هرجا که صحبت از سيستم هاي جديد مخابراتي، سيستم هاي تلويزيون کابلي و اينترنت باشد، در مورد فيبر نوري هم چيزهايي ميشنويد.
فيبرهاي نوري از شيشه شفاف و خالص ساخته ميشوند و با ضخامتي به نازکي يک تار موي انسان، ميتوانند اطلاعات ديجيتال را در فواصل دور انتقال دهند. از آنها همچنين براي عکسبرداري پزشکي و معاينه هاي فني در مهندسي مکانيک استفاده ميشود.
در اين مقاله ميخوانيم که اين فيبرهاي نوري چگونه نور را منتقل ميکنند و نيز درمورد روش عجيب ساخت آنها !
فيبرنوري چيست؟
فيبرهاي نوري رشته هاي بلند و نازکي از شيشه بسيار خالصند که ضخامتي در حدود قطر موي انسان دارند. آنها در بسته هايي بنام کابلهاي نوري کنار هم قرار داده ميشوند و براي انتقال سيگنالهاي نوري در فواصل دور مورد استفاده قرار ميگيرند.
اگر با دقت به يک رشته فيبر نوري نگاه کنيد، مي بينيد که از قسمتهاي زير ساخته شده :
• هسته _ هسته بخش مرکزي فيبر است که از شيشه ساخته شده و نور در اين قسمت سير ميکند.
• لايه روکش _ واسطه شفافي که هسته مرکزي فيبر نوري را احاطه ميکند وباعث انعکاس نور به داخل هسته ميشود.
• روکش محافظ _ روکشي پلاستيکي که فيبر نوري در برابر رطوبت و آسيب ديدن محافظت ميکند.
صدها يا هزاران عدد از اين رشته هاي فيبر نوري بصورت بسته اي در کنار هم قرار داده ميشوند که به آن کابل نوري گويند. اين دسته از رشته هاي فيبر نوري با يک پوشش خارجي موسوم به ژاکت يا غلاف محافظت ميشوند.
فيبرهاي نوري دو نوعند :
• فيبرهاي نوري تک وجهي _ اين نوع از فيبرها هسته هاي کوچکي دارند ( قطري در حدود inch (4-) 10x 5/3 يا 9 ميکرون ) و ميتوانند نور ليزر مادون قرمز ( با طول موج 1300 تا 1550 نانومتر ) را درون خود هدايت کنند.
• فيبرهاي نوري چند وجهي _ اين نوع از فيبرها هسته هاي بزرگتري دارند ( قطري در حدود inch (3-) 10x 5/2 يا 5/62 ميکرون ) و نور مادون قرمز گسيل شده از ديودهاي نوري موسوم به LEDها را ( با طول موج 850 تا 1300 نانومتر ) درون خود هدايت ميکنند.
برخي از فيبرهاي نوري از پلاستيک ساخته ميشوند. اين فيبرها هسته بزرگي ( با قطر 4 صدم inch يا يک ميليمتر ) دارند و نور مريي قرمزي را که از LEDها گسيل ميشود ( و طول موجي برابر با 650 نانومتر دارد ) هدايت ميکنند.
بياييد ببينيم طرز کار فيبر نوري چيست.
يک فيبر نوري چگونه نور را هدايت ميکند؟
فرض کنيد ميخواهيد يک باريکه نور را بطور مستقيم و در امتداد يک کريدور بتابانيد. نور براحتي در خطوط راست سير ميکند و مشکلي ازين جهت نيست. حال اگر کريدور مستقيم نباشد و در طول خود خميدگي داشته باشد چگونه نور را به انتهاي آن ميرسانيد؟
براي اين منظور ميتوانيد از يک آينه استفاده کنيد که در محل خميدگي راهرو قرار ميگيرد و نور را در جهت مناسب منحرف ميکند. اگر راهرو خيلي پيچ در پيچ باشد و خمهاي زيادي داشته باشد چه؟ ميتوانيد ديوارها را با آينه بپوشانيد و نور را به دام بيندازيد بطوريکه در طول راهرو از يک گوشه به گوشه ديگر بپرد. اين دقيقا همان چيزي است که در يک فيبرنوري اتفاق مي افتد.
نور در يک کابل فيبرنوري، بر اساس قاعده اي موسوم به بازتابش داخلي، مرتبا بوسيله ديواره آينه پوش لايه اي که هسته را فراگرفته، به اين سو و آن سو پرش ميکند و در طول هسته پيش ميرود.
از آنجا که لايه آينه پوش اطراف هسته هيچ نوري را جذب نميکند، موج نور ميتواند فواصل طولاني را طي کند. به هر حال، برخي از سيگنالهاي نوري در حين حرکت در طول فيبر، ضعيف ميشوند که علت عمده آن وجود برخي ناخالصيها داخل شيشه است. ميزان ضعيف شدن سيگنال به درجه خلوص شيشه بکار رفته در داخل فيبر و نيز طول موج نوري که درون فيبر سير ميکند بستگي دارد (بعنوان مثال
850 نانومتر = 60 تا 75 درصد در هر يک کيلومتر
1300 نانومتر = 50 تا 60 درصد در هر يک کيلومتر
1550 نانومتر = بيش از 50 درصد در هر يک کيلومتر ).
برخي از فيبرهاي نوري هم هستند که سيگنال در داخل آنها خيلي کم تضعيف ميشود. (کمتر از 10 درصد در هر يک کيلومتر براي 1550 نانومتر ).
سيستم ارتباط بوسيله فيبرنوري
براي پي بردن به اينکه فيبرهاي نوري چگونه در سيستم هاي ارتباطي مورد استفاده قرار ميگيرند، اجازه دهيد نگاهي بياندازيم به فيلم يا سندي که مربوط به جنگ جهاني دوم است. دو کشتي نيروي دريايي را درنظر بگيريد که از کنار يکديگر عبور ميکنند و لازم است باهم ارتباط برقرار کنند درحالي که امکان استفاده از راديو وجود ندارد و يا دريا طوفاني است. کاپيتان يکي از کشتي ها پيامي را براي يک ملوان که روي عرشه است ميفرستد. ملوان آن پيام را به کد مورس ترجمه ميکند و از نورافکني ويژه که يک پنجره کرکره جلو آن است براي ارسال پيام به کشتي مقابل استفاده ميکند. ملواني که در کشتي مقابل است اين پيام مورس را ميگيرد، ترجمه ميکند و به کاپيتان ميدهد. (ملوان کشتي دوم عکس عملي را انجام ميدهد که ملوان کشتي اول انجام داد.)
حالا فرض کنيد اين دو کشتي هر يک در گوشه اي از اقيانوسند و هزاران مايل فاصله دارند و در فاصله بين آنها يک سيستم ارتباطي فيبرنوري وجود دارد.
سيستم هاي ارتباط بوسيله فيبرنوري، شامل اين قسمت هاست:
• فرستنده _ سيگنالهاي نور را توليد ميکند و به رمز در مياورد.
• فيبرنوري _ سيگنالهاي نور را تا فواصل دور هدايت ميکند.
• تقويت کننده نوري _ ممکن است براي تقويت سيگنالهاي نوري لازم باشد. (براي ارسال سيگنال به فواصل خيلي دور)
• گيرنده نوري _ سيگنالهاي نور را دريافت و رمزگشايي ميکند.
فرستنده
نقش فرستنده شبيه ملواني است که روي عرشه کشتي فرستنده پيام ايستاده و پيام را ارسال ميکند. فرستنده ابزار توليد نور را در فواصل زماني مناسب خاموش يا روشن ميکند.
فرستنده درعمل به فيبر نوري متصل ميشود و حتي ممکن است داراي لنزي براي متمرکز کردن نور به داخل فيبر هم باشد. قدرت اشعه ليزر بيش از LEDهاست اما با کم و زياد شدن دما شدت نورشان تغيير ميکند و گرانتر هم هستند. متداول ترين طول موجهايي که استفاده ميشود عبارتند از: 850 نانومتر، 1300 نانومتر و 1550 نانومتر. (مادون قرمز و طول موجهاي نامريي طيف )
تقويت کننده نوري
همانطور که قبلا هم به آن اشاره شد، نور حين عبور از فيبر ضعيف ميشود. (مخصوصا در فواصل طولاني بيش از نيم مايل يا حدود يک کيلومتر مثلا در کابلهاي زير دريا) بنابرين يک يا بيش از يک تقويت کننده نوري در طول کابل بسته ميشوند تا نور ضعيف شده را تقويت کنند.
يک تقويت کننده نوري داراي فيبرهاي نوري با پوشش ويژه اي است. نور ضعيف شده پس از ورود به اين تقويت کننده تحت تاثير اين پوشش خاص و نيز نور ليزري که به اين پوشش تابيده ميشود تقويت ميشود. ملکولهاي موجود در اين پوشش ويژه با تابش ليزر به آنها، سيگنال نوري جديد و قوي توليد ميکنند که مشخصات آن مشابه نور ورودي به تقويت کننده است. درواقع تقويت کننده نوري يک آمپلي فاير ليزري براي نور ورودي به آن است. جزييات بيشتر را در سايت www.Photonics.com ببينيد.
گيرنده نوري
گيرنده نوري مشابه ملواني که روي عرشه کشتي گيرنده پيام بود عمل ميکند. اين گيرنده سيگنالهاي نوري ورودي را ميگيرد، رمزگشايي ميکند و سيگنالهاي الکتريکي مناسب را براي ارسال به کامپيوتر، تلويزيون يا تلفن کاربر توليد و به آنها ارسال ميکند. اين گيرنده براي دريافت و آشکارسازي نور ورودي از فتوسل يا فتوديود استفاده ميکند.
چرا فيبر نوري باعث بوجود آمدن انقلابي در ارتباطات شده است؟
فيبر نوري در مقايسه با سيمهاي فلزي مرسوم (سيمهاي مسي)، داراي اين مزايا است:
ارزان تر بودن _ فيبر نوري بطول چندين مايل از سيم مسي با همين طول ارزانتر است. اين قيمت مناسب باعث ميشود که بتوانيد تلويزيون کابلي يا اينترنت را هر جايي در اختيار داشته باشيد و در پول شما هم صرفه جويي ميشود.
نازکتر بودن _ فيبرنوري با ضخامتي کمتر از ضخامت سيم مسي توليد ميشود و اين مزيت بزرگي است.
ظرفيت انتقال بالاتر _ از آنجا که فيبرنوري نازکتر از سيمهاي مسي است، بنابراين در کابلي با قطر معلوم تعداد فيبرنوري بيشتري جا ميگيرد تا سيم مسي. پس اين امکان فراهم ميشود که از کابلي با قطر مشابه تعداد خطوط تلفن بيشتر يا تعداد کانال هاي تلويزيوني بيشتري عبور داده شود.
تضعيف کمتر سيگنال _ سيگنال عبوري از فيبرنوري نسبت به سيگنال عبوري از سيم مسي کمتر ضعيف ميشود.
سيگنال هاي نوري _ برخلاف سيگنالهاي الکتريکي در سيمهاي مسي که با سيگنالهاي عبوري از کابلهاي نزديک تداخل ميکنند، سيگنالهاي نوري در فيبرنوري حتي با سيگنالهاي عبوري از فيبري که در همان کابل است هم تداخل نميکند. بنابراين صدا در مکالمات تلفني واضح تر منتقل ميشود و کانال هاي تلويزيوني هم بهتر دريافت ميشوند.
کم مصرف بودن _ ازانجا که سيگنالها در فيبرنوري کمتر ضعيف ميشوند، بنابراين فرستنده هاي کم مصرف تري نسبت به فرستنده هاي با ولتاژ بالا در سيمهاي مسي نياز است. اين مزيت باز هم باعث صرفه جويي در هزينه ها ميشود.
سيگنالهاي ديجيتال _ بهترين و اصلي ترين کاربرد فيبر نوري انتقال اطلاعات ديجيتال است که بخصوص براي شبکه هاي کامپيوتري مفيد است.
اشتعال ناپذيري _ چون هيچ الکتريسيته اي از فيبرنوري عبور نميکند، خطر اشتعال هم وجود ندارد.
سبک بودن _ فيبرنوري درمقايسه با سيم مسي وزن کمتري دارد و فضاي کمتري را ميگيرد.
انعطاف پذيري _ ازانجا که فيبرهاي نوري بسيار انعطاف پذيرند و ميتوانند نور را ارسال و دريافت کنند، در بسياري از دوربين هاي انعطاف پذير و تاشو در اهداف زير کاربرد دارند:
§ عکسبرداري پزشکي _ در bronchoscope ( لوله اي نازک براي عکسبرداري از نايچه ها )،§ در endoscope ( براي تصويربرداري از اعضاي توخالي بدن مثل معده و مثانه )،§ و در laparoscope ( ابزاري پزشکي براي بررسي معده و برخي جراحي هاي کوچک ) کاربرد دارد.
§ تصويربرداري ماشيني _ براي چک کردن جوشهايي که در لوله ها و موتورها بصورت ماشيني اجرا ميشود. ( مثلا در هواپيماها،§ راکتها،§ شاتلهاي فضايي و ماشينها )
§ لوله کشي _ براي بررسي مجاري فاضلاب
بخاطر وجود اين مزاياست که شما فيبرنوري را در بسياري از صنايع، در ارتباطات برجسته امروزي و شبکه هاي کامپيوتري ميبينيد. مثلا اگر از آمريکا به اروپا تلفن بزنيد (يا برعکس)، و اين ارتباط از طريق يک ماهواره مخابراتي انجام شود، اغلب ميشنويد که صدا دچار تکرار و انعکاس ميشود. ولي باوجود فيبرنوري ارتباط شما مستقيم و بدون پژواک است.
فيبرنوري چگونه ساخته ميشود؟
فيبرنوري از شيشه شفاف بسيار خالص ساخته ميشود. اگر شيشه پنجره را بعنوان محيطي شفاف که نور را از خود عبور ميدهد در نظر بگيريم، بدليل وجود ناخالصيها در شيشه، نور بطور کامل و بدون تغيير عبور نميکند. بهرحال شيشه اي که در ساخت فيبرنوري بکار ميرود، نسبت به شيشه بکار رفته براي پنجره ناخالصيهاي بسيار کمتري دارد. توصيف يک شرکت توليد کننده فيبرنوري از شيشه اي که براي ساخت آن بکار ميرود به اينصورت است: اگر روي سطح اقيانوسي از شيشه بکار رفته در ساخت فيبرنوري بايستيد، ميتوانيد عمق چندين مايلي آنرا بوضوح ببينيد.
براي ساخت فيبرنوري بايستي مراحل زير طي شود:
ساخت يک استوانه شيشه اي از پيش تعين شده
کشيدن فيبر از استوانه آماده شده
آزمايش فيبرهاي توليد شده
ساخت استوانه شيشه اي
شيشه مورد استفاده براي ساخت استوانه طي روندي موسوم به MCVD يا رسوب سازي تعديل شده شيميايي با بخار توليد ميشود.
در روش MCVD اکسيژن از ميان محلول کلرايد سيليکون (SiCl4)، کلرايد ژرمانيوم (GeCl4) و ديگر مواد شيميايي ميجوشد (قلقل ميکند).
اين مخلوط بسيار دقيق و حساب شده، ويژگيهاي فيزيکي و اپتيکي گوناگوني دارد. ( ازجمله ضريب شکست، ضريب انبساط، نقطه ذوب و … )
فرآيند MCVD براي ساخت استوانه
سپس بخارهاي گاز بوسيکه يک ماشين مخصوص با حرکات دوراني بداخل يک لوله سيليس مصنوعي يا لوله کوارتز هدايت ميشود که به اين عمل آبکاري گويند. در حين چرخش ماشين، يک مشعل در بيرون لوله به بالا و پايين حرکت ميکند. حرارت بسيار زياد ناشي از مشعل، باعث ميشود دو چيز اتفاق بيفتد:
سيليکون و ژرمانيوم با اکسيژن واکنش ميدهند، دي اکسيد سيليکون (SiO2) و دي اکسيد ژرمانيوم (GeO2) حاصل ميشود.
دي اکسيد سيليکون و دي اکسيد ژرمانيوم روي سطح داخلي لوله رسوب ميکنند، باهم آميخته ميشوند تا شيشه شکل بگيرد.
ماشين مورد استفاده براي ساخت استوانه
ماشين مخصوص بطور مستمر ميچرخد تا استوانه اي استوار و اندود شده ساخته شود. خلوص شيشه با استفاده از قطعات پلاستيکي که در برابر خوردگي مقاوم است و در سيستم تزريق گاز بکار رفته و نيز با کنترل دقيق جريان گاز و ترکيب آن حفظ ميشود. روند ساخت اين استوانه کاملا خودکار است و چندين ساعت بطول مي انجامد. بعد از اينکه استوانه ساخته شده خنک شد، تست کنترل کيفيت روي آن انجام ميشود.
کشيدن فيبر از استوانه آماده شده
بعد ازينکه استوانه شيشه اي کنترل کيفي شد، روي دستگاهي بنام برج فيبر کشي سوار ميشود.
استوانه شيشه اي در يک کوره گرافيتي داغ ميشود ( 3452 تا 3992 درجه فارنهايت يا 1900 تا 2200 درجه سانتيگراد ) تا حدي که يک گلوله گداخته شده از نوک آن، تحت تاثير نيروي جاذبه سقوط ميکند. گلوله شيشه اي مذاب در حين سقوط خنک ميشود و يک رشته شيشه اي را بوجود مي آورد.
متصدي دستگاه اين رشته را در داخل ديگر قسمتهاي برج از جمله تعدادي فنجانک اندود کننده و نيز کوره ماوراء بنفش نخ کشي ميکند تا در نهايت به قرقره پايين دستگاه برسد.
قرقره مکانيکي فيبر را به آرامي از استوانه داغ شده ميکشد. يک ريزسنج ليزري بدقت اين مرحله را کنترل ميکند و قطر فيبر را اندازه ميگيرد. اطلاعات بدست آمده از ريزسنج به سيستم خودکار قرقره مکانيکي ارسال ميشود. فيبرها با سرعت 33 تا 66 فوت بر ثانيه ( 10 تا 20 متر بر ثانيه ) از استوانه داغ کشيده ميشوند و محصول نهايي روي قرقره پيچيده ميشود. معمولا در نهايت بيش از 4/1 مايل ( 2/2 کيلومتر ) فيبرنوري روي قرقره جمع نميشود.
موضوع برخي آزمايشها که روي فيبرنوري توليد شده انجام ميشود:
مقاومت کششي _ فيبر بايد بتواند نيروي کشش معادل 000/100 پوند بر اينچ مربع يا بيشتر را تحمل کند.
آزمايش منحني ضريب شکست
بررسي فيبر از لحاظ ابعاد هندسي ازجمله کنترل يکنواختي قطر هسته و يکنواختي ضخامت لايه روکش
آزمايش ميزان تضعيف امواج در فيبرنوري _ در اين آزمايش مشخص ميشود که سيگنالهاي نوري در طول موجهاي مختلف چه مقدار انرژي خود را از حين عبور از فيبر دست ميدهند.
ظرفيت انتقال اطلاعات (پهناي باند) _ تعداد سيگنالهايي که در هر لحظه ميتواند بوسيله فيبر منتقل شود.
طيف رنگي _ انتشار طول موجهاي مختلف نور در هسته فيبر که در بحث پهناي باند حايز اهميت است.
دماي عملياتي / دامنه تغييرات رطوبت
تاثير دما در تضعيف سيگنال عبوري
توانايي هدايت نور در زير آب _ حايز اهميت براي کابلهايي که در زير دريا استفاده ميشود.
وقتي فيبر مراحل آزمايش را طي کرد، به شرکتهاي فعال در زمينه تلفن، کابل و شبکه فروخته ميشود. در حال حاضر بسياري از شرکتها سيستمهاي نوين مبتني بر فيبرنوري را جايگزين سيستمهاي قديمي مبتني بر سيم مسي کرده اند تا سرعت، ظرفيت و وضوح بيشتري حاصل شود.
فيزيک بازتابش کلي
وقتي نور از يک محيط با ضريب شکست m1 وارد محيط دوم با ضريب شکست کوچکتري مثل m2 ميشود، زاويه اي که در محيط اول با خط عمود فرضي بر سطح جدا کننده دو محيط داشت، در محيط دوم تغيير ميکند. همچنان که زاويه پرتو در محيط اول، نسبت به خط عمود فرضي بزرگتر ميشود، نور شکسته شده در محيط دوم هم از خط فرضي دورتر ميشود. (زاويه پرتو در محيط دوم هم نسبت به خط فرضي بزرگتر ميشود)
در يک زاويه خاص (زاويه بحراني) نور شکسته شده به محيط دوم وارد نميشود و در عوض در امتداد خط جداکننده دو محيط حرکت ميکند.
Sin [critical angle ] = n2 / n1 که n1 و n2 ضرايب شکست اند بطوريکه n1 < n2 . اگر زاويه پرتو محيط اول نسبت به خط عمود فرضي، از زاويه بحراني بزرگتر باشد، در اين حالت پرتو شکسته شده بطور کامل بداخل همان محيط اول منعکس ميشود ( پديده بازتابش داخلي کلي ). حتي اگر محيط دوم شفاف باشد و بتواند نور را عبور دهد.
در فيزيک زاويه بحراني نسبت به خط عمود فرضي تعريف ميشود. در فيبرنوري، زاويه بحراني نسبت به محوري موازي با فيبر که در مرکز آن امتداد دارد توصيف ميشود. بنابراين
( زاويه بحراني فيزيکي – 90 درجه ) = زاويه بحراني در فيبرنوري
در يک فيبرنوري نور در هسته (با ضريب شکست بزرگتر، m1) سير ميکند و مرتبا با برخورد به لايه روکش (با ضريب شکست کوچکتر، m2) شکسته ميشود چون زاويه نور هميشه از زاويه بحراني بزرگتر است. در انعکاس نور از سطح روکش، مقدار زاويه انحناي فيبر تاثير ندارد حتي اگر فيبرنوري يک دايره کامل ساخته باشد!
ازانجا که لايه روکش هيچ نوري از هسته جذب نميکند، موج نور ميتواند مسافتهاي طولاني را طي کند. ولي بهرحال برخي سيگنالهاي نوري در حين عبور از فيبر ضعيف ميشوند که دليل عمده آن ناخالصيهاي موجود در شيشه است.
ميزان تضعيف سيگنال به درجه خلوص شيشه و طول موج نور عبوري از فيبر بستگي دارد ( مثلا نور با طول موج 850 نانومتر در هر يک کيلومتر 60 تا 75 درصد ضعيف ميشود. نور با طول موج 1300 نانومتر 50 تا 60 درصد در هر يک کيلومتر و نور با طول موج 1550 نانومتر بيش از 50 درصد در هر کيلومتر تضعيف ميشود. ) برخي از انواع فيبرنوري کارايي بهتري دارند و سيگنال نور در آنها کمتر انرژي خود را از دست ميدهد – کمتر از 10 درصد در هر يک کيلومتر براي طول موج 1550 نانومتر.
منبع:http://www.academist.ir/خ