20/06/91
فیبر نوری
متعلقات واجزای تشکیل دهنده و روشهای عیب یابی آن
فیبر نوری چیست؟

يکی از محيط های انتقال در شبکه های کامپيوتری، فيبر نوری است. فیبر نوری را هنگامی استفاده می کنیم که نیاز به ارتباط بین مسافت های بیش از 100 متر و پهنای باند زیاد داریم و یا کلا نیاز به ارتباط دودستگاه مثلا سوئیچ با پهنای باند بالاداریم.

ایده استفاده از انکسار (شکست) برای هدایت نور (که اساس فیبرهای نوری امروزی است) برای اولین بار در سال 1840 توسطDaniel Colladon و Jacques Babinet در پاریس پیشنهاد شد. همچنین John Tyndall در سال 1870 در کتاب خود ویژگی بازتاب کلی را شرح داد: «وقتی نور از هوا وارد آب می شود به سمت خط عمود بر سطح خم می شود و وقتی از آب وارد هوا می شود از خط عمود دور می-شود. اگر زاویه ای پرتو نور با خط عمود در تابش از داخل آب بزرگتر از 48 درجه شود هیچ نوری از آب خارج نمی¬شود در واقع نور به طور کامل از سطح آب منعکس می شود. زاویه ای که انعکاس کلی آغاز می شود را زاویه بحرانی می نامیم».
کاکو و کوکهام انگلیسی برای اولین بار استفاده از شیشه را بعنوان محیط انتشار مطرح ساختند. آنان مبنای کار خود را بر آن گذاشتند که به سرعتی حدود ۱۰۰ مگابیت بر ثانیه و بیشتر بر روی محیط های انتشار شیشه دست یابند. این سرعت انتقال با تضعیف زیاد انرژی همراه بود .این دو محقق انگلیسی، کاهش انرژی را تا آنجا می پذیرفتند که کمتر از ۲۰ سی بل نباشد . اگر چه آنان در رسیدن به هدف خود ناکام ماندند، اما شرکت آمریکائی ( کورنینگ گلس ) به این هدف دست یافت. در اوایل سال ۱۹۶۰ میلادی با اختراع اشعه لیزر ارتباطات فیبرنوری ممکن گردید. در سال ۱۹۶۶ میلادی، دانشمندان در این نظریه که نور در الیاف شیشه ای هدایت می شود پیشرفت کردند که حاصل آن از کابلهای معمولی بسیار سودمندتر بود . چرا که فیبرنوری بسیار سبکتر و ارزانتر از کابل مسی است و در عین حال ظرفیت انتقالی تا چندین هزار برابر کابل مسی دارد.
در سال 1970 اولین فیبر نوری Single Mode تولید و در سال 1972 اولین فیبر Multi Mode تولید شد.
فیبر نوری از پالس های نور برای انتقال داده ها در اثر انعکاس کلی در هسته(core) و غلاف (cladding)، از طریق تارهای سیلکون بهره می گیرد. یک کابل فیبر نوری که کمتر از یک اینچ قطر داردو از چندین لایه ساخته می شود. درونی ترین لایه را هسته می نامند. هسته شامل یک تار کاملاً بازتاب کننده از شیشه خالص (معمولاً) است. هسته در بعضی از کابل ها از پلاستیک کا ملاً بازتابنده ساخته می شود، که هزینه ساخت را پایین می آورد. با این حال، یک هسته پلاستیکی معمولاً کیفیت شیشه را ندارد و بیشتر برای حمل داده ها در فواصل کوتاه به کار می رود. حول هسته بخش پوسته قرار دارد، که از شیشه یا پلاستیک ساخته می شود. هسته و پوسته به همراه هم یک رابط بازتابنده را تشکیل می دهند که باعث می شود که نور در هسته تا بیده شود تا از سطحی به طرف مرکز هسته باز تابیده شود که دردو ماده به هم می رسند. این عمل بازتاب نور به مرکز هسته را (بازتاب داخلی کلی) می نامند.
[IMG]file:///C:/Users/M-KHAZ~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image001.jpg[/IMG] قطر هسته و پوسته با هم حدود ۱۲۵ میکرون است (هر میکرون معادل یک میلیونیم متر است)، که در حدود اندازه یک تار موی انسان است. بسته به سازنده، حول پوسته چند لایه محافظ، شامل یک پوشش قرار می گیرد.
یک پوشش محافظ پلاستکی سخت لایه بیرونی را تشکیل می دهد. این لایه کل کابل را در خود نگه می دارد، که می تواند صدها فیبر نوری مختلف را در بر بگیرد. قطر یک کابل نمونه کمتر از یک اینچ است.
[IMG]file:///C:/Users/M-KHAZ~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image002.jpg[/IMG]

بطور کلی می توان گفت يک فيبر نوری از سه بخش متفاوت تشکيل شده است:
بخشهای مختلف فیبر نوری ( )
Buffer Coating ، Cladding ،Core
1-هسته ( ): هسته نازک شيشه ای در مرکز فيبر که سيگنا ل های نوری در آن حرکت می نمايند. -
2-روکش ( ): بخش خارجی فيبر بوده که دورتادور هسته را احاطه کرده و باعث برگشت نورمنعکس شده به هسته می گردد. -
3-بافر رويه (): روکش پلاستيکی که باعث حفاظت فيبر در مقابل رطوبت و ساير موارد آسيب پذير، است .
صدها و هزاران نمونه از رشته های نوری فوق در دسته هائی سازماندهی شده و کابل های نوری را بوجود می آورند. هر يک از کلاف های فيبر نوری توسط يک روکش هائی با نام Jacket محافظت می گردند.

برای تولید فیبر نوری، نخست ساختار آن در یک میله شیشه ای موسوم به پیش سازه از جنس سیلیکا ایجاد می گردد و سپس در یک فرایند جداگانه این میله کشیده شده تبدیل به فیبر می شود. از سال ۱۹۷۰ روش های متعددی برای ساخت انواع پیش سازه ها به کار رفته است که اغلب آنها بر مبنای رسوب دهی لایه های شیشه ای در داخل یک لوله به عنوان پایه قرار دارند.
در 1991، میدانهای نوری کریستالهای فوتونیک منجر به توسعه فیبرهای کریستالی فوتونیک گردید، که نور را به وسیله شکست نور از یک ساختار پریودیک به جای انعکاس درونی کلی، هدایت می کرد. این کابلها برای انتقال توان بالای بین قاره ای طراحی شدند، و طول موج آنها بسته به مشخصات، دستکاری و برای کاربردهای مشخص بهینه می شوند
سيگنالي كه در محیط فیبر انتقال/جريان مي يابد سيگنال نوري درمحدوده امواج مادون قرمزمي باشدكه از 850 تا 1625 نانومتر مورد استفاده قرار مي گيرد شرط انتشار سيگنال نوري اين است كه ضريب شكست مغزي بزرگتر از ضريب شكست غلاف باشد . n1>n2


[IMG]file:///C:/Users/M-KHAZ~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image003.jpg[/IMG]
منابع نوری در اين نوع کابل ها، ديود ليزری و يا ديودهای ساطع کننده نور می باشند.
فیبرهای نوری از نظر ژاکت به انواع مختلف از قبیل
ضد جونده، وایر استیل آرمورد، ضد آتش، ضد دود و ... تقسیم می شوند. همچنین متناسب با محل استفاده به سه گروه مصارف داخل ساختمانی Indoor ، مصارف داخل ساختمان و کانالهای پلاستیکی و فلزی Indoor/Outdoor و برای استفاده در فضای آزاد و دفن در زیر زمین Outdoor تقسیم می شوند.
از لحاظ کلی دو نوع فیبر وجود دارد:
انواع فیبر نوری ( سینگل مد مولتی مد )
فيبرهای تک حالته (Single-Mode): بمنظور ارسال يک سيگنال در هر فيبر استفاده می شود.
فيبرهای چندحالته (Multi-Mode) : بمنظور ارسال چندين سيگنال در يک فيبر استفاده می شود.
فيبرهای تک حالته دارای يک هسته کوچک ( 8 و 9 ميکرون قطر ) بوده و قادر به ارسال نور ليزری مادون قرمز ( طول موج از 1300 تا 1550 نانومتر) می باشند. فيبرهای چند حالته دارای هسته بزرگتر ( 50 و 5/62 ميکرون قطر ) و قادر به ارسال نورمادون قرمز از طريق LED می باشند.
[IMG]file:///C:/Users/M-KHAZ~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image004.jpg[/IMG]
فیبرهای مالتی مود می تواند در سرعت 100 مگابیت با 2 کیلومتر مسافت را پاسخگو باشد. اما در سرعتهای گیگابیتی، فیبرهای مالتی مود 5/62 فقط در حدود 300 متر و مالتی مود 50 فقط در حدود 550 متر را پشتیبانی می کند. فیبرهای سینگل مود تا سرعت 100 مگابیت را تا مسافت 100 کیلومتر می تواند پشتیبانی کند. البته این محدودیتها به دلیل عدم توانایی تجهیزات اکتیو می باشد.
مزاياي فيبر نوري :
1- پهناي باندوسيع باظرفيت انتقال بالا
2-تلفات كم (يعني در فواصل طولاني قابل استفاده است )
3-عدم تشعشع الكترومغناطيسي
4- عدم القاء الكترومغناطيسي
5-فراواني مواد اوليه در طبيعت
6-مصونيت دربرابر عوامل جوي
7- امنيت كامل سيگنال
شبکه فیبرنوری، عمدتا شامل سه قسمت می شود:
1-فرستنده: دیتا را دریافت و به سیگنالهای نور تبدیل میکند .
فرستنده درعمل به فیبر نوری متصل میشود و حتی ممکن است دارای لنزی برای متمرکز کردن نور
به داخل فیبر هم باشد. قدرت اشعه لیزر بیش از ledهاست اما با کم و زیاد شدن دما شدت نورشان تغییر میکند و گرانتر هم هستند. متداول ترین طول موجهایی که استفاده میشود عبارتند از: ۸۵۰ نانومتر، ۱۳۰۰ نانومتر و ۱۵۵۰ نانومتر(مادون قرمز و طول موجهای نامریی طیف).

2-فیبرنوری: سیگنالهای نوری را در داخل خودش هدایت میکند.
* بعضی مواقع برای ارسال سیگنالهای نوری به فواصل خیلی دور استفاده از تقویت کننده نوری لازم باشد. نور حین عبور از فیبر ضعیف میشود. (مخصوصا در فواصل طولانی بیش از نیم مایل یا حدود یک کیلومتر مثلا در کابلهای زیر دریا) بنابرین یک یا بیش از یک تقویت کننده نوری در طول کابل بسته میشوند تا نور ضعیف شده را تقویت کنند.یک تقویت کننده نوری دارای فیبرهای نوری با پوشش ویژه ای است. نور ضعیف شده پس از ورود به این تقویت کننده تحت تاثیر این پوشش خاص و نیز نور لیزری که به این پوشش تابیده میشود تقویت میشود. ملکولهای موجود در این پوشش ویژه با تابش لیزر به آنها، سیگنال نوری جدید و قوی تولید میکنند که مشخصات آن مشابه نور ورودی به تقویت کننده است. درواقع تقویت کننده نوری یک آمپلی فایر لیزری برای نور ورودی به آن است.

3-گیرنده نوری: سیگنالهای نور را دریافت و وتبدیل به دیتا میکند.
گیرنده برای دریافت و آشکارسازی نور ورودی از فتوسل یا فتودیود استفاده میکند.
عملکرد فيبر نوري جهت ارسال نور :
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؟
براي اين منظور ميتوانيد از يک آينه استفاده کنيد که در محل خميدگي راهرو قرار ميگيرد و نور را در جهت مناسب منحرف ميکند. اگر راهرو خيلي پيچ در پيچ باشد و خمهاي زيادي داشته باشد؟ ميتوانيد ديوارها را با آينه بپوشانيد و نور را به دام بيندازيد بطوريکه در طول راهرو از يک گوشه به گوشه ديگر بپرد. اين دقيقا همان چيزي است که در يک فيبرنوري اتفاق مي افتد.
نور در يک کابل فيبرنوري، بر اساس قاعده اي موسوم به بازتابش داخلي، مرتبا بوسيله ديواره آينه پوش لايه اي که هسته را فراگرفته، به اين سو و آن سو پرش ميکند و در طول هسته پيش ميرود.
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).

اجزای تشکیل دهنده شبکه فیبر نوری:
جهت ایجاد یک ارتباط فیبر نوری غیر از کابل مابه قلام زیر نیاز داریم:
1-پچپنل فیبر نوری
پچپنل ، باکس رک مونت است که کابل فیبر نوری بعد از اینکه وارد رک شد غلاف دور کابل جدا شده و داخل پچپنل می شود .
[IMG]file:///C:/Users/M-KHAZ~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image005.jpg[/IMG]
[IMG]file:///C:/Users/M-KHAZ~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image006.jpg[/IMG]

-کاست
در داخل اغلب پچپنل ها موجود است و برای جمع کردن تیکه اصافه کابل فیبر لخت شده استفاده می شود.

3-پیگتیل
کابلهای آماده ای هستند که از یک سمت کانکتور فیبر در کارخانه وصل شده است و در داخل پچپنل به سر یکی از کابلهای لخت شده فیبر فیوژن می شود.
[IMG]file:///C:/Users/M-KHAZ~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image007.jpg[/IMG]
4-کریمپ
کریمپ حرارتی وسیله ای شبیه وارنیش است به صورت استوانه که بهد از فیوژن دور محل جوش خورده را می پوشاند تا به راحتی قطع نشود.
[IMG]file:///C:/Users/M-KHAZ~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image008.jpg[/IMG]
5-آداپتور
قطعه ای است که بر روی پچپنل وصل می شود تا پیگتیل به آن وصل گردد.
[IMG]file:///C:/Users/M-KHAZ~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image009.jpg[/IMG]
[IMG]file:///C:/Users/M-KHAZ~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image010.jpg[/IMG]
6-پچ کورد
برای اتصال بین پچ پنل فیبر نوری و سوئیچ شبکه از پچ کورد استفاده می کنیم. این پچ کورد ها بایستی متناسب با فیبر نوری انتخاب شوند مثلا پچ کورد سینگل مود برای فیبر سینگل مود و پچ کورد مالتی مود برای فیبر مالتی مود. پچ کورد ها دارای کانکتورهای مختلفی هستند مانند : MT – Rj و LC و SC و ST و VF – 45 . بر حسب کاربرد در برخی پچ کوردها کانکتور های یک سر پچ کورد با سر دیگر متفاوت است، برای مصارف گوناگون مثلا پچ کورد : SC به LC و ... پچ کوردها معمولاً دارای قابلیت انعطاف بسیار بالایی هستند و براحتی نمی شکنند. طول این پچ کوردها معمولا 1 ، 2 ، 3 ، 5 و 10 متر می باشد.به سر کابل فیبر وصل می شود تا از یک طرف به آداپتور و از طرف دیگر به مدیا کانورتور یا سوئیگ وصل شود.
[IMG]file:///C:/Users/M-KHAZ~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image011.jpg[/IMG][IMG]file:///C:/Users/M-KHAZ~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image012.jpg[/IMG]
-کانکتور
کانکتور فیبر نوری بر روی فیبر نوری توسط ابزارهای خاص نصب می شود و امکان انتقال داده را به ما می دهد . برخی از انواع این کانکتورها عبارتند از MT – Rj و LC و SC و ST که به دو گروه مالتی مود و سینگل مود نیز تقسیم می شوند.


-مدیا کانورتور /سوئیچ
از مبدل فیبر نوری برای تبدیل سیگنال نوری به سیگنال الکتریکی استفاده می شود. دارای سرعت 100 مگابیت و 1000 مگابیت می باشند و بسته به مسافت و سرعت با انواع خروجی های SX , FX و LX ارائه می شوند. بطور معمول دارای یک پورت برای اتصال به کابل شبکه مسی و یک پورت برای اتصال به فیبر نوری می باشند.
عمل تبدیا نور به دیتا و بلعکس را انجام می دهد.
[IMG]file:///C:/Users/M-KHAZ~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image013.jpg[/IMG]

مبحث تلفات در فیبر نوری:
تلفات (افت) و پهنای باند دو عامل مهم در ارزیابی سیستمهای مخابراتی به حساب می آید.تضعیف در فیبر نوری یکی از عوامل در پهنای باند انتقال اطلاعات است که در میزان فاصله ریپتری اثر می گذارد. یعنی تا فاصله ای که شکل سیگنال در حد قابل برداشت باشد و به عبارت دیگر حداکثر فاصله بدون اینکه از اطلاعات ارسالی چیزی حذف گردد .این پارامتر در تعیین ماکزیمم فاصله بین گیرنده و فرستنده نقش عمده ای را ایفا می کند و مقدار تضعیف با مقایسه با کابل مسی خیلی کم بوده و در نتیجه فواصل ریپترها خیلی زیاد خواهد شد. و فاکتور بسیار مهمی را برای تعیین مقرون به صرفه بودن در استفاده از سیستمهای فیبرنوری بیان می کند . در حال حاضر از نظر تئوری مقدار تضعیف به dB/km0.2در طول موج 1550 نانو متر می باشد .

انواع تلفات در فیبر نوری:
1- تلفات جذبی:
پدیده جذب باعث تبدیل مقداری انرژی نورانی به حرارتی می گردد. این پدیده در اثر مواد تشکیل دهنده فیبر بوجود می آید .
الف) جذب ذاتی:
این جذب به جنس شیشه فیبر بستگی دارد و با هیچ نوع ترکیبی از مواد مختلف نمی توان آن را از بین برد . شیشه از جنس Geo2 و Sio، در طول موجهای مختلف دارای جذبی متفاوتی است یکی در اثر ارتعاش و انتقال الکترونهای اتم شیشه از مداری با انرژی بیشتر است که در این حالت انرژی کمی مورد نیاز است . این جذب در منطقه ماوراءبنفش یعنی در طول موج کمتر از 700نانومتر صورت می گیرد.
ب) جذب عارضی که این جذب توسط اتمهای مواد ناخالص موجود در مواد شیشه صورت می گیرد. مانند آهن ، کرم و مس

2- تلفات پراکندگی بعلت ناهمگونی ضریب شکست هسته (رایلی)
تلفات پراکندگی علاوه بر مواد ساخت فیبر به غیر یکنواختی ساختمان فیبر نیز بستگی دارد این تلفات عمدتا از عواملی نظیر تغییرات و نوسانات دانسیته (چگالی) مواد و تغییرات جزئی در حجم محتوا و ترکیب مواد فیبر و ناهمگونیهای ساختمانی فیبر نوری که در موقع ساخت آن بوجود می آید ناشی می شود.
3-تلفات خمش
عبور نور از یک خمش تند با شعاع بسیار کم موجب تلفات تشعشع می گردد. خمیدگی هایی که در فیبر بوجود می آید به دو دسته تقسیم می شود
الف) درشت خمها :
خمشهای هستند که شعاع آنها در مقایسه با قطر فیبر بزرگ هستند نظیر خمشهای که در کابلها و در موقع عبور آنها از مسیر های مختلف بوجود می آید و می توان جزء افت عارضی دانست چون این افتها توسط خودمان بوجود می آید
ب)ریز خمها:
خمشهای میکروسکوپی هستند که معمولاً در موقع قرار دادن فیبر در کابل حاصل می شود این نوع
تلفات تشعشعی ، در اثر ریز خمشهای موجود در فیبر نوری در مراحل تولید و در زمان پوشش و یا کابل نمودن آن بوجود می آید. فیبر واقعی بصورت کاملاً صاف نیست و دارای انحناء می باشد

این نوع تلفات جزء افت ذاتی فیبر می باشد.
4- تلفات بعلت اتصال فیبرهای مرز میان هسته و غلاف (تلفات مرزی)
5- تلفات در ورودی و خروجی فیبرنوری: پیکتیلهای که کابل نوری را به سیستمها متصل می کند چنین تلفاتی موجود می باشد.
6- تلفات اتصال و مفصل: تلفاتی که در اتصالات و مفصلبندی پیش می آید.
فیوژن
از مراحل پایانی جهت برقراري ارتباط بر روي بستر فیبر نوري، اجراي عملیات فیوژن (جوش گرم) می باشد
براي انجام عملیات فیوژن ابتدا به تنظیم دستگاه فیوژن به عنوان مثال براي حالت Multi mode یا Single mode می پردازیم


[IMG]file:///C:/Users/M-KHAZ~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image014.jpg[/IMG]
براي انجام عملیات فیوژن، روکش ها و محافظ هاي کابل فیبر نوري را از فیبراصلی جدامی کنیم براي لخت کردن فیبرها باید از وسیله اي به نام fiber optic striper استفاده می شود که در شکل زیر آنرا مشاهده می کنید.
پس از جدا کردن هسته شیشه اي از غلاف فیبر ها به انجام عملیات Cuttingمی پردازیم که براي هماهنگ کردن سطح در فیبر که باید جوش داده شوند بسیار ضروري است.

پس از عملیات cutting فیبرها را در محل مخصوص در دستگاه براي جوش دادن قرار
می دهیم و دستگاه به صورت اتوماتیک عملیات جوش را انجام می دهد و درصد تضعیف را برحسب dB نمایش می دهد. باید توجه داشت که درصد تضعیف نباید از 0.06 dbبیشتر شود.
[IMG]file:///C:/Users/M-KHAZ~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image015.jpg[/IMG]
پس از اتمام عملیات جوش نوبت به مرحله آب کردن می رسد که توسط وسیله اي به اسم کریمپ فیبرهاي جوش خورده محکم می شوند. نمونه اي از یک کریمپ در شکل زیر نشان داده شده است.
پس از عملیات آب کردن نوبت به قرار دادن فیبرهاي جوش خورده در سینک ومفصل بندي کابل ها می رسد.


[IMG]file:///C:/Users/M-KHAZ~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image016.jpg[/IMG]
اگر فیوژن در بین راه و وسط مسیر انجام شود در مفصل بندي کابل ها از چسب هاي مخصوص براي جلوگیري از نفوذ آب استفاده می شود، در آخر با قرار دادن مفصل در جاي خود عملیات فیوژن پایان می یابد. درانتها با انجام تست ( در ادامه مباحث گفته خواهدشد ) از درست بودن عملیات اطمینان حاصل می کنیم.



91/06/20
M.kh
انفورماتیک ت. ب. شمالشرق تهران بزرگ



موضوعات مشابه: