بسم اللهالرحمن الرحیم
فیبرنوری
فيبر نوري يك ابزار نوري شناخته شده از شيشه وپلاستيك است كه نور را در طول خودجابه جا مي كند. فيبر هاي نوري نتيجه ي همكاري علوم كاربردي و مخصوصي در طراحي و كار برد است.
امروزه استفاده از فيبرهاي نوري به دليل مزيت هاي فوق العاده، در انتقال اطلاعات در طي مسيرهاي طولاني باپهناي باند بسيار زياد، بر ديگر ابزارهاي ارتباطي گسترش يافته است.
بدليل از دست دادن اطلاعات در طي مسير در ساخت فيبرهاي نوري از فلزات استفاده نمي شود، در صورتيكه اين فيبرها كاملا از هر گونه تداخل هاي مغناطيسي مصون هستند. طراحي فيبرها به گونه اي انجام شده كه بتوان از آنها كاربردهاي متنوعي همچون استفاده در فيبرهاي ليزري وحسگرها را شاهد بود.
نور در داخل فيبرهاي نوري بوسيله باز تاب كلي نگاه داشته مي شود واين سبب مي شود كه فيبر مثل يك مو جر عمل كند.
تاريخچه فيبر نوري
دنيل كلادن نخستين فردي است كه در سال 1842 توانست فواره‌ي نوري يا فيبر نوري را اختراع كند.
تصوير بالا يك تصوير منحصر به فرد از آخرين رونمايي اين اختراع توسط كلان است.
پس ازاختراع ليزر درسال 1960ميلادي ايده به كار گيري فيبرنوري براي انتقال اطلاعات شكل گرفت. خبر ساخت اولين فيبر نوري در سال 1966هم زمان در انگليس وفرانسه اعلام شد كه عملا در انتقال اطلاعات مخابراتي قابل استفاده نبود تااينكه در سال 1976با كوشش فراوان پژوهندگان، تلفات فيبر نوري توليدي شديدا كاهش داده شد وبه مقداري رسيد كه قابل ملاحظه با سيم هاي هم محور به كار رفته در شبكه مخابرات بود.
فيبر نوري از پالس هاي نور براي انتقال داده هااز طريق تارهاي سيلكون بهره مي گيرد. يك كابل فيبر نوري كه كمتر ازيك اينچ قطر دارد مي تواند صدها هزار مكالمه صوتي راحمل كند. فيبرهاي نوري تجاري ظرفيت 25گيگا بايت در ثانيه تا 10گيگابايت درثانيه را فراهم مي سازند.
فيبر نوري ازچند ين لايه ساخته مي شود. دروني ترين لايه را هسته شامل يك تار كاملا بازتاب كننده ازشيشه خالص است. هسته در بعضي از كابل ها از پلاستيك كاملا بازتابنده ساخته مي شود،
كه هزينه ساخت را پايين مي آورد. با اين حال، يك هسته پلاستيكي معمولا كيفيت شيشه را ندارد وبيشتر براي حمل داده ها در فواصل كوتاه به كار مي رود. حول هسته بخش پوسته قرار دارد، كه از شيشه يا پلاستيك ساخته مي شودكه نور در هسته تابيده شود تااز سطحي به طرف مركز هسته باز تابيده شود كه در آن دوباره به هم مي رسند. اين عمل باز تاب نور به مركز هسته را بازتاب داخلي كلي مي نامند. قطر هسته وپوسته باهم حدود 125ميكرون است(هر ميكرون معادل يك ميليونيوم متر است)كه در حدود اندازه تار موي انسان است. بسته به سازنده، حول پوسته چند لايه محافظ، شامل يك پوشش قرار مي گيرد.
يك پوشش محافظ پلاستيكي سخت لايه بيروني را تشكيل مي دهد. اين لايه كل كابل را در خود نگه مي دارد، كه مي تواند صدها فيبر نوري مختلف را در بر بگيرد. قطر يك كابل نمونه كمتر از يك اينچ است.
از لحاظ كلي، دو نوع فيبر وجود دارد:تك حا لتي وچند حالتي.
فيبر تك حالتي يك سيگنال نوري را درهر زمان انتشار مي دهد، درحا ليكه فيبر چند حالتي مي تواند صدها حالت نور رابه طور هم زمان انتقال بدهد.
بنابر اين اگر به صورت خلاصه بخواهيم بيان كنيم يك فيبر نوري ازسه بخش متفاوت تشكيل شده است:
1. هسته(core):هسته نازك شيشه اي در مركز فيبر كه سيگنال هاي نوري در آن حركت مي نمايند.
2. روكش cladding:بخش خارجي فيبر بوده كه دور تا دور هسته را احاطه كرده است وباعث برگشت نور منعكس شده به هسته مي گردد.
3. با رويه (Buffer coating):روكش پلاستيكي كه باعث حفاظت فيبر در مقابل رطوبت وساير موارد آسيب پذير است.
صدها وهزاران از رشته هاي نوري فوق در دسته هايي سازماندهي شده وكابل هاي نوري را بوجود مي آورند. هر يك از كلاف هاي فيبر نوري توسط روكش هايي با نام (jacket)محافظت مي شوند.
انواع كابل نوري:
1. كابل نوري ژله فيلد كانالي (ocfc)عموما درشبكه هاي درون شهري و بين مراكز مخابراتي استفاده مي شوند.
2. كابل نوري ژله فيلد خاكي (oBFc):معمولا در شبكه هاي زير ساخت وبين شهري در مساحت هاي طولاني استفاده مي شود.
3. كابل نوري مهار دار (ossc):در مناطق رو ستايي ومخابراتي مورد استفاده قرار مي گيرد وشكل كابل به صورت 8مي باشد.
كاربردهاي فيبر نوري
كاربرد در حسگرها:استفاده از حسگرها ي فيبر نوري براي اندازه گيري كميت هاي فيزيكي مانند جريان الكتريكي، ميدان مغناطيسي، فشار، حرارت، جابه جايي، آلودگي آب هاي دريا، سطح مايعات تششعات پرتو هاي گاما وايكس در سال هاي اخير شروع شده است. در اين نوع حسگرها، از فيبر نوري به عنوان عنصر اصلي حسگر بهره گيري مي شودبدين ترتيب كه ويژگي هاي فيبر تحت ميدان كميت مورد اندازه گيري تغيير يافته وبا اندازه شدت كميت تاثير پذير مي شود.
كاربرد هاي نظامي:فيبر نوري كاربردهاي بي شماري در صنايع دفاع دارد كه از آن جمله مي توان برقراري ارتباط وكنترل باآنتن رادار، كنترل وهدايت موشك ها، ارتباط زير دريا ييها (هيد روفون) را نام برد.
كاربردهاي پزشكي: فيبر نوري در تشخيص بيماريها وآزمايش هاي گوناگون در پزشكي كاربردفراوان دارد كه از آن جمله مي توان چنده سنجي (دزيمتري)غدد سرطاني، شناسايي نارسايي هاي داخلي بدن، جراحي ليزري، استفاده در دندانپزشكي واندازه گيري مايعات وخون نام برد.
واز جمله كاربر دهاي فيبرنوري كه در اواخر قرن بيستم به عنوان يك فناوري روشنايي متداول شده ودر چند سال قرن اخير توسعه ورشد فراواني پيداكرده است كاربرد آن در سيستم هاي روشنايي است. در اين فناوري از منبع نوري كه ميتواند نور مصنوعي (نور لامپ هاي الكتريكي )ويا نور طبيعي (نور خورشيد)باشد وارد فيبر نوري شده و ازاين طريق به محل مصرف منتقل مي شود به اين ترتيب نور به هر نقطه اي كه در جهت تابش مستقيم آن نمي باشد منتقل مي شود.
امتياز اين نور كه موجبات رشد سريع به كار گيري وتوجه زياد به اين فناوري شده است اين است كه فاقد الكتريسيته گرما وتشعشات خطرناك ماوراء بنفش بوده (نور خالص وبي خطر )وديگر اينكه با اين فناوري مي شود نور روز (بدون گرما واشعه هاي ماوراء بنفش )را هم به دلخل ساختمان ها ونقاط غير قابل دسترس به نور خورشيد منتقل كرد
يك فيريزبي (وسيله‌ي تفريحي) درخشان بوسيله‌ي فيبر نوري
مفاهيم اصلي در فيبرهاي نوري
يك فيبر نوري از يك موجبر استوانه ايي عايق ساخته شده است كه نور درت طول محور آن در اثر باز تاب كلي داخلي پيش مي رود. آنچه در ساخت اين ابزار نوري مورد استفاده قرار مي گيرد، يك هسته مركزي است كه توسط غلاف پوشيده شده است.
براي محبوس كردن يك سيگنال در داخل هسته مي بايست ضريب شكست هسته از ضريب شكست غلاف آن بيشتر باشد با توجه به تفاوت بين ضريب شكست هسته وغلاف، انواع فيبر نوري به صورت زير تعريف مي شود:
1. فيبرهاي با ضريب شكست تدريجي
2. فيبرهاي با ضريب شكست پله ايي
ضريب شكست
ضريب شكست راهي براي اندازه گيري سرعت نور در محيط هاي مختلف است، همانطور كه مي دانيم سر عت نور در خلا بيشتر از ساير محيط ها است وبرابر 300ميليون متر در هر ثانيه است. ضريب شكست از تقسيم سرعت نور در خلا بر سرعت نور در هر محيط مورد نظر ديگر بدست مي آيد.
مقدار ضريب شكست در خلا 1تعريف مي شود، مقدار عددي ضريب شكست در غلاف فيبر نوري برابر 46/1است ومقدار آن براي هسته فيبر نوري برابر 48/1است، بيشترين ضريب شكست را محيطي دارد كه سدعت نور در آن از ساير محيط ها كمتر است
باز تاب داخلي كلي
هنگامي كه نور به مرز يك محيط چگال با ضريب شكست بالا بر خورد مي كند، در مرز با زاويه تندي (بزرگتر از زاويه بحراني)دچار باز تاب كلي مي شود. اين روش در ساختار فيبر هاي نوري براي محصور كردن نور در هسته بكار مي آيد.
نوردر طي يك فيبر نوري با توان بالا، حركت رلت وبر گشتي در بين دو مرز را ادامه مي دهد. نور تنها در صورتي مي تواند وارد فيبر نوري شود كه تحت زاويه خاصي به مرزهاي فيبر بتابد (بزرگتر از زاويه بحراني )كه اين زاويه، زاويه پذيرش فيبر نام دارد.
اندازه اين زاويه پذيرش با aمشخص مي شود كه تابع تفاضل ضريب شكست هاي هسته وغلاف است. به بيان ساده تر، زاويه بيشينه ايي وجودداردكه در آن زاويه نور توان اين را دارد كه در طول هسته فيبر انتشار و گسترش پيدا كند، اين زاويه بيشينه گشودگي عددي (فيبر انتشار و گسترش پيدا كند، اين زاويه بيشينه گشودگي عددي(NA )ناميده مي شود.
فيبرهايي كه NA بزرگي دارند نياز به دقت زيادي در اتصال دو فيبر به هم ندارند، در صورتي كه فيبرهاي با بزرگي دارند نياز به دقت زيادي در اتصال دو فيبر به هم ندارند، در صورتي كه فيبرهاي با NA كوچكتر نيازمند دقت بيشتري هستند، فيبرهاي تك مد ازاين نوع فيبرها هستند.
فيبرهاي چند مدي
انتشار نور در طول يك فيبر نوري چند مد
شكل بالا انتشار يك ليزر كم توان را در يك ميله پلاستيكي نشان مي دهد، اين دقيقا نحوه عملكرد نور در يك فيبر نوري چند مد را نشان مي دهد.
فيبرهايي با ضخامت (قطر هسته)بيشتر از 10ميكرو متر توسط اپتيك هندسي مورد برر سي قرار مي گيرند، ازجمله اين فيبرها، فيبرهاي چند مد هستند.
در فيبرهاي چند مد با ضريب شكست پله اي، نور در طول هسته با بازتاب كلي داخلي پيش مي رود. هنگامي كه باريكه نور با زاويه اي بزرگتر از زاويه بحراني به مرز هسته غلاف بر خورد ميكند كاملا بازتاب رخ مي دهد. زاويه بحراني (كمينه زاويه مورد نياز براي باز تاب كلي)بوسيله تعيين اختلاف ضريب شكست هسته و غلاف قابل محاسبه است.
باريكه اي از نور كه با زاويه كمي به مرز برمورد مي كند ازهسته به داخل غلاف بازتاب نمي كند ونور در داخل فيبر هدايت نمي شود ودر نتيجه اطلاعلت هم انتقال نمي يابند زاويه بحراني در هر فيبر با زاويه پذيرش تعريف مي شود كه اغلب به اندازه گشودگي عددي گزارش مي شود.
گشودگي عددي زياد سبب مي شود كه نور در طول فيبر نوري كمتر در نزديكي محور انتشار پيدا كند ودر جهات وزاويه هاي مختلف انتشار يابد. همچنين گشودگي عددي زياد باعث افزايش پراكندگي هاي نور از زاويه هاي مختلف مي شود وهر باريكه در زمان هاي مختلف فيبر را مي پيمايند. بنا بر اين گشودگي عددي كمتر مناسب تر است.
انواع فيبر نوري
در فيبرهاي چند مد باضريب شكست تدريجي، ضريب شكست هسته مدام بين محور وغلاف تغيير مي كند وعلت اين تغيير، خم شدن نور در هنگام نزديكي باريكه نور به غلاف است كه سريع تر از بازتاب ازمرز هسته غلاف صورت مي گيرد.
فيبر نوري تك مدي
ضخامت لايه هاي تشكيل دهنده آن نشان داده شده است. در اين فيبرهاي نوري كه ضخامت هسته، نها حدود ده برابر كمتر از طول موج انتشار نور است نمي توان مدل مورد استفاده در اپتيك هندسي را بكار برد.
در عوض مي توان اين فيبر ها را با استفاده از ساختار الكترو مغناطيسي مورد بررسي قرار داد وراه حل هايي با استفاده از حل معادلات موج ماكسول براي كاستن معادلات موج الكترو مغناطيسي ارائه داد.
همچنين بررسي هاي الكترو مغناطيسي، منجر به فهم برخي از واقعيت ها همچون نقطه نوراني ناشي از انتشار نور همدوس در فيبرهاي چند مد مي شود.
بررسي هاي انجام شده در موجبر ها نشان مي دهد كه انرژي نوراني كاملا در هسته محبوس نمي شود ودر عوض در فيبرهاي تك مد بخش مهمي از انرژي مانند موجي ناپايدار به ناحيه مرز غلاف مي رود.
اغلب فيبرهاي تك مد ضخامتي حدود 10-8ميكرو دارند وبراي محدوده مادون قرمز طراحي شده اند. طرز ساخت فيبرها بر اساس طول موج نوري است كه از آن عبور خواهد كرد، بنابر اين اين فيبر ها تعداد كمي از مدهاي اضافي در محدوده نور مرئي را پشتيباني مي كنند.
در مقايسه با فيبرهاي تك مد، فيبرهاي چند مد با ضخامت هسته ايي بين 100-50ميكرو متر توليد مي شوند. همچنين فركانس به هنجار شده براي اين فيبرها بايد ازتابع بسل كمتر باشد. (تقريبا 405/2)
فيبرهاي تك منظوره
فيبرهاي نوري تك منظوره هسته اي غير استوانه اي دارند واز يك لايه غلاف تشكيل شده اند ومعمولا شكل مقطع عرضي آنها بيضي شكل يا مستطيل شكل است.
در ساختار برخي ازسفيبرهاي نوري از خاصيت پراش، براي عبور نور از داخل هسته، بجاي باز تابش كلي استفاده مي شود؛از خاصيت اين فيبرها مي توان بطور گسترده ايي استفاده كرد.
پي آمدهاي سودمند
فيبر هاي كاربردي معمولا با يك محافظ از جنس زرين پوشانده مي شوند وسپس از روي آن يك غلاف پلاستيكي دور تا دور آن را مي پوشاند اين لايه هاي اضافي كه براي استحكام فيبرها از آنها استفاده مي شود، هيچ نقشي در عمل كرد فيبرها براي هدايت امواج ندارند. در مجموعه فيبرهاي صلب از شيشه اي استفاده مي شود كه باعث جذب نور شده واجازه نمي دهد كه نور از يك فيبر به فيبر ديگر عبور كند. كابل هاي فيبر نوري كه به تازگي ساخته شدهاند در پوشش ها وغلاف هاي متنوعي، براي كاربردهاي مختلفي طراحي شده اند كه ازآن جمله استفاده در :هدايت زير زميني اطلاعات، جدا سازي سيم هاي ولتاژبالا، استفاده دو گانه بعنوان خط قدرت، جدا سازي مجراي سيم ها، نگهداري تيرك هاي تلفن، نصب تاسيسات زير دريايي و تعبيه در آسفالت خيابان ها.
فيبر نوري نسل سوم
طراحان فيبر هاي نسل سوم، فيبرهايي را در نظر داشتند كه داراي كمترين تلفات وپاشندگي در طول موج 1. 3ميكرون بهره جستند وفيبري را طراحي كردند كه داراي ساختار نسبتا پيچيده تري بود. در عمل با تغييراتي در پروفايل ضريب شكست فيبرهاي تك مد از نسل دوم، كه حداقل پا شندگي آن در محدوده 1. 3ميكرون قرار داشت به محدوده 55-1 ميكرون انتقال داده شد و بدين ترتيب فيبر نوري با ماهيت متفاوتي موسوم به فيبر دي . اس . اف .
مزاياي فيبر نوري
فيبر نوري در مقايسه با سيم هاي هاي مسي داراي مزاياي زير است:
· ارزانتر. هزينه چندين كيلومتر كابل نوري نسبت به سيم هاي مسي كمتر است .
· نازك تر. قطر فيبرهاي نوري بمراتب كمتر از سيم هاي مسي است .
· ظرفيت بالا. پهناي باند فيبر نوري بمنظور ارسال اطلاعات بمراتب بيشتر از سيم مسي است .
· تضعيف ناچيز. تضعيف سيگنال در فيبر نوري بمراتب كمتر از سيم مسي است .
· سيگنال هاي نوري . برخلاف سيگنال هاي الكتريكي در يك سيم مسي ، سيگنا ل ها ي نوري در يك فيبر تاثيري بر فيبر ديگر نخواهند داشت .
· مصرف برق پايين . با توجه به سيگنال ها در فيبر نوري كمتر ضعيف مي گردند ، بنابراين مي توان از فرستنده هائي با ميزان برق مصرفي پايين نسبت به فرستنده هاي الكتريكي كه از ولتاژ بالائي استفاده مي نمايند ، استفاده كرد.
· سيگنال هاي ديجيتال . فيبر نور ي مناسب بمنظور انتقال اطلاعات ديجيتالي است .
· غير اشتعال زا . با توجه به عدم وجود الكتريسيته ، امكان بروز آتش سوزي وجود نخواهد داشت .
· سبك وزن . وزن يك كابل فيبر نوري بمراتب كمتر از كابل مسي (قابل مقايسه) است.
· انعطاف پذير . با توجه به انعظاف پذيري فيبر نوري و قابليت ارسال و دريافت نور از آنان، در موارد متفاوت نظير دوربين هاي ديجيتال با موارد كاربردي خاص مانند : عكس برداري پزشكي ، لوله كشي و ...استفاده مي گردد.
با توجه به مزاياي فراوان فيبر نوري ، امروزه از اين نوع كابل ها در موارد متفاوتي استفاده مي شود. اكثر شبكه هاي كامپيوتري و يا مخابرات ازراه دور در مقياس وسيعي از فيبر نوري استفاده مي نمايند.
