ۱۹۶۰ میلادی با اختراع اشعه لیزر ارتباطات فیبرنوری ممکن گردید. در سال ۱۹۶۶ میلادی، دانشمندان در این نظریه که نور در الیاف شیشه‌ای هدایت می‌شود پیشرفت کردند که حاصل آن از کابلهای معمولی بسیار سودمندتر بود. چرا که فیبرنوری بسیار سبکتر و ارزانتر از کابل مسی است و در عین حال ظرفیت انتقالی تا چندین هزار برابر کابل مسی دارد.
توسعه فناوری فیبرنوری از سال ۱۹۸۰ میلادی به بعد باعث شد که همواره مخابرات نوری بعنوان یک انتخاب مناسب مطرح باشد. تا سال ۱۹۸۵ میلادی در دنیا نزدیک به ۲ میلیون کیلومتر کابل نوری نصب شده و مورد بهره برداری قرار گرفته ‌است.

ساختار کابل فیبر نوری

اگر فیبر نوری را برش عرضی بزنیم متوجه ساختار چند لایه آن می شویم. سه لایه اصلی به ترتیب از درون به بیرون برابرند با:

  • هسته
  • غلاف
  • روکش خارجی هسته و غلاف از ماده ای شفاف مانند شیشه و از جنس سیلیکون ساخته می شوند.هسته و غلاف خواص نوری متفاوتی دارند و از ضریب شکست های مختلفی بهره می گیرند.

کابل، محافظی برای فیبر نوری فراهم می کند تاحدی که برای محیطی که در آن نصب شده است مناسب باشد. کابل فیبر نوری اشاره به مونتاژ کامل فیبر ها و دیگر قسمت های داخلی مثل buffer tube، ripcords، stiffeners و اعضای مقاوم که همه در یک پوشش محافظ بیرونی به نام ژاکت شامل می شوند، دارد.

کابل های فیبر نوری بسته به تعداد فیبر ها و نحوه و جایی که در آن نصب خواهند شد در انواع مختلفی وجود دارند. مهم است که کابل را با دقت انتخاب کنیم، به این دلیل که این انتخاب چگونگی نصب، اتصال یا ترمینال آسان کابل و آنچه که در آن هزینه خواهد شد را تحت تاثیر قرار خواهد داد. کار کابل، محافظت فیبر ها از شرایط محیطی مختلف در هنگام نصب از قبیل مرطوب شدن، مقاومت بالا در برابر کشش برای نصب در داکت یا کشش های مداوم در نصب های هوایی، مقاوم در برابر شعله، انعطاف پذیری بالا، مواجهه با درجه دمایی بالا یا مواد شیمیایی می باشد.

در داخل ساختمان، مقاومت کابل ها برای محافظت فیبر ها خیلی زیاد نیست، اما بهتر است در برابر آتش مقاوم باشند. در خارج ساختمان بستگی به این دارد که کابل مستقیما در خاک دفن می شود یا در داکت قرار می گیرد یا به صورت هوایی ، تمام کابل ها از لایه های حفاظت برای فیبر ها تشکیل شده اند:
(کابل های tight buffer مثل انواع Zipcord، Distribution، Loose Tube، Breakout):

یک پوشش محافظ نرم می باشد که به طور مستقیم به فیبر پوشش شده ۲۵۰ میکرونی برای ارائه محافظت اضافی فیبر، اجازه مدیریت آسان تر، حتی ترمینال مستقیم بر روی فیبر اعمال می شود.

‎ (loose tube cables) Loose Tube:‏
تیوب های پلاستیکی باریک و کوچک، شامل ۱۲ فیبر ۲۵۰ میکرون بافر شده که برای محافظت فیبر ها در کابل ها برای استفاده در محیط های بیرونی استفاده شده اند می باشند. آنها به فیبر ها اجازه می دهند تا درمقابل کشش زیاد مقاوم باشند و می توانند با مواد مسدود کننده آب برای جلوگیری از ورود رطوبت پر شوند.

عناصر و اعضای مقاوم ساز کابل فیبر نوری:
معمولا نخ آرمید، همان ماده استفاده شده در جلیقه ضد گلوله، که با نام تجاری Kevlar توسط DuPont نامیده می شود، کشش مورد نیاز برای کشیدن کابل و فراهم کردن زیرساخت برای فیبر ها در کابل را تامین می کند. الیاف آرمید به تنهایی استفاده نمی شوند به دلیل اینکه آنها مقاوم هستند اما قابل کشش نیستند. حتی اگر سخت کشیده شوند، آنها کشیده نمی شوند اما در نهایت زمانی که بیش از حد توانشان کشیده می شوند می شکنند. این تضمین می کند که اعضای مقاوم کشیده نمی شوند و همچنین راحت به فیبر های موجود در کابل متصل نمی شوند. روش مناسب کشیدن کابل های فیبر نوری این است که همیشه طناب، نوار یا سیم کشش به اعضای مقاوم متصل شود.• برخی از فیبر ها شامل یک میله فایبر گلاس مرکزی استفاده شده برای قدرت اضافی و سفت شدن کابل برای جلوگیری از پیچ خوردگی و آسیب رسیدن به فیبر ها می باشند.

• ژاکت
خارجی ترین لایه ی حفاظت برای فیبر ها که جهت محافظت در برابر محیط زیست در کابل هایی که نصب شده اند انتخاب شده اند، می باشد. کابل های خارجی همگی پلی اتیلن مشکی (PE) می باشند که دربرابر رطوبت و در معرض نور خورشید مقاوم می باشند. کابل های indoor از ژاکت های مقاوم دربرابر شعله که می تواند برای شناسایی فیبر های درون کابل کد گذاری رنگی شود استفاده می کنند. برخی کابل های outdoor ممکن است دو ژاکت با یک زره فلزی بین آنها برای محافظت از جویدگی توسط جوندگان، یا kevlar جهت محافظت از کشیدگی توسط ژاکت ها داشته باشند. کابل های indoor و outdoor یک ژاکت PE خارجی دارند که می تواند برای آشکار سازی ژاکت داخلی بازدارنده شعله برای استفاده در ساختمان ها حذف شود.

• محافظت در برابر آب و رطوبت:
کابل های نصب شده در حالت outdoor نیاز به حفاظت فیبر ها از آب و رطوبت دارند که با یک ژل یا نوار جاذب یا پودر از ورود آب به کابل که موجب آسیب دیدن فیبر ها می شود جلوگیری می کند. به طور کلی، این اعمال می شود به کابل های loose tube یا ribbon cable ها، اما مسدود کنندگان آب خشک در تعدادی کابل های tight buffer به کار برده شده در اجراهای کوتاه outdoor استفاده می شوند، مثل اتصال ساختمان به ساختمان در دانشگاه یا آنتن های وایرلس خارجی یا دوربین های CCTV.