مقایسه فیبر نوری Single Mode و Multimode

تفاوت فیبرهای سینگل مود و مالتی مود یکی از بنیادی‌ترین موضوعاتی است که هر طراح زیرساخت و کارشناس شبکه پیش از راه‌اندازی بستر ارتباطی باید به آن مسلط باشد. کابل‌های فیبر نوری با حذف محدودیت‌های کابل مسی و مقاومت کامل در برابر نویزهای الکترومغناطیسی، شاهراه اصلی انتقال پرسرعت دیتا در عصر حاضر به شمار می‌روند. با این حال، انتخاب اشتباه میان این دو تکنولوژی می‌تواند یا به افت شدید کارایی و افت سیگنال در طول مسیر منجر شود و یا هزینه‌های اجرای پروژه را به‌صورت غیرضروری افزایش دهد. در این راهنمای جامع، به تحلیل فنی تفاوت فیبر نوری Single Mode و Multimode پرداخته و تمامی ابعاد ساختاری، مسافتی، طول‌موجی و قیمتی آن‌ها را بررسی می‌کنیم.

فیبر نوری سینگل مود (Single Mode) چیست؟

کابل فیبر نوری سینگل مود یا اصطلاحاً فیبر تک حالته (Single Mode Fiber – SMF) به گونه‌ای طراحی شده که تنها یک پرتوی نوری یا یک حالت (Mode) مستقیم را از هسته مرکزی عبور می‌دهد. به دلیل هسته فوق‌العاده باریک این نوع فیبر، پرتوهای نور دچار پدیده پراکندگی حالتی (Modal Dispersion) نمی‌شوند؛ این ویژگی به پالس‌های نوری اجازه می‌دهد بدون تضعیف چشمگیر کیفیت و بدون درهم‌ریختگی سیگنال، مسافت‌های بسیار طولانی تا ده‌ها یا حتی صدها کیلومتر را با حداکثر پهنای باند ممکن بپیمایند. این استاندارد معمولاً در کابل‌های کلاس OS1 و OS2 با ژاکت زرد رنگ به کار گرفته می‌شود.

به نقل از کمپانی معتبر Corning، فیبر نوری سینگل‌مود با حذف پدیده Modal Dispersion، امکان ارسال سیگنال با افت توان بسیار ناچیز را در مسافت‌های طولانی و پهنای باندهای فوق‌العاده بالا فراهم می‌سازد و ستون فقرات ارتباطات زیرساختی و مخابراتی جهان به شمار می‌رود.

فیبر نوری مالتی مود (Multi Mode) چیست؟

کابل فیبر نوری مالتی مود یا همان فیبر چند حالته (Multimode Fiber – MMF) دارای قطر هسته به مراتب بزرگ‌تری نسبت به نمونه‌های تک حالته است. این قطر بزرگ‌تر به کابل اجازه می‌دهد چندین حالت مختلف نوری (امواج نور با زوایای بازتابش متعدد) را به صورت هم‌زمان منتقل کند. با اینکه ورود نور به داخل هسته بزرگ این فیبرها با تجهیزات نوری ارزان‌تر مانند LEDها و لیزرهای سطحی VCSEL امکان‌پذیر است، اما به دلیل تفاوت در مسافت طی شده توسط پرتوهای مختلف و تداخل زاویه‌ای، نور دچار پدیده پراکندگی حالتی می‌شود. این موضوع باعث می‌شود فیبرهای مالتی مود (نظیر دسته‌بندی‌های OM1 تا OM5) با ژاکت‌های فیروزه‌ای (Aqua) یا ارغوانی برای فواصل کوتاه و محیط‌های درون‌سازمانی بهینه‌سازی شوند.

به نقل از شرکت Cisco، فیبرهای مالتی‌مود در ترکیب با ترنسیورهای بر پایه VCSEL اقتصادی‌ترین گزینه برای ارتباطات سرعت بالا در فواصل کوتاه داخلی هستند و بخش عمده لینک‌های ارتباطی زیر ۱۰۰ متر را در مراکز داده پوشش می‌دهند.

مقایسه فیبر سینگل مود و مالتی مود

برای درک عمیق تفاوت سینگل مود و مالتی مود، باید ساختار داخلی، نحوه انتشار فوتون‌ها و فاکتورهای انتقال در فیبر نوری شبکه را در قالب پارامترهای مشخصی مورد ارزیابی قرار داد.

تفاوت در قطر هسته فیبر

مهم‌ترین تفاوت ساختاری میان این دو کابل در اندازه هسته شیشه‌ای مرکزی (Core) نهفته است، در حالی که لایه روکش یا غلاف شفاف (Cladding) در هر دو نوع فیبر دارای قطر استاندارد ۱۲۵ میکرومتر است. قطر هسته در کابل فیبر نوری سینگل مود بسیار باریک و حدود ۹ میکرومتر (مشخصه 9/125 µm) است که عبور نور را تنها به یک مسیر مستقیم محدود می‌کند. در مقابل، قطر هسته کابل فیبر نوری مالتی مود ۵۰ یا ۶۲.۵ میکرومتر (مشخصه 50/125 یا 62.5/125 µm) بوده که تقریباً ۵ تا ۶ برابر پهن‌تر از فیبر تک حالته است و اجازه مانور امواج نوری متعدد را می‌دهد.

تفاوت در نحوه انتشار نور

در فیبرهای سینگل مود، پرتوهای متمرکز لیزری به صورت کاملاً مستقیم و موازی با محور هسته عبور می‌کنند و هیچ‌گونه شکست و بازتاب متوالی در دیواره‌های هسته رخ نمی‌دهد. اما در فیبر چند حالته، پرتوهای نوری به دلیل ورود از زوایای مختلف، دائماً با جداره داخلی هسته برخورد کرده و پدیده‌ای زیگزاگی را شکل می‌دهند. این بازتاب‌های پی‌درپی باعث می‌شود پرتوهای مختلف در زمان‌های متفاوتی به انتهای فیبر برسند و سیگنال دچار افت و پهن‌شدگی زمانی گردد.

تفاوت در برد انتقال

از نظر برد انتقال، کابل‌های سینگل مود برتری مطلقی دارند؛ این نوع کابل می‌تواند در شبکه‌های سازمانی داده‌ها را تا مسافت ۱۰ الی ۴۰ کیلومتر و در شبکه‌های مخابراتی حتی تا بیش از ۱۰۰ کیلومتر بدون نیاز به تقویت‌کننده (Repeater) انتقال دهد. در سمت دیگر، برد انتقال فیبر مالتی مود بر اساس رده کابل (OM1 تا OM5) و سرعت لینک محدودتر است. برای مثال، در سرعت ۱۰ گیگابیت بر ثانیه، فیبر OM3 تا مسافت ۳۰۰ متر و فیبر OM4 تا ۴۰۰ متر را پشتیبانی می‌کند و در سرعت‌های بسیار بالا مانند 100G این مسافت معمولاً به ۷۰ الی ۱۰۰ متر کاهش می‌یابد.

تفاوت در سرعت انتقال داده

اگرچه هر دو نوع فیبر توانایی پشتیبانی از سرعت‌های فوق‌العاده بالا از قبیل 10G، 40G، 100G و حتی 400G را دارند، اما تفاوت بنیادین آن‌ها در مسافتی است که این سرعت حفظ می‌شود. فیبر سینگل مود می‌تواند سرعت‌های نجومی ۱۰۰ تا ۸۰۰ گیگابیت را در مسافت‌های چند ده کیلومتری تضمین کند، در حالی که فیبرهای مالتی مود تنها قادرند چنین نرخ‌هایی را در فواصل کوتاه داخل رک یا داخل سالن سرور ارائه دهند.

تفاوت در پهنای باند

فیبر تک حالته از نظر تئوری و عملی پهنای باند نامحدود و ماکزیمم را ارائه می‌دهد، زیرا محدودیت فیزیکی به نام پراکندگی حالتی در آن وجود ندارد و سقف پهنای باند صرفاً توسط ماژول‌ها و تکنولوژی فرستنده/گیرنده تعیین می‌گردد. برعکس، فیبر چند حالته دارای پهنای باند مشخص و محدودی است که تحت عنوان محصول پهنای باند-مسافت (Bandwidth-Distance Product) سنجیده شده و با افزایش فاصله، پهنای باند در دسترس آن به شدت افت می‌کند.

تفاوت در طول موج

فیبرهای نوری در طول موج‌های مشخصی کار می‌کنند که جذب نور در شیشه به حداقل می‌رسد. فیبر سینگل مود برای طول موج‌های بلندتر در محدوده ۱۳۱۰ نانومتر، ۱۵۵۰ نانومتر و ۱۶۲۵ نانومتر طراحی شده است که افت سیگنال در آن‌ها به حداقل ممکن می‌رسد. از سوی دیگر، فیبر مالتی مود بر پایه طول موج‌های کوتاه‌تر یعنی ۸۵۰ نانومتر و ۱۳۰۰ نانومتر فعالیت می‌کند؛ البته در نسل‌های پیشرفته مانند OM5 از طول موج‌های چندگانه بین ۸۵۰ تا ۹۴۰ نانومتر (فناوری SWDM) نیز بهره گرفته می‌شود.

تفاوت در قیمت

در مبحث قیمت، باید هزینه تمام‌شده کابل و ادوات جانبی را به صورت همزمان ارزیابی کرد. خود کابل فیبر نوری سینگل مود به دلیل مصرف کمتر مواد اولیه در هسته، معمولاً قیمت پایین‌تری نسبت به کابل مالتی مود دارد. اما در سمت تجهیزات فعال، ماژول‌ها و ترنسیورهای سازگار با سینگل مود به دلیل نیاز به لیزرهای قدرتمند و دقیق، تا چند برابر گران‌تر از ترنسیورهای ارزان‌قیمت مالتی مود بر پایه VCSEL هستند. بنابراین در فواصل کوتاه، کل پروژه با مالتی مود ارزان‌تر تمام می‌شود، اما در فواصل بلند، استفاده از سینگل مود تنها راهکار توجیه‌پذیر است.

تفاوت در تجهیزات موردنیاز

تجهیزات نوری مورد استفاده برای تحریک این دو نوع فیبر تفاوت بنیادینی با یکدیگر دارند. برای فیبر تک حالته به ماژول‌های نوری با منبع دیود لیزری بسیار دقیق (DFB یا Fabry-Perot) با قدرت تابش بالا و کانکتورهای فوق‌العاده ظریف مانند LC/APC و SC/APC نیاز است. در طرف مقابل، فیبرهای چند حالته با منابع نوری ارزان‌تر شامل LEDها یا لیزرهای عمودی متمرکز (VCSEL) کار می‌کنند و پچ‌کوردهای آن‌ها به دلیل هسته گشادتر، انعطاف‌پذیری و تلرانس بالاتری در هنگام اتصال کانکتورها دارند.

تفاوت در کاربردها

کابل‌های فیبر سینگل مود به‌طور گسترده در شبکه‌های مخابراتی شهری و بین‌شهری (MAN/WAN)، کابل‌کشی فیبر نوری منازل (FTTH)، ارائه‌دهندگان سرویس اینترنت، خطوط پشتیبان بین‌استانی و ارتباطات زیردریایی به کار گرفته می‌شوند. در نقطه مقابل، فیبرهای مالتی مود انتخاب اول شبکه‌های محلی سازمانی (LAN)، پچینگ درون رک‌های سرور، کابل‌کشی ستون فقرات داخل ساختمان‌ها و ساختار شبکه‌های ذخیره‌سازی داده (SAN) در فواصل کوتاه هستند.

فیبر سینگل مود یا مالتی مود؛ کدام را برای اجرا انتخاب کنیم؟

برای انتخاب میان این دو فیبر، باید سه متغیر مسافت، سرعت مورد نیاز در آینده و بودجه اولیه پروژه را بسنجید. اگر کابل‌کشی شما محدود به محیط داخل یک ساختمان، فواصل زیر ۳۰۰ متر یا اتصال میان رک‌های یک اتاق سرور است، فیبر مالتی مود (ترجیحاً OM4 یا OM5) به دلیل قیمت به مراتب پایین‌تر ماژول‌های نوری SFP+ و QSFP بهترین و اقتصادی‌ترین گزینه است. اما اگر پروژه شامل اتصال ساختمان‌های پراکنده با مسافت‌های بالای ۵۰۰ متر، پیاده‌سازی لینک‌های پرسرعت برون‌شهری، یا ایجاد زیرساختی آینده‌نگر برای پشتیبانی از سرعت‌های ۴۰۰ تا ۸۰۰ گیگابیت است، فیبر سینگل مود OS2 انتخابی ایده‌آل و بدون جایگزین خواهد بود.

سوالات متداول