فیبر نوری چیست؟ + انواع و نحوه عملکرد Optical Fiber به زبان ساده

فیبر نوری چیست؟ امروزه تقریباً هیچ بخشی از زندگی دیجیتال ما بدون فیبر نوری قابل تصور نیست؛ از اینترنت پرسرعت و تماس‌های بین‌المللی گرفته تا کاربردهای پیشرفته در پزشکی و نظامی، همگی به این فناوری وابسته هستند.

این رشته‌های باریک شیشه‌ای یا پلاستیکی، انقلاب بزرگی در ارتباطات ایجاد کرده و زیرساخت اصلی انتقال داده در جهان هستند.

با اینکه این فناوری ساده به نظر می‌رسد، پشت فیبر نوری مفاهیم پیچیده‌ای از مهندسی و فیزیک نهفته است که عملکرد و مزایای آن را شکل می‌دهند. در ادامه، شما را با انواع فیبر نوری، نحوه کار، کاربردها، مزایا و محدودیت‌های آن آشنا می‌کنیم.

فیبر نوری چیست؟

فیبر نوری (Optical Fiber) رشته‌ای نازک و بلند از جنس شیشه یا پلاستیک است که نور را از یک سر به سر دیگر منتقل می‌کند. از این فناوری برای انتقال اطلاعات با سرعت بسیار بالا استفاده می‌شود.

برخلاف کابل‌های مسی که جریان الکتریکی منتقل می‌کنند، فیبر نوری با نور لیزر یا دیود نوری، اطلاعات را سریع و دقیق از مبدا به مقصد می‌فرستد.

عملکرد این فناوری بر پایه پدیده «بازتاب کامل داخلی» است. وقتی نور با زاویه‌ای مشخص وارد هسته فیبر می‌شود و به سطح داخلی روکش برخورد می‌کند، بازتاب می‌یابد و در هسته حرکت می‌کند.

این مکانیزم امکان انتقال اطلاعات در مسافت‌های طولانی با کمترین افت کیفیت و بدون تداخل الکترومغناطیسی را فراهم می‌کند.

اجزای تشکیل دهنده فیبر نوری چیست؟

فیبر نوری ممکن است فقط یک رشته نازک به نظر برسد، اما از چند لایه مختلف تشکیل شده است که هرکدام وظیفه مهمی دارند. این لایه‌ها طوری ساخته شده‌اند که نور را با کمترین هدررفت و بیشترین پایداری منتقل کنند. این ساختار به شما کمک می‌کند با نحوه کار فیبر نوری آشنا شوید.

۱. هسته (Core)؛ مسیر اصلی عبور نور

هسته فیبر نوری، بخش مرکزی و نازک آن است که نور از طریق آن عبور می‌کند. این هسته معمولاً از شیشه شفاف یا پلاستیک ساخته می‌شود. قطر آن بین ۸ تا ۶۲.۵ میکرون است و هر چقدر شفاف‌تر و یکدست‌تر باشد، نور راحت‌تر و بدون افت زیاد منتقل می‌شود.

۲. روکش بازتابنده (Cladding)؛ نگهدارنده نور داخل هسته

این قسمت لایه‌ای است که هسته را پوشش می‌دهد و ضریب شکست آن کمتر از هسته است. همین تفاوت باعث می‌شود نور داخل هسته چندین بار به‌طور کامل بازتاب شود و از آن خارج نشود. این پدیده که «بازتاب کامل داخلی» نام دارد، امکان انتقال پایدار نور و سیگنال را فراهم می‌کند.

۳. پوشش محافظ (Primary Coating)؛ محافظ نرم و انعطاف‌پذیر

پوشش محافظ لایه‌ای نرم و پلاستیکی است که مستقیم روی روکش بازتابنده فیبر قرار می‌گیرد. این پوشش از فیبر در برابر ضربه، کشیدگی و آسیب‌های فیزیکی هنگام نصب یا خم‌شدن محافظت می‌کند. همچنین انعطاف‌پذیر است و مانع نفوذ رطوبت می‌شود.

۴. عایق‌ها و غلاف‌های خارجی؛ سپر در برابر شرایط سخت

در کابل‌های فیبر نوری چند لایه، لایه‌های اضافی برای مقاومت در برابر حرارت، ضربه، رطوبت و نور خورشید گذاشته می‌شود. این لایه‌ها شامل پوشش ضد آتش، نخ‌های محکم مثل آرمید (Kevlar)، لایه ضد آب و روکش مقاوم در برابر خط‌وخش هستند.

این ترکیب باعث می‌شود فیبر نوری ساختاری مقاوم داشته باشد و نور را با دقت بسیار بالا منتقل کند، حتی در شرایط سخت، بدون اینکه کیفیت داده‌ها کم شود.

فیبر نوری چطور کار می‌کند؟

فیبر نوری بر پایه یک اصل فیزیکی به نام بازتاب کامل داخلی (Total Internal Reflection) کار می‌کند. نور از یک منبع مثل لیزر یا LED وارد هسته‌ی فیبر می‌شود.

 چون هسته شفاف‌تر و ضریب شکست آن بیشتر از لایه‌ بیرونی (روکش یا Cladding) است، نور وقتی به مرز بین هسته و روکش می‌رسد، به جای عبور کردن، کاملاً بازتاب می‌شود و در هسته به مسیرش ادامه می‌دهد. این بازتاب‌های مداوم باعث می‌شوند نور در طول فیبر حرکت کند بدون اینکه از هسته خارج شود یا کیفیت سیگنال کم شود.

این روش انتقال نور باعث می‌شود داده‌ها با سرعت بالا و افت کم و بدون تاثیرپذیری از نویزهای الکترومغناطیسی منتقل شوند. بسته به نوع فیبر، نور یا در یک مسیر مستقیم (تک‌حالته) یا در چند مسیر بازتابی (چندحالته) حرکت می‌کند. 

در کل، عملکرد دقیق فیبر نوری به طراحی لایه‌ها و کنترل دقیق ویژگی‌های مواد وابسته است و همین موضوع آن را به بهترین گزینه برای فناوری‌های ارتباطی مدرن تبدیل کرده است.

کاربرد فیبر نوری چیست؟

حالا که با فیبر نوری چیست و اجزای آن آشنا شدید، حالا وقت آن است که کاربردهای آن در حوزه‌های مختلف را بشناسید.

 فیبر نوری به دلیل ویژگی‌هایی مثل سرعت بالا، ایمنی الکتریکی، مقاومت در برابر شرایط سخت و تاخیر کم، در صنایع مختلف استفاده می‌شود. در ادامه، مهم‌ترین کاربردهای آن را بررسی می‌کنیم.

۱. کاربرد فیبر نوری در صنایع نفت، گاز و پتروشیمی

در مکان‌هایی که خطر انفجار وجود دارد و استفاده از تجهیزات الکتریکی خطرناک است، فیبر نوری نقش مهمی در انتقال اطلاعات حساس دارد. به همین دلیل از آن برای پایش لحظه‌ای دما، فشار و لرزش در خطوط انتقال و پالایشگاه‌ها استفاده می‌شود. 

حسگرهای فیبر نوری توزیع‌شده (Distributed Fiber Optic Sensors) می‌توانند اطلاعات را از کیلومترها دورتر جمع‌آوری کرده و با دقت بالا به مرکز کنترل ارسال کنند.

۲. کاربرد فیبر نوری در صنایع برق و انرژی

در ایستگاه‌های برق و خطوط فشار قوی، استفاده از کابل‌های فیبر نوری به جای سیم‌های فلزی، ایمنی را بالا می‌برد و تداخل الکترومغناطیسی را کم می‌کند.

 این کابل‌ها برای ارسال سیگنال‌های کنترل، حفاظت و مانیتورینگ شبکه به‌صورت لحظه‌ای استفاده می‌شوند. همچنین در خطوط OPGW (Optical Ground Wire)، فیبر نوری همراه سیم ارت روی دکل‌های فشار قوی نصب می‌شود.

۳. فیبر نوری در اتوماسیون صنعتی و خطوط تولید

در خطوط تولید هوشمند و سیستم‌های اتوماسیون پیشرفته، فیبر نوری وسیله اصلی ارتباط بین تجهیزات مثل PLC، حسگرها، ربات‌ها و سرورها است. 

سرعت بالای انتقال داده و تاخیر بسیار کم، باعث می‌شود سیستم بتواند سریع به تغییرات تولید واکنش نشان دهد و در نتیجه، بهره‌وری خط تولید به‌طور چشمگیری افزایش یابد.

۴. کاربرد فیبر نوری در صنایع نظامی و هوافضا

در تجهیزات نظامی، هواپیماها و ماهواره‌ها، از فیبر نوری استفاده می‌شود چون سبک بوده، در برابر ضربه و نویز مقاوم است و اطلاعات را به‌صورت امن منتقل می‌کند.

 این کابل‌ها در سیستم‌های هدایت، ارتباطات و نظارت محیطی اهمیت زیادی دارند و عملکرد آن‌ها از کابل‌های فلزی پایدارتر است.

۵. فیبر نوری در حمل‌ونقل ریلی و شهری

در مترو و راه‌آهن، از فیبر نوری برای کنترل ترافیک، بررسی لرزش خطوط، پیدا کردن ترک ریل و انتقال اطلاعات هشدار استفاده می‌شود. با فیبر نوری، هشدارها سریع و دقیق به مرکز کنترل می‌رسند.

انواع فیبر نوری چیست؟

فیبر نوری براساس شکل و نحوه عبور نور به دو نوع اصلی تقسیم می‌شود:

• فیبر نوری تک‌حالته (Single Mode)
• فیبر نوری چندحالته (Multi Mode)

هر نوع ویژگی‌ها و کاربردهای خودش را دارد و برای انتخاب آن‌ها باید به فاصله انتقال، پهنای باند مورد نیاز و هزینه توجه کنید. 

۱. فیبر نوری تک‌حالته (Single Mode Fiber)

فیبر نوری تک‌حالته هسته‌ای بسیار باریک دارد (حدود ۸ تا ۱۰ میکرون) و فقط یک مسیر مستقیم برای عبور نور فراهم می‌کند. این باعث می‌شود سیگنال کمتر ضعیف یا پراکنده شود و داده‌ها بتوانند در فاصله‌های بسیار طولانی (بیش از ۱۰۰ کیلومتر) با سرعت بالا منتقل شوند.

 در این فیبر، نور معمولاً با لیزر که طول موج دقیق و قدرت بالایی دارد ارسال می‌شود. فیبر تک‌حالته بیشتر در شبکه‌های مخابراتی، اینترنت بین‌شهری، دیتاسنترها و خطوط اصلی اینترنت استفاده می‌شود.

۲. فیبر نوری چند حالته (Multi Mode Fiber)

در فیبر نوری چندحالته، هسته بزرگ‌تر است و قطر آن بین ۵۰ تا ۶۲.۵ میکرون قرار دارد. این فیبر اجازه می‌دهد چند پرتو نور به‌طور هم‌زمان از مسیرهای مختلف عبور کنند.

 به همین دلیل، برای انتقال داده در فاصله‌های کوتاه (کمتر از ۲ کیلومتر) مناسب است. ولی در فاصله‌های طولانی، به دلیل تداخل نورها و پراکندگی زمانی، کیفیت کاهش می‌یابد.

منبع نور در این نوع فیبر LED است که قیمت پایین ولی نور متمرکز کمتری نسبت به لیزر دارد. فیبر چندحالته در شبکه‌های محلی (LAN)، ساختمان‌های اداری و سیستم‌های داخلی صنعتی استفاده می‌شود.

هر دو نوع فیبر نوری پوشش‌ها و ویژگی‌های مختلفی دارند. بسته به نیاز پروژه، می‌توانید فیبر مخصوص فضای باز، ضد آب، ضد آتش یا مقاوم در برابر فشار را انتخاب کنید. شناخت دقیق تفاوت‌های این دو نوع برای طراحی و اجرای شبکه‌های نوری بسیار مهم است.

روش‌های اتصال و فیوژن فیبر نوری چیست؟

اتصال درست و محکم دو رشته فیبر نوری، یکی از مراحل مهم در ساخت و راه‌اندازی شبکه‌های نوری است. اگر اتصال درست نباشد، سیگنال ضعیف می‌شود، نور بازتاب کرده و انتقال داده مشکل پیدا می‌کند.
دو روش اصلی برای اتصال فیبر نوری وجود دارد:

• اتصال فیوژن (Fusion Splicing)
• اتصال مکانیکی (Mechanical Splicing)

انتخاب روش مناسب به کاربرد، محل نصب، هزینه و دقت مورد نیاز بستگی دارد. این بخش به شما کمک می‌کند متوجه شوید کدام روش برای اتصال فیبر نوری بهتر است.

فیوژن اسپلایس (Fusion Splicing)

فیوژن اسپلایس یکی از دقیق‌ترین و پایدارترین روش‌های اتصال فیبر نوری است. در این روش، دو سر فیبر با قوس الکتریکی ذوب‌شده و به هم جوش می‌خورند.

 ابتدا انتهای فیبرها با ابزار مخصوص صاف و هم‌تراز شده، سپس داخل دستگاه فیوژن اسپلایسر قرار گرفته و با حرارت زیاد به‌طور دائمی به هم وصل می‌شوند. 

بعد از اتصال، محل جوش با یک پوشش محافظ پوشانده می‌شود تا در برابر رطوبت، فشار و خم شدن مقاوم باشد. این روش افت سیگنال کمی دارد و در شبکه‌های بزرگ، بین‌شهری و پروژه‌های حرفه‌ای استفاده می‌شود.

اتصال مکانیکی (Mechanical Splicing)

در روش اتصال مکانیکی، دو فیبر نوری بدون ذوب‌شدن و با استفاده از یک قطعه کمکی (مثل کانکتور یا پوشش اسپلیس) کنار هم قرار می‌گیرند و نگه داشته می‌شوند. 

این روش سریع و ساده است و نیاز به تجهیزات پیچیده ندارد، ولی اغلب باعث افت سیگنال بیشتری نسبت به اتصال فیوژن می‌شود. اتصال مکانیکی در شرایط اضطراری، تعمیرات موقت، پروژه‌های ارزان یا وقتی که نصب سریع لازم است، استفاده می‌شود.

در برخی پروژه‌ها هم از کانکتورهای نوری استفاده می‌شود که می‌توان آن‌ها را جدا و دوباره وصل کرد، بدون اینکه به فیبر آسیب برسد.

انتخاب نوع اتصال مناسب تاثیر زیادی روی عملکرد نهایی شبکه دارد و باید با دقت و با توجه به شرایط پروژه انجام شود.

مزایای فیبر نوری چیست؟

استفاده از فیبر نوری در انتقال داده باعث تحولی بزرگ در ارتباطات و فناوری شده است. این فناوری سرعت و ظرفیت بیشتری نسبت به روش‌های قدیمی دارد و حتی در شرایط سخت محیطی هم به‌خوبی کار می‌کند. در ادامه، مهم‌ترین مزایای فیبر نوری را بررسی می‌کنیم:

۱. سرعت و پهنای باند فوق‌العاده

یکی از بزرگ‌ترین مزایای فیبر نوری، سرعت بسیار بالای انتقال داده آن بوده که بسیار بیشتر از کابل‌های مسی یا اتصال بی‌سیم است. فیبر نوری می‌تواند مقدار زیادی اطلاعات را در یک ثانیه منتقل کند و تاخیر آن بسیار کم است. به همین دلیل، در شبکه‌های اصلی اینترنت، مراکز داده و مخابرات بیشتر از فیبر نوری استفاده می‌شود.

۲. انتقال پایدار داده حتی در مسافت‌های طولانی

فیبر نوری می‌تواند داده‌ها را با کمترین کاهش کیفیت حتی در فاصله‌های چند ده یا چند صد کیلومتر منتقل کند. برخلاف کابل‌های فلزی که به تقویت‌کننده‌های (Amplifier) زیادی نیاز دارند، این مورد برای فیبر نوری فقط در فاصله‌های طولانی است، که این باعث کم‌شدن هزینه نگهداری و افزایش پایداری ارتباط می‌شود.

۳. مصونیت کامل در برابر نویز و تداخل الکترومغناطیسی

چون فیبر نوری داده‌ها را با نور می‌فرستد و نه با برق، نویز و تداخل‌های الکترومغناطیسی روی آن اثر نمی‌گذارد. این ویژگی در محیط‌های صنعتی و خطوط برق فشار قوی که پر از نویز هستند، بسیار مهم است.

۴. امنیت بالا برای داده‌های حساس

فیبر نوری از نظر امنیت، برتر از کابل‌های فلزی است؛ چون شنود سیگنال‌های نوری بسیار سخت است و هرگونه تلاش برای دسترسی به داده‌ها باعث قطع فیزیکی کابل می‌شود. به همین دلیل، فیبر نوری برای کاربردهای نظامی، مالی و سایر موارد حساس امنیتی گزینه‌ مناسبی است.

۵. سبک و باریک؛ نصب آسان و صرفه‌جویی در فضا

فیبر نوری سبک‌تر و باریک‌تر از کابل‌های مسی است، بنابراین نصب آن راحت‌تر بوده و هزینه حمل و نقل را کاهش می‌دهد. این ویژگی به‌ویژه در پروژه‌هایی با محدودیت فضا یا نیاز به کابل‌کشی گسترده، بسیار مفید است.

محدودیت‌ها و معایب فیبر نوری چیست؟

با اینکه فیبر نوری مزایای زیادی مثل سرعت بالا، ظرفیت زیاد و انتقال پایدار داده دارد، مثل هر فناوری دیگری با مشکلات و محدودیت‌هایی همراه است که در طراحی، اجرا و نگهداری آن باید به آن‌ها توجه کنید. 

۱. هزینه بالای راه‌اندازی اولیه

یکی از مهم‌ترین مشکلات استفاده از فیبر نوری، هزینه بالای راه‌اندازی آن است. چون برای این کار به تجهیزات مخصوص، کابل‌های باکیفیت، دستگاه‌های اتصال (فیوژن) و نیروی متخصص نیاز دارید. به‌خصوص در جاهایی که جمعیت کم است یا زمین شرایط سختی دارد، کابل‌کشی فیبر نوری گران تمام می‌شود.

۲. نیاز به تجهیزات پیشرفته و نیروی متخصص

نصب، تعمیر و نگهداری فیبر نوری به دانش فنی و ابزارهای دقیق مثل دستگاه فیوژن، کلوریمتر و تستر نوری نیاز دارد. کوچک‌ترین اشتباه در برش یا اتصال کابل، سیگنال را ضعیف می‌کند. به همین دلیل داشتن نیروی کار ماهر، به‌خصوص در مناطق دورافتاده، یک مشکل مهم است.

۳. شکنندگی و آسیب‌پذیری کابل‌ها

فیبر نوری از شیشه یا پلاستیک بسیار نازک ساخته می‌شود و در برابر فشار، خم‌شدن زیاد یا ضربه مقاوم نیست. هرچند لایه‌های محافظ از آن مراقبت می‌کنند، ولی اگر هنگام نصب یا تعمیر دقت نشود، ممکن است کابل در داخل بشکند و تعمیر آن هم پرهزینه باشد.

۴. محدودیت در تامین برق تجهیزات نوری

برخلاف کابل‌های مسی که هم داده و هم برق را منتقل می‌کنند (مثل فناوری PoE)، فیبر نوری فقط داده را جابه‌جا می‌کند. بنابراین اگر دستگاهی نیاز به برق از طریق کابل داشته باشد، باید کابل جداگانه‌ای برای برق کشیده شود. این موضوع طراحی شبکه را کمی سخت‌تر می‌کند.

خلاصه‌ای از آنچه در مورد فیبر نوری گفتیم

فیبر نوری چیست؟ فیبر نوری فقط وسیله‌ای برای جابه‌جایی داده‌ها با نور نیست، بلکه دروازه‌ای به دنیای آینده ارتباطات محسوب می‌شود.. این فناوری اطلاعات را به‌سرعت و با تاخیر کم جابه‌جا می‌کند.. در این مطلب کاربردها، انواع و نحوه کار فیبر نوری را به‌طور کامل و به زبان ساده بررسی کردیم. اگر سوالی دارید در بخش دیدگاه‌ها نظرات‌تان را برای ما بنویسید.

سوالات پرتکرار درباره فیبر نوری چیست 

حتماً هنوز هم سوالات زیادی درباره فیبر نوری دارید. در این بخش به رایج‌ترین آن‌ها پاسخ می‌دهیم.