دانش

کابل‌های فیبر نوری با ارسال سیگنال‌های نوری در طول رشته‌های{0} بسیار نازک فیبر شیشه‌ای یا پلاستیکی، اطلاعات را حمل می‌کنند و سرعت، ظرفیت و محدوده انتقال بسیار بیشتری را در مقایسه با سیم‌کشی مسی سنتی ارائه می‌کنند. این کابل ها که از سه لایه کلیدی - یک هسته داخلی، یک پوشش اطراف و یک پوشش محافظ بیرونی ساخته شده اند، به عنوان ستون فقرات شبکه های باند پهن مدرن، زیرساخت های مخابراتی و سیستم های ارتباطی صنعتی عمل می کنند. درک کردنفیبرهای نوری چگونه کار می کنندمی تواند تا حد زیادی به حل برخی از مشکلات چالش برانگیز کمک کند.

فیبر نوری چیست

فیبر نورییک هادی ارتباطی است که از نور به عنوان حامل اطلاعات و شیشه یا پلاستیک به عنوان وسیله انتقال خود استفاده می کند. فرآیند اصلی به شرح زیر است: سیگنال های الکتریکی به پالس های نور تبدیل می شوند، با سرعت بالا از طریق رشته های شیشه ای بسیار نازک منتقل می شوند و سپس به سیگنال های الکتریکی در انتهای گیرنده تبدیل می شوند. قطر یک فیبر ارتباطی استاندارد حدود 125 میکرومتر - تقریباً به اندازه موی انسان است. علیرغم این مقطع فوق العاده نازک-، فضای داخلی دارای یک ساختار متحدالمرکز چند لایه دقیق است که هر لایه عملکرد مستقلی دارد.

تمایز بین فیبر نوری و کابل فیبر نوری بسیار مهم است. الفکابل فیبر نورییک مجموعه کابل کامل است که یک یا چند فیبر نوری را به همراه اعضای استحکام و جلیقه‌های محافظ در خود جای می‌دهد که برای انتقال داده‌ها به صورت پالس‌های نور در فواصل طولانی طراحی شده‌اند.

ساختار فیزیکی چهار-کابل فیبر نوری

برای درککابل فیبر نوری از چه چیزی ساخته شده است، بیایید نگاهی دقیق تر به چهار لایه{0}}دقیق مهندسی شده آن از داخل به بیرون بیندازیم.

هسته

هسته واقع در مرکز، قطری بین 8 تا 62.5 میکرومتر دارد و به عنوان کانال واقعی که سیگنال های نور از طریق آن حرکت می کنند، عمل می کند. هسته از دی اکسید سیلیکون با خلوص بالا (SiO2) ساخته شده است که با مقادیر کمی ژرمانیوم (Ge) دوپ شده است تا ضریب شکست آن افزایش یابد. خلوص هسته مستقیماً فاصله انتقال سیگنال را تعیین می‌کند و سطوح تلفات - ارتباط-در فیبر درجه خلوص شیشه 99.99٪ یا بالاتر نیاز دارد.

روکش

راروکش کابل فیبر نوریهسته را با قطر یکنواخت 125 میکرومتر احاطه کرده است. همچنین از دی اکسید سیلیکون ساخته شده است، اما با فرمول دوپینگ متفاوت که به آن ضریب شکست کمی کمتر از هسته می دهد. این تفاوت ضریب شکست، پیش نیاز فیزیکی است که انتقال سیگنال نور را ممکن می‌سازد - بدون آن، نور به سادگی از فیبر نشت می‌کند.

پوشش (بافر)

یک یا دو لایه آکریلات خشک شده با اشعه ماوراء بنفش{0}}پوششروی روکش فلزی اعمال می شود و قطر کل فیبر را به 250 میکرومتر می رساند. این پوشش از شیشه لخت در برابر خم شدن، خراش و نفوذ رطوبت محافظت می کند. تخریب پوشش یکی از دلایل اصلی کاهش عملکرد الیاف پس از استفاده طولانی مدت است.

ژاکت

بیرونی ترین ساختار محافظ معمولاً از پلی اتیلن (PE) یا پلی وینیل کلرید (PVC) ساخته می شود، با برخی کاربردهای تخصصی از مواد هالوژن کم دود صفر (LSZH). ژاکت همچنین ممکن است حاوی الیاف آرامید (کولار)، مفتول فولادی یا میله های پلاستیکی تقویت شده با فایبرگلاس (FRP) به عنوان اعضای استحکام برای مقاومت در برابر تنش های کششی، فشاری و خمشی در حین نصب باشد.

با هم، این چهار لایه - هسته سیلیکا-با خلوص بالا، روکش سیلیسی دوپ شده، پوشش آکریلات، و روکش پلیمری - ضروری را تشکیل می‌دهند.مواد فیبر نوریدر هر کابل{0}درجه ارتباطی یافت می شود.

در استقرار واقعی، ده ها تا هزاران فیبر نوری در یک کابل نوری به هم متصل می شوند. کابل نوری و فیبر نوری دو مفهوم متفاوت هستند: فیبر رسانه انتقال است. کابل محصول کاملی است که شامل الیاف، اعضای استحکام و ژاکت های محافظ می باشد.

کابل های فیبر نوری چگونه کار می کنند

بازتاب کل داخلی

اصل اساسی پشتچگونه کابل های فیبر نوری داده ها را انتقال می دهندبازتاب داخلی کل (TIR) ​​است. هنگامی که نور از محیطی با ضریب شکست بالاتر به محیطی با ضریب شکست کمتر حرکت می کند، و زاویه تابش از زاویه بحرانی بیشتر می شود، نور به جای عبور از سطح مشترک، 100٪ به سمت ضریب شکست بالاتر بازتاب می شود. فیبر نوری دقیقاً از این اصل استفاده می‌کند: ضریب شکست هسته (تقریباً 1.467) بالاتر از روکش (تقریباً 1.460) است، بنابراین سیگنال‌های نوری به طور مداوم در زوایای چرای کم عمق از رابط روکشی هسته منعکس می‌شوند و در امتداد فیبر منتشر می‌شوند.

یک پارامتر کلیدی در اینجا دیافراگم عددی (NA) است. NA حداکثر محدوده زاویه ای را که فیبر می تواند نور ورودی را بپذیرد، توصیف می کند که توسط تفاوت ضریب شکست بین هسته و روکش تعیین می شود. یک NA بزرگتر تحمل کوپلینگ بیشتری را فراهم می کند و تراز کردن با منبع نور را آسان تر می کند، اما همچنین پراکندگی را افزایش می دهد و کیفیت سیگنال را کاهش می دهد. این یکی از معاملات اصلی-در طراحی فیبر است.

لینک کامل ارتباط نوری

برای درکنحوه عملکرد کابل فیبر نوریدر یک سیستم دنیای واقعی-، باید به سه مرحله اصلی یک نگاه کنیمارتباط فیبر نوریپیوند.

فرستنده:سیگنال های الکتریکی ابتدا در یک توالی پالس دیجیتال (0s و 1s) کدگذاری می شوند، سپس یک منبع نور آنها را به پالس های نوری تبدیل می کند. دو نوع منبع نور وجود دارد: دیودهای لیزر (LD) و دیودهای ساطع نور (LED). دیودهای لیزری توان خروجی بالاتر، عرض طیفی باریک‌تر و نرخ مدولاسیون سریع‌تر را ارائه می‌دهند که آنها را برای سناریوهای-مسافت طولانی و سرعت بالا مناسب می‌سازد. ال‌ای‌دی‌ها ارزان‌تر-هزینه هستند، اما عرض طیفی وسیع‌تری دارند و برای کاربردهای مسافت کوتاه مناسب هستند.

فیبر (بخش انتقال):هنگامی که پالس های نوری وارد فیبر می شوند، در امتداد هسته منتشر می شوند. در انتقال از راه دور، تقویت‌کننده‌های نوری در فواصل زمانی منظم برای جبران کاهش سیگنال قرار می‌گیرند. چندپلکسی تقسیم طول موج متراکم مدرن (DWDM) تکنولوژی فیبر نوریمی تواند به طور همزمان 80 تا 160 کانال با طول موج مختلف را در یک فیبر منفرد حمل کند که هر کدام به طور مستقل داده ها را حمل می کنند و ظرفیت فیبر واحد را در ترابیت-در{4}}در سطح ثانیه ممکن می کند.

گیرنده:یک آشکارساز نوری (معمولاً یک دیود نوری پین یا فتودیود بهمنی، APD) پالس‌های نوری دریافتی را به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌کند، که سپس از طریق بازیابی ساعت و مدارهای تصمیم‌گیری به داده‌های اصلی بازیابی می‌شوند.

تضعیف سیگنال

انتقال نور از طریق فیبر فرآیندی بدون تلفات نیست. تضعیف سیگنال محدودیت اصلی در آن استارتباط فیبر نوریطراحی سیستم

تضعیف از سه منبع اصلی می آید. اولین مورد، جذب مواد - یون‌های هیدروکسیل باقی‌مانده (OH-) در شیشه است که پیک‌های جذب را در طول موج‌های خاص (حدود 1383 نانومتر) ایجاد می‌کند، به همین دلیل است که فیبرهای ارتباطی مدرن عمدتاً از پنجره‌های 1310 نانومتر و 1550 نانومتر کم استفاده می‌کنند.{5} دومی، برهمکنش‌های پراکندگی رایلی - بین نور و بی‌نظمی‌های چگالی میکروسکوپی در شیشه باعث تلفات پراکندگی می‌شود، مکانیسم تلفات غالب در طول موج‌های کوتاه‌تر. سومین افت خمش است - شعاع خمشی بسیار کوچک فیبر باعث نشت سیگنال های نور از هسته می شود.

برای مرجع، فیبر تک حالته فعلی G.652D فعلی دارای میرایی معمولی 0.35 دسی بل در کیلومتر در 1310 نانومتر و 0.20 دسی بل در کیلومتر در 1550 نانومتر است. این بدان معناست که در 1550 نانومتر، قدرت سیگنال پس از طی 100 کیلومتر به 1 درصد از سطح اولیه خود کاهش می یابد. در نتیجه، خطوط حمل و نقل طولانی{11}}به تقویت‌کننده‌های نوری در هر 80 تا 100 کیلومتر برای بازسازی سیگنال نیاز دارند.

انواع کابل فیبر نوری:حالت تک-در مقابل چند{2}}حالت

فیبرهای نوری بر اساس تعداد حالت های انتقال به دو دسته عمده طبقه بندی می شوند. اینهاانواع کابل فیبر نوریتفاوت اساسی در پارامترهای فیزیکی، مشخصات عملکرد و کاربردهای مناسب دارند.

فیبر تک حالت{{0} (SMF)

فیبر تک حالته دارای قطر هسته 8 تا 10 میکرومتر است و تنها به یک حالت اساسی (LP01) اجازه انتشار می دهد. با حذف پراکندگی میان‌وجهی، فیبر تک حالته به پهنای باند-فاصله‌ای بسیار فراتر از فیبر چند حالته دست می‌یابد، و آن را به انتخاب استاندارد برای ارتباطات از راه دور متوسط- و طولانی تبدیل می‌کند.

طول موج های عملیاتی معمولی 1310 نانومتر و 1550 نانومتر هستند که از دیودهای لیزری بازخورد توزیع شده (DFB-LD) به عنوان منابع نور استفاده می کنند. فاصله انتقال می تواند به ده ها تا صدها کیلومتر برسد (با تقویت کننده های نوری تا هزاران کیلومتر قابل گسترش است). کد رنگ ژاکت بیرونی زرد است.

نام‌گذاری‌های استاندارد اصلی شامل ITU-T G.652 (حالت تک-استاندارد)، G.655 (غیر-تغییر پراکندگی صفر) و G.657 (خم-غیر حساس، طراحی‌شده برای استقرار FTTH).

فیبر چند حالته (MMF){{0}

فیبر چند حالته دارای قطر هسته 50 یا 62.5 میکرومتر است که به صدها تا هزارانحالت های فیبر نوریبرای تکثیر همزمان حالت‌های مختلف با سرعت‌های متفاوتی حرکت می‌کنند و در زمان‌های مختلف به گیرنده می‌رسند - پدیده‌ای به نام پراکندگی بین‌وجهی - که مستقیماً فاصله و پهنای باند انتقال فیبر چند حالته را محدود می‌کند.

طول موج های عملیاتی معمولی 850 نانومتر و 1300 نانومتر هستند که از VCSEL (لیزرهای ساطع کننده سطح حفره عمودی) یا LED به عنوان منبع نور استفاده می کنند. فواصل انتقال معمولاً در چند صد متر است. برای شناسایی رنگ ژاکت: OM3/OM4 از aqua، OM5 از سبز لیمویی و OM1/OM2 از نارنجی استفاده می کند.

معیارهای انتخاب

در میانانواع کابل فیبر، عامل تعیین کننده فاصله انتقال است. برای فواصل کمتر از 300 متر - مانند اتصالات درون{3}داده-مرکز و در{5}}کابل‌کشی ساختمان - فیبر چند حالته یک مزیت هزینه ارائه می‌کند، زیرا ماژول‌های نوری سازگار آن به طور قابل‌توجهی ارزان‌تر از معادل‌های یک حالته- هستند. فراتر از 500 متر - ستون فقرات پردیس، شبکه‌های شهری، و{12}}خطوط حمل و نقل طولانی- فیبر تک حالته{14}}تنها گزینه قابل اجرا است. در محدوده فاصله بهینه مربوطه خود، هیچ کدام از این دو نوع برتری جهانی ندارند. یک راه حل چند حالته اغلب هزینه کل مالکیت کمتری را ارائه می دهد.

کابل های فیبر نوری چگونه ساخته می شوند

کابل‌های فیبر نوری عمدتاً از-شیشه سیلیسی فوق‌العاده خالص (دی‌اکسید سیلیکون) تشکیل شده‌اند که برای انتقال سیگنال‌های نوری به رشته‌هایی نازک‌تر از موی انسان کشیده می‌شوند. یک کابل فیبر نوری معمولی از چندین جزء کلیدی تشکیل شده است: یک هسته مرکزی که سیگنال های نوری را حمل می کند، یک روکش شیشه ای اطراف که انعکاس داخلی را امکان پذیر می کند، یک پوشش محافظ پلیمری که فیبر را از آسیب فیزیکی محافظت می کند، و اعضای تقویت کننده استحکام، مانند کولار یا فولاد، که دوام مکانیکی کابل را افزایش می دهد..تولید فیبر نوریدر تقاطع مهندسی شیمی دقیق و علوم نوری قرار دارد. کل فرآیند به دو مرحله تقسیم می شود: ساخت پریفرم و کشیدن الیاف.

ساخت پیش فرم

پریفرم یک میله شیشه ای با خلوص بالا با قطر تقریباً 10 تا 20 سانتی متر و طول حدود 1 متر است که نمایه ضریب شکست روکش داخلی آن قبلاً ایجاد شده است. چهار روش اصلی ساخت وجود دارد: MCVD (رسوب بخار شیمیایی اصلاح شده)، OVD (رسوب بخار خارج)، VAD (رسوب محوری بخار)، و PCVD (رسوب بخار شیمیایی پلاسما).

به عنوان مثال فرآیند OVD را در نظر بگیرید: گازهای{0}}تتراکلرید سیلیکون با خلوص بالا (SiCl4) و تتراکلرید ژرمانیوم (GeCl4) تحت واکنش‌های اکسیداسیون در شعله هیدروژن-اکسیژن قرار می‌گیرند. ذرات SiO2 و GeO2 حاصل روی یک میله هدف در حال چرخش رسوب می‌کنند و لایه به لایه تشکیل می‌شوند تا یک بدنه شیشه‌ای متخلخل (به نام «پیش‌فرم دوده») تشکیل شود که سپس در دمای بالا آب‌گیری می‌شود، متخلخل می‌شود و به یک پیش‌فرم جامد و شفاف فرو می‌رود.

یک پریفرم می تواند صدها کیلومتر فیبر تولید کند. کیفیت پریفرم تمام ویژگی‌های عملکرد نوری فیبر - از جمله پارامترهای تضعیف، پراکندگی و طول موج قطع - را تعیین می‌کند که در مرحله پیش‌فرم قفل شده‌اند و در طول فرآیند ترسیم قابل اصلاح نیستند.

طراحی فیبر

پریفرم به یک برج کششی، ساختاری عمودی به ارتفاع تقریبی 20 تا 30 متر وارد می شود. انتهای پایینی پریفرم تا حدود 2000 درجه حرارت داده می شود تا شیشه نرم شود و سپس تحت کنترل گرانش و کشش به فیبری به قطر 125 میکرومتر کشیده می شود. سرعت کشیدن می تواند به 1000 تا 2500 متر در دقیقه برسد.

در طول فرآیند کشیدن، فیبر از یک قطر سنج لیزری خطی برای نظارت{0}زمان واقعی با دقت 0.1 میکرومتر عبور می‌کند، سپس بلافاصله وارد مرحله پوشش می‌شود - دو لایه آکریلات در زیر لامپ‌های UV پخته می‌شوند و قطر فیبر را به 250 میکرومتر می‌رسانند. کل فرآیند از نرم شدن تا پوشش در کمتر از یک ثانیه بهبود می یابد.

پس از کشیدن، فیبر تحت آزمایش اثبات قرار می گیرد که معمولاً تحت کشش 0.69 گیگا پاسکال (تقریباً 1٪ کرنش) قرار می گیرد تا بخش های حاوی ریزترک ها را از بین ببرد و اطمینان حاصل شود که قابلیت اطمینان مکانیکی فیبر ارسال شده مطابق با الزامات عمر مفید 25 ساله است.

مزایای کابل فیبر نوری نسبت به مس

هنگام مقایسه فیبر با مس،مزایای فیبر نوریبلافاصله روشن شود. جدول زیر نشان می دهد که چرا فیبر به رسانه ترجیحی برای شبکه های مدرن تبدیل شده است.

فیبر و مس مکمل یکدیگرند نه رقابتی. معماری شبکه جریان اصلی فعلی از اصل "فیبر{--لبه" - ستون فقرات و لایه‌های تجمع از فیبر پیروی می‌کند، در حالی که لایه دسترسی (چند ده متری آخر تا دستگاه‌های انتهایی) همچنان از مس استفاده می‌کند. انتظار نمی رود این الگوی معماری در 5 تا 10 سال آینده تغییر اساسی کند.

کاربردهای فیبر نوری

رااستفاده از فیبر نوریتقریباً در هر صنعت، از مخابرات گرفته تا پزشکی. در اینجا زمینه های کاربردی کلیدی وجود دارد.

ستون فقرات مخابرات و اینترنت

اینترنت جهانی روی فیبر کار می کند. کابل‌های فیبر نوری زیردریایی و کابل‌های زمینی بلند-قاره‌ها را به هم متصل می‌کنند. 5شبکه‌های ایستگاه پایه G fronthaul و midhaul نیز به فیبر متکی هستند و هر ایستگاه پایه به 6 تا 12 هسته فیبر نیاز دارد. در این مقیاس،استفاده از کابل فیبر نوری در شبکهستون فقرات اتصال جهانی را تشکیل می دهد.

مراکز داده

مراکز داده از فیبر چند حالته OM3/OM4 برای اتصالات داخلی-در فواصل کوتاه-سرعت بالا استفاده می‌کنند. بین مراکز داده، فیبر یک حالت- با فناوری ارتباط نوری منسجم استفاده می‌شود، با سرعت‌های هر-طول موج در حال حاضر به 400G و 800G در حال اجراست.

FTTH (فیبر به خانه)

FTTH با استفاده از فناوری PON (شبکه نوری غیرفعال) برای توزیع سیگنال‌های نوری بین چند کاربر نهایی، فیبر را مستقیماً به کاربران مسکونی می‌آورد و دسترسی پهنای باند{0}}گیگابیتی را با هزینه کم به دست می‌آورد.

صنعتی و حسگر

حسگرهای فیبر نوری برای نظارت بر دما و فشار استفاده می‌شوند که به طور گسترده در خطوط لوله نفت و گاز، کابل‌های برق، سیستم‌های هشدار آتش‌سوزی تونل، و-پایش سلامت سازه‌ای در مقیاس بزرگ استفاده می‌شوند.

پزشکی

کاربرد فیبر نوریدر پزشکی به گسترش - آندوسکوپ، لیزرهای جراحی و سیستم‌های تصویربرداری ادامه می‌دهد که همگی برای روشنایی، تصویربرداری و پشتیبانی جراحی دقیق به فیبرهای نوری متکی هستند.

نظامی و هوافضا

فیبر نوری جایگزین مس در ارتباطات نظامی، اتوبوس های داده و سیستم های هوافضا می شود و ایمنی EMI و مقاومت در برابر استراق سمع را ارائه می دهد. ژیروسکوپ فیبر نوری به طور گسترده در سیستم های هدایت هواپیما و موشک استفاده می شود.