معرفی کامل کابل فیبر نوری | عملکرد، مزایا و انواع آن

آیا با انواع کابل فیبر نوری آشنایی دارید؟ کابل فیبر نوری که به عنوان بافه تار نوری نیز شناخته می شود، مجموعه ای شبیه به کابل برق است، اما حاوی یک یا چند فیبر نوری است که برای انتقال نور استفاده می شود. عناصر فیبر نوری معمولاً به صورت جداگانه با لایه های پلاستیکی پوشانده می شوند و در یک لوله محافظ مناسب برای محیطی که کابل در آن استفاده می شود قرار می گیرند. انواع مختلف کابل برای کاربرد های مختلف وجود دارد. به عنوان مثال، برای ارتباطات راه دور یا ارائه یک اتصال داده با سرعت بالا بین بخش‌ های مختلف ساختمان، از کابلی با سرعت بالا استفاده می‌ شود.

کابل فیبر نوری چیست؟

کابل فیبر نوری (که به کابل اپتیکال فیبر نیز گفته می شود) داده ها را به صورت پالس های نور از طریق فیبرهای شیشه ای یا پلاستیکی انعطاف پذیر و خالص از نظر نوری منتقل می کند. به دلیل سرعت بالای انتقال داده در فواصل طولانی، به گزینه ای محبوب برای شبکه های اترنت و برنامه های مخابراتی تبدیل شده است.

هسته – در مرکز یک کابل فیبر نوری یک لوله شیشه ای نازک به نام هسته قرار دارد که پالس های نور تولید شده توسط لیزر یا دیود ساطع کننده نور (LED) را منتقل می کند. هسته های تک حالته (سینگل مود) معمولاً 8.3 یا 9 میکرومتر هستند، در حالی که هسته های چند حالته (مالتی مود) در قطرهای 50 و 62.5 میکرومتر موجود هستند.

روکش – لایه نازکی از شیشه که از هسته فیبر محافظت می کند و آن را احاطه می کند، نور را به داخل هسته بازتاب می دهد و باعث می شود امواج نور در طول فیبر حرکت کنند.

پوشش اولیه – این لایه از پلاستیک ضخیم تر به عنوان بافر اولیه نیز شناخته می شود. برای جذب ضربه، جلوگیری از خم شدن بیش از حد و تقویت هسته فیبر طراحی شده است.

الیاف تقویت‌کننده – از اسلیوهای پر از ژل گرفته تا رشته‌های کولار، الیاف تقویت کننده برای محافظت از هسته فیبر در برابر نیروهای کششی و خرد شدن بیش از حد، به ویژه در حین نصب، طراحی شده است.

ژاکت / پوشش بیرونی – ژاکت بیرونی یا ژاکت کابل، آخرین لایه محافظتی را برای هسته رسانا فراهم می کند و کابل را بیشتر تقویت می کند. ژاکت دارای کد رنگی برای شناسایی نوع فیبر نوری در کابل است: زرد برای سینگل مود، نارنجی برای مالتی مود و غیره. ژاکت های کابل همچنین دارای درجه بندی آتش سوزی مانند OFNR، OFNP یا LSZH هستند.

بیشتر بخوانید: راهنمای خرید کابل فیبر نوری

کابل فیبر نوری چگونه کار می کند؟

پالس های نور با انعکاس از طرفین، از هسته کابل فیبر نوری عبور می کنند. به استثنای منبع نور، برای ارسال سیگنال نیازی به برق نیست. پالس های نور قبل از اینکه ضعیف شوند و نیاز به بازسازی داشته باشند، مسافت های زیادی را طی می کنند.

اندازه هسته در تعیین مسافتی که یک سیگنال طی می کند مهم است. به طور کلی، هرچه هسته کوچکتر باشد، نور قبل از نیاز به بازسازی دورتر می شود. فیبر تک حالته (SMF) یا سینگل مود دارای یک هسته کوچک است که مسیر نور را باریک نگه می دارد و به آن اجازه می دهد تا 100 کیلومتر را طی کند. فیبر چند حالته یا مالتی مود (MMF) دارای هسته بزرگ تری است که می تواند داده های بیشتری را حمل کند، اما مستعد مشکلات کیفیت سیگنال در فواصل طولانی تر است و آن را برای کابل کشی محل و شبکه های مسافت کوتاه مناسب تر می کند.

کابل فیبر نوری تا کجا می تواند سیگنال را حمل کند؟

فاصله انتقال سیگنال به نوع کابل، طول موج و خود شبکه بستگی دارد. برد معمولی حدود 300 متر برای کابل چند حالته 10 گیگابیت بر ثانیه و برای کابل تک حالته تا 40233 متر است. در صورت نیاز به بازه طولانی‌تر، می‌توان از تقویت‌کننده‌ها یا تکرارکننده‌های نوری / اپتیکال برای بازسازی و تصحیح خطا سیگنال نوری استفاده کرد.

آیا نور تولید شده توسط لیزر سینگل مود (تک حالته) به چشمان شما آسیب می رساند؟

بله، نور لیزر از انتهای کابل تک حالته یا پورت انتقال روی سوئیچ می تواند به چشم شما آسیب جدی وارد کند. همیشه پوشش های محافظ را روی انتهای کابل های فیبر و پورت ها نگه دارید.

مزایای کابل فیبر نوری در مقابل کابل مسی

انتقال داده: فوتون هایی که با سرعت نور حرکت می کنند به سرعتی بیش از صد برابر سریعتر از الکترون هایی می رسند که روی یک هادی مسی حرکت می کنند. در مقایسه سرعت انتقال داده فیبر و مس، فیبر به راحتی برنده می شود. سرعت مس در حال حاضر 40 گیگابیت در ثانیه است، در حالی که فیبر OM5 به سرعت 100 گیگابیت در ثانیه می رسد.

فاصله: در مسافت های طولانی، کابل های مسی و فیبر هر دو از دست دادن سیگنال را تجربه می کنند، اما این تضعیف با مس بسیار بیشتر است. در بیش از 100 متر، تخمین زده می شود که فیبر تنها 3٪ از قدرت سیگنال خود را از دست می دهد، در حالی که مس 94٪ را در همان فاصله از دست می دهد.

تداخل الکترومغناطیسی (EMI) : سیم‌های مسی میدان تداخل الکترومغناطیسی ایجاد می‌کنند که می‌تواند باعث خطاهای سیگنالینگ در کابل‌های دیگر شود. کابل های فیبر نوری جریان الکتریسیته را هدایت نمی کنند و به EMI حساس نیستند.

جداسازی الکتریکی: از آنجایی که کابل های فیبر نوری برق را حمل نمی کنند، نیازی به زمین کردن فرستنده و گیرنده نیست. همچنین خطر برق گرفتگی، قوس الکتریکی، گرما یا آتش سوزی وجود ندارد.

کابل سبک‌تر و نازک‌تر: کابل‌های فیبر حدود یک چهارم قطر و یک دهم وزن کابل‌های مسی هستند که نصب آن‌ها را آسان‌تر می‌کند و جریان هوا را در محفظه‌های رک افزایش می‌دهد.

تفاوت بین کابل فیبر نوری و اترنت چیست؟

کابل اترنت مترادف با کابل های Cat مسی است، اما اترنت در واقع پروتکل شبکه ای است که به دستگاه ها اجازه می دهد از طریق کابل مسی یا فیبر ارتباط برقرار کنند. بسته به نیاز، طراحان شبکه ممکن است از کابل فیبر یا کابل مسی استفاده کنند و ممکن است از هر دو در بخش‌های مختلف شبکه استفاده کنند. فیبر معمولاً برای اتصال دو دستگاه پرسرعت (مثلاً سوئیچ به سوئیچ) در دیتاسنتر و شبکه‌های دانشگاه استفاده می‌شود که پهنای باند و فاصله ممکن است فاکتورهای حیاتی باشند. در برخی موارد، یک طراح شبکه ممکن است بتواند با استفاده از کابل مسی با عملکرد مشابه به جای کابل فیبر نوری در هزینه خود صرفه جویی کند. به عنوان مثال، کابل های Cat6a دارای گواهی 10G ارزان ترمی توان به جای کابل های فیبر دابلکس استفاده کرد که به فرستنده های گران قیمت نیز نیاز دارند.

در کاربردهای مسکونی، اکثر اپراتورهای مخابراتی نوعی از فیبر به X (FTTX) را پذیرفته‌اند، یک اصطلاح کلی که شامل پیکربندی‌هایی مانند Fiber to the Premises (FTTP) و Fiber to the Home (FTTH) می‌شود. آخرین کابل اجرا شده توسط تجهیزات نصب شده توسط حامل در خانه یا محل کار تعریف می شود. اگر پورت خروجی مسی باشد، می توان از یک پچ کورد اترنت مسی استاندارد استفاده کرد. اگر پورت خروجی فیبر باشد، یک کابل اترنت فیبر بین سوئیچ یا روتر و کامپیوتر لازم است. کامپیوتر برای تکمیل اتصال به یک پورت فیبر یا یک مبدل رسانه برای انتقال از فیبر به مس نیاز دارد.

طراحی کابل های فیبر نوری

فیبر نوری از یک هسته و یک لایه روکش تشکیل شده است که به دلیل تفاوت در ضریب شکست بین این دو، برای بازتاب کلی داخلی انتخاب شده است. در الیاف پر استفاده، روکش معمولاً با لایه ای از پلیمر آکریلات یا پلی آمید پوشانده می شود. این پوشش از فیبر در برابر آسیب محافظت می کند اما به ویژگی های موجبر نوری آن کمکی نمی کند. الیاف پوشش داده شده منفرد (یا الیافی که به صورت نوار ها یا بسته ‌ها شکل می‌ گیرند) سپس یک لایه بافر رزین سخت یا لوله (های) هسته‌ ای در اطراف آنها اکسترود شده تا هسته کابل را تشکیل دهند. چندین لایه روکش محافظ، بسته به کاربرد، برای تشکیل کابل اضافه می شود. مجموعه های الیاف سفت و سخت گاهی اوقات شیشه جاذب نور (“تیره”) را بین الیاف قرار می دهند تا از ورود نوری که از یک فیبر به بیرون نشت می کند به فیبر دیگر جلوگیری کند. این امر تداخل بین فیبر ها را کاهش می دهد، یا شعله ور شدن را در برنامه های تصویربرداری بسته فیبر کاهش می دهد.

برای کاربرد های داخلی، فیبر روکش دار به طور کلی همراه با بسته‌ ای از اعضای پلیمری انعطاف‌پذیر پلیمری مانند آرامید (مانند Twaron یا Kevlar)، در یک پوشش پلاستیکی سبک قرار می‌ گیرد تا یک کابل ساده را تشکیل دهد. هر انتهای کابل ممکن است با یک کانکتور فیبر نوری تخصصی خاتمه یابد تا به آسانی از تجهیزات ارسال و دریافت جدا شود.

برای استفاده در محیط های سخت تر، ساخت کابل بسیار قوی تری مورد نیاز است. در ساخت لوله شل، فیبر به صورت مارپیچ در لوله های نیمه سفت قرار می گیرد و به کابل اجازه می دهد بدون کشش خود فیبر کشیده شود. این امر فیبر را از کشش در طول زمان و به دلیل تغییرات دما محافظت می کند. فیبر شل لوله ممکن است “بلوک خشک یا dry block” یا پر از ژل باشد. بلوک خشک محافظت کمتری از الیاف را نسبت به ژل پر می کند، اما هزینه بسیار کمتری دارد. به جای یک لوله شل یا loose tube، فیبر ممکن است در یک کاور و پوشش پلیمری سنگین قرار گیرد که معمولاً به آن ساختار “بافر محکم یا tight buffer” می گویند. کابل‌ های بافر محکم برای کاربرد های مختلف ارائه می‌ شوند، اما دو مورد از رایج‌ترین آنها عبارتند از Breakout و Distribution. کابل های بریک اوت معمولاً شامل یک ریپ کورد، دو عضو تقویت کننده دی الکتریک غیر رسانا (معمولا یک میله شیشه ای اپوکسی)، یک نخ آرامید و یک لوله بافر 3 میلی متری با یک لایه کولار اضافی در اطراف هر فیبر است. ریپ کورد یک طناب موازی از نخ قوی است که در زیر پوشش(های) کابل برای برداشتن آن قرار دارد. کابل های توزیع دارای یک پوشش کلی کولار، یک ریپ کورد و یک پوشش بافر 900 میکرومتری در اطراف هر فیبر هستند. این واحد های الیافی معمولاً با اعضای استحکام فولادی اضافی همراه می‌ شوند، که مجدداً دارای پیچش مارپیچ هستند تا امکان کشش را فراهم کنند.

یک نگرانی مهم در کابل کشی در فضای باز، محافظت از فیبر در برابر آسیب آب است. این امر با استفاده از موانع جامد مانند لوله ‌های مسی و ژل های دافع آب یا پودر جاذب آب در اطراف فیبر انجام می‌ شود.

در نهایت، کابل ممکن است برای محافظت از آن در برابر خطرات محیطی، مانند کار های ساختمانی یا جویدن حیوانات، شیلد دار شود. کابل‌ های زیردریایی در بخش‌ های نزدیک به ساحل خود به شدت شیلد دار هستند تا از آن‌ ها در برابر لنگر های قایق، وسایل ماهیگیری و حتی کوسه ‌ها محافظت کنند، که ممکن است جذب نیروی الکتریکی شود که به تقویت‌ کننده‌ ها یا تکرار کننده‌ های کابل منتقل می‌ شود.

انواع کابل های فیبر نوری بر اساس روکش و متریال

مواد پوشش و روکش مخصوص کاربرد است. این ماده استحکام مکانیکی، مقاومت شیمیایی و اشعه UV و غیره را تعیین می کند. برخی از مواد رایج به عنوان کاور عبارتند از LSZH، پلی وینیل کلراید، پلی اتیلن، پلی اورتان، پلی بوتیلن ترفتالات و پلی آمید.

دو نوع اصلی از مواد مورد استفاده برای فیبر های نوری وجود دارد : شیشه و پلاستیک. آنها ویژگی های بسیار متفاوتی را ارائه می دهند و در کاربرد های بسیار متفاوت کاربرد دارند. همان‌طور که از نامش پیداست جنس هسته‏ نوع فیبر نوری شیشه ای از شیشه است. این نوع فیبر ظریف بوده و امکان بریدن آن وجود ندارد از طرفی قابلیت اصطلاح و تقسیم ندارد. همچنین از انعطاف‌ پذیری کمتری برخوردار است. این نوع کابل‌ های شیشه‌ای تنوع زیادی داشته و ترکیبی از تنظیمات، اتصالات انتهایی و دارای انواع آداپتور هستند. فیبر های نوری شیشه‌ای در برابر حرارت بالا، استرس مکانیکی و مواد شیمیایی عملکردی طبیعی دارند. به طور کلی، فیبر پلاستیکی برای کاربرد های بسیار کوتاه برد و مصرف کننده استفاده می شود، در حالی که الیاف شیشه برای ارتباطات راه دور برد کوتاه/متوسط (چند حالته) و برد بلند (تک حالته) استفاده می شود.

‏POF هم نوعی فیبر نوری است که از مواد پلیمری یا به اصطلاح POF ساخته شده و هسته آن از اکرلیک یا PMMA است. قطر هسته (Core) این فیبر ها معمولا 1 میلیمتر است که همین امر سبب انتقال آسان و سریع نور از آن می‌ شود. فیبر های نوری پلاستیکی از نور سبز یا قرمز بی‌ ضرر استفاده می‌ کنند که با چشم به راحتی می‌ توان آن‌ها را مشاهده کرد و هیچ ضرری ندارد. الیاف فیبر نوری پلاستیکی را می‌ توان برای مصارف خانگی مورد استفاده قرار داد بدون اینکه ضرری برای کودکان و سایر افراد حساس ایجاد کند. فیبر نوری پلاستیکی در ایجاد روشنایی و تزئینات و دکوراسیون و لینک‌های دیتا با سرعت پایین کاربرد دارد. همچنین فیبر های مذکور در دستگاه های از بین برنده مو (لیزر موهای زائد) در صنعت بهداشتی و آرایشی و همچنین تجهیزات پزشکی نیز کاربرد دارند.

الیاف شیشه ای یا پلاستیکی شفاف که اجازه می دهد نور از یک سر به سر دیگر با حداقل تلفات هدایت شود.

کابل‌ های مدرن در طیف گسترده‌ ای از روکش‌ ها و شیلد ‌ها عرضه می‌ شوند که برای کاربرد هایی مانند دفن مستقیم در سنگر ها، استفاده دوگانه به عنوان خطوط برق، نصب در مجرا، اتصال به تیر های تلفن هوایی، نصب زیردریایی و قرار دادن در خیابان‌ های آسفالت‌ شده طراحی شده ‌اند.

کابل فیبر نوری به عنوان یک “راهنمای نور” عمل می کند و نور وارد شده در یک سر کابل را به انتهای دیگر هدایت می کند. منبع نور می تواند یک دیود ساطع کننده نور (LED)) یا یک لیزر باشد.

منبع نور به صورت پالسی روشن و خاموش می شود و یک گیرنده حساس به نور در انتهای دیگر کابل، پالس ها را دوباره به پالس های دیجیتال و صفر سیگنال اصلی تبدیل می کند.

حتی نور لیزری که از طریق کابل فیبر نوری می تابد نیز در معرض از دست دادن قدرت است، عمدتاً از طریق پراکندگی و پراکندگی نور در خود کابل. هر چه لیزر سریعتر نوسان کند، خطر پراکندگی بیشتر است. تقویت‌کننده‌ های نور، که تکرارکننده نامیده می‌ شوند، ممکن است برای تازه کردن سیگنال در کاربرد های خاص ضروری باشند.

کابل فیبر نوری سینگل مد Single Mode

کابل Single Mode یک پایه تک پایه (اکثر کاربرد ها از 2 فیبر استفاده می کنند) از فیبر شیشه ای با قطر 8.3 تا 10 میکرون است که دارای یک حالت انتقال است. فیبر تک حالته با قطر نسبتاً باریک که از طریق آن فقط یک حالت معمولاً 1310 یا 1550 نانومتر منتشر می شود. پهنای باند بالاتری نسبت به فیبر چند حالته دارد، اما به منبع نور با عرض طیفی باریک نیاز دارد. مترادف فیبر نوری تک حالته، فیبر تک حالته، موجبر نوری تک حالته، فیبر تک حالته است.

فیبر تک مودم در بسیاری از برنامه ها استفاده می شود که در آن داده ها در چند فرکانس ارسال می شوند (WDM Wave-Division-Multiplexing) بنابراین فقط یک کابل مورد نیاز است – (تک حالت روی یک فیبر واحد)

فیبر تک حالته سرعت انتقال بالاتر و تا 50 برابر فاصله بیشتر از چند حالته را به شما می دهد، اما هزینه بیشتری نیز دارد. فیبر تک حالته هسته بسیار کوچکتری نسبت به چند حالته دارد. هسته کوچک و تک موج نور عملاً هرگونه اعوجاج ناشی از تداخل پالس های نور را از بین می برد و کمترین تضعیف سیگنال و بالاترین سرعت انتقال را در بین هر نوع کابل فیبری ایجاد می کند.

فیبر نوری تک حالته یک فیبر نوری است که در آن تنها حالت کران پایین‌ترین مرتبه می‌تواند در طول موج مورد نظر معمولاً 1300 تا 1320 نانومتر منتشر شود.

کابل فیبر نوری مالتی مد Multi Mode

کابل چند حالته قطر کمی بزرگتر دارد، با قطر های رایج در محدوده 50 تا 100 میکرون برای جزء حمل سبک (در ایالات متحده رایج ترین اندازه 62.5um است). اکثر برنامه هایی که در آنها از فیبر چند حالته استفاده می شود، از 2 فیبر استفاده می شود (WDM به طور معمول در فیبر چند حالته استفاده نمی شود). POF یک کابل پلاستیکی جدیدتر است که عملکردی مشابه کابل شیشه ای را در مسیر های بسیار کوتاه، اما با هزینه کمتر، نوید می دهد.

فیبر چند حالته پهنای باند بالایی در سرعت های بالا (10 تا 100 مگابایت – گیگابیت تا 275 متر تا 2 کیلومتر) در فواصل متوسط به شما می دهد. امواج نور در مسیر ها یا حالت‌ های متعددی پراکنده می‌ شوند که از هسته کابل معمولاً 850 یا 1300 نانومتر عبور می‌ کنند. قطر هسته فیبر چند حالته معمولی 50، 62.5 و 100 میکرومتر است. با این حال، در مسیر های کابلی طولانی (بیشتر از 3000 فوت [914.4 متر)، مسیر های متعدد نور می تواند باعث اختلال سیگنال در انتهای گیرنده شود و در نتیجه انتقال داده نامشخص و ناقص باشد، بنابراین طراحان اکنون فیبر حالت تک حالت را در برنامه های جدید با استفاده از گیگابیت بالاتر مورد استفاده قرار می دهند.

انواع کابل فیبر نوری بر اساس ترکیب مواد مربوط به هسته

فیبر نوری با ضریب شکست پله ای : در ایـن نـوع فیبـر کـه اصـطلاحا بـه Step index معروف است، ابتدا لایه هسته را با ضریب شکست و قطر مشخص می سازند، و سپس بر روی آن یک لایه روکش با ضریب شکست کمتر می نشانند. بـدین ترتیـب فیبـری داریم کـه ضـریب شکست آن در مرز بین هسته و روکش به صورت ناگهانی (پلکانی) تغییر می کند.

فیبرنوري با ضریب شکست مرحله‌ ای ( تدریجی ) : در این نوع فیبر کـه اصـطلاحا بـه Graded Index شهرت یافته ، ضریب شکست هسته به آرامی و با دور شدن از مرکز رو به کاهش می‌ رود و در مرز 50 تا 5.622 میکرون از مرکز هسته، به حداقل خود می رسد. چنین وضعیتی باعث خواهد شد که مرز بین ناحیه هسته و روکش به صورت یـک سـطح آینـه‌ مانند عمل نکند بلکه پرتو های نور همانند پدیده سراب به صـورت منحنـی وار شکسـته شـده و پـس از رسیدن به زاویه بحرانی مجددا بر روی منحنی مشابه به هسته برگردند.

انواع کابل فیبر نوری بر اساس محیط و کاربرد

اما انواع کابل فیبر نوری بر اساس محیط و کاربرد می تواند به دو دسته زیر تقسیم شود:

کابل‌ های فیبر نوری جهت کاربرد در بیرون ساختمان (Outdoor)

این مورد جهت ارتباط بین ساختمان ها در خارج از ساختمان بکار می رود، حداکثر فاصـله ای کـه مجاز است تا این کابل در داخل ساختمان وارد شود 10 متر است. این کابل ها را به نام فیبر های خاکی نیز می‏ شناسند. کابل های خاکی در دو نوع OBUC (Optical Buried Unfilled Cable) و OBFC (Optical Buried Filled Cable) موجودند.

کابل‌ های فیبر نوری جهت کاربرد در درون ساختمان ( Indoor)

از این کابل‌ ها جهت استفاده از ستون فقرات شبکه در داخل ساختمان استفاده می شود، دارای محافظت های فیزیکی مناسبی می باشند، می توان از 6 تا 144 تیوب استفاده کرد که در هر تیوب 24 فیبر نوری قرار دارد، داخل هر تیوب ژل بی رنگ قرار دارد تا باعث شود قابلیت انعطاف فیبر بالا رفته و در برابر ضربه مقاوم باشد. این کابل ها به کابل های فیبرنوری کانالی معروف هستند و در دو نوع OCUC(Optical Conduit Unfilled Cable) و OCFC (Optical Conduit Filled Cable) موجود هستند.