آیا تا به حال چیزی از فیبر نوری و کاربرد آن شنیده‌اید؟ به طور کلی فیبر نوری یا همان Fiber Optic یک تکنولوژی مدرن است که بیشترین استفاده آن در صنعت شبکه و ارتباطات می‌باشد. ما در این مطلب نه تنها قصد داریم که به مفهوم دقیق فیبر نوری بپردازیم، بلکه می‌خواهیم ببینیم که این تکنولوژی چطور کار می‌کند. اگر شما هم در این باره کنجکاو هستید تا انتهای این پست همراه اف کی نت باشید.
تعریف فیبر نوری یا optical fiber
Fiber Optics یا Optical Fiber که معادل فارسی آن فیبر نوری است به تکنولوژی گفته می‌شود که در آن پالس‌های نوری از طریق کابل‌ها و یا رشته‌های شیشه‌ای و پلاستیکی منتقل می‌شوند. این تخصصی‌ترین تعریفی است که می‌توان از اپتیکال فیبر ارائه داد.
به زبان ساده‌تر می‌توان گفت که در این تکنولوژی، نوری که از یک سر کابل وارد می‌شود از سر دیگر خارج می‌شود. این ساز و کار به نظر شبیه به روش انتقال اطلاعات در کابل‌های معمولی است، اما اینطور نیست.
سرعت و پهنای باندی که فیبرهای نوری در اختیارتان می‌گذارند با کابل‌های رایج و معمولی قابل مقایسه نیستند. به همین خاطر است که از این تکنولوژی جدید در مسافت‌های طولانی‌تر و شبکه‌هایی که عملکرد بالایی دارند استفاده می‌شود.
همان طور که در بخش مقدمه هم گفتیم فیبرهای نوری علاوه بر شبکه در صنعت مخابرات و ارتباطات هم استفاده می‌شوند. از اینترنت گرفته تا تلویزیون و حتی خطوط تلفن.
به عنوان مثال دو کمپانی بزرگ گوگل و Verizon به ترتیب از این کابل‌ها در سرویس‌های Google Fiber و Verizon FIOS خود استفاده می‌کنند. همین موضوع باعث می‌شود که بتوانند اینترنتی با سرعت بالاتر در اختیار کاربران و مشتریان خودشان بگذارند.
یکی از دلایل محبوبیت فیبر نوری نسبت به کابل‌های مسی قدیمی مزیت‌های آن‌هاست. سرعت و پهنای باند بیشتر فقط بخش کوچکی از این مزایا هستند.
جالب است بدانید که این کابل فیبری می‌تواند در خود تعداد متنوعی از این فیبرهای شیشه‌ای را جای دهند؛ از تعداد انگشتان دست گرفته تا چند صد فیبر شیشه‌ای.
از طرفی متریالی که مانند یک روکش دور این شیشه‌ها کشیده می‌شود به اسم clad شناخته می‌شوند. خود این لایه clad به وسیله یک روکش دیگر به نام buffer tube یا همان لوله بافر پوشیده می‌شود. در آخر هم بر روی تمامی این لایه‌ها یک محافظ کلی قرار می‌گیرد که تک تک رشته‌ها را پوشش می‌دهد.
فیبر نوری چطور کار می‌کند؟
خب، تا اینجای کار در مورد خود کابل fiber optic صحبت کردیم. الان وقت آن است که ببینم ساز و کار این تکنولوژی به چه صورت است و چه چیزی باعث شده که محبوبیت زیادی داشته باشد؟
به طور کلی در کابل‌های فیبر نوری داده‌ها به صورت فتون‌ها(ذرات نور) در طول کابل منتقل می‌شوند. اینجا هر کدام از هسته‌ها و روکش‌های clad(سطح آبکاری شده-روکش فلزی) ضریب شکست متفاوتی دارند. همین باعث می‌شود که در اثر برخورد، فتون‌های نوری هر کدام در یک زاویه بخصوص بازتاب داده شوند و در همان مسیر قرار بگیرند.
علاوه بر این، زمانی که سیگنال‌های نوری از طریق کابل فیبر نوری ارسال می‌شوند فتون‌های هسته و روکش clad را در یک طرحواره زیگ زاگ منعکس می‌کنند – این فرآیند با نام بازتاب داخلی یا همان internal reflection شناخته می‌شود.
شاید تصور کنید که اینجا به دلیل وجود فتون‌های نوری سرعت انتقال، هم تراز سرعت نور است. اما اینطور نیست – اینجا سرعت سیگنال‌های نوری به دلیل چگالی حاکم بر لایه‌های شیشه‌ای ۳۰ درصد کندتر از سرعت واقعی نور است.
البته که این تکنولوژی فکری به حال این قضیه کرده است. اینجا برای اینکه نقل و انتقال فتون‌ها و داده‌ها با سرعت معقولی انجام شوند برای تجدید و حتی تقویت سیگنال‌ها باید فرآیند‌ها تکرار شوند – یعنی در فواصل مشخص پروسه انتقال باید مجددا صورت بگیرد. این باعث می‌شود که یک سیگنال نوری به سیگنال الکتریکی تبدیل شود و در نهایت هم پردازش و بازسازی بر روی این سیگنال صورت می‌گیرد.
از نظر سرعت انتقال این کابل‌های سیسکو تا بیش از ۱۰ گیگابایت بر ثانیه را پشتیبانی می‌کنند. از طرفی هر چقدر که پهنای باند بیشتر باشد هزینه پرداختی برای کابل‌ها هم به طبع بیشتر می‌شود
با انواع مختلف کابل‌های فیبر نوری آشنا شوید
به طور کلی فیبرهای نوری به دو دسته کابل‌های single-mode(تک حالته) و Multimode(چند حالته) تقسیم می‌شوند.
فیبر نوری تک حالته singlemode
مدل فیبر تک حالته یا همان single-mode اغلب برای مسافت‌های طولانی مورد استفاده قرار می‌گیرد. چرا؟
به این خاطر که این مدل دارای قطر هسته کوچکتری است و همین موضوع باعث می‌شود که در انتقال سیگنال‌ها تضعیفی صورت نگیرد
در واقع منظور کاهش قدرت سیگنال‌ها می‌باشد. هر چقدر که این دهانه ورودی نور کوچک‌تر باشد باعث می‌شود که فتون نوری به یک پرتو واحد تبدیل شود و در نتیجه مسیر سرراست‌تری را طی کند
همچنین این موضوع اجازه می‌دهد که سیگنال مورد نظر مسافت بیشتری را پشت سر بگذارد. یکی دیگر از ویژگی‌های فیبرهای تک حالته پهنای باند قابل توجه آن‌هاست.
این مدل نسبت به مدل چند حالته پهنای باند بیشتری دارد. همچنین منبع نوری که برای فیبرهای single-mode استفاده می‌شود لیزری است.
در نتیجه این مدل قیمت بالاتری هم دارد – به این خاطر که دهانه ورودی نور کوچک‌تر و منبع نوری لیزری همگی به محاسبات دقیق‌تری نیاز دارند.
فیبر نوری چند حالته multimode
مدل بعدی، فیبر نوری multimode یا همان چند حالته است. دقیقا برعکس مدل تک حالته، این نوع فیبر نوری بیشتر برای مسافت‌های کوتاه استفاده می‌شود. به این خاطر که اینجا با یک دهانه ورودی بزرگ‌تر روبرو هستید. دهانه‌ای که اجازه می‌دهد پرش و انعکاس فتون‌ها در مسیر بیشتر شود.
از طرفی این قطر بزرگ دهانه این امکان را فراهم می‌کند تا چندین پالس نوری به صورت کاملا همزمان در کابل عبور کنند ؛ این یعنی داده‌های بیشتری در یک لحظه انتقال داده می‌شوند. البته که همه این‌ها احتمال از دست دادن، کاهش قدرت و حتی تداخل سیگنال‌ها را بیشتر می‌کند. این مدل فیبرهای چند حالته برای ایجاد پالس‌های نوری از یک LED استفاده می‌کنند.
همان طور که خودتان هم می‌دانید سال‌ها از کابل‌های مسی در صنعت شبکه و مخابرات استفاده شد. با این حال این روزها فیبرهای نوری به یک جایگزین بهتر و مناسب‌تر برای این مدل تبدیل شده‌اند.
این روزها بیشتر شرکت‌های مخابراتی برای خطوط تلفنی بلند خودشان از فیبرهای نوری استفاده می‌کنند – بدون شک با توجه به ویژگی‌ها و مزیت‌هایی که این کابل‌ها دارند این انتخاب عاقلانه‌تری است. همان طور که گفتیم کابل فیبر نوری نسبت به کابل‌های مسی داده‌های بیشتری را حمل می‌کنند و علاوه بر این‌ها پهنای باند و سرعت بیشتری هم دارند.
همچنین از آن جایی که شیشه درگیر جریان‌های الکتریسیته نمی‌شود، فیبرهای نوری هم در تداخل‌های مغناطیسی قرار نمی‌گیرند – در نتیجه میزان تلفات و هدر رفت هم به حداقل می‌رسد.
مزیت‌ها و معایب کابل فیبر نوری
یکی از دلایلی که کابل فیبر نوری نسبت به کابل‌های مسی بیشتر استفاده می‌شوند، مزیت‌هایی است که به همراه دارند. از این نقاط قوت می‌توانیم به موارد زیر اشاره کنیم:
- پشتیبانی از ظرفیت پهنای باند بیشتر
- بدون اینکه نیازی به تقویت سیگنال باشند فتون‌های نوری می‌توانند مسافت بیشتری را سپری کنند
- این تکنولوژی درگیر هیچ نوع تداخلی نمی‌شود
- این کابل‌ها در برابر آب مقاوم هستند ؛ همین موضوع باعث شده در محیط‌هایی شبیه به زیر دریا هم از این کابل‌ها زیاد استفاده شود
- کابل فیبر نوری نسبت به کابل‌های مسی قوی‌تر، نازک‌تر و حتی سبک‌تر هستند
- این کابل‌ها به مراقبت و یا تعویض مرتب نیازی ندارند
البته که این کابل‌ها در کنار مزیت‌هایی که دارند معایبی هم به همراه دارند، معایبی که بهتر است نسبت به آن‌ها آگاه باشید:
- از نظر قیمتی کابل فیبر نوری نسبت به کابل‌های مسی گران‌تر هستند
- فیبرهای شیشه‌ای در داخل کابل نسبت به کابل‌های مسی به محافظت بیشتری نیاز دارند
- انجام کابل‌کشی‌های فیبر نوری جدید به هزینه‌های بیشتری نیازمند است
- فیبر نوری نسبت به کابل مسی شکننده‌تر است. به عنوان مثال اگر که کابل فیبر نوری تنها چند سانتی‌متر خم شود ممکن است که بشکند یا حتی سیگنال را از دست بدهد ؛ این باعث هدر رفت داده‌ها می‌شود
کاربردهای فیبر نوری: این کابل‌ها در چه مواردی استفاده می‌شوند؟
از آن جایی که کابل فیبر نوری پهنای باند زیادی را ساپورت می‌کنند و سرعت قابل توجهی در انتقال داده‌ها دارند اغلب در زیرساخت‌های شبکه‌های کامپیوتری مورد استفاده قرار می‌گیرند.
علاوه بر این‌ها از کابل‌های فیبر نوری در صنعت پخش و الکترونیک هم استفاده می‌شود ؛ به این دلیل که قابلیت‌های کابل‌ها اجازه می‌دهند اتصالات مطمئن‌تر و البته عملکرد با کیفیت‌تری داشته باشید.
همچنین کابل‌های اینترنت و تلویزیون هم از رایج‌ترین کاربردهای fiber optic هستند. از طرفی می‌توانید از این کابل‌ها برای پشتیبانی اتصالات مسافت طولانی، بین شبکه‌های کامیپوتری مختلفی که در لوکیشن‌های متفاوتی قرار گرفته‌اند استفاده کنید.
بد نیست بدانید که این کابل‌ها در صنایع نظامی و فضایی هم برای برقراری اتصالات جدید و انتقال سیگنال‌ها زیاد استفاده می‌شوند. از آن جایی هم که این کابل‌ها نسبت به تغییر دما حساس هستند، وزن کمتر و اندازه کوچکتری دارند، می‌توانند در این زمینه‌ها کاملا کاربردی و مفید باشند.
البته که استفاده از این کابل‌ها تنها به همین موارد ختم نمی‌شود. کاربرد کابل‌های فیبر نوری به صنعت پزشکی هم قدم گذاشته است. در این صنعت برای فراهم کردن نور مناسب در تجهیزات پزشکی از کابل‌های فیبری استفاده می‌شود.
همچنین با توجه به حساسیت‌ها و قابلیت‌هایی که دارد اجازه می‌دهد تا سنسورهای پزشکی روش‌های درمانی کم تهاجم‌تری را دنبال کنند.
همان طور که گفتیم این کابل‌ها نسبت به تداخل‌های الکترومغناطیسی واکنشی نشان نمی‌دهند؛در نتیجه می‌توانند برای آزمایش‌هایی مانند MRI، تصویربرداری x-ray، آندوسکوپی، نور تراپی و حتی جراحی‌های میکروسکوپی گزینه مناسبی باشند.
