فیبر نوری چیست و چگونه کار می کند؟

فیبرهای نوری رشته‌های نازک هستند که نور را در فواصل دور منتقل می‌کنند، درست مانند سیم‌ها که برق را حمل می‌کنند. آنها به طور گسترده در ارتباطات راه دور، دیتاکام، تحویل پرتو لیزر، سنجش، کاربردهای پزشکی و موارد دیگر استفاده می شوند. در این مقاله خواهیم دانست فیبر نوری چیست و انواع فیبر نوری را بررسی خواهیم کرد.

فیبر نوری تاثیر زیادی بر زندگی مدرن داشته است. در واقع، کلماتی که در حال حاضر می خوانید تقریباً به طور قطع از طریق فیبر نوری از یک وب سرور به دستگاه شما منتقل شده اند.

فراتر از ارتباطات راه دور، فیبر نوری در بسیاری از راه‌های دیگر نیز استفاده می‌شود، از جمله تحویل پرتو لیزر در سیستم‌های جراحی و سیستم‌های لیزر صنعتی پرقدرت. آنها همچنین اجزایی در سیستم های ناوبری و سیستم های حسگر ساختمان ها، پل ها و نیروگاه ها هستند. کاربردهای تخصصی متعدد دیگری نیز وجود دارد.

فناوری فیبر نوری چیست؟

فیبر نوری رشته های بلند و نازک شیشه ای هستند که به دقت کشیده شده اند و به قطر موی انسان است. این رشته ها در بسته هایی به نام کابل فیبر نوری مرتب شده اند. ما برای انتقال سیگنال های نور در فواصل طولانی به آنها متکی هستیم.

در منبع فرستنده، سیگنال های نور با داده ها کدگذاری می شوند. همان داده هایی که روی صفحه کامپیوتر می بینید. بنابراین، فیبر “داده” را با نور به یک انتهای گیرنده منتقل می کند، جایی که سیگنال نور به عنوان داده رمزگشایی می شود. بنابراین، فیبر نوری در واقع یک رسانه انتقال است – یک “لوله” برای انتقال سیگنال در فواصل طولانی با سرعت بسیار بالا.

فیبر نوری برای چه مواردی استفاده می شود؟

کابل های فیبر نوری ابتدا در دهه 1950 برای آندوسکوپ ها ساخته شدند. هدف از این کار کمک به پزشکان بود که بدون جراحی بزرگ، بتوانند داخل بدن یک بیمار انسانی را مشاهده کنند. در دهه 1960، مهندسان راهی برای استفاده از همان فناوری برای انتقال و دریافت تماس‌های تلفنی با «سرعت نور» پیدا کردند. این حدود 186000 مایل در ثانیه در خلاء است، اما به حدود دو سوم این سرعت در یک کابل کاهش می یابد. بنابراین، فیبر نوری برای چه مواردی استفاده می شود؟ به طور خلاصه، برای انتقال سیگنال، ارتباط و دید (فیلم).

کابل فیبر نوری چگونه کار می کند؟

عملکرد کابل فیبر نوری تقریباً مانند لوله آب است. نور از یک طرف می رود و از طرف دیگر خارج می شود. و درست مانند لوله آب، مسیری که فیبر طی می کند می تواند طولانی باشد – به معنای واقعی کلمه چندین کیلومتر – و می تواند از خم ها و منحنی ها عبور کند. این ویژگی انعطاف پذیری فوق العاده ای (به معنای واقعی کلمه!) از نظر نحوه پیاده سازی فیبرها در یک سیستم فراهم می کند. همراه با توانایی انتقال نور حتی در فواصل طولانی با تلفات بسیار کم، این امر باعث استفاده گسترده و موفقیت تجاری فیبر نوری می شود.

مکانیسم عملیاتی اساسی یک فیبر نوری در واقع بسیار ساده است. ابتدایی ترین فیبر نوری شامل یک هسته مقطع دایره ای است که توسط ماده دومی به نام روکش احاطه شده است که ضریب شکست کمتری دارد.

نور وارد شده به یک انتهای فیبر با زاویه مناسب از طریق هسته عبور می کند و تا زمانی که از انتهای دیگر خارج شود در درون آن باقی می ماند. این به دلیل بازتاب کلی درونی اتفاق می افتد. این زمانی اتفاق می‌افتد که نوری که در یک ماده حرکت می‌کند، با یک رابط با محیط دوم با ضریب شکست کمتر مواجه می‌شود. اگر نور با زاویه کافی به رابط برخورد کند، کاملاً منعکس می شود – هیچ یک از نورها فرار نمی کند. هر کسی که در زیر آب به سطح نگاه کرده باشد، همین پدیده را تجربه می کند. شما می توانید مستقیماً بالای خود را ببینید، اما همانطور که سعی می کنید به سطح در زوایایی به اندازه کافی دور از مستقیم به بالا نگاه کنید، نمی توانید بیرون را ببینید.

فیبر نوری هم از نظر طراحی و هم از نظر ساخت، در واقع بسیار پیچیده هستند. این برای دستیابی به اهداف مختلف عملکرد و هزینه برای برنامه های خاص ضروری است.

انواع فیبر نوری

فیبر نوری را می توان بر اساس بازارهایی که خدمات ارائه می دهد و همچنین بر اساس ویژگی های مختلف عملکرد یا ساخت طبقه بندی کرد. ساده ترین گروه بندی براساس کاربرد است. و معمولاً به مخابرات/داده و سپس هر چیز دیگری تجزیه می شود. این گروه اخیر اغلب به عنوان “الیاف تخصصی” شناخته می شود.

از نظر طراحی و عملکرد، چندین نوع اصلی مختلف از الیاف، و تنوع طراحی بی‌شماری در این انواع وجود دارد که در زیر توضیح داده شده است. اغلب، یک فیبر ممکن است به چند مورد از این گروه ها تعلق داشته باشد. به عنوان مثال، یک فیبر تک حالته ممکن است قطبش را حفظ کند و همچنین فوق سریع باشد.

فیبر تک حالته

فیبرهای تک حالته دارای قطر هسته ای هستند که به قدری کوچک است که فقط پایین ترین (و از نظر فیزیکی کوچکترین) حالت عرضی می تواند منتشر شود. این کار از چندین جهت بر عملکرد تأثیر می گذارد. برای کاربردهای مخابراتی، تضعیف و پراکندگی فیبر را کاهش می دهد. به همین دلیل است که فیبر تک حالته پرکاربردترین نوع برای ارتباطات راه دور است. خروجی یک فیبر تک حالته را می توان به کوچکترین اندازه نقطه ممکن متمرکز کرد. این باعث می شود آنها برای بسیاری از کاربردهای لیزر علمی و صنعتی، به ویژه در ساخت لیزرهای فیبر، مفید باشند.

فیبر دو حالته

اینها دارای قطر هسته به اندازه کافی بزرگ هستند که به حالت های عرضی مرتبه بالاتر اجازه می دهد تا در فیبر حرکت کنند. این به طور معمول آنها را قادر می سازد تا توان نوری بیشتری را منتقل کنند، اما از پراکندگی بالاتر نیز رنج می برند. این نوع فیبر معمولاً هزینه کمتری نسبت به فیبرهای تک حالته دارند. همچنین به طور گسترده برای تحویل پرتو با لیزرهای با قدرت بالاتر در پردازش مواد، جراحی و کاربردهای طیف سنجی استفاده می شوند.

فیبر نگهدارنده قطبش

به طور معمول، انکسار مضاعف در یک فیبر نوری، قطبش ورودی را هنگام عبور از کابل به هم می زند. فیبر نگهدارنده پلاریزاسیون شامل برخی از برنامه های شبکه پیشرفته، تقویت کننده های لیزری، IFOG و بسیاری از سیستم های سنجش است.

فیبر نگهدارنده قطبش برای از بین بردن دوشکستگی طراحی نشده اند. در عوض، آنها فیبرهای تک حالته هستند که برای به حداکثر رساندن آن به روشی بسیار خاص ساخته شده اند. نتیجه این است که قدرت هنگام انتشار از یک حالت قطبی به حالت دیگر جفت نمی شود. این حالت ورودی قطبی شدن را حفظ می کند.

لیزر و آمپلی فایر

اینها “الیاف فعال” هستند که اساس لیزرهای فیبر و چندین نوع دیگر تقویت کننده نور را تشکیل می دهند. آنها از یک ماده ناخالص برای تولید عمل لیزر (تقویت نور) در طول فیبر استفاده می کنند. معمولاً نور پمپ به داخل روکش کوپل می شود و این انرژی برای تقویت نور بذر وارد شده به انتهای فیبر استفاده می شود.

معمول است که آنها با یک فیبر تحویل پرتو غیرفعال همراه که به ویژه با فیبر فعال مطابقت دارد تولید شوند. فیبر غیرفعال ویژگی‌های نوری نور فیبر فعال را حفظ می‌کند و بالاترین قابلیت‌های انتقال و مدیریت توان ممکن را فراهم می‌کند – اغلب تا سطح چند کیلووات.

فیبر فوق سریع

این شامل فیبرهای فعال و غیرفعال می شود که به طور خاص برای استفاده با پهنای پالس کوتاه و توان های پیک بالا طراحی شده اند. کاربردها شامل لیزرهای فیبر فوق سریع، تقویت پالس صدای چیپ، تقویت کننده های پهن خط باریک و دو برابر کردن فرکانس است. بسته به کاربرد خاص، اشکال طراحی مختلفی برای الیاف فوق سریع وجود دارد. اما همه آنها معمولاً به پلاریزاسیون و کنترل پراکندگی شدید، کیفیت پرتو بالا و تاریک شدن نور کم نیاز دارند.

فیبر نوری چگونه ساخته می شود؟

یک کابل فیبر نوری منفرد که ممکن است کیلومترها طول داشته باشد به عنوان یک لوله شیشه ای با طول تنها یک یا دو متر شروع می شود. یک فرآیند شیمیایی برای تبدیل مواد در قطر داخلی لوله و افزایش ضریب شکست آن استفاده می شود. سپس لوله را به شکل یک استوانه جامد فرو می‌برند و قطعه‌ای از مرکز این میله بریده می‌شوند تا چیزی به نام پیش‌فرم ساخته شود.

پریفرم در یک برج طراحی قرار می گیرد. حرارت داده می شود تا نرم شود و سپس انتهای آن کشیده می شود تا رشته نازکی تشکیل شود. رشته به طور مداوم بر روی قرقره ها پیچیده می شود تا کابل تولید شود. در طول این فرآیند یک پوشش پلیمری در قسمت بیرونی الیاف اعمال می شود. این کار فیبر تمام شده را محکم تر و راحت تر می کند.

برخی از فیبرهای نوری به صورت دایره ای متقارن نیستند. نمونه ای از این می تواند فیبر نگهدارنده پلاریزاسیون نوع پاندا باشد. یک سری مراحل پیچیده تر برای ساختن پریفرم های این نوع الیاف استفاده می شود.

مهندسین عارف طیف گسترده و متنوعی از تجهیزات فیبر نوری از جمله فیبر لیزر و تقویت کننده، فیبر انتقال پرتو لیزر پرقدرت، فیبر بهینه سازی شده برای کاربردهای پزشکی، فیبر برای کاربردهای حسگر و موارد دیگر را ارائه می دهد. ما می‌توانیم فیبرها را برای برآوردن نیازهای خاص مشتری سفارشی کنیم و آنها را در مجموعه‌های فیبر، از جمله اتصالات، اپتیک و موارد دیگر ادغام کنیم.