کاربرد وعملکرد فیبرنوری
یک شنبه 16 مهر 1391 9:18 PM
کاربرد و عملکرد فيبر نوري
فيبرنوري يکي از محيط هاي انتقال داده با سرعت بالا است. امروزه از فيبر نوري در موارد متفاوتي نظير: شبکه هاي تلفن شهري و بين شهري، شبکه هاي رايانه اي و اينترنت استفاده مي شود. فيبرنوري رشته اي از تارهاي شيشه اي است که هر يک از تارها داراي ضخامتي معادل تار موي انسان دارد و از آن براي انتقال اطلاعات در مسافت هاي طولاني استفاده مي شود.
● مباني فيبرنوري
فيبرنوري، رشته اي از تارهاي بسيار نازک شيشه اي است که قطر هر يک از تارها نظير قطر يک تار موي انسان است. تارهاي فوق در کلاف هايي سازماندهي و کابل هاي نوري را به وجود مي آورند. از فيبرنوري به منظور ارسال سيگنال هاي نوري در مسافت هاي طولاني استفاده مي شود.
● مزاياي فيبرنوري
فيبرنوري در مقايسه با سيم هاي مسي داراي مزاياي زير است:
▪ ارزان تر: هزينه چندين کيلومتر کابل نوري نسبت به سيم هاي مسي کمتر است.
▪ نازک تر: قطر فيبرهاي نوري به مراتب کمتر از سيم هاي مسي است.
▪ ظرفيت بالا: پهناي باند فيبرنوري به منظور ارسال اطلاعات به مراتب بيشتر از سيم مسي است.
▪ تضعيف ناچيز: تضعيف سيگنال در فيبرنوري به مراتب کمتر از سيم مسي است.
▪ سيگنال هاي نوري: برخلاف سيگنال هاي الکتريکي در يک سيم مسي، سيگنال هاي نوري در يک فيبر تاثيري بر فيبر ديگر نخواهند داشت.
▪ مصرف برق پايين: با توجه به اينکه سيگنال ها در فيبرنوري کمتر ضعيف مي شوند، بنابراين مي توان از فرستنده هايي با ميزان برق مصرفي پايين نسبت به فرستند ه هاي الکتريکي که از ولتاژ بالايي استفاده مي کنند، استفاده کرد.
▪ سيگنال هاي ديجيتال: فيبرنوري براي انتقال اطلاعات ديجيتالي مناسب است.
▪ غيراشتعال زا: با توجه به عدم وجود الکتريسيته، امکان بروز آتش سوزي وجود نخواهد داشت.
▪ سبک وزن: وزن يک کابل فيبرنوري به مراتب کمتر از کابل مسي (قابل مقايسه) است.
▪ انعطاف پذير: با توجه به انعطاف پذيري فيبرنوري و قابليت ارسال و دريافت نور از آن، در موارد متفاوت نظير دوربين هاي ديجيتال با موارد کاربردي خاص مانند: عکس برداري پزشکي، لوله کشي و ... استفاده مي شود.
با توجه به مزاياي فراوان فيبرنوري، امروزه از اين نوع کابل ها در موارد متفاوتي استفاده مي شود. اکثر شبکه هاي رايانه اي و يا مخابرات از راه دور در مقياس وسيعي از فيبرنوري استفاده مي کنند.
● بخش هاي مختلف فيبرنوري
يک فيبرنوري از سه بخش متفاوت تشکيل شده است:
▪ هسته (Core)
هسته نازک شيشه اي در مرکز فيبر نوري که سيگنال هاي نوري در آن حرکت مي کنند.
▪ روکش Cladding بخش خارجي فيبر بوده که دورتادور هسته را احاطه کرده و باعث برگشت نورمنعکس شده به هسته مي شود.
▪ با فررويه Buffer Coating
روکش پلاستيکي که باعث حفاظت فيبر در مقابل رطوبت و ساير موارد آسيب پذير، مي شود.
● انواع فيبرنوري
صدها و هزاران نمونه از رشته هاي نوري فوق در دسته هايي سازماندهي شده و کابل هاي نوري را به وجود مي آورند. هر يک از کلاف هاي فيبرنوري توسط روکش هايي با نام Jacket محافظت مي شوند. فيبرهاي نوري در دو گروه عمده ارائه مي شوند:
▪ فيبرهاي تک حالته (Single-Mode)
به منظور ارسال يک سيگنال در هر فيبر استفاده مي شود نظير: تلفن
▪ فيبرهاي چند حالته Multi-Mode
به منظور ارسال چندين سيگنال در يک فيبر استفاده مي شود (نظير: شبکه هاي رايانه اي) فيبرهاي تک حالته داراي يک هسته کوچک (تقريباً ۹ ميکرون قطر) بوده و قادر به ارسال نور ليزري مادون قرمز (طول موج از ۱۳۰۰ تا ۱۵۵۰ نانومتر) مي باشند. فيبرهاي چند حالته داراي هسته بزرگتر (تقريبا ۵/۶۲ ميکرون قطر) و قادر به ارسال نورمادون قرمز از طريق LED مي باشند.
● ارسال نور در فيبرنوري
فرض کنيد، قصد داشته باشيم با استفاده از يک چراغ قوه يک راهروي بزرگ و مستقيم را روشن کنيم. همزمان با روشن نمودن چراغ قوه، نور مربوطه در طول مسير مستقيم راهرو تابانده شده و آن را روشن خواهد کرد. با توجه به عدم وجود پيچ و خم در راهرو در رابطه با تابش نور چراغ قوه مشکلي وجود نداشته و چراغ قوه مي تواند (با توجه به نوع آن) محدوده موردنظر را روشن کند. در صورتي که راهروي فوق داراي پيچ و خم باشد، با چه مشکلي برخورد خواهيم کرد؟
در اين حالت مي توان از يک آيينه در محل پيچ راهرو استفاده کرد تا باعث انعکاس نور از زاويه مربوطه شود. در صورتي که راهروي فوق داراي پيچ هاي زيادي باشد، چه بايد کرد؟ در چنين حالتي در تمام طول مسير ديوار راهروي موردنظر بايد از آيينه استفاده کرد. به اين ترتيب نور تابانده شده توسط چراغ قوه (با يک زاويه خاص) از نقطه اي به نقطه ديگر حرکت کرده (جهش کرده) و طول مسير راهرو را طي خواهد کرد. عمليات فوق مشابه آن چيزي است که در فيبر نوري انجام مي شود.
● فناوري فيبر نوري
نور، در کابل فيبرنوري از طريق هسته (نظير راهروي مثال ارائه شده) و توسط جهش هاي پيوسته (با توجه به سطح آبکاري شده) و(Cladding مشابه ديوارهاي شيشه اي مثال ارائه شده) حرکت مي کند. (مجموع انعکاس داخلي). با توجه به اين که سطح آبکاري شده، قادر به جذب نور موجود در هسته نيست، نور قادر به حرکت در مسافت هاي طولاني مي باشد، برخي از سيگنال هاي نوري به دليل عدم خلوص شيشه موجود، ممکن است دچار نوعي تضعيف در طول هسته شوند. ميزان تضعيف سيگنال نوري بستگي به درجه خلوص شيشه و طول موج نور انتقالي دارد. براي مثال، موج با طول ۸۵۰ نانومتر بين ۶۰ تا ۷۵ درصد در هر کيلومتر، موج با طول ۱۳۰۰ نانومتر بين ۵۰ تا ۶۰ درصد در هر کيلومتر، موج با طول ۱۵۵۰ نانومتر بيش از ۵۰ درصد در هر کيلومتر.
● سيستم رله فيبرنوري
به منظور آگاهي از نحوه استفاده فيبرنوري در سيستم هاي مخابراتي، مثالي را ارائه خواهيم کرد که مربوط به يک فيلم سينمايي و يا مستند در رابطه با جنگ جهاني دوم است. در فيلم فوق دو ناوگان دريايي که بر روي سطح دريا در حال حرکت مي باشند، نياز به برقراري ارتباط با يکديگر در يک وضعيت کاملا بحراني و توفاتي را دارند. يکي از ناوها قصد ارسال پيام براي ناو ديگر را دارد. کاپيتان ناو فوق پيامي براي يک ملوان که بر روي عرشه کشتي مستقر است، ارسال مي کند. ملوان، پيام دريافتي را به مجموعه اي از کدهاي مورس (نقطه و فاصله) ترجمه مي کند. در ادامه ملوان مورد نظر با استفاده از يک نورافکن اقدام به ارسال پيام براي ناو ديگر خواهد کرد.
يک ملوان بر روي عرشه کشتي دوم، کدهاي مورس ارسالي را مشاهده و آنها را به زبان خاص (مثلا انگليسي) تبديل کرده و براي کاپيتان ناو ارسال مي کند. فرض کنيد فاصله دو ناو فوق از يکديگر بسيار زياد (هزاران مايل) باشد و به منظور برقراري ارتباط بين آنها از يک سيستم مخابراتي مبتني بر فيبرنوري استفاده شود.
سيستم رله فيبرنوري از عناصر زير تشکيل شده است:
▪ فرستنده: مسئول توليد و رمزنگاري سيگنال هاي نوري است.
▪ فيبرنوري: مديريت سيگنال هاي نوري در يک مسافت را برعهده دارد.
▪ بازياب نوري: به منظور تقويت سيگنال هاي نوري در مسافت هاي طولاني استفاده مي شود.
▪ دريافت کننده نوري: سيگنال هاي نوري را دريافت و رمزگشايي مي کند.
در ادامه به بررسي هر يک از عناصر فوق مي پردازيم.
● فرستنده
وظيفه فرستنده، مشابه نقش ملوان بر روي عرشه کشتي ناو فرستنده پيام است. فرستنده، سيگنال هاي نوري را دريافت و دستگاه نوري را به منظور روشن و خاموش شدن در يک دنباله مناسب (حرکت منسجم) هدايت مي کند. فرستنده، از لحاظ فيزيکي در مجاورت فيبر نوري قرار دارد و ممکن است داراي يک لنز به منظور تمرکز نور در فيبر باشد. ليزرها داراي توان به مراتب بيشتري نسبت به LED مي باشند. قيمت آنها نيز در مقايسه با LED به مراتب بيشتر است. متداول ترين طول موج سيگنال هاي نوري، ۸۵۰ نانومتر، ۱۳۰۰ نانومتر و ۱۵۵۰ نانومتر است.
● بازياب (تقويت کننده) نوري
همانگونه که قبلا اشاره شد، برخي از سيگنال ها در مواردي که مسافت ارسال اطلاعات طولاني باشد (بيش از يک کيلومتر) و يا از مواد خالص براي تهيه فيبرنوري (شيشه) استفاده نشده باشد، تضعيف و از بين خواهند رفت. در چنين مواردي و به منظور تقويت (بالا بردن) سيگنال هاي نوري تضعيف شده از يک يا چندين «تقويت کننده نوري» استفاده مي شود.
تقويت کننده نوري از فيبرهاي نوري متعدد به همراه روکشي خاص (doping) تشکيل مي شوند. بخش دوپينگ با استفاده از يک ليزر پمپ مي شود. زماني که سيگنال تضعيف شده به روکش دوپينگي مي رسد، انرژي ماحاصل از ليزر باعث مي شود که مولکول هاي دوپينگ شده، به ليزر تبديل شوند، مولکول هاي دوپينگ شده در ادامه باعث انعکاس يک سيگنال نوري جديد و قوي تر با همان خصايص سيگنال ورودي تضعيف شده، خواهند بود. (تقويت کننده ليزري)
● دريافت کننده نوري
وظيفه دريافت کننده، مشابه نقش ملوان بر روي عرشه کشتي ناو دريافت کننده پيام است. دستگاه فوق سيگنال هاي ديجيتالي نوري را اخذ و پس از رمزگشايي، سيگنال هاي الکتريکي را براي ساير استفاده کنندگان (رايانه، تلفن و ...) ارسال مي کند. دريافت کننده به منظور تشخيص نور از يک «فتوسل» و يا «فتوديود» استفاده مي کند.
