فیبر نوری چیست و در زندگی ما چه کاربردی دارد؟
شاید تعداد دفعات زیادی را درباره اصطلاح فیبر نوری شنیده باشیم. اما واقعا چقدر از این اصطلاح اطلاعات داریم؟ در این مقاله، ما اصول اولیه فناوری فیبر نوری، نحوه کار با آن، و همچنین هدف، ویژگی‌ها، مزایا و کارایی فیبر نوری را بررسی می‌کنیم.
فیبر نوری چیست؟
فیبر نوری یا فیبرهای نوری، رشته‌های بلند و نازک شیشه‌ای هستند که به دقت کشیده شده‌اند. اندازه فیبرهای نوری، معمولا به قطر موی انسان است. این رشته‌ها در بسته‌هایی به نام کابل‌های فیبر نوری مرتب شده‌اند. ما برای انتقال سیگنال‌های نور در فواصل طولانی به آنها متکی هستیم. رسانه اصلی فیبر نوری، فیبری نازک به مو است که گاهی از پلاستیک اما اغلب از شیشه ساخته می‌شود. یک فیبر نوری شیشه‌ای معمولی دارای قطر 125 میکرومتر (μm) یا 0.125 میلی متر (0.005 اینچ) است. این در واقع قطر روکش یا لایه بازتابنده بیرونی است. هسته یا سیلندر فرستنده داخلی ممکن است قطری به کوچکی 10 میکرومتر داشته باشد. از طریق فرآیندی به نام بازتاب داخلی کامل، پرتوهای نوری که به فیبر می‌تابند می‌توانند در فواصل طولانی با تضعیف یا کاهش شدت کم در هسته منتشر شوند. درجه تضعیف، در طول مسافت با توجه به طول موج نور و ترکیب فیبر متفاوت است.
در منبع فرستنده، سیگنال‌های نور با داده‌ها کدگذاری می‌شوند؛ همان داده‌هایی که روی صفحه کامپیوتر می‌بینید. بنابراین، فیبر، “داده” را با نور به یک انتهای گیرنده منتقل می‌کند؛ جایی که سیگنال نور، به عنوان داده رمزگشایی می‌شود. بنابراین، فیبر نوری در واقع یک رسانه انتقال است؛ یک “لوله” برای انتقال سیگنال در فواصل طولانی با سرعت بسیار بالا.
نحوه انجام کار با فیبر نوری به چه شکل است؟
نور با جهش مکرر از دیواره ها به سمت کابل فیبر نوری حرکت می‌کند. هر فوتون ریز (ذره نور) مانند سورتمه‌ای که در مسیر یخ پایین می‌رود، به سمت لوله حرکت می‌کند. اکنون ممکن است انتظار داشته باشید که یک پرتو نور که در یک لوله شیشه‌ای شفاف حرکت می‌کند، به سادگی از لبه‌ها نشت کند؛ اما اگر نور با زاویه‌ای بسیار کم عمق (کمتر از 42 درجه) به شیشه برخورد کند، دوباره به داخل منعکس می‌شود؛ گویی شیشه واقعا یک آینه است. این پدیده را بازتاب داخلی کل می‌نامند. این یکی از مواردی است که نور را در داخل لوله نگه می‌دارد. نکته دیگری که باعث حفظ نور در لوله می‌شود ساختار کابل است که از دو قسمت مجزا تشکیل شده است. بخش اصلی کابل، در وسط، هسته نامیده می‌شود و این همان بیتی است که نور از آن عبور می‌کند. دور بیرونی هسته یک لایه شیشه دیگری به نام روکش پیچیده شده است. وظیفه روکش نگه داشتن سیگنال‌های نور در داخل هسته است. روکش می‌تواند این کار را انجام دهد زیرا از نوع متفاوتی از شیشه تا هسته ساخته شده است. (از لحاظ فنی‌تر، روکش فلزی دارای ضریب شکست کمتری است.)
نحوه انجام کار با فیبرنوری
مزایای کابل‌های فیبر نوری نسبت کابل‌های مسی چیست؟
کابل‌های فیبر نوری در حال حاضر راه اصلی انتقال اطلاعات در فواصل طولانی هستند؛ زیرا سه مزیت بسیار بزرگ نسبت به کابل‌های مسی قدیمی دارند:
-
تضعیف کمتر
اطلاعات قبل از اینکه نیاز به تقویت داشته باشند تقریباً 10 برابر بیشتر حرکت می‌کنند؛ این امر باعث می‌شود که شبکه‌های فیبر، ساده تر و ارزان‌تر کار کنند و نگهداری شوند.
-
بدون تداخل
بر خلاف کابل‌های مسی، هیچ “تداخل الکترومغناطیسی” بین فیبرهای نوری وجود ندارد؛ بنابراین فیبرهای نوری اطلاعات را با اطمینان بیشتری با کیفیت سیگنال بهتر منتقل می‌کنند.
-
پهنای باند بالاتر
کابل‌های فیبر نوری می‌توانند داده‌های بسیار بیشتری را نسبت به کابل‌های مسی با همان قطر حمل کنند. ورود اینترنت پهن باند، پدیده رایانش ابری را ممکن کرد. در این پدیده، افراد داده‌های خود را از راه دور ذخیره و پردازش کرده و از خدمات آنلاین به جای رایانه شخصی خانگی یا تجاری در محل خود استفاده می‌کنند. به همین ترتیب، گسترش پیوسته پهنای باند فیبر، انجام کارهایی مانند پخش آنلاین فیلم به جای تماشای تلویزیون پخش را برای مردم بسیار رایج‌تر می‌کند. با ظرفیت فیبر بیشتر و اتصالات سریعتر، ما جنبه‌های بیشتری از زندگی خود را به صورت آنلاین با استفاده از اینترنت اشیا ردیابی و کنترل خواهیم کرد.
کارایی فیبر نوری
فیبر نوری چه کارایی دارد؟
کابل‌های فیبرنوری، ابتدا در دهه 1950 برای آندوسکوپ‌ها ساخته شدند. هدف از این کار کمک به پزشکان بود که بدون جراحی بزرگ، داخل یک انسان بیماری را مشاهده کنند. در دهه 1960، مهندسان تلفن، راهی برای استفاده از همان فناوری برای انتقال و دریافت تماس‌های تلفنی با «سرعت نور» پیدا کردند. بنابراین، فیبر نوری برای چه مواردی استفاده می شود؟ به طور خلاصه، برای انتقال سیگنال، ارتباط و دیدن (فیلم).
فیبر نوری، علم انتقال داده، صدا و تصاویر با عبور نور از فیبرهای نازک و شفاف است. در ارتباطات راه دور، فناوری فیبر نوری عملاً جایگزین سیم مسی در خطوط تلفن مسافت طولانی شده است و از آن برای اتصال رایانه‌ها در شبکه‌های محلی استفاده می‌شود. فیبر نوری همچنین اساس فیبروسکوپ‌های مورداستفاده در بررسی قسمت‌های داخلی بدن (آندوسکوپی) یا بازرسی فضای داخلی محصولات ساختاری تولید شده است.
هنگامی که الیاف شیشه‌ای با طراحی هسته/روکش در اوایل دهه 1950 معرفی شدند، وجود ناخالصی‌ها کاربرد آنها را به طول‌های کوتاه کافی برای آندوسکوپی محدود کرد. در سال 1966، مهندسان برق چارلز کائو و جورج هاکام که در انگلستان کار می‌کردند، استفاده از الیاف را برای ارتباطات راه دور پیشنهاد کردند و طی دو دهه الیاف شیشه سیلیکا با خلوص کافی تولید شدند که سیگنال‌های نور مادون قرمز می‌توانستند از طریق آنها تا 100 کیلومتر (60 مایل) عبور کنند. در سال 2009 کائو به خاطر کارهایش جایزه نوبل فیزیک را دریافت کرد. الیاف پلاستیکی که معمولا از پلی متیل متاکریلات، پلی استایرن یا پلی کربنات ساخته می‌شوند، نسبت به الیاف شیشه ارزان‌تر و انعطاف‌پذیرتر هستند؛ اما تضعیف بیشتر نور، استفاده از آنها را به پیوندهای بسیار کوتاه‌تری در ساختمان‌ها یا خودروها محدود می‌کند.
مخابرات نوری معمولا با نور مادون قرمز در محدوده طول موج 0.8-0.9 میکرومتر یا 1.3-1.6 میکرومتر انجام می‌شود؛ طول موج‌هایی که به طور موثر توسط دیودهای ساطع‌کننده نور یا لیزرهای نیمه هادی تولید می‌شوند و کمترین تضعیف را در فیبرهای شیشه‌ای متحمل می‌شوند. بازرسی فیبروسکوپ در آندوسکوپی یا صنعت در طول موج‌های مرئی انجام می‌شود. یک دسته از الیاف برای روشن کردن ناحیه مورد بررسی با نور و دسته دیگر به عنوان یک لنز دراز برای انتقال تصویر به چشم انسان یا یک دوربین فیلمبرداری استفاده می‌شود.
انواع فیبرهای نوری
انواع زیادی از کابل‌های فیبر نوری وجود دارد که اغلب برای اجرای عملکرد خود به مجموعه کابل‌های فیبر نوری ختم می‌شوند:
فیبر نوری تک حالته (Single mode fiber)
ساده‌ترین نوع فیبر نوری تک حالته نام دارد. دارای هسته بسیار نازکی به قطر 5-10 میکرون (میلیونم‌متر) است. در یک فیبر تک حالته، همه سیگنال‌ها مستقیماً به سمت وسط حرکت می‌کنند بدون اینکه از لبه‌ها پرش کنند. سیگنال‌های تلویزیون کابلی، اینترنت و تلفن عموماً توسط فیبرهای تک حالته حمل می‌شوند که در یک بسته بزرگ به هم پیچیده شده‌اند. کابل‌هایی مانند این می‌توانند اطلاعات را تا بیش از 100 کیلومتر (60 مایل) ارسال کنند.
فیبر نوری چند حالته (Multi mode fiber)
نوع دیگری از کابل فیبرنوری، چند حالته نام دارد. هر فیبر نوری در یک کابل چند حالته حدود 10 برابر بزرگتر از فیبرنوری در یک کابل تک حالته است. این بدان معناست که پرتوهای نور می‌توانند با دنبال کردن مسیرهای مختلف (خطوط زرد، نارنجی، آبی و فیروزه‌ای) در هسته حرکت کنند؛ به عبارت‌دیگر، در چندین حالت مختلف. کابل‌های چند حالته فقط می‌توانند اطلاعات را در فواصل نسبتاً کوتاه ارسال کنند و (در میان موارد دیگر) برای اتصال شبکه‌های کامپیوتری به یکدیگر استفاده می‌شوند.
مقایسه فیبر نوری تک حالته و چند حالته
فیبر نوری گاستروسکوپ (Gastroscope fiber)
گاستروسکوپ یک کابل فیبر نوری ضخیم است که از فیبرهای نوری زیادی تشکیل شده است. از الیاف ضخیم‌تر در ابزار پزشکی به نام گاستروسکوپ (نوعی آندوسکوپ) استفاده می‌شود که پزشکان برای تشخیص بیماری‌های داخل معده از آن بهره می‌گیرند. در انتهای بالای یک گاستروسکوپ، یک چشمی و یک لامپ وجود دارد. لامپ نور خود را به یک قسمت از کابل به معده بیمار می‌تاباند. هنگامی که نور به معده می‌رسد، از دیواره‌های معده به عدسی در پایین کابل منعکس می‌شود. سپس قسمت دیگری از کابل را به سمت چشمی پزشک حرکت می‌دهد. انواع دیگر آندوسکوپ‌ها به همین صورت عمل می‌کنند و می‌توان از آنها برای بررسی قسمت‌های مختلف بدن استفاده کرد. همچنین یک نسخه صنعتی از این ابزار به نام فیبرسکوپ وجود دارد که می‌تواند برای بررسی مواردی مانند قطعات غیرقابل دسترس ماشین آلات در موتورهای هواپیما استفاده شود.
آخرین چیزی که باید درباره فیبرهای نوری بدانید!
شلیک نور به لوله مانند یک ترفند علمی منظم به نظر می‌رسد. ممکن است فکر نکنید که کاربردهای عملی زیادی برای چنین چیزی وجود دارد. اما همانطور که الکتریسیته می‌تواند انواع مختلفی از ماشین‌ها را تامین کند، پرتوهای نور نیز می‌توانند انواع مختلفی از اطلاعات را حمل کنند؛ بنابراین می‌توانند از طرق مختلف به ما کمک کنند. ما متوجه نمی‌شویم که کابل‌های فیبرنوری چقدر عادی شده‌اند؛ زیرا سیگنال‌های لیزری که آنها حمل می‌کنند زیر پای ما، زیر کف‌های شرکت‌های اداری و خیابان‌های شهر سوسو می‌زند. این عادی به نظر رسیدن به علت استفاده از فن‌آوری‌هایی مثل، شبکه‌های رایانه‌ای، پخش، اسکن پزشکی و تجهیزات نظامی است که این کار را کاملاً نامرئی انجام می‌دهند.
منابع
https://www.explainthatstuff.com/
بدون دیدگاه