اصل فیبر نوری چیست؟ چگونه می توان نور را به اشکال دیگر سیگنال تبدیل کرد؟

فیبر نوری به عنوان یک حامل برای انتقال نور استفاده می شود و در دو سر فیبر نوری برای تبدیل نور به سیگنال مورد نیاز از چه اصولی استفاده می شود؟

 

اصل فیبر نوری

1، مواد انتقال فیبر نوری:

فیبر نوری مورد استفاده در سیستم سیم‌کشی یکپارچه، یک LED شیشه‌ای چند حالته با طول موج 850 نانومتر، با نرخ انتقال 100M/bps و برد موثر حدود 20 کیلومتر است. هسته و روکش از دو رسانه با خواص نوری متفاوت تشکیل شده است. محیط داخل دارای ضریب شکست نور بالاتری نسبت به محیط اطراف آن است. از علم فیزیک می توان فهمید که در سطح مشترک دو رسانه، زمانی که نور از سمت ضریب شکست بالا به سمت ضریب شکست بالا شلیک می شود، تا زمانی که زاویه تابش بزرگتر از یک مقدار بحرانی باشد، پدیده بازتاب رخ خواهد داد و انرژی از دست نخواهد رفت. در این زمان، پوشش اطراف لایه بیرونی مانند یک ماده مات عمل می کند و مانع از خروج نور از سطح در طول فرآیند نفوذ می شود. فقط آن پرتوهای نوری با زاویه برخورد اولیه کوچک شکسته می شوند و در فاصله کوتاهی توسط ماده بیرونی جذب می شوند.

فیبرهای نوری تولید شده در حال حاضر، اعم از شیشه یا پلاستیک، می توانند تمام نور مرئی و بخشی از طیف مادون قرمز را منتقل کنند. کابل های فیبر نوری ساخته شده از فیبر دارای اشکال ساختاری متنوعی هستند. دو نوع اصلی کابل با فاصله کوتاه وجود دارد، کابل ساختاری یک لایه در مرکز سیم فولادی یا سیم نایلون قرار دارد، بسته خارجی دارای تعدادی فیبر نوری است و قسمت بیرونی آن با یک لایه غلاف پلاستیکی اضافه شده است. دیگری کابل فیبر نوری با چگالی بالا است که دارای چندین لایه روبان روی هم قرار گرفته است، هر لایه از روبان ردیف های موازی از فیبرهای نوری را قرار داده است.

کابل های فیبر نوری ساخته شده از فیبر دارای اشکال ساختاری متنوعی هستند. دو نوع کابل اصلی برای فواصل کوتاه، ساختار یک لایه وجود دارد. کابل نوری در مرکز سیم فولادی یا سیم نایلون قرار دارد، بسته خارجی دارای تعدادی فیبر نوری است و قسمت بیرونی آن با یک لایه غلاف پلاستیکی اضافه شده است. دیگری کابل فیبر نوری با چگالی بالا است که دارای چندین لایه روبان روی هم قرار گرفته است، هر لایه از روبان ردیف های موازی از فیبرهای نوری را قرار داده است.

2، فرآیند انتقال فیبر نوری:

سیگنال نور ساطع شده توسط LED دیود ساطع نور یا دیود لیزر تزریقی ILD در امتداد رسانه نوری منتشر می شود و PIN یا فتودیود APD سیگنال را به عنوان آشکارساز در انتهای دیگر دریافت می کند. مدولاسیون حامل نوری کلید تغییر دامنه است که به عنوان مدولاسیون شدت (IntensityModulation) نیز شناخته می شود. به طور معمول، دو عدد باینری با ظهور و ناپدید شدن نور در یک فرکانس معین نشان داده می شوند. هر دو سیگنال ILD LED و لیزر تزریقی دیود را می توان به این روش مدوله کرد، با آشکارسازهای PIN و ILD که مستقیماً به مدولاسیون روشنایی پاسخ می دهند.

تقویت قدرت - تقویت کننده نوری قبل از فرستنده نوری قرار می گیرد تا قدرت نوری فیبر ورودی را افزایش دهد. قدرت نوری کل سیستم خط بهبود یافته است. تقویت رله آنلاین - هنگامی که گروه ساختمان بزرگ است یا فاصله بین ساختمان ها دور است، می تواند نقش تقویت رله را برای بهبود توان نوری ایفا کند. پیش تقویت - پس از ردیاب نوری در انتهای گیرنده، سیگنال میکرو برای بهبود توانایی دریافت تقویت می شود.

3، ویژگی های انتقال فیبر نوری:

کابل های نوری به راحتی انشعاب نمی شوند، زیرا سیگنال های نوری را منتقل می کنند، بنابراین عموماً برای اتصالات نقطه به نقطه استفاده می شوند. سیستم‌های آزمایشی چند نقطه‌ای با توپولوژی گذرگاه فیبر نوری ساخته شده‌اند، اما هنوز بسیار گران هستند. در اصل، چون تلفات برق فیبر کم است، کاهش کاهش می یابد، پتانسیل پهنای باند زیادی وجود دارد، بنابراین فیبر عمومی می تواند تعداد ضربه ها را نسبت به جفت پیچ خورده یا کابل کواکسیال بسیار بیشتر پشتیبانی کند. در حال حاضر فرستنده ارزان قیمت و قابل اعتماد یک LED دیود ساطع کننده نور با طول موج 0.85um است که می تواند از سرعت انتقال 100 مگابیت بر ثانیه و شبکه LAN در محدوده 1.5 تا 2 کیلومتر پشتیبانی کند. فرستنده دیود لیزر گران است و نمی تواند نیاز میلیون ساعت را برآورده کند.

پین‌های آشکارساز LED که در طول موج‌های {0}}.85um کار می‌کنند نیز گیرنده‌های کم‌هزینه‌ای هستند. بهره سیگنال فتودیود بهمنی بزرگتر از پین است، اما به منبع تغذیه 20 تا 50 ولت نیاز دارد، در حالی که آشکارساز پین فقط به منبع تغذیه 5 ولت نیاز دارد. برای مسافت‌های طولانی‌تر و نرخ‌های بالاتر، می‌توان از یک سیستم طول موج 1.3um استفاده کرد که تضعیف کمی دارد اما گران‌تر از یک سیستم طول موج 0.85um است. علاوه بر این، اتصال فیبر نوری منطبق نیز بسیار مهم است، به طوری که افت اتصال هر کانکتور کمتر از 25 دسی بل، نصب آسان و قیمت پایین است. هرچه هسته و دیافراگم فیبر بزرگتر باشد، نور بیشتری از LED دریافت می کند، عملکرد بهتری دارد. فیبر با قطر هسته 100 و قطر روکش 140 میلی متر می تواند عملکرد بسیار خوبی را ارائه دهد. 4 دسی بل انرژی نور بیشتری نسبت به فیبر 62.5/125um و 8.5 دسی بل بیشتر از فیبر 50/125um دریافت می کند. فیبر در حال اجرا در 0.8um دارای میرایی 6dB/Km و فیبر با سرعت 1.3um دارای میرایی 4dB/Km است. فیبر نوری 0.8um دارای پهنای باند 150MHz/Km و فیبر نوری 1.3um دارای پهنای باند 500MHz/Km است.

در سیستم کابل کشی یکپارچه استفاده از فیبر نوری به عنوان رسانه انتقال برای تنه اصلی بسیار مناسب و ضروری است.
در حال حاضر، نوعی فناوری مالتی پلکسینگ تقسیم موج نوری WDM (تقسیم طول موج MULTI-PLEXING) را می توان به طور کلی بر اساس یک بایت انتقال موازی هشت بیتی، با استفاده از طول موج های مختلف برای هر جریان بیت، مالتی پلکس، ارسال و روی یک خط ارسال کرد. بنابراین نیاز به پشتیبانی از مدار می تواند با نرخ پایین اجرا شود. پیوند فیبر نوری WDM یک سیستم جدید انتقال داده است که برای رابط دستگاه عرض بایت مناسب است.

ل) ارتباط لیزری

امروزه استفاده از نور برای انتقال اطلاعات بسیار رایج است. به عنوان مثال، کشتی ها از چراغ ها برای برقراری ارتباط استفاده می کنند و چراغ های راهنمایی از قرمز، زرد و سبز استفاده می کنند. اما همه این راه‌های انتقال اطلاعات با استفاده از نور معمولی فقط به فواصل کوتاه محدود می‌شوند. اگر می خواهید اطلاعات را مستقیماً از طریق نور به مکان های دور منتقل کنید، نمی توانید از نور معمولی استفاده کنید و فقط از لیزر استفاده کنید.

پس چگونه لیزر را تحویل می دهید؟ می دانیم که برق را می توان از طریق سیم های مسی حمل کرد، اما نور را نمی توان از طریق سیم های فلزی معمولی حمل کرد. برای این منظور، دانشمندان رشته‌ای ابداع کرده‌اند که می‌تواند نور را از خود عبور دهد، به نام فیبر نوری که به آن فیبر می‌گویند. فیبر نوری از مواد شیشه ای مخصوص ساخته شده است، قطر آن نازکتر از موی انسان است، معمولاً 50 تا 150 میکرون و بسیار نرم است.

در واقع، هسته داخلی فیبر یک ضریب شکست بالا از شیشه نوری شفاف است و پوشش بیرونی از شیشه یا پلاستیک با ضریب شکست کم ساخته شده است. چنین ساختاری از یک طرف می تواند باعث شود که نور در امتداد هسته داخلی شکسته شود، درست مانند جریان آب به سمت جلو در لوله آب، الکتریسیته به جلو در سیم منتقل می شود، حتی اگر هزاران پیچ و تاب اثری نداشته باشد. از طرف دیگر، پوشش با ضریب شکست پایین می تواند از نشت نور به بیرون جلوگیری کند، همانطور که لوله آب تراوش نمی کند و لایه عایق سیم جریان الکتریکی را هدایت نمی کند.

ظاهر فیبر نوری راه انتقال نور را حل می کند، اما به این معنا نیست که با آن می توان هر نوری را به دوردست ها منتقل کرد. فقط روشنایی بالا، رنگ خالص، لیزر جهت دار خوب، ایده آل ترین منبع نور برای انتقال اطلاعات است، از یک سر فیبر ورودی می شود، تقریباً هیچ افت و خروجی از انتهای دیگر ندارد. بنابراین ارتباطات نوری اساساً ارتباط لیزری است که دارای مزایای ظرفیت زیاد، کیفیت بالا، منبع گسترده مواد، محرمانه بودن قوی، دوام و غیره است و توسط دانشمندان به عنوان انقلابی در زمینه ارتباطات شناخته می شود و یکی از آنهاست. از درخشان ترین دستاوردهای انقلاب تکنولوژیک است.

ارتباط لیزری کجا پیشرفته است؟ اولین مزیت ارتباط لیزری ظرفیت زیاد است. ظرفیتش چقدره؟ زمانی که ما معمولاً تلفنی صحبت می کنیم، با صداهای نامرتبط صحبت می کنیم که گاهی اوقات با هم مخلوط می شوند. این پدیده درگیری به این دلیل است که فقط یک تماس را می توان در یک خط تلفن برقرار کرد و اگر تلفن دیگری وارد شود، دو طرف عادی. گوشی دچار تداخل خواهد شد اگر همزمان 10 نفر با یک خط تلفن صحبت کنند، برابر است با 20 نفر که همزمان صحبت می کنند، پس اصلاً ارتباطی وجود ندارد. برای حل این مشکل باید از حامل و روش های دیگر برای ساخت هر تلفن در هر باند فرکانسی استفاده کرد. از آنجایی که محدوده فرکانس تلفن های معمولی 300 تا 400 هرتز است و بالاترین فرکانس در یک جفت خط تلفن تنها 1500 کیلوهرتز است، بنابراین تنها ده ها تلفن را می توان همزمان روی یک جفت خط تلفن ارسال کرد. بدیهی است که چنین ظرفیت مخابراتی با نیازهای جامعه اطلاعاتی امروزی فاصله زیادی دارد.

اگر اطلاعات انتقال یک تلفن معمولی را با یک چرخ دستی مقایسه کنیم، ارتباط لیزری یک ماشین است. از آنجایی که فرکانس لیزرها بسیار بیشتر از امواج رادیویی است، ظرفیت اطلاعاتی ارتباطات لیزری 1 میلیارد برابر بیشتر از ارتباطات الکتریکی است. فیبر نوری نازکتر از موی انسان می تواند ده ها هزار تماس تلفنی یا هزاران برنامه تلویزیونی را حمل کند. 20 کابل فیبر نوری به ضخامت یک مداد هستند و می توانند 76200 تماس در روز را انجام دهند. در مقایسه، کابلی متشکل از 1800 سیم مسی، حدود 7.6 سانتی متر قطر، تنها می تواند 900 تماس در روز برقرار کند.

چیزی که به ویژه شگفت‌انگیز است این است که ارتباطات فیبر نوری به ویژه برای انتقال تلویزیون، تصاویر و دیجیتال مناسب است. گزارش شده است که یک جفت فیبر نوری می تواند کل دایره المعارف بریتانیکا را در یک دقیقه منتقل کند.

علاوه بر این، ماده ای که برای ساخت فیبرهای نوری استفاده می شود، کوارتز است که در همه جای زمین یافت می شود و تنها چند گرم کوارتز می تواند فیبرهای نوری به طول 1 کیلومتر بسازد. به این ترتیب نه تنها مواد اولیه تمام نمی شود، بلکه می توان در مصرف مس و آلومینیوم نیز تا حد زیادی صرفه جویی کرد. به همین دلیل، کشورهای پیشرفته دنیا برای مطالعه ارتباط لیزری با هم رقابت می کنند. بنابراین ارتباطات لیزری به عزیز توسعه تبدیل شده است.

در تاریخ فناوری ارتباطات، توسعه فناوری ارتباطات فیبر نوری بی سابقه بوده است. با در نظر گرفتن چندین نقطه عطف در تاریخ فناوری ارتباطات، حدود 60 سال طول کشید تا تلفن اختراع و به کار گرفته شود و ارتباطات تلفنی هنوز هم امروزه به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد. فناوری های رادیویی مانند تلگراف نیز از اختراع تا کاربرد حدود 30 سال طول کشید. اگرچه فناوری تلویزیون به سرعت توسعه یافته است، اما هنوز حدود 14 سال است که حاملگی است. ارتباطات لیزری، از تولد اولین فیبر نوری کم تلفات تا کاربرد، در مجموع تنها 5 سال است. اکنون ارتباطات لیزری نه تنها به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد، بلکه بازار بزرگ فیبر نوری را نیز تشکیل می دهد.

در ماه مه 1977، یک شرکت بزرگ در ایالات متحده به نام شرکت تلگراف و تلفن وجود داشت که اولین خط ارتباطی فیبر نوری در فواصل کوتاه را بین دو دفتر تلفن در شیکاگو ایجاد کرد و سپس یک خط ارتباطی لیزری در فواصل کوتاه ایجاد کرد. با طول کلی صدها کیلومتر در نزدیک به 100 نقطه در سراسر ایالات متحده. این بدان معناست که در فواصل کوتاه، ارتباطات لیزری جایگزین ارتباطات الکتریکی معمولی شده است. تا سال 1983، 600 کیلومتر ارتباط فیبر نوری بین نیویورک و بوستون مورد استفاده قرار گرفت.

ایالات متحده از نزدیک توسط ژاپن دنبال می شود. در سال 1984، ژاپن خط ارتباطی فیبر نوری راه دور از ساپورو در هوکایدو تا فوکوئوکا در کیوشو را به طول 2800 کیلومتر تکمیل کرد و بیش از 30 شهر را به هم متصل کرد. در دسامبر 1993، یک کابل فیبر نوری در سراسر دریای چین شرقی بین چین و ژاپن با موفقیت نصب شد. یک کابل زیردریایی به طول 10،{7}}کیلومتر در سراسر اقیانوس آرام بین ژاپن و ایالات متحده نیز در حال طراحی است.

با توجه به توسعه شدید ارتباطات فیبر نوری، ایالات متحده، ژاپن، بریتانیا، فرانسه و سایر کشورهای توسعه یافته صنعتی، شرکت های تولید فیبر نوری، کابل های نوری را راه اندازی کرده اند. سه شرکت معروف فیبر نوری و کابل - شرکت وسترن الکتریک ایالات متحده، شرکت کورنینگ و شرکت سومیتومو ژاپن، تولید فیبر نوری بیش از 120،{2}} کیلومتر در سال است.

به طور خلاصه، کشورهای توسعه یافته صنعتی یک شبکه ارتباطی ملی فیبر نوری ایجاد کرده اند تا به طور کامل جایگزین سیم و کابل مسی فعلی شوند، این پروژه فنی گسترده تخمین زده می شود تا سال 2000 تکمیل شود. در آن زمان، ارتباطات لیزری عالی خواهد بود. تغییرات در سیاره ما برای مثال، می‌توانید از شبکه‌های فیبر نوری برای کار بر روی اسناد یا شرکت در جلسه‌ای در خانه بدون خروج از خانه استفاده کنید. یا شبکه فیبر نوری خانگی را به مرکز خرید وصل کنید، درست مثل حضور در سوپرمارکت، نشستن در خانه برای خرید کالای مورد نیازتان و پرداخت فقط باید با سامانه خرید الکترونیکی مالی تسویه شود. مراکز درمانی در سراسر جهان نیز می توانند وضعیت بیمار و گزارش آزمایشگاهی را از روی صفحه مشاهده کنند و بر اساس آن نسخه ای صادر کنند تا واقعاً به «علم بیرون نمی رود، دنیا را بشناس»، «راهبرد در چادر، پیروزی قاطع هزاران مایل دورتر».

لیزر و فیبر نوری نیز می توانند تصاویر را انتقال دهند. اول، یک فیبر نوری منفرد، با قطر کمتر از موی انسان، در یک بسته فیبر ترکیب می شود. در فرآیند انتقال اطلاعات معمولاً از دو نوع دسته فیبر استفاده می شود: یکی پرتو نور و دیگری پرتو تصویر. وظیفه انتقال پرتو انتقال نور از یک سر به سر دیگر است. ساختار انتقال پرتو نسبتاً ساده است، از تعدادی تک رشته تشکیل شده است که به هم چسبیده اند و سپس سطح انتهایی صیقل داده می شود و به منظور کاهش انعکاس و اتلاف پراکندگی نور در فیبر، و سپس غلاف پلاستیکی قرار می گیرد. در قسمت بیرونی انتقال پرتو.

از آنجایی که یک فیبر نوری فقط می تواند یک نقطه را منتقل کند، برای انتقال کل تصویر، فیبرهای راهنمای نوری باید به طور مرتب یکی یکی چیده شوند، به طوری که بسته فیبر نوری را پرتو تصویر می نامند.

در بسته انتقال تصویر، تمام فیبرهای نوری به طور مرتب چیده شده‌اند و موقعیت‌های دو انتها کاملاً یک به یک مطابقت دارند که به هیچ وجه آشفته نیست، درست مانند یک چاپستیک مرتب. به عنوان مثال، اگر یک سر فیبر نوری در ردیف هشتم و ستون هشتم پرتو ارسال تصویر باشد، انتهای دیگر آن نیز در موقعیت هشتم یا هشتم قرار دارد.

هنگام انتقال تصاویر، پرتو تصویر ابتدا تصویر را به شکل مش تقسیم می کند، یعنی یک تصویر توسط فیبرهای نوری بی شماری به پیکسل های بی شماری شکسته می شود و سپس به بیرون منتقل می شود. یک فیبر نوری وظیفه انتقال یک پیکسل را بر عهده دارد و فیبرهای نوری بی شماری می توانند کل تصویر را به انتهای دیگر منتقل کنند. اگر می‌خواهید انتقال تصویر واضح باشد، باید قطر فیبر نازک‌تر را انتخاب کنید، زیرا هرچه فیبر نازک‌تر باشد، نور بیشتری را می‌توان در یک پرتو مشخص از انتقال تصویر جای داد تا پیکسل‌های بیشتری منتقل شود. بدیهی است که هرچه تعداد پیکسل بیشتر باشد، تصویر واضح تر است.

پرتو تصویری که امروزه مورد استفاده قرار می گیرد از ده ها هزار فیبر نوری تشکیل شده است و چیدمان این تعداد فیبر نوری به طور منظم کار آسانی نیست. پس از چیدمان، از یک چسب آلی به نام رزین اپوکسی برای چسباندن دو سر به یکدیگر استفاده می شود، به طوری که فیبر نوری به هم چسبیده و ثابت می شود و اطمینان حاصل می شود که فیبرهای نوری در هر دو انتها یک به یک مطابقت دارند. دو انتها نیز باید صاف و صیقلی شوند. در مورد قسمت وسط، لازم نیست محکم بچسبانید، بلکه مانند رشته ارهو شل است و فقط باید یک آستین پلاستیکی محافظ در بیرون اضافه کنید تا بسته انتقال تصویر نرم باشد و بتواند خودسرانه خم شود.

علاوه بر انتقال تصاویر، پرتو تصویر می تواند نمادها یا اعداد کلی را نیز منتقل کند و همچنین تصویر را بزرگ یا کوچک کند.

برای بزرگ‌نمایی تصویر، می‌توان پرتو را در یک انتها بزرگ‌تر و در انتهای دیگر کوچک‌تر کرد، مانند یک مخروط. هنگامی که عنصر تصویر از انتهای کوچک به انتهای بزرگ منتقل می شود، کل تصویر بزرگ می شود. از طرف دیگر، اگر تصویر از انتهای بزرگ به انتهای کوچک ارسال شود، کل تصویر کاهش می یابد.

علاوه بر این می توان از فیبر نوری برای تغییر تصویر استفاده کرد. اگر آرایش فیبر نوری عمداً بر اساس نیاز مختل شود، پیکسل در انتهای خروجی نمی‌تواند روی نقطه متناظر اصلی بیفتد، اما روی نقطه تصور ذهنی بیفتد، بنابراین تصویر تغییر می‌کند. اگر فیبر نوری در انتهای ورودی عنصر تصویر مربع باشد و فیبر نوری در انتهای خروجی دایره ای باشد، عنصر تصویر مربعی را می توان به یک عنصر تصویر دایره ای تبدیل کرد.

به طور خلاصه، پرتو تصویر فیبر نوری پتانسیل توسعه زیادی دارد و به طور فزاینده ای نقش منحصر به فرد خود را در فناوری پردازش اطلاعات نوری آینده نشان خواهد داد.