| فيبر نوري چگونه كار مي كند؟ |
|
هرجا که صحبت از سيستم هاي جديد مخابراتي، سيستم هاي تلويزيون کابلي و اينترنت باشد، در مورد فيبر نوري هم چيزهايي ميشنويد.
فيبرنوري چگونه کار ميکند؟ 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.
يک رشته فيبر نوري
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.
قسمتهاي مختلف يک رشته فيبر نوري
• 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 LED ها 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 مرئي قرمزي را که از LED ها 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؟
تصويري از بازتابش کلي نور در يک فيبر نوري
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 رمزگشائي 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 نامرئي 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.
گيرنده نوري گيرنده نوري مشابه ملواني که روي عرشه کشتي گيرنده پيام بود عمل ميکند. اين گيرنده سيگنالهاي نوري ورودي را ميگيرد، رمزگشائي 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.
مزایای فیبر نوری چرا فیبر نوری باعث بوجود آمدن انقلابی در ارتباطات شده است؟ فیبر نوری در مقایسه با سیمهای فلزی مرسوم (سیمهای مسی)، دارای این مزایا است: - ارزان تر بودن: فیبر نوری بطول چندین مایل از سیم مسی با همین طول ارزانتر است. این قیمت مناسب باعث میشود که بتوانید تلویزیون کابلی یا اینترنت را هر جایی در اختیار داشته باشید و در پول شما هم صرفه جویی میشود. - نازکتر بودن: فیبرنوری با ضخامتی کمتر از ضخامت سیم مسی تولید میشود و این مزیت بزرگی است. - ظرفیت انتقال بالاتر: از آنجا که فیبرنوری نازکتر از سیمهای مسی است، بنابراین در کابلی با قطر معلوم تعداد فیبرنوری بیشتری جا میگیرد تا سیم مسی. پس این امکان فراهم میشود که از کابلی با قطر مشابه تعداد خطوط تلفن بیشتر یا تعداد کانال های تلویزیونی بیشتری عبور داده شود. - تضعيف کمتر سیگنال: سیگنال عبوری از فیبرنوری نسبت به سیگنال عبوری از سیم مسی کمتر ضعیف میشود. - سیگنال های نوری: برخلاف سیگنالهای الکتریکی در سیمهای مسی که با سیگنالهای عبوری از کابلهای نزدیک تداخل میکنند، سیگنالهای نوری در فیبرنوری حتی با سیگنالهای عبوری از فیبری که در همان کابل است هم تداخل نمیکند. بنابراین صدا در مکالمات تلفنی واضح تر منتقل میشود و کانال های تلویزیونی هم بهتر دریافت میشوند. - کم مصرف بودن: ازانجا که سیگنالها در فیبرنوری کمتر ضعیف میشوند، بنابراین فرستنده های کم مصرف تری نسبت به فرستنده های با ولتاژ بالا در سیمهای مسی نیاز است. این مزیت باز هم باعث صرفه جویی در هزینه ها میشود. - سیگنال های دیجیتال: بهترین و اصلی ترین کاربرد فیبر نوری انتقال اطلاعات دیجیتال است که بخصوص برای شبکه های کامپیوتری مفید است. - اشتعال ناپذیری: چون هیچ الکتریسیته ای از فیبرنوری عبور نمیکند، خطر اشتعال هم وجود ندارد. - سبک بودن: فیبرنوری درمقایسه با سیم مسی وزن کمتری دارد و فضای کمتری را میگیرد. - انعطاف پذیری: ازانجا که فیبرهای نوری بسیار انعطاف پذیرند و میتوانند نور را ارسال و دریافت کنند، در بسیاری از دوربین های انعطاف پذیر و تاشو در اهداف زیر کاربرد دارند: ● عکسبرداری پزشکی: در bronchoscope (لوله ای نازک برای عکسبرداری از نایچه ها)، در endoscope (برای تصویربرداری از اعضای توخالی بدن مثل معده و مثانه)، و در laparoscope (ابزاری پزشکی برای بررسی معده و برخی جراحی های کوچک) کاربرد دارد. ● تصویربرداری ماشینی: برای چک کردن جوشهایی که در لوله ها و موتورها بصورت ماشینی اجرا میشود. (مثلا در هواپیماها، راکتها، شاتلهای فضایی و ماشینها) ● لوله کشی: برای بررسی مجاری فاضلاب
بخاطر وجود این مزایاست که شما فیبرنوری را در بسیاری از صنایع، در ارتباطات برجسته امروزی و شبکه های کامپیوتری میبینید. مثلا اگر از آمریکا به اروپا تلفن بزنید (یا برعکس)، و این ارتباط از طریق یک ماهواره مخابراتی انجام شود، اغلب میشنوید که صدا دچار تکرار و انعکاس میشود. ولی باوجود فیبرنوری ارتباط شما مستقیم و بدون پژواک است.
فیبرنوری چگونه ساخته میشود؟ فیبرنوری از شیشه شفاف بسیار خالص ساخته میشود. اگر شیشه پنجره را بعنوان محیطی شفاف که نور را از خود عبور میدهد در نظر بگیریم، بدلیل وجود ناخالصیها در شیشه، نور بطور کامل و بدون تغییر عبور نمیکند. بهرحال شیشه ای که در ساخت فیبرنوری بکار میرود، نسبت به شیشه بکار رفته برای پنجره ناخالصیهای بسیار کمتری دارد. توصیف یک شرکت تولید کننده فیبرنوری از شیشه ای که برای ساخت آن بکار میرود به اینصورت است: اگر روی سطح اقیانوسی از شیشه بکار رفته در ساخت فیبرنوری بایستید، میتوانید عمق چندین مایلی آنرا بوضوح ببینید.
برای ساخت فیبرنوری بایستی مراحل زیر طی شود: ساخت یک استوانه شیشه ای از پیش تعین شده کشیدن فیبر از استوانه آماده شده آزمایش فیبرهای تولید شده ساخت استوانه شیشه ای
شیشه مورد استفاده برای ساخت استوانه طی روندی موسوم به MCVD یا رسوب سازی تعدیل شده شیمیایی با بخار تولید میشود.
در روش MCVD اکسیژن از میان محلول کلراید سیلیکون (SiCl4)، کلراید ژرمانیوم
(GeCl4) و دیگر مواد شیمیایی میجوشد (قلقل میکند).
فرآیند MCVD برای ساخت استوانه
سپس بخارهای گاز بوسیکه یک ماشین مخصوص با حرکات دورانی بداخل یک لوله سیلیس مصنوعی یا لوله کوارتز هدایت میشود که به این عمل آبکاری گویند. در حین چرخش ماشین، یک مشعل در بیرون لوله به بالا و پایین حرکت میکند. حرارت بسیار زیاد ناشی از مشعل، باعث میشود دو چیز اتفاق بیفتد:
سیلیکون و ژرمانیوم با اکسیژن واکنش میدهند، دی اکسید سیلیکون (SiO2) و دی
اکسید ژرمانیوم (GeO2) حاصل میشود.
ماشین مورد استفاده برای ساخت استوانه
ماشین مخصوص بطور مستمر میچرخد تا استوانه ای استوار و اندود شده ساخته شود. خلوص شیشه با استفاده از قطعات پلاستیکی که در برابر خوردگی مقاوم است و در سیستم تزریق گاز بکار رفته و نیز با کنترل دقیق جریان گاز و ترکیب آن حفظ میشود. روند ساخت این استوانه کاملا خودکار است و چندین ساعت بطول می انجامد. بعد از اینکه استوانه ساخته شده خنک شد، تست کنترل کیفیت روی آن انجام میشود.
کشیدن فیبر از استوانه آماده شده
بعد ازینکه استوانه شیشه ای کنترل کیفی شد، روی دستگاهی بنام برج فیبر کشی
سوار میشود.
نمایی از یک برج فیبر کشی
متصدی دستگاه این رشته را در داخل دیگر قسمتهای برج از جمله تعدادی فنجانک اندود کننده و نیز کوره ماوراء بنفش نخ کشی میکند تا در نهایت به قرقره پایین دستگاه برسد. قرقره مکانیکی فیبر را به آرامی از استوانه داغ شده میکشد. یک ریزسنج لیزری بدقت این مرحله را کنترل میکند و قطر فیبر را اندازه میگیرد. اطلاعات بدست آمده از ریزسنج به سیستم خودکار قرقره مکانیکی ارسال میشود. فیبرها با سرعت ٣٣ تا ٦٦ فوت بر ثانیه ( ١٠ تا ٢٠ متر بر ثانیه ) از استوانه داغ کشیده میشوند و محصول نهایی روی قرقره پیچیده میشود. معمولا در نهایت بیش از ٤/١ مایل ( ٢/٢ کیلومتر ) فیبرنوری روی قرقره جمع نمیشود.
تست و آزمایش فیبرنوری آماده شده
یک قرقره فیبرنوری
موضوع برخی آزمایشها که روی فیبرنوری تولید شده انجام میشود: - مقاومت کششی: فیبر باید بتواند نیروی کشش معادل ٠٠٠/١٠٠ پوند بر اینچ مربع یا بیشتر را تحمل کند. - آزمایش منحنی ضریب شکست - بررسی فیبر از لحاظ ابعاد هندسی ازجمله کنترل یکنواختی قطر هسته و یکنواختی ضخامت لایه روکش - آزمایش میزان تضعیف امواج در فیبرنوری: در این آزمایش مشخص میشود که سیگنالهای نوری در طول موجهای مختلف چه مقدار انرژی خود را از حین عبور از فیبر دست میدهند. - ظرفیت انتقال اطلاعات (پهنای باند): تعداد سیگنالهایی که در هر لحظه میتواند بوسیله فیبر منتقل شود. - طیف رنگی: انتشار طول موجهای مختلف نور در هسته فیبر که در بحث پهنای باند حائز اهمیت است. - دمای عملیاتی / دامنه تغییرات رطوبت - تاثیر دما در تضعیف سیگنال عبوری - توانایی هدایت نور در زیر آب: حائز اهمیت برای کابلهایی که در زیر دریا استفاده میشود.
وقتی فیبر مراحل آزمایش را طی کرد، به شرکتهای فعال در زمینه تلفن، کابل و شبکه فروخته میشود. در حال حاضر بسیاری از شرکتها سیستمهای نوین مبتنی بر فیبرنوری را جایگزین سیستمهای قدیمی مبتنی بر سیم مسی کرده اند تا سرعت، ظرفیت و وضوح بیشتری حاصل شود.
فیزیک بازتابش کلی
وقتی نور از یک محیط با ضریب شکست m1 وارد محیط دوم با ضریب شکست کوچکتری
مثل m2 میشود، زاویه ای که در محیط اول با خط عمود فرضی بر سطح جدا کننده
دو محیط داشت، در محیط دوم تغییر میکند. همچنان که زاویه پرتو در محیط اول،
نسبت به خط عمود فرضی بزرگتر میشود، نور شکسته شده در محیط دوم هم از خط
فرضی دورتر میشود. (زاویه پرتو در محیط دوم هم نسبت به خط فرضی بزرگتر
میشود) Sin [critical angle] = n2 / n1 که n1 و n2 ضرایب شکست اند بطوریکه n1 < n2 . اگر زاویه پرتو محیط اول نسبت به خط عمود فرضی، از زاویه بحرانی بزرگتر باشد، در این حالت پرتو شکسته شده بطور کامل بداخل همان محیط اول منعکس میشود (پدیده بازتابش داخلی کلی). حتی اگر محیط دوم شفاف باشد و بتواند نور را عبور دهد. در فیزیک زاویه بحرانی نسبت به خط عمود فرضی تعریف میشود. در فیبرنوری، زاویه بحرانی نسبت به محوری موازی با فیبر که در مرکز آن امتداد دارد توصیف میشود. بنابراین (زاویه بحرانی فیزیکی – ٩٠ درجه) = زاویه بحرانی در فیبرنوری
پدیده بازتابش کلی نور در یک فیبرنوری
در یک فیبرنوری نور در هسته (با ضریب شکست بزرگتر، m1) سیر میکند و مرتبا با برخورد به لایه روکش (با ضریب شکست کوچکتر، m2) شکسته میشود چون زاویه نور همیشه از زاویه بحرانی بزرگتر است. در انعکاس نور از سطح روکش، مقدار زاویه انحنای فیبر تاثیر ندارد حتی اگر فیبرنوری یک دایره کامل ساخته باشد! ازانجا که لایه روکش هیچ نوری از هسته جذب نمیکند، موج نور میتواند مسافتهای طولانی را طی کند. ولی بهرحال برخی سیگنالهای نوری در حین عبور از فیبر ضعیف میشوند که دلیل عمده آن ناخالصیهای موجود در شیشه است. میزان تضعیف سیگنال به درجه خلوص شیشه و طول موج نور عبوری از فیبر بستگی دارد (مثلا نور با طول موج ٨٥٠ نانومتر در هر یک کیلومتر ٦٠ تا ٧٥ درصد ضعیف میشود. نور با طول موج ١٣٠٠ نانومتر ٥٠ تا ٦٠ درصد در هر یک کیلومتر و نور با طول موج ١٥٥٠ نانومتر بیش از ٥٠ درصد در هر کیلومتر تضعیف میشود.) برخی از انواع فیبرنوری کارایی بهتری دارند و سیگنال نور در آنها کمتر انرژی خود را از دست میدهد – کمتر از ١٠ درصد در هر یک کیلومتر برای طول موج ١٥٥٠ نانومتر.
اگر اطلاعات بیشتری درمورد فیبرنوری میخواهید: · Corning Optical Fiber · Communications Specialties: Introduction to Fiber Optics · StarTech.com: What are Fiber Optics? · Fiberoptics Online · Fiberoptic Product News Online · Schott Fiber Optics: Introduction to fiber optic imaging · Fibercore: Virtual Facilities Tour
مترجم: حامد اشرفي مرجع: electronics.howstuffworks.com منبع: PersianIT.ir
|
