شما نام کابل‌های فیبر نوری را هر زمان که صحبت از سیستم تلفن، سیستم کابلی تلویزیون یا اینترنت می‌شود، می‌شنوید. به نقل از دانشنامه بریتانیکا (Encyclopedia Brittanica)، فیبر نوری را می‌توان به عنوان علم انتقال داده‌ها، صدا و تصاویر از طریق عبور نور از رشته‌های نازک، توصیف کرد.
خطوط فیبر نوری، رشته‌هایی از شیشه خالص نوری به نازکی موی انسان هستند که اطلاعات دیجیتال را در مسافت‌های طولانی منتقل می‌کنند. این کابل‌ها همچنین در تصویربرداری پزشکی و بازرسی مهندسی مکانیک مورد استفاده قرار می‌گیرند. آنها عملاً فناوری قدیمی‌تر سیم‌های مسی را در مخابرات جایگزین کرده‌اند.
در این مقاله، به شما نشان خواهیم داد که چگونه این رشته‌های کوچک شیشه‌ای، نور را منتقل می‌کنند و روش شگفت‌انگیزی که این رشته‌ها ساخته می‌شوند چگونه است.
فیبرهای نوری چه هستند؟
فیبرهای نوری (Optical fibers) رشته‌های بلند و نازکی از شیشه‌ی بسیار خالص هستند که تقریباً به قطر موی انسان می‌باشند. این فیبرها در دسته‌هایی به نام کابل‌های نوری (optical cables) مرتب شده و برای انتقال سیگنال‌های نوری در مسافت‌های طولانی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
اگر از نزدیک به یک فیبر نوری تکی نگاه کنید، خواهید دید که اجزای زیر را دارد:
- هسته (Core): بخش مرکزی و باریک فیبر که نور در آن حرکت می‌کند.
- روکش (Cladding): لایه بیرونی ماده نوری که هسته را احاطه کرده و نور را به داخل هسته بازتاب می‌دهد.
- بافر (Buffer): یک پوشش محافظ پلاستیکی که مستقیماً روی فیبر نوری اعمال می‌شود.
- پوشش (Jacket): لایه بیرونی محافظ کابل که فیبر را از آسیب و رطوبت محافظت می‌کند.
صدها یا هزاران عدد از این فیبرهای نوری در بسته‌هایی در کابل‌های نوری قرار می‌گیرند.
فیبرهای نوری به دو نوع تقسیم می‌شوند:
۱. فیبرهای تکحالته (Single-mode fibers)
۲. فیبرهای چند حالته (Multi-mode fibers)
فیبرهای تکحالته هسته‌های کوچکی دارند (حدود 9 میکرون یا 3٫۵ اینچ قطر) و نور لیزر مادون قرمز را (با طول موج 1300 تا ۱۵۵۰ نانومتر) منتقل می‌کنند. فیبرهای چند حالته هسته‌های بزرگتری دارند (حدود ۶۲٫۵ میکرون یا ۲٫۵ اینچ قطر) و نور مادون قرمز (با طول موج ۸۵۰ تا 1300 نانومتر) را از دیودهای ساطع‌کننده نور (LED) منتقل می‌کنند.
برخی از فیبرهای نوری را می‌توان از پلاستیک ساخت. این فیبرها هسته بزرگی دارند (1 میلی‌متر یا 0.0۴ اینچ قطر) و می‌توانند با تراشه‌های سیلیکونی استفاده شوند. فیبر شیشه‌ای با سیلیکون خوب کار نمی‌کند و تطبیق آن پرهزینه است.
بیایید نگاهی به نحوه عملکرد یک فیبر نوری بیندازیم.
یک فیبر نوری چگونه نور را منتقل می‌کند؟
فرض کنید می‌خواهید نور چراغ قوه‌ای را در امتداد یک راهروی بلند و مستقیم بتابانید. کافی است نور را مستقیماً به انتهای راهرو بگیرید – نور در خطوط مستقیم حرکت می‌کند، بنابراین مشکلی وجود ندارد. اگر راهرو پیچ و خم داشته باشد چه؟ می‌توانید آینه‌ای را در محل خمیدگی قرار دهید تا نور را به گوشه منعکس کند. اگر راهرو بسیار پرپیچ‌وخم با خمیدگی‌های متعدد باشد چه؟ می‌توانید دیواره‌ها را با آینه بپوشانید و نور را طوری زاویه‌دار کنید که در امتداد راهرو از این طرف به آن طرف منعکس شود. این دقیقاً همان اتفاقی است که در یک فیبر نوری می‌افتد.
نور در یک کابل فیبر نوری از طریق هسته (راهرو) با بازتاب مداوم از روکش (دیوارهای آینه‌کاری شده) حرکت می‌کند، این اصل، بازتاب کلی داخلی (Total internal reflection) نامیده می‌شود. از آنجایی که روکش هیچ نوری را از هسته جذب نمی‌کند، موج نور می‌تواند مسافت‌های زیادی را طی کند.
با این حال، بخشی از سیگنال درون فیبر با طی کردن مسافت‌های طولانی‌تر از بین می‌رود. میزان تخریب سیگنال به خلوص شیشه، تعداد خمیدگی‌ها در فیبر یا اتصالاتی که بخش‌های فیبر را به هم متصل می‌کنند و طول موج نور منتقل‌شده بستگی دارد.
به عنوان مثال، برای فیبر چند حالته، قطرها به این صورت هستند: ۸۵۰ نانومتر = ۳ دسی‌بل در کیلومتر؛ ۱۳۰۰ نانومتر = ۱ دسی‌بل در کیلومتر. برای کابل تک حالته: ۱۳۱۰ نانومتر = ۰٫۵ دسی‌بل در کیلومتر؛ ۱۵۵۰ نانومتر = ۰٫۴ دسی‌بل در کیلومتر.
یک سیستم رله فیبر نوری
برای درک اینکه چگونه فیبرهای نوری در سیستم‌های ارتباطی استفاده می‌شوند، بیایید به مثالی از یک فیلم یا مستند جنگ جهانی دوم نگاه کنیم که در آن دو کشتی نیروی دریایی در یک ناوگان، در حالی که سکوت رادیویی را حفظ می‌کنند یا در دریای طوفانی هستند، نیاز به برقراری ارتباط با یکدیگر دارند. یک کشتی در کنار کشتی دیگر پهلو می‌گیرد. ناخدای یک کشتی پیامی را برای ملوانی روی عرشه می‌فرستد. ملوان پیام را به کد مورس (نقطه و خط تیره) ترجمه می‌کند و از یک چراغ سیگنال (نورافکن با دریچه کرکره‌ای نوع پرده‌ای) برای ارسال پیام به کشتی دیگر استفاده می‌کند. ملوانی روی عرشه کشتی دیگر پیام کد مورس را می‌بیند، آن را به انگلیسی رمزگشایی می‌کند و پیام را به ناخدا می‌فرستد.
حالا تصور کنید که این کار را زمانی انجام می‌دهید که کشتی‌ها در دو طرف اقیانوس در فاصله هزاران مایلی از هم قرار دارند و یک سیستم ارتباطی فیبر نوری بین دو کشتی برقرار است. سیستم‌های رله فیبر نوری شامل موارد زیر است:
- فرستنده (Transmitter): سیگنال‌های نوری را تولید و کدگذاری می‌کند.
- فیبر نوری (Optical fiber): سیگنال‌های نوری را در طول مسافت انتقال می‌دهد.
- بازساز نوری (Optical Regenerator): ممکن است برای تقویت سیگنال نوری (برای مسافت‌های طولانی) ضروری باشد.
- گیرنده نوری (Optical receiver): سیگنال‌های نوری را دریافت و رمزگشایی می‌کند.
فرستنده
فرستنده مانند ملوان روی عرشه کشتی ارسال‌کننده است. سیگنال را دریافت می‌کند و به دستگاه نوری دستور می‌دهد تا نور را به ترتیب صحیح “روشن” و “خاموش” کند، در نتیجه یک سیگنال نوری تولید می‌کند.
فرستنده از نظر فیزیکی نزدیک به فیبر نوری است و حتی ممکن است لنزی برای متمرکز نمودن نور به داخل فیبر داشته باشد. لیزرها قدرت بیشتری نسبت به LEDها دارند، اما با تغییرات دما بیشتر تغییر می‌کنند و گران‌تر هستند. رایج‌ترین طول‌موج‌های سیگنال‌های نوری ۸۵۰ نانومتر، ۱۳۰۰ نانومتر و ۱۵۵۰ نانومتر هستند (فروسرخ، بخش‌های غیرقابل مشاهده طیف).
بازساز نوری
همانطور که در بالا ذکر شد، مقداری افت سیگنال (Signal loss) هنگام انتقال نور از طریق فیبر، به ویژه در مسافت‌های طولانی مانند کابل‌های زیر دریا رخ می‌دهد. بنابراین، یک یا چند بازساز نوری در طول کابل متصل می‌شوند تا سیگنال‌های نوری تخریب شده را تقویت کنند.
یک بازساز نوری از فیبرهای نوری با یک پوشش ویژه (دوپینگ یا ناخالصی (Doping)) تشکیل شده است. قسمت ناخالص با یک لیزر “پمپ” می‌شود. هنگامی که سیگنال تخریب‌شده وارد پوشش ناخالص می‌شود، انرژی حاصل از لیزر به مولکول‌های ناخالص اجازه می‌دهد تا خودشان لیزر شوند. سپس مولکول‌های ناخالص یک سیگنال نوری جدید و قوی‌تر با همان ویژگی‌های سیگنال نوری ضعیف ورودی، ساطع می‌کنند. اساساً، بازساز یک تقویت کننده لیزری برای سیگنال ورودی است.
گیرنده نوری
گیرنده نوری مانند ملوان روی عرشه کشتی گیرنده است. سیگنال‌های نوری دیجیتال ورودی را می‌گیرد، آنها را رمزگشایی می‌کند و سیگنال الکتریکی را به رایانه، تلویزیون یا تلفن کاربر دیگر (ناخدای کشتی گیرنده) می‌فرستد. گیرنده از یک سلول نوری (Photocell) یا فتودیود (Photodiode) برای تشخیص نور استفاده می‌کند.
مزایای فیبر نوری
چرا سیستم‌های فیبر نوری در حال متحول کردن مخابرات هستند؟ در مقایسه با سیم فلزی معمولی (سیم مسی)، فیبرهای نوری:
- ارزان‌تر هستند. کابل فیبر نوری گران‌تر از سیم مسی است، اما به نگهداری کمتری نیز نیاز دارد. در درازمدت در هزینه و ارائه‌دهنده اینترنت شما صرفه‌جویی می‌کند.
- نازک‌تر هستند. فیبرهای نوری را می‌توان در قطرهای کوچکتری نسبت به سیم مسی کشید.
- ظرفیت حمل بالاتری دارند. از آنجایی که فیبرهای نوری نازک‌تر از سیم‌های مسی هستند، می‌توان فیبرهای بیشتری را در یک کابل با قطر معین نسبت به سیم‌های مسی بسته‌بندی کرد. این امر به خطوط تلفن بیشتری اجازه می‌دهد تا از طریق همان کابل عبور کنند یا کانال‌های بیشتری از طریق کابل وارد جعبه تلویزیون کابلی شما شوند.
- تخریب سیگنال کمتری دارند. افت سیگنال در فیبر نوری کمتر از سیم مسی است.
- هیچ تداخلی از سیگنال‌های نوری ندارند. بر خلاف سیگنال‌های الکتریکی در سیم‌های مسی، سیگنال‌های نوری از یک فیبر با سیگنال‌های فیبرهای دیگر در همان کابل تداخل نمی‌کنند. این بدان معناست که مکالمات تلفنی یا دریافت تلویزیونی واضح‌تری خواهید داشت.
- توان کمتری لازم دارند. از آنجایی که سیگنال‌ها در فیبرهای نوری کمتر تخریب می‌شوند، می‌توان از فرستنده‌های کم‌توان‌تری به جای فرستنده‌های الکتریکی ولتاژ بالا مورد نیاز برای سیم‌های مسی استفاده کرد. باز هم، این کار باعث صرفه‌جویی در هزینه شما و ارائه‌دهنده شما می‌شود.
- سیگنال‌های دیجیتال دارند. فیبرهای نوری به طور ایده‌آل برای حمل اطلاعات دیجیتال مناسب هستند، که به ویژه در شبکه‌های کامپیوتری مفید است.
- غیرقابل اشتعال هستند. از آنجایی که هیچ برقی از طریق فیبرهای نوری عبور نمی‌کند، گرما ایجاد نمی‌کند و خطر آتش‌سوزی را کاهش می‌دهد.
- وزن کمتری دارند. یک کابل نوری، سبک‌تر از یک کابل سیمی مسی هم‌ترازش است (۴ پوند یا ۲ کیلوگرم در هر ۱۰۰۰ فوت یا ۳۰۵ متر، در مقابل ۳۹ پوند یا ۱۸ کیلوگرم در هر ۱۰۰۰ فوت). کابل‌های فیبر نوری فضای کمتری را نیز در زمین اشغال می‌کنند.
- انعطاف‌پذیر هستند. از آنجایی که فیبرهای نوری بسیار انعطاف‌پذیر هستند و می‌توانند نور را انتقال و دریافت کنند، در بسیاری از دوربین‌های دیجیتال انعطاف‌پذیر برای اهداف زیر استفاده می‌شوند:
-
- تصویربرداری پزشکی – در برونکوسکوپ‌ها (Bronchoscopes)، آندوسکوپ‌ها (Endoscopes)، لاپاراسکوپ‌ها (Laparoscopes)
- تصویربرداری مکانیکی – بازرسی جوش‌های مکانیکی در لوله‌ها و موتورها (در هواپیماها، موشک‌ها، شاتل‌های فضایی، خودروها)
- لوله کشی – برای بازرسی خطوط فاضلاب
به دلیل این مزایا، فیبرهای نوری را در بسیاری از صنایع، به ویژه مخابرات و شبکه‌های کامپیوتری مشاهده می‌کنید. به عنوان مثال، اگر از طریق تلفن ثابت از ایالات متحده با اروپا تماس بگیرید (یا برعکس) و سیگنال از یک ماهواره مخابراتی منعکس شود، اغلب پژواکی را در خط می‌شنوید. اما با کابل‌های فیبر نوری Transatlantic، یک اتصال مستقیم بدون پژواک دارید.
فیبرهای نوری چگونه ساخته می‌شوند؟
اکنون که می‌دانیم سیستم‌های فیبر نوری چگونه کار می‌کنند و چرا مفید هستند، چگونه ساخته می‌شوند؟ فیبرهای نوری از شیشه نوری فوق‌العاده خالص ساخته شده‌اند. ما یک شیشه پنجره را شفاف در نظر می‌گیریم، اما هر چه شیشه ضخیم‌تر شود، به دلیل ناخالصی‌های موجود در شیشه، شفافیت آن کمتر می‌شود. با این حال، شیشه موجود در یک فیبر نوری ناخالصی‌های بسیار کمتری نسبت به شیشه پنجره دارد.
ساخت فیبرهای نوری نیازمند مراحل زیر است:
- ساخت یک استوانه شیشه ای پیشفرم (Preform)
- کشیدن فیبرها از پیشفرم
- آزمایش فیبرها
ساخت استوانه پیشفرم
شیشه برای پیشفرم با فرآیندی به نام رسوب‌دهی شیمیایی بخار اصلاح‌شده (Modified Chemical Vapor Deposition (MCVD)) ساخته می‌شود.
در روش MCVD، اکسیژن از محلول‌های تتراکلرید سیلیسیوم (SiCl4)، تتراکلرید ژرمانیوم (GeCl4)، تری‌کلرید فسفر (PoCl3) و/یا سایر مواد شیمیایی حباب‌زنی می‌شود. این ترکیب دقیق، خواص فیزیکی و نوری مختلف (ضریب شکست، ضریب انبساط، نقطه ذوب و غیره) را تعیین می‌کند. سپس بخارات گاز به داخل یک لوله سنتز سیلیس (Synthetic silica) یا لوله کوارتز (Quartz tube) (روکش) در یک ماشین تراش (lathe) مخصوص هدایت می‌شوند. با چرخش ماشین تراش، یک مشعل در امتداد قسمت بیرونی لوله به بالا و پایین حرکت می‌کند. گرمای شدید ناشی از مشعل باعث دو اتفاق می‌شود:
- سیلیسیوم و ژرمانیوم با اکسیژن واکنش داده و دی‌اکسید سیلیسیوم (SiO2) و دی‌اکسید ژرمانیوم (GeO2) تشکیل می‌دهند.
- دی‌اکسید سیلیسیوم و دی‌اکسید ژرمانیوم در داخل لوله رسوب کرده و با هم ذوب شده و شیشه را تشکیل می‌دهند.
ماشین تراش به طور مداوم می‌چرخد تا یک پوشش یکنواخت و استوانه همسان ایجاد کند. خلوص شیشه با استفاده از پلاستیک مقاوم در برابر خوردگی در سیستم تحویل گاز (بلوک‌های شیر، لوله‌ها، مهر و موم‌ها) و با کنترل دقیق جریان و ترکیب مخلوط حفظ می‌شود. فرآیند ساخت استوانه پیشفرم بسیار خودکار است و چندین ساعت طول می‌کشد. پس از خنک شدن استوانه پیشفرم، از نظر کنترل کیفیت (ضریب شکست) تست می‌شود.
کشیدن فیبرها از ورقه پیشفرم
پس از تست ورقه پیشفرم، آن را در برج کشش فیبر (Fiber drawing tower) بارگذاری می‌کنند.
ورقه به داخل یک کوره گرافیتی (با دمای ۱۹۰۰ تا ۲۲۰۰ درجه سانتیگراد یا ۳۴۵۲ تا ۳۹۹۲ درجه فارنهایت) پایین آورده می‌شود و نوک آن ذوب می‌شود تا یک گوی مذاب تحت اثر نیروی جاذبه به پایین بیفتد. با پایین آمدن، خنک شده و یک رشته تشکیل می‌دهد.
اپراتور رشته را از طریق یک سری فنجان‌های پوشش (پوشش‌های بافر) و کوره‌های پخت نور فرابنفش به یک قرقره کنترل‌شده توسط کشنده هدایت می‌کند. مکانیزم کشنده به آرامی فیبر را از ورقه پیش‌گرم‌شده می‌کشد و با استفاده از یک میکرومتر لیزری (Laser micrometer) برای اندازه‌گیری قطر فیبر و بازخورد اطلاعات به مکانیزم کشنده، به دقت کنترل می‌شود.
فیبرها با سرعت حداکثر ۲۰ متر بر ثانیه (۶۶ فوت بر ثانیه) از ورقه کشیده می‌شوند و محصول نهایی بر روی قرقره پیچیده می‌شود. این موضوع غیرمعمول نیست که قرقره‌های منفرد حاوی مایل‌ها یا کیلومترها فیبر نوری باشند.
آزمایش فیبر نوری نهایی:
فیبر نوری نهایی از نظر موارد زیر آزمایش می‌شود:
- مقاومت کششی: باید بتواند ۱۰۰۰۰۰ پوند بر اینچ مربع یا بیشتر را تحمل کند.
- پروفایل ضریب شکست: تعیین دریچه عددی (Numerical Aperture) و همچنین بررسی عیوب نوری.
- هندسه فیبر: قطر هسته، ابعاد روکش (Cladding) و قطر پوشش (Coating) باید یکنواخت باشند.
- تضعیف یا میرائی (Attenuation): تعیین میزان تخریب سیگنال‌های نوری با طول موج‌های مختلف در طول مسافت.
- ظرفیت انتقال اطلاعات (پهنای باند): تعداد سیگنال‌هایی که می‌توانند به طور همزمان حمل شوند (فیبرهای چندحالته).
- پراکنش رنگی (Chromatic Dispersion): گسترش طول موج‌های مختلف نور از طریق هسته (مهم برای پهنای باند).
- محدوده دما/رطوبت کاری.
- وابستگی تضعیف به دما.
- توانایی انتقال نور در زیر آب: مهم برای کابل‌های زیردریایی.
پس از اینکه فیبرها از کنترل کیفیت عبور کردند، به شرکت‌های تلفن، شرکت‌های کابلی و ارائه‌دهندگان شبکه فروخته می‌شوند. اکثر شرکت‌ها سیستم‌های قدیمی مبتنی بر سیم مسی خود را با سیستم‌های جدید مبتنی بر فیبر نوری جایگزین کرده‌اند تا سرعت، ظرفیت و وضوح را بهبود بخشند.
فیزیک بازتاب کلی داخلی
وقتی نور از محیطی با ضریب شکست مشخص (m1) به محیط دیگری با ضریب شکست کمتر (m2) عبور می‌کند، نور خم شده یا شکسته می‌شود و از خط فرضی عمود بر سطح (خط نرمال (Normal line)) دور می‌شود. با افزایش زاویه پرتو در محیط m1 نسبت به خط نرمال، نور شکست‌یافته در محیط m2 بیشتر از خط دور می‌شود.
در یک زاویه خاص (زاویه بحرانی (Critical angle))، نور شکست‌یافته به محیط m2 وارد نمی‌شود، بلکه در عوض در امتداد سطح بین دو محیط حرکت می‌کند (سینوس [زاویه بحرانی] n2/n1 = به‌طوری‌که در آن n1 و n2 ضرایب شکست هستند n1] بزرگتر از n2 است[). اگر زاویه پرتو در محیط m1 بزرگتر از زاویه بحرانی باشد، پرتو شکست‌یافته به طور کامل به محیط m1 بازتابیده می‌شود (بازتاب کلی داخلی)، حتی اگر محیط m2 شفاف باشد!
در فیزیک، زاویه بحرانی نسبت به خط نرمال توصیف می‌شود. در فیبرهای نوری، زاویه بحرانی نسبت به محور موازی که در امتداد وسط فیبر قرار دارد توصیف می‌شود. بنابراین، زاویه بحرانی فیبر نوری = (زاویه بحرانی فیزیک- ۹۰).
در یک فیبر نوری، نور از طریق هسته (m1، ضریب شکست بالا) با بازتاب مداوم از روکش (m2، ضریب شکست پایین) عبور می‌کند، زیرا زاویه نور همیشه بزرگتر از زاویه بحرانی است. نور از روکش بازتاب می‌شود، مهم نیست که خود فیبر در چه زاویه‌ای خم شود، حتی اگر یک دایره کامل باشد!
