فیبر نوری به زبان ساده
ابرنت: بالاتر از 95درصد ترافیک اینترنت جهان از دل کابل های شیشه ای در اعماق اقیانوس ها عبور می کند. با ساختار و طرز کار فیبر نوری به زبان ساده آشنا شوید.
به گزارش ابرنت به نقل از خبر آنلاین و به نقل از زومیت، ارسال پیامی از یک سوی جهان به سمت دیگر، با سرعتی نزدیک به نور و از دل رشته ای شیشه ای باریک تر از موی انسان، شاید زمانی تنها خیال مهندسی به نظر می رسید. اما امروز این فناوری در قلب زندگی مدرن ما جریان دارد: فیبر نوری.
این رشته های ظریف از شیشه یا پلاستیک که در ظاهر شکننده اند، بیشتر از ۹۵ درصد ترافیک داده های بین المللی را جابه جا می کنند، قاره ها را به هم متصل می سازند و شبکه ای را فراهم می کنند که بخش بزرگی از اقتصاد و ارتباطات جهانی بر آن استوار است. بدون فیبر نوری، از تماسهای تصویری گرفته تا خریدهای اینترنتی، همه چیز به تجربه ای کند و فرساینده تبدیل می شد.
اما این ساختار باریک و ظریف چگونه می تواند حجم عظیم داده ها را با چنین سرعتی در فاصله های هزاران کیلومتری منتقل کند؟ با ما همراه باشید تا در ادامه پروسه هدایت نور در فیبر نوری و نقش مهندسی در حفظ سرعت و کیفیت انتقال داده را با شما مرور نماییم.
فیبر نوری امکان انتقال داده را در مقیاسی فراتر از کابل های مسی فراهم می آورد. هسته ی شیشه ای باریک آن به کمک اصل «بازتابش کلی داخلی» نور را در راه خود به دام می اندازد و اجازه می دهد داده ها در چارچوب پالس های نوری تقریبا با سرعت نور حرکت کنند.
تقویت کننده های نوری مانند EDFA توان سیگنال را در فواصل طولانی بازیابی می کنند و فناوری WDM با استفاده از طول موج های مختلف نور، ظرفیت هر رشته فیبر را چندین برابر بالا می برد. کابل های زیردریایی این فناوری را به اعماق اقیانوس ها کشانده اند و شبکه ای پنهان اما حیاتی برای ارتباطات جهانی ساخته اند. در پزشکی، صنعت و هوافضا نیز فیبر نوری به کار گرفته می شود؛ از آندوسکوپی و جراحی لیزری گرفته تا سنسورهای دقیق و ارتباطات امن. این گذار از الکترون به فوتون، زیربنای اینترنت پرسرعت و جهانی امروز را شکل داده است.
چه طور اطلاعات در فیبر نوری حرکت می کند؟ فناوری فیبر نوری، مبتنی بر ایده ای ساده اما بسیار قدرتمند عمل می کند: استفاده از نور برای حمل اطلاعات. بر خلاف کابل های مسی سنتی که داده ها را در چارچوب سیگنال های الکتریکی منتقل می کنند، فیبرهای نوری به پالس های نوری متکی هستند؛ یعنی خاموش و روشن شدن های بسیار سریع نور که داده های دیجیتال را در چارچوب صفر و یک نمایندگی می کنند.
پالس ها توسط لیزرها یا دیودهای ساطع کننده نور (LED) تخصصی تولید می شوند و سپس با سرعتی نزدیک به سرعت نور در طول کابل به حرکت درمی آیند. مزیت این فناوری را زمانی بهتر درک می نماییم که نگاهی به محدودیت های کابل های مسی بیندازیم.
در سیم های مسی، الکترون ها هنگام حرکت با «مقاومت الکتریکی» روبه رو می شوند؛ مقاومتی که درست مانند اصطکاک بخشی از انرژی سیگنال را به گرما مبدل می کند. این پدیده که «تضعیف سیگنال» نام دارد، موجب می شود سیگنال بعد از طی مسافتی مشخص، ضعیف و نهایتا غیرقابل استفاده گردد.
از سوی دیگر سیگنال های الکتریکی بشدت در مقابل تداخل الکترومغناطیسی لطمه پذیرند. عبور یک کابل برق یا حتی امواج رادیویی محیط می تواند کیفیت سیگنال را بر هم بزند و داده ها را مخدوش کند؛ شبیه به اینکه بخواهید در بین هیاهوی یک سالن شلوغ، به زمزمه ی کسی گوش دهید.
فیبر نوری با استفاده از فوتون ها به جای الکترون ها، سرعت و ظرفیت ارتباطات را به سطحی بالاتر می رساند
فیبر نوری با جایگزین کردن فوتون ها (ذرات نور) به جای الکترون ها، در عمل محدودیت های کابل های مسی را کنار می زند. فوتون ها مقاومت الکتریکی را تجربه نمی کنند و در محیطی شفاف مانند شیشه ی خالص می توانند تقریبا بدون اتلاف انرژی حرکت کنند.
علاوه بر این نور تحت تأثیر میدان های الکترومغناطیسی هم قرار نمی گیرد، بدین سبب مشکل تداخل نیز وجود نخواهد داشت. این خاصیت ها به سیگنال های نوری اجازه می دهد تا ده ها کیلومتر را بدون احتیاج به تقویت طی کنند، درحالی که سیگنال های الکتریکی در کابل های مسی بعد از چند کیلومتر نیازمند تقویت کننده هستند.
همین گذار بنیادین از الکتریسیته به نور، ظرفیت و سرعت انتقال اطلاعات را بشکلی باورنکردنی افزایش داد.
بازتابش کلی داخلی: راز به دام انداختن نور آن چه انتقال نور در فیبر نوری را ممکن می سازد، تنها خود نور نیست، بلکه روش هدایت آن است. اگر چراغ قوه ای را در یک اتاق روشن کنید، پرتوهای آن در همه جهات پراکنده می شوند. اما درون یک کابل فیبر نوری، نور نمی تواند فرار کند.
پرتوها در راه خود بارها به دیواره ی هسته برخورد می کنند، اما به جای خارج شدن، درون فیبر به جلو بازتاب می شوند و همین مسیر زیگزاگی به آنها اجازه می دهد کیلومترها راه را طی کنند، بدون آنکه انرژی شان از دست برود. این پدیده اعجاب انگیز به لطف اصلی فیزیکی به نام «بازتابش کلی داخلی» (Total Internal Reflection) رخ می دهد؛ یک ترفند طبیعی فیزیک که نور را مانند یک هزارتوی آینه ای بی نقص، درون کابل به دام می اندازد.
برای درک این اصل باید ابتدا سراغ پدیده ی «شکست نور» برویم. وقتی پرتو نور از محیطی وارد محیطی با چگالی متفاوت می شود (برای مثال از هوا به آب) مسیرش کمی خم می شود. به این علت وقتی یک نی را درون لیوان آب می گذارید، شکسته بنظر می رسد.
بازتابش کلی داخلی موجب می شود دنور در دل یک رشته شیشه ای محبوس بماند و کیلومترها بدون افت حرکت کند
میزان این خم شدن به «ضریب شکست» دو محیط بستگی دارد. حال تصور کنید نور از محیطی چگال تر با ضریب شکست بالاتر؛ به محیطی رقیق تر با ضریب شکست پایین تر می تابد. با افزایش زاویه تابش، زاویه شکست نیز افزایش خواهد یافت تا جایی که به یک «زاویه بحرانی» می رسیم. اگر نور با زاویه ای بیش از زاویه بحرانی به مرز دو محیط بتابد، دیگر از آن عبور نمی کند و به صورت کامل، مانند یک آینه، به درون محیط اول بازتاب می شود.
این دقیقا همان اتفاقی است که در فیبر نوری رخ می دهد. هسته ی فیبر از شیشه ای با ضریب شکست بالا و لایه ی بیرونی آن، که «روکش» یا Cladding نام دارد، از شیشه ای با ضریب شکست کمی پایین تر تولید شده اند. همین اختلاف کوچک، شرایط ضروری جهت به دام انداختن نور را فراهم می آورد.
هسته ی شیشه ای فیبر تنها ۹ میکرون قطر دارد، اما میلیاردها بار نور را بازمی تاباند
نوری که به درون هسته فرستاده می شود، با زاویه ای حساب شده به دیواره ی مرزی بین هسته و روکش برخورد می کند که همیشه از زاویه ی بحرانی بیشتر است. بنابراین، نور به جای فرارکردن، به صورت مداوم و با کمترین اتلاف انرژی به درون هسته بازتابیده می شود و مسیر خودرا در طول کابل ادامه می دهد.
این پروسه میلیاردها بار در طول مسیر تکرار می شود و نور را مجبور می کند تا در یک مسیر مشخص و بدون فرار به اطراف، به سفر خود ادامه دهد. این مکانیزم به قدری کارآمد است که بیشتر از ۹۹.۹ درصد از نور، حتی بعد از درنوردیدن ده ها کیلومتر، بازهم در هسته باقی می ماند.
نگاهی به درون کابل فیبر نوری: مهندسی در مقیاس میکرون البته نمی توان تنها یک رشته شیشه ی خام را در زمین دفن کرد و انتظار داشت در مقابل فشار، رطوبت و ضربه دوام بیاورد. یک کابل فیبر نوری مدرن با مهندسی دقیقی طراحی می شود. در لایه ی مرکزی کابل، هسته جای می گیرد، رشته ای شیشه ای فوق العاده شفاف با قطری در حد چند میکرون (برای فیبرهای تک حالته حدود ۸ یا ۹ میکرون) تقریبا هم اندازه ی یک گلبول قرمز خون.
خلوص این شیشه که به طور معمول از سیلیکا ایجاد می شود هم اهمیتی حیاتی دارد، برای اینکه هرگونه ناخالصی می تواند نور را جذب یا پراکنده کرده و سیگنال را تضعیف کند.
هسته توسط «روکش» احاطه می شود؛ لایه ای از شیشه با ضریب شکست کمی متفاوت که تضمین می نماید نور درون هسته محبوس بماند. اما محافظت به همین جا ختم نمی گردد. اولین لایه بیرونی، یک نوعی پوشش پلاستیکی نرم (Buffer Coating) است که شیشه ی شکننده را در مقابل رطوبت و خمیدگی های جزئی و ضربه ایمن می کند.
فیبر نوری تنها یک رشته شیشه ای نیست؛ لایه های محافظ، از پلاستیک نرم تا کولار و PVC، آنرا در مقابل فشار و ضربه مقاوم می سازند
سپس نوبت به «الیاف مقاوم ساز» می رسد؛ به طور معمول نخ های آرامید مانند کولار؛ که داده ای حمل نمی کنند اما استقامت کششی کابل را بالا می برند تا در زمان نصب، تارهای شیشه ای کشیده یا پاره نشوند. بالاخره، «روکش خارجی» از موادی مانند PVC کل مجموعه را می پوشاند و آنرا در مقابل عوامل محیطی خشن مانند سایش، تغییرات دما، و مواد شیمیایی محافظت می کند.
برخی کابل ها، بخصوص کابل های زیردریایی، دارای زره فولادی و لایه های ضدآب نیز هستند تا در وضعیت سخت دوام بیاورند. بنابراین، درحالی که جادوی فیبر نوری به نور و فیزیک مربوط می شود، مهندسی ای که از این رشته های شکننده محافظت می کند، برای فعال نگه داشتن اینترنت به همان اندازه حیاتیست.
پروسه انتقال داده در عمل بیایید مسیری را که یک ایمیل یا یک ویدیو طی می کند، از ابتدا تا آخر دنبال نماییم. دستگاه شما بطورمثال کامپیوتر یا موبایلتان؛ اطلاعات را به کد باینری، یعنی صفرها و یک ها، مبدل می کند. در سیستم فیبر نوری، همین بیت ها به پالس های نوری نگاشت می شوند؛ روشن = «۱»، خاموش = «۰». به این ترتیب، اطلاعات دیجیتال به دنباله ای از روشن و خاموش شدن های بسیار سریع نور تبدیل می شود.
این پروسه در یک «فرستنده نوری» شروع می شود. این دستگاه سیگنال های الکتریکی دریافتی از کامپیوتر را به یک منبع نور، به طور معمول یک لیزر نیمه هادی، ارسال می کند. لیزر با سرعتی باورنکردنی، میلیاردها بار در هر ثانیه خاموش و روشن می شود و پالس های نوری متناظر با داده های باینری را تولید می کند. این پالس ها سپس وارد فیبر نوری می شوند و سفر طولانی خودرا شروع می کنند.
در فیبر نوری، صفر و یک ها به روشن و خاموش شدن های سریع نور تبدیل می شوند
حتی باوجود مکانیزم «بازتابش کلی داخلی»، سیگنال نوری در مسیرهای خیلی طولانی بطورمثال بین دو شهر یا حتی دو قاره، کمی ضعیف می شود. در این نقاطتقویت کننده های نوری» به کار می آیند: دستگاه هایی که هوشمندانه، سیگنال نوری را مستقیماً و بدون تبدیل آن به سیگنال الکتریکی، تقویت می کنند.
یکی از رایج ترین انواع این دستگاهها، با نام تقویت کننده فیبر مبتنی بر اربیوم (EDFA) شناخته می شود که با تزریق انرژی از یک لیزر کمکی به سیگنال اصلی، آنرا باردیگر پرتوان می سازد.
در آخر مسیر، کابل به یک «گیرنده نوری» می رسد. این دستگاه از یک آشکارساز نوری (Photodetector) بهره می برد که پالس های نور ورودی را تشخیص می دهد و آنها را باردیگر به سیگنال های الکتریکی مبدل می کند.
سپس این سیگنال های الکتریکی به دستگاه مقصد، بطورمثال کامپیوتر شما ارسال و به داده های قابل فهم ترجمه می شوند، یعنی همان ایمیلی که باز می کنید یا ویدیویی که تماشا می کنید. این کل پروسه با چنان سرعت و کارآیی بالایی به انجام می رسد که شما می توانید یک ویدیوی باکیفیت بالا را از آن سوی دنیا تقریبا به شکل آنی مشاهده کنید.
نکته ی جالب این که نور فقط یک رنگ یا طول موج ندارد؛ درست مانند رنگ های یک رنگین کمان، طول موج های مختلفی وجود دارد. به این علت میتوان چندین جریان اطلاعات را به صورت هم زمان از راه یک رشته فیبر ارسال کرد. این تکنیک «تکثیر تقسیم طول موج» (WDM) نامیده می شود.
در WDM، هر رنگ نور یک مسیر جداگانه برای داده هاست
در این تکنیک، هر جریان داده روی یک «رنگ» متفاوت از نور سوار می شود و همه با هم و بدون تداخل، در یک فیبر حرکت می کنند. این تکنولوژی ظرفیت یک رشته فیبر را به طرز قابل ملاحظه ای بالا می برد و آنرا به یک شاهراه اطلاعاتی چند بانده مبدل می کند.
در اعماق اقیانوس: کابل های زیردریایی و شبکه جهانی شاید جذاب ترین بخش داستان فیبر نوری، مسیری باشد که این کابل ها طی می کنند. برای اتصال قاره ها، کشتی های غول پیکر کابل های فیبر نوری را در کف اقیانوس ها نصب می کنند؛ شبکه ای که هزاران کیلومتر امتداد دارد. این کابل های زیردریایی، طوری طراحی شده اند که در مقابل فشارهای خردکننده آب در اعماق، خوردگی ناشی از آب شور، و حتی گازگرفتن کوسه های کنجکاو مقاومت کنند.
هر یک از این کابل ها در هر ثانیه ترابایت ها داده را حمل می کند و در عمل اقتصادهای جهانی را به یکدیگر پیوند می دهد. اگر این کابل ها وجود نداشتند، اینترنت جهانی ما به دهکده ای پراکنده و منزوی تبدیل می شد؛ جایی که تماسهای بین المللی و پخش ویدئوها کند و نامطمئن بودند.
نصب کابل های فیبر نوری در دریا کاری ساده نیست. کشتی های مخصوصی که «کابل گذار» نام دارند، قرقره های عظیم کابل را با خود حمل می کنند؛ کابل هایی که طولشان به هزاران کیلومتر می رسد.
هر ثانیه، ترابایت ها داده از دل همین رشته های شیشه ای در اعماق تاریک دریا عبور می کند
در آب های کم عمق نزدیک به ساحل که خطر لطمه بیشتر است، از دستگاه های شخم زن زیرآبی استفاده می شود. این دستگاهها شیاری در کف دریا ایجاد می کنند و کابل را درون آن دفن می نمایند تا در مقابل لنگر کشتی ها یا تورهای ماهیگیری محافظت گردد. اما در اعماق اقیانوس، شرایط فرق می کند: آنجا کابل به آرامی روی بستر دریا رها می شود و در سکوت به مسیرش ادامه می دهد.
به این ترتیب، شبکه ای خاموش و نامرئی شکل می گیرد؛ شیشه هایی باریک که قاره ها را به هم پیوند می دهند. دفعه بعد که پیامی را در کسری از ثانیه به آن سوی جهان می فرستید، به یاد بیاورید که سیگنال های پیام از دل همین رشته های ظریف گذشته اند، رشته هایی که در تاریکی اعماق اقیانوس بی وقفه کار می کنند.
کاربردهای اعجاب انگیز فیبر نوری وقتی صحبت از فیبر نوری می شود، به طور معمول ذهنمان بسمت شبکه های جهانی و اینترنت پرسرعت می رود، ولی فیبر نوری می تواند در زندگی روزمره ما نیز نقش های متفاوتی ایفا کند. خیلی از خانه ها حال مستقیماً با اینترنت فیبر نوری (FTTH) متصل هستند که سرعت هایی بسیار فراتر از آن چه DSL یا کابل های سنتی می توانند عرضه کنند، فراهم می آورد.
«فیبر نوری در آندوسکوپی، دندانپزشکی و جراحی های لیزری به پزشکان امکان دیدن و درمان دقیق تر را می دهد
در عرصه پزشکی، از فیبر نوری در «آندوسکوپی» استفاده می شود. دسته ای از فیبرها نور را به داخل بدن می تابانند و دسته ای دیگر تصویر را به بیرون منتقل می کنند تا پزشک بتواند اندام های داخلی را ببیند. این فناوری امکان تشخیص و جراحی های کم تهاجمی را فراهم می آورد. در دندانپزشکی و جراحی های لیزری نیز از فیبرها برای هدایت دقیق پرتوهای لیزر پرقدرت استفاده می شود.
در دنیای صنعت، سنسورهای فیبر نوری می توانند تغییرات ظریفی در دما، فشار و تنش را اندازه گیری کنند و بخصوص در محیط های خشن، مثل داخل موتورهای جت یا چاه های نفت، عملکردی عالی دارند. ازآنجاکه این حسگرها الکتریکی نیستند، در فضاهای قابل اشتعال ایمنی بالایی دارند.
در صنایع نظامی و هوافضا از فیبر نوری برای برقراری ارتباطات فوق امن استفاده می شود، چون شنود سیگنال های نوری تقریبا نا ممکن است. علاوه بر این، وزن خیلی کم فیبرها نسبت به سیم های مسی، آنها را جهت استفاده در هواپیماها و فضاپیماها ایده آل می سازد. حتی در نورپردازی های تزئینی و هنری نیز از توانایی فیبرها در هدایت نور به نقاط مختلف برای خلق جلوه های بصری زیبا استفاده می شود.
وقتی کمی از جزئیات فاصله می گیریم و از دور به ماجرا نگاه می نماییم، درمی یابیم که فیبر نوری یکی از درخشان ترین دستیافته های مهندسی است. ما یاد گرفته ایم چه طور یکی از اساسی ترین پدیده های طبیعت، یعنی نور را به دام بیندازیم و طوری هدایت نماییم که اطلاعات را با سرعتی باورنکردنی به دورترین نقاط جهان برساند.
منبع: ابرنت
این مطلب ابرنت را می پسندید؟
(0)
(0)
تازه ترین مطالب مرتبط ابرنت
نظرات بینندگان ابرنت در مورد این مطلب
لطفا شما هم در مورد این مطلب نظر دهید