آشنایی با فیبر نوری

آشنایی-با-مبحث-فیبر-نوری

    یکی از جدیدترین محیط های انتقال در شبکه های کامپیوتری ، فیبر نوری است . فیبر نوری از یک میله استوانه ای که هسته نامیده می شود و جنس آن از سیلیکات است تشکیل می گردد. شعاع استوانه بین دو تا سه میکرون است . روی هسته ، استوانه دیگری ( از همان جنس هسته ) که غلاف نامیده می شود ، استقرار می یابد. ضریب شکست هسته را با M1 و ضریب شکست غلاف را با M2  نشان داده و همواره M1>M2 است . در این نوع فیبرها ، نور در اثر انعکاسات کلی در فصل مشترک هسته و غلاف ، انتشار پیدا خواهد کرد. منابع نوری در این نوع کابل ها ، دیود لیزری و یا دیودهای ساطع کننده نور می باشند.منابع فوق ، سیگنال های الکتریکی را به نور تبدیل می نمایند.

امروزه از فیبر نوری در موارد متفاوتی نظیر: شبکه های تلفن شهری و بین شهری ، شبکه های کامپیوتری و اینترنت استفاده بعمل می آید.

فیبرنوری رشته ای  از تارهای شیشه ای بوده که هر یک از تارها دارای ضخامتی معادل  تار موی انسان را داشته و از آنان برای انتقال اطلاعات در مسافت های طولانی استفاده می شود.

مبانی فیبر نوری :

فیبر نوری ، رشته ای   از تارهای بسیار نازک شیشه ای بوده که قطر هر یک از تارها نظیر قطر یک تار موی انسان است . تارهای فوق در کلاف هائی سازماندهی و کابل های نوری را بوجود می آورند. از فیبر نوری بمنظور ارسال سیگنال های نوری در مسافت های طولانی استفاده می شود. فیبر نوری

یک فیبر نوری از سه بخش متفاوت تشکیل شده است :

  • هسته (Core) . هسته نازک شیشه ای در مرکز فیبر که سیگنا ل های نوری در آن حرکت می نمایند.
  • روکش (Cladding) . بخش خارجی فیبر بوده که دورتادور هسته را احاطه کرده و باعث برگشت نورمنعکس شده به هسته می گردد.
  • بافر رویه (Buffer Coating) . روکش پلاستیکی که باعث حفاظت فیبر در مقابل رطوبت و سایر موارد آسیب پذیر ، است .

    صدها و هزاران نمونه از رشته های نوری فوق در دسته هائی سازماندهی شده و کابل های نوری را بوجود می آورند. هر یک از کلاف های فیبر نوری توسط یک روکش هائی با نام Jacket محافظت می گردند.

فیبر های نوری در دو گروه عمده ارائه می گردند:

  • فیبرهای تک حالته (Single-Mode) . بمنظور ارسال یک سیگنال در هر فیبر استفاده می شود( نظیر : تلفن )
  • فیبرهای چندحالته (Multi-Mode) . بمنظور ارسال چندین سیگنال در یک فیبر استفاده می شود( نظیر : شبکه های کامپیوتری)

    فیبرهای تک حالته دارای یک هسته کوچک ( تقریبا” ۹ میکرون قطر ) بوده و قادر به ارسال  نور لیزری مادون قرمز ( طول موج از ۱۳۰۰ تا ۱۵۵۰ نانومتر) می باشند. فیبرهای چند حالته دارای هسته بزرگتر ( تقریبا” ۵ / ۶۲ میکرون قطر ) و قادر به ارسال نورمادون قرمز از طریق LED می باشند.

ارسال نور در فیبر نوری :

    فرض کنید ، قصد داشته باشیم با استفاده از  یک چراغ قوه  یک راهروی بزرگ و مستقیم  را روشن نمائیم . همزمان با روشن نمودن چراغ قوه ، نور مربوطه در طول مسیر مسفقیم راهرو تابانده شده و آن را روشن خواهد کرد. با توجه به عدم وجود خم و یا پیچ در راهرو در رابطه با تابش نور چراغ قوه مشکلی وجود نداشته  و چراغ قوه می تواند ( با توجه به نوع آن ) محدوده مورد نظر را روشن کرد. در صورتیکه راهروی فوق دارای خم و یا پیچ باشد ، با چه مشکلی برخورد خواهیم کرد؟ در این حالت می توان از یک آیینه در محل پیچ راهرو استفاده تا باعث انعکاس نور از زاویه مربوطه گردد.در صورتیکه راهروی فوق دارای پیچ های زیادی باشد ، چه کار بایست کرد؟ در چنین حالتی در تمام طول مسیر دیوار راهروی مورد نظر ، می بایست از آیینه استفاده کرد. بدین ترتیب نور تابانده شده توسط چراغ قوه (با یک زاویه خاص)  از نقطه ای به نقطه ای دیگر حرکت کرده ( جهش کرده و طول مسیر راهرو را طی خواهد کرد). عملیات فوق مشابه آنچیزی است که در فیبر نوری انجام می گیرد.

نور، در کابل فیبر نوری از طریق  هسته (نظیر  راهروی مثال ارائه شده )  و توسط جهش های پیوسته با توجه به سطح آبکاری شده ( Cladding) ( مشابه دیوارهای شیشه ای مثال ارائه شده )  حرکت می کند.( مجموع انعکاس  داخلی ) . با توجه به اینکه سطح آبکاری شده ، قادر به جذب نور موجود در هسته نمی باشد ، نور قادر به حرکت در مسافت های طولانی می باشد. برخی از سیگنا ل های نوری بدلیل عدم خلوص شیشه موجود ، ممکن است  دچار نوعی تضعیف در طول هسته گردند. میزان تضعیف سیگنال نوری به درجه خلوص شیشه و طول موج نور انتقالی دارد. ( مثلا” موج با طول ۸۵۰ نانومتر بین ۶۰ تا ۷۵ درصد در هر کیلومتر ، موج با طول ۱۳۰۰ نانومتر بین ۵۰ تا ۶۰ درصد در هر کیلومتر ، موج با طول ۱۵۵۰ نانومتر بیش از ۵۰ درصد در هر کیلومتر)

سیستم رله فیبر نوری  :

بمنظور آگاهی از نحوه استفاده فیبر نوری در سیستم های مخابراتی ، مثالی را دنبال خواهیم کرد که مربوط به یک فیلم سینمائی  و یا مستند در رابطه با جنگ جهانی دوم است . در فیلم فوق دو ناوگان دریائی که بر روی سطح دریا در حال حرکت می باشند ، نیاز به برقراری ارتباط با یکدیگر در یک وضعیت کاملا” بحرانی و توفانی را دارند. یکی از ناوها قصد  ارسال پیام  برای ناو دیگر را دارد.کاپیتان ناو فوق پیامی برای یک ملوان که بر روی عرشه کشتی مستقر است ، ارسال می دارد. ملوان فوق پیام دریافتی را به مجموعه ای از کدهای مورس ( نقطه و فاصله ) ترجمه می نماید. در ادامه ملوان مورد نظر با استفاده از یک نورافکن اقدام به ارسال پیام برای ناو دیگر می نماید. یک ملوان بر روی عرشه کشتی دوم ، کدهای مورس ارسالی را مشاهده می نماید. در ادامه ملوان فوق کدهای فوق را به یک زبان خاص ( مثلا” انگلیسی ) تبدیل و آنها را برای کاپیتان ناو ارسال می دارد.  فرض کنید فاصله دو ناو فوق از یکدیگر بسار زیاد ( هزاران مایل ) بوده و بمنظور برقرای ارتباط بین آنها از یک سیتستم مخابراتی مبتنی بر فیبر نوری استفاده گردد.

سیتستم رله فیبر نوری از عناصر زیر تشکیل شده است :

  • فرستنده . مسئول تولید و رمزنگاری سیگنال های نوری است .
  • فیبر نوری مدیریت سیکنال های نوری در یک مسافت را برعهده می گیرد.
  • بازیاب نوری . بمنظور تقویت سیگنا ل های نوری در مسافت های طولانی استفاده می گردد.
  • دریافت کننده نوری . سیگنا ل های نوری را دریافت و رمزگشائی می نماید.

در ادامه به بررسی هر یک از عناصر فوق خواهیم پرداخت .

فرستنده :

وظیفه فرستنده،  مشابه نقش ملوان بر روی عرشه کشتی ناو فرستنده پیام است .  فرستنده سیگنال های نوری را دریافت و دستگاه نوری را بمنظور روشن و خاموش شدن در یک دنباله مناسب ( حرکت منسجم ) هدایت می نماید. فرستنده ، از لحاظ  فیزیکی در مجاورت فیبر نوری قرار داشته و ممکن است دارای یک لنز بمنظور تمرکز نور در فیبر  باشد. لیزرها دارای توان بمراتب بیشتری نسبت به LED می باشند. قیمت آنها نیز در مقایسه با LED بمراتب بیشتر است . متداولترین طول موج سیگنا ل های نوری ، ۸۵۰ نانومتر ، ۱۳۰۰ نانومتر و ۱۵۵۰ نانومتر است .

بازیاب ( تقویت کننده ) نوری :

همانگونه که قبلا” اشاره گردید ، برخی از سیگنال ها در مواردیکه مسافت ارسال اطلاعات  طولانی بوده ( بیش از یک کیلومتر ) و یا از مواد خالص برای تهیه فیبر نوری ( شیشه ) استفاده نشده باشد ، تضعیف و از بین خواهند رفت . در چنین مواردی و بمنظور تقویت ( بالا بردن ) سیگنا ل های نوری تضعیف شده از یک یا چندین ” تقویت کننده نوری ” استفاده می گردد.  تقویت کننده نوری از فیبرهای نوری متععدد بهمراه یک روکش خاص (doping) تشکیل می گردند. بخش دوپینگ با استفاده از یک لیزر پمپ می گردد . زمانیکه سیگنال تضعیف شده به روکش دوپینگی می رسد ، انرژی ماحصل از لیزر باعث می گردد که مولکول های دوپینگ شده،  به لیزر تبدیل می گردند. مولکول های دوپینگ شده در ادامه باعث انعکاس یک سیگنال نوری جدید و قویتر با همان خصایص سیگنال ورودی تضعیف شده ، خواهند بود.( تقویت کننده لیزری)

دریافت کننده نوری :

وظیفه دریافت کننده ، مشابه نقش ملوان بر روی عرشه کشتی ناو دریافت کننده پیام است. دستگاه فوق سیگنال های دیجیتالی نوری را اخذ و پس از رمزگشائی ، سیگنا ل های الکتریکی را برای سایر استفاده کنندگان ( کامپیوتر ، تلفن و … ) ارسال می نماید. دریافت کننده بمنظور تشخیص نور از یک “فتوسل” و یا “فتودیود” استفاده می کند.

مزایای  فیبر نوری :

   فیبر نوری در مقایسه با سیم های  های مسی دارای مزایای زیر است :

  • ارزانتر. هزینه چندین کیلومتر کابل نوری نسبت به سیم های  مسی کمتر است .
  • نازک تر. قطر فیبرهای نوری بمراتب کمتر از سیم های  مسی است .
  • ظرفیت بالاا. پهنای باند فیبر نوری  بمنظور ارسال اطلاعات بمراتب  بیشتر از سیم  مسی است .
  • تضعیف ناچیز. تضعیف سیگنال در فیبر نوری بمراتب کمتر از سیم  مسی است .
  • سیگنال های نوری . برخلاف سیگنال های الکتریکی در یک سیم مسی ، سیگنا ل ها ی نوری در یک فیبر تاثیری  بر فیبر دیگر نخواهند داشت .
  • مصرف برق پایین . با توجه به سیگنال ها در فیبر نوری کمتر ضعیف می گردند ، بنابراین می توان از فرستنده هائی با میزان برق مصرفی پایین نسبت به فرستنده های الکتریکی که از ولتاژ بالائی استفاده می نمایند ، استفاده کرد.
  • سیگنال های دیجیتال . فیبر نور ی مناسب بمنظور انتقال  اطلاعات دیجیتالی است .
  • غیر اشتعال زا . با توجه به عدم وجود الکتریسیته ، امکان بروز آتش سوزی وجود نخواهد داشت .
  • سبک وزن . وزن یک کابل فیبر نوری بمراتب کمتر از کابل مسی (قابل مقایسه)  است.
  • انعطاف پذیر . با توجه به انعظاف پذیری فیبر نوری و قابلیت ارسال و دریافت نور از آنان، در موارد متفاوت نظیر دوربین های دیجیتال با موارد کاربردی خاص مانند : عکس برداری پزشکی ، لوله کشی و …استفاده می گردد.

با توجه به مزایای فراوان فیبر نوری ، امروزه از این نوع کابل ها در موارد متفاوتی  استفاده می شود. اکثر شبکه های کامپیوتری و یا مخابرات ازراه دور در مقیاس وسیعی از فیبر نوری استفاده می نمایند.

دو حادثه الکتریکی می تواند شبکه را قطع کند : cross-talk  و نویزهای الکتریکی خارجی.

Cross-talk  توسط فیلدهای الکتریکی در وایرهای مجاور که شامل سیگنالهای false  هستند، تولید می شود. نویزهای الکتریکی از لامپها ، موتورها و سیستم های رادیویی و منابع دیگر می آید .فیبر نوری در مقابل این نویز ها و تداخلات ایمن است .

معایب فیبر نوری :

  • براحتی شکسته شده و می بایست دارای یک پوشش مناسب باشند. مسئله فوق با ظهور فیبر های تمام پلاستیکی و پلاستیکی / شیشه ای کاهش پیدا کرده است .
  • اتصال دو بخش از فیبر یا اتصال یک منبع نور به فیبر ، فرآیند دشواری است . در چنین حالتی می توان از فیبرهای ضخیم تر استفاده کرد اما این مسئله باعث تلفات زیاد و کم شدن پهنای باند می گردد.
  • از اتصالات T شکل در فیبر نوری نمی توان جهت گرفتن انشهاب استفاده نمود. در چنین حالتی فیبر می بایست بریده شده و یک Detector اضافه گردد. دستگاه فوفق می بایست قادر به دریافت و تکرار سیگنال را داشته باشد.
  • تقویت سیگنال نوری یکی از مشکلات اساسی در زمینه فیبر نوری است . برای تقویت سیگنال می بایست سیگنال های توری به سیگنال های الکتریکی تبدیل ، تقویت و مجددا” به علائم نوری تبدیل شوند.

اتصال دهنده های فیبر نوری:SC,ST

کابل فیبر نوری با انواع مختلفی از کانکتورها می تواند کار کند، اما دو نوع معروفتر این کانکتورها یعنی ST(straight-tip) وSC(Subscriber)  بیشتر موردتوجه قرار دارند. کانکتور ST برپایه BNC است با این تفاوت که بجای کابل مسی از فیبر نوری استفاده می شود. SC مربعی است و تا اندازه ای بهRj45  شباهت دارد.

کابل فیبر نوری بدون توجه به نوع کانکتور در سرعتهای مشابه عمل میکند.

کابل UTP :

اگر از تلفن استفاده کرده باشید، کابل زوج به هم تابیده بدون پوشش برای شما آشناست – کابل (Unshielded Twisted pair )UTP متداولترین نوع کابلی که در انتقال اطلاعات استفاده می گردد ، کابل های بهم تابیده می باشند. این نوع کابل ها دارای دو رشته سیم به هم پیچیده بوده که هر دو نسبت زمین  دارای یک امپدانش یکسان می باشند. بدین ترتیب امکان تاثیر پذیری این نوع کابل ها از کابل های مجاور و یا سایر منابع خارجی کاهش خواهد یافت . کابل های بهم تابیده دارای دو مدل متفاوت : Shielded ( روکش دار ) و Unshielded ( بدون روکش ) می باشند. کابل UTP نسبت به کابل STP بمراتب متداول تر بوده و در اکثر شبکه های محلی استفاده می گردد.کیفیت کابل های UTP متغیر بوده و از کابل های معمولی استفاده شده برای تلفن تا کابل های با سرعت بالا را شامل می گردد. کابل دارای چهار زوج  سیم بوده  و درون یک روکش قرار می گیرند.  هر زوج  با تعداد مشخصی پیچ تابانده شده ( در واحد اینچ ) تا تاثیر پذیری آن از سایر زوج ها و یاسایر دستگاههای الکتریکی  کاهش یابد

کابل فیبر نوری تابیده

 کابل های UTP دارای استانداردهای متعددی بوده که در گروههای  (Categories) متفاوت  زیر تقسیم شده اند:

فیبر-نوری3

CAT3 :

Cat3   یک درجه از کابل است که در شبکه بندی استفاده می شود ،اما cat5 بهتر از این نوع می باشد. نکته کلیدی درباره cat3 این است که این کابل هم اکنون در بیشتر ساختمانهای اداری و منازل وجود دارد .cat3 ،کابلvoice-grade است که در شبکه های تلفن از آن  استفاده می شود.این کابل در شبکه هایی با حداکثر سرعت۱۰Mbps استفاده می شود.

CAT5 :

    بیشتر کابلهای utp  در شبکه های امروزی cat5  است.این کابل می تواند در شبکه هایی با حداکثر سرعت ۱۰۰Mbps بکار گرفته شود.

مزایای کابل های بهم تابیده :

  • سادگی و نصب آسان
  • انعطاف پذیری مناسب
  • دارای وزن کم بوده و براحتی بهم تابیده می گردند.

معایب کابل های بهم تابیده :

  • تضعیف فرکانس
  • بدون استفاده از تکرارکننده ها ، قادر به حمل سیگنال در مسافت های طولانی نمی باشند.
  • پایین بودن پهنای باند
  • بدلیل پذیرش پارازیت در محیط های الکتریکی سنگین بخدمت گرفته  نمی شوند.

پیچیدگی بین وایرها به پوشش کابل برای جلوگیری از تداخلات الکترومغناطیسی کمک می کند.

کابل UTP  از اتصال دهنده های پلاستیکی به نام RJ45  استفاده می کند.این اتصال دهنده ها شبیه اتصال دهنده های تلفن می باشند با این تفاوت که در عوض ۴ وایری که در سیستم تلفن دیده می شود ،RJ45  شبکه شامل ۸ اتصال می باشد .

نصب  کابل UTP  راحت تر از کواکسیال است زیرا به راحتی می توانید آن را در گوشه ها استفاده کنید .زوج به هم تابیده در مقابل نویزها از کواکسیال حساس تر است و در محیطهایی شامل وسایل بزرگ الکتریکی و الکترونیکی نباید استفاده شود .

کانکتور استاندارد برای کابل های UTP  ، از نوع  RJ-45 می باشد. کانکتور فوق شباهت زیادی به کانکتورهای تلفن (RJ-11) دارد. هر یک از پین های کانکتور فوق می بایست بدرستی پیکربندی  گردند. (RJ:Registered Jack)

کابل STP :

این کابل زوج به هم تابیده پوشش دار است .تفاوت این کابل با UTP  در این است که STP   از یک پوشش حفاظتی با کیفیت بسیار عالی استفاده می کند .بنابراین این کابل  کمتر در معرض تداخلات الکتریکی قرار می گیرد و سرعت های بالاتر در مسیرهای  طولانی تر ازUTP  را پشتیبانی می کند .برای درک بهتر انواع کابل و اینکه چه موقع از هر کدام استفاده کنیم یک مثال در زیر آورده شده :

مثال :

یک شرکت دارای سه ساختمان  یک اندازه می باش . هر کدام از این ساختمان ها ۴ طبقه دارند .اندازه هر ساختمان تقریبا ۲۰۰*۱۰۰ متر می باشد این شرکت به پهنای باند بالا وسرعت شبکه ۱۰۰Mbps  نیاز دارد .

در نزدیکی این ساختمان ها یک ایستگاه رادیویی قرار دارد که سبب تداخلاتی روی همه وسایل و سیگنالهای الکتریکی محیط می شود .یکی از راه حلهای این مشکل در زیر آورده شده است:

۱ – ساختمان ها باید با کابل فیبر نوری به هم متصل شوند .

۲ – در طبقه بالایی هر ساختمان روتری قرار داده شود تا کابل های فیبر نوری را به هم متصل کند .

۳ – در هر طبقه از ساختمان ها با ید یک سوئیچ قرار دهیم که به روتر طبقه چهارم متصل شود .

۴ – در هر طبقه برای حذف تداخلات فرکانسهای رادیویی (RFI) که توسط ایستگاه رادیویی تولید می شود ،از کابل STP  استفاده می کنیم .برای اتصال سوئیچ ها به روتر نیز از همین کابل استفاده می کنیم