فیبرنوری

 بنابراین با عمومیت یافتن چنین نرم افزارهای حجیمی که مقدار زیادی داده و اطلاعات رد و بدل می کنند تکنولوژیهای رایج شبکه دیگر کارا نیستند و پاسخگوی نیازهای کاربران نمی باشند.

به همین دلیل پروتکلها و اجزاء جدیدی برای شبکه ها مورد نیاز هستند تا سرعت و پهنای باند وسیعی را فراهم آورند. فیبرنوری یک بزرگراه نوری است که امکان اتصال چندین کامپیوتر بسیار سریع را در شبکه فراهم می آورد و محیطی مناسب برای تبادل انبوه اطلاعات می باشد.

در این مقاله سعی گردیده در حد مطلوب و مناسب خوانندگان خود را با تکنولوژی فیبرنوری آشنا نمائیم.

سیستم انتقال فیبرنوری

پیشرفتهای اخیر تکنولوژی نور امکان  انتقال داده ها را بصورت پالسهایی از نور فراهم آورده است. یک پالس نورانی می تواند نمایانگر یک بیت 1 باشد و عدم وجود آن یک بیت 0 را مشخصی کند. نور قابلیت رویت فرکانسی در حدود 100GHZ دارد، بنابراین پهنای باند در یک سیستم انتقال نوری می تواند بسیار زیاد باشد .

یک سیستم انتقال نوری سه جز دارد.

• واسطه انتقال (Transmition medium)
• منبع نور (Light Source)
• موج یاب یا آشکار ساز (Detector)

واسطه انتقال یک رشته بسیار باریک از جنس شیشه یا سیلیکا است.

منبع نور می تواند یک LED و یا یک دیولیزری ILD باشد که هر دوی آنها توسط جریان الکتریک ، پالسهای نورانی منتشر می کنند.

آشکار سازیک دیود نوری (Photo diode) است که وقتی نور به آن برخورد می کند، یک پالس الکتریکی ایجاد می کند.

شکل (1) پروسه انتقال دیتا را در فیبرنوری نشان می دهد.

این شکل شمای کلی یک ارتباط نوری را نشان می دهد. در اینجا سیگنال اطلاعات (0-1) که الکتریکی است به منبع نور وارد شده و منبع نور متناسب با سیگنال الکتریکی تحریک می گردد و سیگنالهای الکتریکی به سیگنالهای نوری تبدیل می شود .

( نور ساطع شده بر حسب سیگنال الکتریکی مدوله می شود) این عمل همانطور که ذکر شده توسط LED یا ILD انجام می شود.

نور ایجاد شده توسط واسطه انتقال که همان فیبرنوری است منتقل شده وبه گیرنده که یک آشکارساز نوری است می رسد. خروجی آشکارساز یک دیودنوری است که سیگنالهای نوری را تبدیل به سیگنالهای الکتریکی می کند. این سیگنال الکتریکی تولید شده متناسب با سیگنال ورودی می باشد.

انعکاس ، شکست و هدایت فیبرنوری

وقتی که نور از یک محیط به محیط دیگر تابیده می شود بسته به زاویه تابش و ضریبهای شکست دو محیط عکس العملهای متفاوتی از خود نشان می دهد.

همانند شکل (2) اگر زاویه تابش نور در محیطی که ضریب شکست آن n1 است را 1Ө فرض کنیم نور با زاویه 2Ө با خط افق به محیط دیگر با ضریب شکست n2 وارد می شود. جدول (1) ضریب شکست بعضی از محیطها را نشان می دهد.

فیبرهای نوری که نوعی موج بر محسوب می شوند به دلیل بالابودن ضریب شکست هسته نسبت به پوشش روی آن نور در داخل خود فیبر منعکس و هدایت می گردد.

این نوع از موج برها دارای ضریب شکست های مختلفی هستند که بنامهای تارهای با ضریب شکست پله ای و پوششی معرفی می گردند،

ماکزیمم زاویه ای که نور تحت آن به تار نوری تابیده می شود و در داخل تار منعکس می گردد از رابطه روبرو به دست می آید.

NA مقدار دهانه دریافت نور را مشخص می کندکه از مشخصه های مهم تارهای نوری محسوب می شود.

مواد اولیه تار نوری و روشهای تولید آن

معمولا هسته تارنوری که قسمت مرکزی آن است، نسبت به پوشش ضریب شکست بزرگتری دارد.

و از جنس شیشه است انواع تار نوری بر اساس توزیع ضریب شکست در قسمت هسته و ماده ای که هسته از آن ساخته شده بوجود می آید که در جدول (2) گردآوری شده است.

تار شیشه ای سیلیکا ؛

سیلیکا شیشه ای که Sio2 خالص است، درمیان تمام موادی که تاکنون شناخته شده دارای کمترین تلفات در طیف مرئی مادون قرمز و حوالی آن است ضریب شکست ان در حدود 45/1 است که در مقایسه با سایر شیشه ها مقدار کمتری است.

از این لحاظ اگر هسته تارنوری از سیلیکا باشد پوشش را می توان از سیلیکا آغشته به بور، فلوئور و یا مواد آلی نظیر پلاستیکها که از جمله معدود مواد سازگار و دارای ضریب شکست کم هستند انتخاب کرد.

هسته را می توان فسفوسیلیکاتها یا ژرسیلیکاتها انتخاب کرد که  در مقایسه با سیلیکا دارای ضریب شکست بزرگتری هستند.

انواع مختلف روشهای تولید تار نوری عبارتند از :

• پوشش پلاستیکی هسته شیشه ای
• (Chemical Vapor Deposition) CVD
• ئیدرولیز شعله ای
• نشست پلاسما

برای تولید تارهای نوری چند مولفه ای با ضریب شکست پله ای یا تدریجی بجز Sio2 از ترکیبات B2o3، Na2o یا TI2o و غیره نیز استفاده می شود.

تلفات تارهای نوری

تلفات تارهای نوری عبارت اند از تلفات جذبی، تلفات پراکندگی به علت ناهمگنی ضریب شکست هسته (پراکندگی رایلی) ، تلفات پراکندگی به علت ناهمواریهای مرزمیان هسته و پوشش (تلفات مرزی) ، تلفات خمش، تلفات به علت اتصال تارها و تلفات در ورودی و خروجی تار این تلفات در شکل (6) نشان داده شده است.

تلفات جذبی و پراکندگی

پیشرفتهای چشمگیری در کاهش تلفات انتقال تار (فیبر) نوری حاصل شده است. همانطور که در شکل (7) نشان داده شده، در ظرف مدت ده سال کاهش تلفات به بیش از یک هزارم رسیده و در قیاس با کابل هم محور دارای ظرفیت انتقال تقریبا مشابه ، تلفات آن بسیار کمتر است .

تلفات جذبی در بعضی از طول موجها قابل صرف نظر کردن است و درطول موج کمتر از 0.8m تلفات عمدتا از نوع پراکندگی است.

عامل موفقیت در کاهش تلفات امکان تهیه سیلیکن بسیار مرغوب مورد استفاده در صنایع نیمه هادی و حذف ناخالصیهای شیشه است . علت عمده تلفات جذبی وجود ناخالصیهای فلزی نظیر Fe، Cu (مخصوصا در مورد شیشه های چند مولفه ای) و نیز آب است.

برای کاهش مقدار تلفات تا حدود قابل قبول لازم است که میزان ناخالصی های فلزات به کمتر از (part per bilion)IPPB و ناخالصی رادیکال آب (OH) به کمتر از (part per bilion)IPPB   برسد.

بنابراین لازم است که به جای پیروی از سنتهای مرسوم در صنعت شیشه سازی ، از فنون به کارگرفته شده در صنایع نیمه هادی که خلوص بسیار زیادی را امکانپذیر ساخته ، استفاده به عمل آید.

علاوه بر تلفات جذبی تلفات پراکندگی نیز وجود دارد که عامل آن تغییرات تراکم و در نتیجه تغییرات ضریب شکست به علت تغییرات ترمودینامیکی است که به هنگام انجماد از حالت مذاب درکشیدن تار حادث می شود.

این تغییرات در مقیاسی بسیار کوچکتر از طول موج هستند و تلفات رایلی ناشی شده از آنها معکوسا متناسیب با توان چهارم طول موج است.

از این نظر این نوع تلفات با افزایش طول موج سریعا کاهش پیدا می کند. این تلفات بستگی به تعداد مدها یا شعاع هسته ندارد.

تلفات خمش و ناهمواریهای مرز میان هسته و پوشش

در صورتیکه مرز بین هسته و پوشش تارناهموار باشد تلفات تبدیل مد و تلفات تشعشع ی بوجود می آید.

این تلفات را می توان با افزایش شعاع هسته و تغییرات ضریب شکست به گونه ای که مقدار نور کمتری به نواحی مرزی برسد، کاهش داد.

تلفات خمش بستگی به شعاع هسته و شعاع خمش دارد. تبدیل مد بستگی به توان ششم شعاع هسته دارد، از این لحاظ تلفات با افزایش شعاع هسته به شدت افزایش پیدا می کند و پهنای باند انتقال در اثر تبدیل مد کاهش می یابد.

تلفات اتصال

برای انتقال تا فواصل دور لازم می آید که تارهای نوری را به یکدیگر وصل کرد و یا اینکه در محل تکرار کننده ها آنها را به طول معینی بریده و به اجزای دیگری اتصال داد. در محل یک اتصال چه پدیده هایی رخ میدهد؟

 جابجایی اتصالات که عملا پیش می آید برای ضریب شکست پله ای و تدریجی نشان داده شده است .

این جابجایی می تواند شامل فاصله ف عدم تطابق محورها و در امتداد یکدیگر نبودن تارها باشد. در این صورت همه نور خارج شده از تار I وارد تار II نمی شود، (تلفات اتصال) و آنچه که  وارد تار II شده زوایایی متفاوت خواهد داشت (تلفات مد).

اگر جابجایی محورها کمتر از 10% شعاع هسته باشد، تلفات اتصال چندان قابل ملاحظه نخواهد بود .

از این نظر تلفات اتصال بهتر هستند. در مورد تار تک مدی که شعاع هسته آن بسیار کوچک است ، خروج از هسته ها مقدار تلفات اتصال را افزایش می دهد زیرا مراکز هسته ها، حتی اگر تارها دقیقا تنظیم شوند برهم منطبق نخواهند بود.

منابع نوری

تلفات انتقال تار نوری عمدتا از پراکندگی رایلی (Rayleigh) و جذب بوسیله ناخالصی یون OH- تشکیل شده است. مشخصه طیفی تار نوری از نوع چندمدی با ضریب پله ای که هسته آن از جنس فسفوسیلیکات و پوشش آن از جنس بوروسیلیکات است، در شکل (11) نمایش داده شده است.

طول موجهایی که تلفات در آنها کم است عبارتند از 0.85,1.05,1.3, 1.6 که پنجرخ های تارنوری نامیده شده اند .

واضح است که در مخابرات نوری باید از این طول موجها استفاده شود و منابع مربوط به باند 0.85 عبارتند از لیزر نیمه هادی یادیود نور گسیل از ماده GaAIAs، مواد نیمه هادیی که باندهای فوق را می پوشانند عبارتند از GaAsSb، InGaAs و InGaAsP.

انواع منابع نور

دیود نورگسیل از جنس GaAIAs

دیود نور گسیل مورد استفاده در مخابرات نوری باید دارای خواص درخشش زیاد ، توان خروجی زیاد و بازدهی اتصال بالا به تانوری باشد.

اگر نور بطور عمودی نسبت به سطح پیوند ، خارج شود آن را نوع بروس (Burruss) می نامند. در صورتیکه در انواع دیگر از جمله سوپرلومینساس شکل (12الف) و گونه ای که در شکل (12ب) نشان داده شده است.

نور بطور موازی با سطح پیوند خارج می شود در انواعی که نور بطور عمودی نسبت به سطح پیوند خارج می شود سوارخی در یکی از الکترودها وجود دارد.

برای بالا بردن بازدهی اتصال ، تار مستقیما به سطح گسیل کننده نور چسبانده می شود. توان خروجی دیود نور گسیل در حدود 5mw یا کمتر است. طول موج مرکزی در حدود 0.85m و پهنای خط در حدود 300 الی 400 آنگستروم .

دیود لیزری نیمه هادی GaAIAs

این نوع از لیزر با ساختمان نامتجانس دوگانه، باند طول موج 0.85m را می پوشاند. و در حال حاضر هم از قابلیت اطمینان بالای برخوردار است علاوه بر این دارای این مزیت است که می توان آن را با سرعت زیادی مدگردانی کرد.

عمر مفید لیزر نیمه هادی بدلیل بهبود روش در رشد بلورها و بسته بندی و شناخت بهتر و عوامل ایجاد کننده نقایص به 10 ساعت ارتقا یافته است. توان خروجی بسته به نوع آن از 1mw تا 100mw  می باشد.

شرایط آشکارسازهای نور

دستگاه گیرنده یک سیستم مخابرات نوری سیگنال نوری را به سیگنال الکتریکی تبدیل می کند.

 شرایط لازم برای آشکارساز :

• حساسیت زیاد (در طول موج منبع نور)
• پهنای باند وسیع (با سرعت پاسخ کافی)
• نویز کم
• پایداری مشخصات در صورت تغییرات شرایط خارجی
• عدم نیاز به ولتاژ زیاد

دو نوع نیمه هادی یکی دیودنوری (PD) و دیگری دیود نوری بهمنی (APD) اکثر شرایط لازم را دارا هستند.

اتصالات یاکوپل کابل های فیبرنوری

ممکن است بنظر ساده باشد، اگر بخواهیم دوتار نوری را با هم اتصال دهیم. اما در واقع اینطورنیست چون تلفات ایجاد شده در خط این اجازه را نخواهند داد تا به راحتی دوتار نوری به یکدیگر وصل شوند.

تلفات ایجاد شده در محل اتصالات بشرح زیر می باشند، که می بایست در هنگام اتصال به آنها توجه نمود.

فاصله هوائی (Air rap) ؛ فاصله هوائی موجود در محل اتصال باعث منعکس دشن نور و انحراف شعاعهای نوری می شود میزان انعکاس نور از رابطه روبرو بدست می آید.
مقدار افت برای حالتی که تار از نوع شیشه باشد 0.18db و برای GaAs  حدود 1.7db خواهد بود. مقدار تلفاتی که بر اثر انحراف نور صورت می گیرد از رابطه زیر بدست می اید.

D برابر قطر تار نوری ، I فاصله شکاف بین دو تار و n ضریب شکست تار می باشد.

در صورتیکه قطر دو تار با هم یک نباشد، تلفات در خط خواهیم داشت که از رابطه زیر بدست می آید.
جابجائی پرتوهای نوری ؛ همانطور که در شکل (C14) مشاهده می شود اگر این جابجائی بیشتر از 15% در اتصال بین دو تار نوری باشد مقدار افت درخط تا 1db خواهد رسید.
زاویه پرتو ؛ این زاویه ارتباط مستقیم با روزنه تابش تاردارد که در صورت داشتن NA=0.5 و …….. مقدار افت به حدود 5db خواهد رسید شکل (d14).

ساختمان فیبرنوری

این کابل از جهت استحکام همانند نوعی های دیگر کابل شبکه می باشد، و  از چند لایه محافظ جهت حفظ آن استفاده می شود.

لایه روی از جنس پلاستیک، لایه ریرین آن از جنس Kevlar fibers که یک ماده مقاوم می باشد و یک پوشش شیشه ای که ضریب شکست کمتری از هسته دارد پوشیده شده است. هسته اصلی آن از جنس سیلیکا Sio2 است.

انواع فیبرنوری

در یک تقسیم بندی کلی ، فیبرهای نوری به دو دسته Single mode و Multi mode تقسیم  می شوند.

وقتی یک پرتو از یک محیط عبور می کند و به محیط دیگر می رسد پرتو در مرز این دو محیط میشکند و با زاویه ای مسیر خود را تغییر می دهد برای زاویه های بالاتر از یک مقدار بحرانی (زاویه حد) نور به داخل محیط قبلی خود با یک زاویه ای باز می گردد و چیزی از آن به محیط بعدی  منتقل نمی شود.

بنابراین برخورد یک اشعه نورانی تحت زاویه حد و یا بیشتر از آن موجب حبس پرتو در داخل  فیبر می شود.

حال اگر ما چندین پرتو نورانی را با زاویای متفاوت از فیبر عبور دهیم وضعیتی بنام Multi mode ایجاد می شود که تنها در کابلهای نوری که Multi mode هستند این امر صورت می پذیرد.

اگر قطر فیبر به اندازه یک طول موج کاهش یابد فیبر مانند یک هادی موج عمل خواهد کرد و نور در آن در یک خط مستقیم منتقل خواهد شد، چنین حالتی را Single mode می نامند.

کابلهای Single mode گرانقیمت بوده و دارای پهنای باند بسیار زیادی هستند، این کابلها بسیار نازکتر و انجام اتصالات روی آنها بسیار سخت تر می باشد.

به علاوه بدلیل نیاز به منبع قویتر از دیود لیزری بعنوان منبع نور استفاده می کنند . شبکه های کامپیوتری فیبرنوری از فیبر Multi mode استفاده می کنند زیرا علاوه بر کمتر بودن هزینه آن پهنای باند مناسب این شبکه ها را مهیا می کند و کار با آن نیز راحتتر می باشد.

همینطور بدلیل استفاده نکردن از دیودلیزری در آن خطری هم برای کاربر ندارد چونکه توان نوری خارج شده از این دیودها آنقدر بالا هست که میتواند باعث سوزاندن قسمتی از بدن انسان شود.

فیبرهای Multi mode :

یک سری از آنها با ضریب شکست پله ای و یکسری دیگر با ضریب شکست تدریجی کار می کنند.

اگر هسته دارای ضریب شکست یکسان باشد فیبر را با ضریب شکست پله ای نامند؛ و اگر فیبر دارای ضریب شکست یکنواخت نبود بلکه ضریب شکست آن از محور فیبر به سمت غلاف بتدریج کم شود، این فیبر را با ضریب شکست تدریجی می نامند.

در چنین کابلی روی دیواره های محیط شفاف بازتابش کلی نور صورت نمی گیرد بلکه نور باز تابش های جزئی یک مسیر منحنی را طی می کند.

معایب و محاسن استفاده از فیبرنوری

فیبرنوری در زمینه شبکه های کامپیوتری دارای محاسن زیر می باشد که به چند مورد از آن اشاره میشود.

پهنای باند زیاد این نوع از کابلها باعث شده تا حجم از اطلاعات را بتواند عبور دهد، فرکانس کاربر بالا در آن نیز دلیل براین گفته می باشد.
کوچکی ابعاد و سبکی وزن این کابلها از دیگر مزیت آنها به شمار می رود.
تضعیف کم ؛ پیشرفت تکنولوژی در ساخت این نوع از کابلهای امروزه بسیار بالا می باشد، تا حدی که میزان افت انرژی بدلیل کم بودن مقاومتهای درونی آن در حدود صفر میباشد.

بنابراین این کابلها بدون استفاده از تکرار کننده ها در شبکه قادر هستند تا مسافت های طولانی اطلاعات را انتقال دهند.

امنیت سیگنال ؛ نوری که در کابل عبور داده میشود مسیر حرکت آن طوری است که به هیچ صورتی نمی تواند به بیرون از کابل منتشر گردد، و این برای امنیت اطلاعات بسیار لازم میباشد.
عدم القا پذیری ؛ در فیبرنوری مشکل القا پذیری (induction) در میدانهای الکترومغناطیسی وجود ندارد. به همین دلیل می توان فیبرنوری را در جوار خطوط فشارقوی براحتی عبور داد، بعلاوه بعلت استفاده از نور بجای جریان الکتریکی از نظر نویز محیطی نیز کاملا ایمن می باشد.

استحکام زیاد و قابلیت انعطاف

فراوانی مواد اولیه ؛ شیشه یا سیلیسیم مواد اصلی این نوع از کابلها هستند؛ که به فراوانی در طبیعت یافت می شود .
بدلیل غیرفلزی بودن فرسودگی یا زنگزدگی این نوع از کابلها را تهدید نمی کند.
از معایب آن :

• هزینه بالا
• دشواری برش و نصب آنها نسبت به کابلهای معمول
• امیدواریم از این مقاله استفاده کافی را برده باشید، منتظر مقالات بعدی لاوان ارتباط باشید.

بخوانید : FTTx و زیرساخت های مورد نیاز در شهرهای هوشمند!