آشنایی با فیبر نوری

چگونه نور داده‌ها را حمل می‌کند: فیبر نوری

عادت‌های مصرفی فعلی ما نشان می‌دهد که چگونه، دیجیتالی‌کردن تمام مدل‌های تجاری، اقتصادی و زندگی ما را محصور کرده است. این تغییرات و نیازهای جدید تأثیرات زیادی در صنایع مخابراتی داشته است که باید پیش از ارائه راه حل درک شوند. 

امروزه افراد به موارد زیر پیش از هر زمان دیگر روی آورده‌اند: 

  • دسترسی سریع به اینترنت برای ارسال و دریافت فایل و منابع در یک لحظه
  • برقراری تماس تلفنی تصویری مقرون به صرفه 
  • کار در خانه به‌راحتی محل کار به خصوص بعد از همه‌گیری کوید۱۹
  • تماشای برنامه‌های تلویزیون به‌صورت HD
  • تماشای فیلم‌های درخواستی به‌صورت آنلاین
  • انجام بازی‌های آنلاین از نقاط مختلف دنیا 
  • تهیه نسخه پشتیبان داده‌ها در ابزارهای پیام‌رسان فوری و به‌اشتراک‌گذاری آن‌ها 

ممکن است شما راجع به بسیاری از منابع شبکه‌های پهنای باند شنیده باشید. مانند ADSL, VDSL, XDSL  بر روی بستر کابل مس و سرعت پهناد باند بالا مانند FTTC, FTTB  و آخرین نسل دسترسی به اینترنت پر سرعت FTTH یا Fiber to the Home و این لیست همچنان ادامه دارد.

نیازهای اشاره‌شده  و خدمات مخابراتی باعث می‌شوند تقاضا برای تکنولوژی‌های بالا و  پهنای باند  به‌طور تصاعدی رشد کند. چرا که مرور وب، گوش دادن به موسیقی آنلاین، بارگیری فایل، تماشای فیلم‌های درخواستی و غیره باعث افزایش تصاعدی تقاضاهای حداقلی می‌شود (دریافت داده از اینترنت به اینترنت) از طرف دیگر کار در خانه، ذخیره اسناد، عکس‌ها و فیلم‌ها در ابر، مرور فزاینده وب، باعث افزایش انتقال داده‌ها از خانه/ دستگاه‌ها به اینترنت شده‌اند.

انتظار می‌رود بازار درخواست پهنای باند از ۳۵۵.۹ میلیارد دلار در سال ۲۰۲۰ به  رشد ۳۷۲.۹ میلیارد دلار در سال ۲۰۲۳  بر اساس نرخ رشد سالانه مرکب ۹.۱ درصد برسد. 

حال چگونه اپراتورها می‌توانند این نیازهای جدید را برآورده کنند؟

فناوری فیبر نوری بهترین پاسخ به این پرسش است. اتصال باند پهن در دهه گذشته پیشرفت چشمگیری داشته است. با این حال، از آنجا که انتظارات مصرف‌کنندگان از ارائه‌دهندگان مخابرات بیشتر است، هنوز جای پیشرفت وجود دارد و تا زمانی که همه کاربران به زیرساخت باند پهن رضایت‌بخش متصل شوند، ادامه خواهد داشت. 

از آنجایی که امروزه بیشتر فعالیت‌های روزمره به‌صورت آنلاین مدیریت می‌شود، نیازهای جدید و فزاینده‌‌ی اشاره‌شده، اپراتورها را ملزم به ارائه خدمات فوری و قابل اعتماد در زمینه‌های سرگرمی، سلامت الکترونیک، امنیت و غیره می‌کند. شرکت‌های مخابراتی برای حمل مقدار زیادی داده برای پاسخگویی به انتظارات جدید مصرف کنندگان باید سرمایه‌گذاری‌های بیشتری برای بهبود شبکه‌های خود انجام دهند. 

به عنوان مثال، با افزایش اهمیت ویدئو، صدا و محبوبیت و کاربرد خدمات Netflix و Spotify ، اپراتورها برای تأمین این تقاضای رو به رشد باید بیش از پیش تلاش کنند. آنها باید ثابت کنند که می‌توانند کیفیت عالی، خدمات پیشرفته و قابل اعتماد باند پهن را ارائه دهند.

البته، اپراتورها  به‌تنهایی نمی‌توانند به این هدف برسند. چندین قهرمان محلی و ملی باید در کنار هم همکاری کنند تا فناوری باند پهن بتواند به انفجار ترافیک داده‌ها و تقاضاهای جدید برای امکانات بیشتر، ارائه خدمات و تجربه بهتر مشتری پاسخ دهد. 

دستور کار دیجیتال که توسط کمیسیون اروپا ارائه شده است، از کشورهای عضو خود می‌خواهد برای تقویت نوآوری، رشد اقتصادی و پیشرفت، از پتانسیل فناوری‌های اطلاعات و ارتباطات (ICT) بهتر استفاده کنند. 

با توجه به این چشم انداز رشد و نوسازی و چالش داشتن زیرساخت‎های ارتباطی مناسب برای تأمین این نیاز روزافزون به سرعت، کاربرد فیبر نوری به‌عنوان راه حل آینده نقش اساسی دارد. در ادامه در مورد این فناوری بیشتر خواهیم گفت. 

فیبر نوری چیست؟

فیبر نوری یا Optical Fiber الیاف نوری و رشته‌های (سیلیکا) شیشه‌ای منعطف و نازک هستند که داده‌ها را از طریق نور منتقل می‌کنند. این داده‌ها به‌صورت دیجیتال در مسافت‌های صدها کیلومتری منتقل می‌شوند. از آنجا که فیبر نوری بسیار شکننده است، به‌طور معمول با مواد محافظتی بسیار سبک و مقاوم پوشانده می‌شود. توجه داشته باشید که منظورما از کلمه نور، صرفاً امواج ناحیه مرئی نیست بلکه طیف اپتیکی (مادون قرمز، مرئی و فرابنفش) است. طول موج‌های استاندارد مخابرات فیبر نوری ۱۵۵۰ نانومتر، ۱۴۹۰نانومتر و۱۳۱۰ نانومتر است که در ناحیه مادون قرمز قرار دارند.

Sir Charles K. Kao  “پدر فیبر نوری” است. او اولین فردی بود که گفت ” نور در فیبرهای نوری می‌تواند فواصل بسیار طولانی را طی کند.”  فعالیت‌های او پایه و اساس ۱۷تمام شبکه‌های ارتباطی فیبر نوری مدرن است. Kao در سال ۲۰۰۹  موفق به دریافت جایزه نوبل فیزیک برای ” دستاورد پیشگامانه در مورد انتقال نور در فیبر برای ارتباطات نوری” شد. 

فیبرهای نوری مزیت‌هایی فراوانی نسبت به خطوط ارتباطی سنتی دارند. مانند:

با توجه به مزایای فراوان فیبرنوری، اکثر شبکه‌های کامپیوتری و یا مخابراتی از راه دور در مقیاس وسیعی از فیبر نوری استفاده می‌کنند. هرچند مشکلاتی در این فیبرها مشاهده شده است، ولی با رفع آنها می‌توان به کارایی این فناوری افزود. مانند: 

  • برای اتصال یک منبع نور به فیبر از فیبرهای ضخیم‌تر استفاده می‌شود که باعث کم شدن پهنای باند می‌شود. 
  • از آنجایی که به‌راحتی شکسته می‌شود بهتر است دارای یک پوشش مناسب پلاستیکی یا شیشه ای باشند.
  • تبدیل سیگنال‌های الکتریکی به علائم نوری نیاز به تقویت مجدد دارد. این فرایند مشکلات اساسی در فیبر نوری ایجاد می‌کند. 
  • برای اتصالات T شکل از یک Detector  استفاده می‌شود که گاهی منجر به کندی دریافت و تکرار می‌شود.

کارکرد فیبر نوری چگونه است؟

اکنون که دانستید منظور از فیبر نوری چیست، مقاله را با بررسی جزئیات این فناوری نوین ادامه می‌دهیم. 

در کابل‌های فیبر نوری داده‌ها از طریق کابل فیبر نوری به‌عنوان پالس نوری که در طول کابل از طریق بازتاب منتشر می‌شود، حرکت می‌کنند. اما چگونه؟

برای پاسخ به این سوال، بیایید مثالی از زندگی واقعی بزنیم. تصور کنید شما و دوستتان در حال قدم زدن در یک تونل بسیار طولانی و پیچ در پیچ هستید. دوست شما که اتفاقاً از تاریکی می‌ترسد عقب می‌ماند. حال تصور کنید می خواهید دوست خود را با چراغ‌قوه در طول مسیری که پیموده اید ببینید. مسئله این است که از زمان حرکت نور در یک خط مستقیم و خمیدگی تونل، شما فقط می توانید تا اولین خم شدن تونل را ببینید. راه حل چیست؟ خوب، شما باید در هر خم یک سری آینه‌های زاویه‌دار تنظیم کنید تا نور بتواند بر روی سطوح بازتابنده بچرخد و در نهایت به دوست شما برسد. این اساس کار فیبر نوری است!

در این مثال، نوری که از چراغ قوه تابیده می‌شود، مشابه داده‌های منتقل‌شده به‌صورت نور از طریق کابل‌های فیبر نوری است. سیگنال‌های نوری از یک انتها منتقل می‌شوند و هر photon کوچک (ذره‌ای از نور) از طریق کابل به‌طور متوالی از یک سری آینه باز می‌گردند تا به انتهای مخالف برسد. شیشه مانند آینه عمل می‌کند. برای اینکه فیبرهای نوری بتوانند داده‌ها را در فواصل طولانی انتقال دهند، باید بازتاب زیادی داشته باشند.

نور از طریق دیواره‌ها بارها از فیبر نوری عبور می‌کند. اگر نور با یک زاویه بسیار کم (کمتر از ۴۲ درجه) به شیشه برخورد کند، آن را دوباره بازتاب می‌دهد، انگار که شیشه واقعا یک آینه است. این پدیده، بازتاب داخلی نامیده می شود که نور را درون لوله نگه می‌دارد. 

به‌عبارت دیگر اطراف هسته، بخش پوسته از جنس پلاستیک است. هسته و پوسته به همراه هم یک رابط بازتابنده را تشکیل می‌دهند و باعث می‌شود نور در هسته تابیده شود تا از سطحی به طرف مرکز هسته بازتابیده گردد. این عمل بازتاب نور به مرکز هسته را بازتاب داخلی کلی می‌نامند. قطر هسته و پوسته با هم حدود ۱۲۵ میکرون (هر میکرون معادل یک میلیونیم متر است) برابر با یک تار موی انسان است.

به‌طور خلاصه فیبر نوری از دو قسمت اصلی هسته و پوسته که ضریب شکستی متفاوت دارند، ساخته شده است. همانطور که در شکل زیر مشاهده می‌کنید نور در هسته با ضریب شکست n1 منتشر شده و در صورت برخورد به مرز مشترک هسته و پوسته با ضریب شکست دچار بازتاب داخلی کامل می‌شود. توجه داشته باشید که ضریب شکست هسته از ضریب شکست پوسته بیشتر است.

بنابراین ساختار کابل از دو بخش مجزا (هسته و پوسته) تشکیل می‌شود. در ادامه بیشتر در مورد این دو بخش خواهیم گفت. 

بخش اصلی کابل که در مرکز است ودرونی‌ترین لایه را تشکیل می‌دهد هسته نامیده می‌شود و کمی طول می‌کشد تا نور از آن عبور کند. هسته شامل یک تار از جنس شیشه خالص است. البته در بعضی از کابل‌ها هسته از پلاستیک کاملاً بازتابنده ساخته می‌شود، که هزینه ساخت را پایین می‌آورد. با این حال، یک هسته پلاستیکی کیفیت شیشه را ندارد و بیشتر برای حمل داده‌ها در فواصل کوتاه به کار می‌رود. در داخل هسته از دیودها و یا لیزرهای انعکاسی استفاده می شود تا مانع از خروج پرتوهای نور از کابل شوند.

در اطراف هسته، لایه دیگری از شیشه به نام پوسته قرار دارد. از آنجایی که پوسته از نوع متفاوتی از شیشه تشکیل شده است می‌تواند سیگنال‌های نور را درون هسته حفظ کند. در واقع پوسته  باعث برگشت نور منعکس‌شده به هسته می‌شود و از منحرف شدن پرتوهای نور جلوگیری می‌کند. لازم به ذکر است که ضریب انعکاس پوسته از هسته کمتر است و موجب شکست کامل نور تابیده‌شده به دیواره هسته خواهد شد.

داده‌ها از طریق فیبرهای مرکزی و از طریق پالس‌های نوری معمولا از یکی از دو منبع زیر ارسال و منتقل می‌شوند:

  • لیزر – یک نور شدید و متمرکز است که می‌تواند حجم بالایی از داده‌ها را با سرعت زیاد در فواصل دور منتقل کند.
  •  دیود (LED) یاLight-Emitting Diode یک فناوری با طول عمر بالا است که برای ارتباطات مبتنی بر فیبرنوری در فواصل کوتاه و میان طبقات یک ساختمان یا بین یک سوئیچ و روتر استفاده می‌شود. 

رشته‌های شیشه‌ای یا پلاستیکی درون فیبر با لایه‌ای که به آن روکش فلزی یا  cladding می‌گویند، احاطه شده‌اند. این لایه فلزی برای ایجاد محیطی که بتواند نور در آن انعکاس پیدا کند استفاده می‌شود. تراکم روکش فلزی در مقایسه با رشته‌های شیشه یا پلاستیک کمتر است.  انعکاس نور در این روکش اجازه می‌دهد که فیبر بتواند در اطراف گوشه‌ها خم شود بدون اینکه یکپارچگی سیگنال‌های نوری کاهش پیدا کند. 

خارج از این روکش فلزی، یک بافر پلاستیکی یا Tight Buffer قرار دارد که از هسته و روکش فلزی محافظت می‌کند. از آنجا که بافر مات است، ممکن است نورهایی که جذب نشده‌اند را دریافت کند. برای اجتناب از به وجود آمدن این مشکل و محافظت مضاعف از هسته داخلی، رشته Kevlar (یک فیبر پلیمری) بافر پلاستیکی را احاطه کرده است. در نهایت، یک غلاف پلاستیکی یا Cable jacket رشته کولار را پوشش می‌دهد. 

در تصویر زیر بخش‌های اشاره شده را مشاهده می‌کنید. 

اکنون در مورد فیبر نوری و ساختار آن مطالبی را به‌دست آوردید، اما با وجود مزیت‌ها و درخواست‌های فراوان آیا کشورها توانایی پاسخگویی به نیاز رو به رشد این فناوری را دارند؟ 

چالش‌های فیبر نوری

کمبود جهانی کابل فیبر نوری در سال‌های اخیر باعث افزایش قیمت‌ها (بیش از ۷۰ درصد) و تاخیر در اجرای زیرساخت‌های مخابراتی پیشرفته مانند شبکه‌ی ارتباطی ۵G شده است. 

توجه داشته باشید که ارتباط بین آنتن‌های Base Transceiver Station) BTS)، در واقع ارتباط بین دکل‌های مخابراتی پرسرعت موبایل نظیر ۴G و۵G از طریق فیبر نوری مهیا می‌شود. گفته می‌شود بیش از ۲۵ درصد رشد سالانه خدمات داده در ۲۰ سال گذشته ناشی از قابلیت ارائه خدمات راه دور بوده است. بنابراین توسعه سیستم‌های خدماتی در مسافت‌های طولانی بیش از پیش احساس می‌شود.

گرچه کرونا باعث شد سرمایه برخی از بزرگ‌ترین شرکت‌های فناوری و مخابرات کاهش یابد؛ اما تقاضا برای خدمات اینترنت و داده بیش از پیش و به‌طور تصاعدی افزایش یافت. 

برای پاسخ به این نیازها  شرکت‌هایی مانند آمازون، گوگل، مایکروسافت و متا تصمیم گرفتند 

شبکه‌های فیبر بین‌المللی گسترده در زیر اقیانوس را افزایش دهند. از طرف دیگر دولت‌ها برای عرضه پهنای باند فوق سریع و ۵G آماده شدند. اما هر دو این اقدامات  نیازمند مقادیر زیاد کابل فیبر نوری است. 

بر اساس گزارش CRU Group  مصرف کابل در نیمه‌ی اول ۲۰۲۲ در مقایسه با زمان مشابه در سال گذشته‌ی میلادی ۸.۱ درصد افزایش پیدا کرده است.

با توجه به افزایش ناگهانی چندین برابری هزینه استقرار و نیاز به فیبر نوری، اکنون کشورها برای تجهیز زیرساخت‌ها  با کمبود فیبر مواجه هستند، چالشی که ممکن است اتصالات جهانی را تحت تاثیر قرار دهد. کمبود این کابل‌ها می‌تواند وابسته به عوامل مختلفی مثل افزایش شدید در تقاضا، کمبود عناصر کلیدی در فرایند تولید از قبیل گاز هلیوم و تترا کلرور سیلیسیم باشد.

کمبود هلیوم، به‌عنوان یک عنصر حیاتی در تولید شیشه فیبر نوری و افزایش ۱۳۵ درصدی قیمت آن تا حد زیادی ناشی از تعطیلی کارخانه‌ها در روسیه و ایالات متحده است. همچنین  تتراکلرید سیلیکون، یکی از اجزای کلیدی در تولید الیاف، تا ۵۰ درصد افزایش قیمت داشته است. 

Wendell P. Weeks مدیر اجرایی شرکت Corning، بزرگ‌ترین تولیدکننده کابل فیبر نوری در جهان می‌گوید تاکنون در دوران حرفه‌ای خود با چنین بحران تورمی مواجه نشده است. 

در این میان دستیابی به فناوری‌های پیچیده‌تر در شبکه‌های بسیار گسترده نیز از چالش‌های پیش رو است. برای توسعه سیستم‌های ارتباطی فیبر نوری، توسعه تقویت‌کننده‌های فیبری که از کاربردهای جدید پشتیبانی می‌کنند، مهم است.

تحقیقات در فن آوری‌های تقویت نوری مبتنی بر باند S یا طول موج کوتاه (Short wavelength band) که در طیف رادیویی۱۴۶۰و ۱۵۳۰نانومتر جریان دارد هنوز در حال توسعه هستند. این باند که برای بسیاری از شبکه‌های نوری غیر فعال یا پسیو( passive optical network ) است معمولاً برای ارتباطات ماهواره‌ای و اهداف راداری توسط صنایع کشتیرانی، هوانوردی و فضایی استفاده می‌شود.

فن‌آوری‌های کلیدی و مهم مانند فیبرهای غنی‌شده با Thulium و Bismuth و تقویت‌کننده‌های نوری نیمه‌رسانا (SOA) یا semiconductor optical amplifiers برای تقویت و انتقال سیگنال‌های نوری باند S مهم هستند. بنابراین تحقیقات در زمینه‌ی این فناوری‌ها همچنان ادامه دارد. 

سخن پایانی

در این مقاله در مورد فیبر نوری، ساختار و چالش‌های آن صحبت کردیم. با توجه به اهمیت این زیرساخت مخابراتی نوین در مقاله بعد در صورت تمایل همراه باشید تا در مورد انواع فیبرهای نوری و کارکردهای آن بیشتر بدانیم.

کمپانی ارمغان اشراق با کادری متخصص برای تأمین، پشتیبانی، راه‌اندازی و نگهداری تجهیزات اکتیو و پسیو در شبکه‌های اینترنتی بر بستر فیبر نوری آماده ارائه خدمات است.

اسکرول به بالا
Verified by MonsterInsights