فاطر رسا نور طراح و مجری پروژه های فیبر نوری

قطعاً کلمه فیبر را قبلاً شنیده اید؛ اگر اطلاعات کافی در مورد آن ندارید مطالب زیر کمک زیادی به شما خواهد کرد. از آنجایی که نیروی بین ملکولی در بین زنجیره ها وجود دارد و می توان آنها را در حالت کریستالی نگه داشت از بسیاری از پلیمر های می توان فیبر تولید کرد. بنابراین فیبر های پلیمری از مواد قوی ساخته شده اند که کشش خوب و فایده های گوناگونی دارد.

فیبر نوری و فیبری که در مورد آن صحبت می کنیم ارتباطی با یکدیگر دارند؟ هم بله و هم خیر. در واقع فیبر نوری در ترکیب خود از پلیمر استفاده کرده است. اما واژه فیبر نوری همه چیز را در مورد پلیمر برای ما مشخص نمی کند به غیر از دو لوله شفاف دی الکتریک که یکی از آنها پوشش دیگری است مانند شکل زیر:

حال اگر بگوییم آن دو لوله راهنمای نور هستند و برای ایجاد انرژی الکترومغناتیس در طول موج نوری بکار گرفته می شوند، موضوع اهمیت بیشتری پیدا می کند. برای درک بهتر موضوع بهتر است از علم فیزیک کمک بگیریم.

قدم ابتدایی

در سال 1870، دانشمند برتانیایی جان تینادل آزمایشی انجام داد و ثابت کرد نور را می توان با جریان حرکت آب جا به جا کرد به طوری که با انحراف آب نور هم جا به جا می گردد. بین سال های 1900 تا 1930 چندین آزمایش دیگر در همین راستا انجام شد. نتیجه آنها این بود که یک تار نازک خم شده شیشه نه تنها می تواند نور را جا به جا کند بلکه یک رشته از تارهای شیشه ای ( یا فیبر نوری، آنطور که بعداً نام گذاری گردید) یک تصویر کامل می تواند جا به جا کند.

این آزمایشات پدیده انعکاس نور را کشف کرد. یک انعکاس نور داخلی که در آن فیبر نازک مانند آینه عمل می کند و در آن نور دائم با برخورد با آینه منعکس می گردد.

شاید در زندگی روزمره هم بتوان مثال هایی برای بازتاب تماماً داخلی نام برد. در یک روز آفتابی و گرم به آسفالت نگاه کنید قطعاً بازتاب نور را رو سطح جاده مشاهده می کنید. سطح جاده مانند آینه عمل می کند. این پدیده به دلیل بارتاب داخلی اتفاق می افتد. اگر نور از زاویه پایین بتابد، سطح را کامل نشان می دهد. این بازتاب به دلیل تفاوت بین ضریب شکست نور شیشه و هوا امان پذیر می شود که در آن هوا از غلظت کمتری برخوردار است.

به هر حال، تا سال 1950 مزیت هدایت نور کاملاً درک نشده بود تا اینکه برخی از دانشمندان شروع به تحقیق در مورد کاربردهای آن کردند و آنقدر با هوش بودند که بدانند این روند از پزشکی تا شبکه های ارتباطی کاربرد فراوان دارد. اما از همان ابتدا مشکلات زیادی هم در مورد نحوه کاربری آن رخ داد. به عنوان مثال نور قادر نیست در فواصل طولانی جا به جا شود و تصویری را که منتقل می کند خیلی بی کیفیت و خراب است.

این اتفاق به این دلیل می افتد که فیبر ها هیچ پوششی نداشتند تا تفاوت ضریب شکست نور را افزایش دهد. به همین دلیل، اگر فیبر ها مرطوب می شدند رابط شیشه و هوا ثابت باقی نمی ماند و نحوه بازتاب نور داخل آن تغییر می کرد.

در اواسط دهه 50 بود که آبراهام ون هیل توانست یک لایه شیشه دیگر برای پوشش دور فیبر طراحی کند. با این شیوه، کثیفی، آب و دیگر انواع آلودگی و ناخالصی بازتاب را تحت تاثیر خود قرار نمی داد. سر انجام، لایه سوم هم اضافه شد تا از لایه شیشه ای در برابر صدمات محافظت کند و مدیریت آن را راحت تر کند. حدس بزنید لایه سوم از چه چیزی درست شده است؟

بالاخره فیبر نوری از چه چیزی ساخته می شود؟

می شود نتیجه گرفت که فیبر از شیشه، تلفیق شیشه و پلیمر و پلیمر ساخته شده است. فیبر نوری از چند بخش اساسی ساخته شده است:

• سیلندر داخلی با ضریب شکست بالا، که core نام دارد
• سیلندر میانی با ضریب شکست پایین، که cladding نام دارد
• لایه پلیمر بیرونی محافظ، که jacket نام دارد.

برای شیشه فیبر نوری، قطر دایره core می تواند بین 16 تا 600 میکرون باشد، ضخامت cladding بین 125 تا 630 میکرون و jacket بین 250 تا 1040 میکرون باشد. برای فیبر نوری پلاستیکی تمام ابعاد بین 750 تا 2000 میکرون است. همانطور که قابل مشاهده است، یکی از تفاوت های اصلی بین فیبر نوری شیشه ای و پلاستیکی قطر آنها است و کابل فیبر نوری پلاستیکی کاربردی تر است.

موادی که در حال حاضر برای تولید فیبر استفاده می شود شامل شیشه خالص (SiO2)، پلاستیک و یا تلفیقی از هر دو است. نحوه استفاده از هر کدام از این مواد بستگی به کیفیت مورد نیاز و عوامل اقتصادی دارد. فیبر نوری پلاستیکی از شیشه ای ارزان تر است. اما اختلالات زیادی دارد و برای همین بیشتر برای فواصل کوتاه مورد استفاده قرار می گیرد. با این وجود، کابل فیبر نوری پلاستیکی در موارد پزشکی و صنعتی کاربرد فراوان دارد و حتی تحقیقاتی صورت گرفته است تا به جای کابل های مسی از کابل کشی فیبر نوری پلاستیکی برای انتقال اطلاعات در اتومبیل ها استفاده گردد. اگر از شیشه خالص برای core فیبر استفاده کنیم، شفافیت بیشتری داریم که از طریق آن ارسال اطلاعات با کمترین اختلال انجام می گیرد.

حال دو سوال مهم:

چطور می شود شیشه خالص را بدست آورد در صورتی که شیشه از شن تولید می گردد؟ ضریب شکست core و cladding چطور می تواند متفاوت باشد تا بهترین کارایی را داشته باشد؟ در مورد سوال اول، یک واکنش شیمیایی وجود دارد که می توان به جای شن از طریق آن شیشه تولید کرد. از گاز SiCI4 و O2 استفاده می کند و با ایجاد گرما و کاتالیست در آنها واکنش را انجام می دهد:

در مورد سوال دوم، باید دانست که ضریب شکست نور core باید بلند تر از cladding باشد. اضافه کردن مقدار کمی از هر چیزی به یک ماده معمولاً موجب ایجاد تغییرات می گردد. در این مورد ما کمی ژرمانیوم را به شیشه خالص اضافه می کنیم. ژرمانیون 18 الکترون بیشتر از سیلیکون دارد و مانند دوپینگ عمل می کند. در نتیجه، ضریب شکست نور core شیشه ای بالا می رود هر چند تضعیف را هم تا حدی تحت تاثیر قرار می دهد. به همین ترتیب می توان برای کاهش ضریب شکست cladding به آن کمی فلورین یا بور اضافه کرد. این دو عمل اختلاف ضریب شکست را به وجود می آورند که برای انتقال درست نور ضروری است.

انواع فیبر نوری موجود در بازار

انوع مختلف فیبر وجود دارد. ما نمی خواهیم وارد جزئیات آن شویم. اما لازم که بدانید طراحی فیبر نوری بسته به نیاز های بازار می تواند متفاوت باشد. در طراحی فیبر نوری عواملی مانند تضعیف، پهنای باند، انتشار و کشش بسیار اهمیت دارند. البته محافظت از فیبر در برابر عوامل خارجی مانند گرما، سرما و آب نیز مد نظر قرار می گیرد.برای همین روی فیبر از پوشش پلاستیکی استفاده می شود. فیبر، روکش و jacket در کل با عنوان کابل فیبر نوری شناخته می شود. مشخص است این کابل ها باید از نظر انعطاف، مقاومت در برابر ضربه و ... نیز در حد قابل قبولی باشند. اگر مشتاقید بدانید چقدر پلیمر برای تولید کابل فیبر نوری لازم است به مثال های زیر توجه کنید:

کابل فیبر نوری خود را طراحی کنید

به عنوان مثال اول ما یک سیستم چند لایه داریم که فیبر توسط buffer tube احاطه شده است. Buffer tube لایه ای است که معمولاً از جنس سیلیکون و رزین اپوکسی است و از jacket نرم تر است. وظیفه آن محافظت از فیبر از " میکروخمش "در نتیجه برخورد با دیگر اجزای کابل است. مواد شکننده فیبر، آن را محتاج به محافظ مکانیکی می کند. مواد زیادی از جنس رشته و تار می توانند این نقش را برعهده گیرند. یکی از آنها فایبر گلاس است و ما می توانیم یک دسته از فایبر گلاس را که دور buffer tube را گرفته اند مشاهده کنیم. از آنجایی که فایبر گلاس یک ماده سفت است یک لایه پلی اورتان اضافه می گردد تا پروسه به طور کامل انجام گیرد. اگر فیبر باید کشش خوبی داشته باشد یا عایق الکتریکی داشته باشد می توانید یک لایه کولار روی آن قرار دهید. کولار معمولاً در فرم رشته ای داخل کابل قرار می گیرد. سر انجام، عامل دیگری که باید در نظر بگیرید این است که کابل تولید شده باید در محیط های مختلف مورد استفاده قرار بگیرد: در زمین، هوا و آب. بنابراین یک jacket محافظ خارجی الزامی است. PVC و پلی اورتان بیش از مواد دیگر برای این منظور بکار گرفته می شوند. اما باید در انتخاب مراقب بود: PVC از پلی اورتان خیلی بهتر است و در برابر: آب، آتش، قلیا، هیدروکربن و الکل مقاوم تر است. در مقابل پلی اورتان نیز برخی مزیت هایی نسبت به PVC دارد و در مقابل: سایش، تشعشع رادیو اکتیو و دمای پایین مقاوم است.

در مثال دوم، ما کابل فیبر خارجی داریم با jacket buffer که دو روکش دارد؛ یکی سیلیکونی و دیگری هیترل. هیترل یک کوپلیمر پلی استر تمیز است، یک الاسومتر ترموپلاستیک که مقاومت بهینه ای در برابر آب دارد. بین دو لایه کولار یک مانع مرطوب قرار می گیرد. این مانع مرطوب می تواند از پلاستیک،آهن یا هر دو باشد. در آخرین مرحله، پوشش PVC یکپارچگی کابل فیبر را تضمین می کند.

مثال سوم کمی شبیه مثال دوم است. با این تفاوت که در این مورد کابل خاکی نشان داده شده است و به همین دلیل باید در برابر رطوبت مقاوم باشد. دو غلاف نیز بین لایه کولار قراردارد. یکی مانع مرطوب و دیگری مانع فلزی.

موارد استفاده از فیبر نوری

فیبر نوری یک علم است که انرژی الکتریکی را به نور تبدیل می کند. نور از داخل کابل فیبر نوری از مکانی به مکان دیگر جا به جا می شود و دوباره به انرژیی الکتریکی تبدیل می گردد. خیلی جالب است که امواج از بین خطوط تلفن یا کابل تلویزیون در فرم نور حرکت می کنند و خیلی وقت ها در طیفی که قابل دیدن هم هست تبدیل می گردد. از مزیت های بسیار زیاد ارتباطات فیبر نوری در مقایسه با سیم فلزی یا کواکسیکال می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• پهنای باند زیاد، کاملاً مجزا از اندازه کابل
• تضعیف کم. کاهش اختلال در برقراری ارتباط
• القا الکترومغناتیس بسیار کم، کاهش نویز و تداخل در خطوط
• دسترسی به کابل های سبک برای فواصل طولانی
• هزینه کم نصب و نگهداری