ساختار اصلی فیبر نوری شامل یک هسته (Core) است که سیگنال نوری از آن عبور می‌کند، یک لایه از جنس شیشه یا پلاستیک به نام «کلاژ» (Cladding) که مانع از نشت نور از هسته به بیرون میشود، و یک لایه محافظ خارجی به نام “جکت” (Jacket) که از فیبر در برابر آسیب‌های محیطی محافظت می‌کند. فیبر نوری نسبت به کابل‌های مسی که معمولاً برای انتقال داده‌ها استفاده می‌شوند، مزایای بسیاری دارد. این مزایا شامل سرعت انتقال بالا، توانایی انتقال داده‌ها به فواصل طولانی، عدم تداخل با امواج رادیویی و مقاومت در برابر آسیب‌های الکتریکی است.
فیبر نوری نسبت به کابل‌های مسی
معمولاً برای انتقال داده‌ها استفاده می‌شوند، مزایای بسیاری دارد. این مزایا شامل سرعت انتقال بالا، توانایی انتقال داده‌ها به فواصل طولانی، عدم تداخل با امواج رادیویی و مقاومت در برابر آسیب‌های الکتریکی است. در دنیای مدرن، فیبر نوری در کاربردهای مختلفی نظیر اینترنت پرسرعت، شبکه‌های ارتباطی، سیستم‌های تلویزیون کابلی، پزشکی، نظامی و علمی استفاده میشود. با توجه به توانایی‌های ویژه این فناوری، فیبر نوری به یکی از اجزای اصلی زیرساخت‌های ارتباطاتی در سطح جهانی تبدیل شده است.
فیبر نوری تک‌مد (Single-mode)
فیبر نوری تک‌مد برای انتقال سیگنال‌های نوری با طول موج خاص طراحی شده است که تنها از یک مسیر یا مد عبور می‌کند. این نوع فیبر نوری دارای هسته‌ای با قطر بسیار کوچک (معمولاً حدود ۸ تا ۱۰ میکرومتر) است که تنها یک پرتو نور می‌تواند در آن منتشر شود. فیبر نوری تک‌مد برای مسافت‌های طولانی و انتقال داده‌های با سرعت بسیار بالا مناسب است. ویژگی‌ها و کاربردها فیبر نوری سینگل مود: مسافت‌های طولانی: به دلیل اینکه فقط یک پرتو نور در هسته فیبر عبور می‌کند
فیبر نوری چندمد (Multi-mode)
فیبر نوری چندمد دارای هسته‌ای بزرگتر (معمولاً حدود ۵۰ تا ۱۰۰ میکرومتر) است که امکان انتقال چندین پرتو نور را به طور همزمان فراهم می‌کند. به دلیل اینکه سیگنال‌ها در این فیبر از مسیرهای مختلف عبور می‌کنند، احتمال تداخل و انکسار بیشتر میشود. بنابراین، فیبر نوری چندمد معمولاً برای مسافت‌های کوتاه‌تر مناسب است. ویژگی‌ها و کاربردها فیبر نوری مولتی مد: مسافت‌های کوتاه‌تر: این نوع فیبر نوری به دلیل تداخل پرتوهای نور و اتلاف بیشتر در مسافت‌های طولانی کاربرد کمتری دارد و معمولاً برای مسافت‌های کمتر از ۲ کیلومتر استفاده میشود. هزینه کمتر: فیبر نوری چندمد معمولاً ارزان‌تر از فیبر نوری تک‌مد است و برای نصب و راه‌اندازی در محیط‌های داخلی مناسب‌تر است. کاربردهای رایج: در شبکه‌های محلی (LAN)، سیستم‌های ویدئویی، ارتباطات داخل ساختمان‌ها و برخی از کاربردهای صنعتی استفاده میشود. فیبر نوری تک‌مد برای انتقال داده‌ها در فواصل طولانی و با سرعت بالا مناسب است، در حالی که فیبر نوری چندمد برای مسافت‌های کوتاه‌تر و کاربردهای اقتصادی‌تر انتخاب مناسبی است. انتخاب بین این دو نوع فیبر بستگی به نیازهای خاص شبکه و پروژه مورد نظر دارد.
مزایای استفاده از فیبر نوری
سرعت انتقال بالا: فیبر نوری می‌تواند داده‌ها را با سرعت‌های بسیار زیاد و بدون افت کیفیت در فواصل طولانی منتقل کند. سیگنال‌های نوری که از طریق فیبر منتقل می‌شوند، سرعتی نزدیک به سرعت نور دارند. انتقال داده در فواصل طولانی: فیبر نوری نسبت به کابل‌های مسی توانایی انتقال داده‌ها در فواصل بسیار طولانی را دارد. سیگنال‌های نوری در فیبر نوری تک‌مد می‌توانند به مسافت‌های بیش از ۱۰۰ کیلومتر منتقل شوند. عدم تداخل الکتریکی: فیبر نوری کاملاً مقاوم در برابر تداخل‌های الکترومغناطیسی است و در محیط‌های صنعتی یا مکان‌هایی با تجهیزات الکتریکی زیاد، بدون مشکل کار می‌کند. این ویژگی به حفظ کیفیت انتقال داده‌ها کمک می‌کند. امنیت بالا: فیبر نوری به دلیل ماهیت سیگنال‌های نوری، قابل شنود یا دستکاری نیست و تشخیص تغییرات در سیگنال‌های نوری دشوار است، که این ویژگی امنیت بیشتری را فراهم می‌کند. ظرفیت انتقال بالا: فیبر نوری قادر است حجم زیادی از داده‌ها را در زمان کوتاهی منتقل کند، که این ویژگی در شبکه‌های بزرگ و سیستم‌های نیازمند پهنای باند زیاد اهمیت دارد. کمترین تلفات سیگنال: در فیبر نوری تلفات سیگنال بسیار کم است،
کاربردهای فیبر نوری
ارتباطات اینترنتی و شبکه‌های مخابراتی: فیبر نوری یکی از اصلی‌ترین اجزای زیرساخت‌های اینترنت پرسرعت و شبکه‌های مخابراتی است. انتقال داده‌ها با سرعت بالا و در فواصل طولانی از ویژگی‌های اصلی فیبر نوری است که آن را به گزینه‌ای ایده‌آل برای اینترنت و ارتباطات تلفنی تبدیل کرده است. شبکه‌های محلی (LAN): در شبکه‌های محلی که نیاز به انتقال سریع داده‌ها در فواصل کوتاه‌تری دارند، فیبر نوری می‌تواند به دلیل ظرفیت بالا و سرعت انتقال، به عنوان جایگزینی برای کابل‌های مسی استفاده شود. این امر به ویژه در دفاتر، کارخانه‌ها و مکان‌های صنعتی که نیاز به اتصال با سرعت بالا دارند، مفید است. سیستم‌های تلویزیونی و ویدئویی: فیبر نوری در صنعت تلویزیون کابلی و سیستم‌های ویدئویی برای انتقال سیگنال‌های با کیفیت بالا و بدون تداخل استفاده میشود. این کاربرد به ویژه در پخش تلویزیونی، ویدئو کنفرانس‌ها و انتقال تصاویر با کیفیت بالا کاربرد دارد. ارتباطات ماهواره‌ای و فضایی: در پروژه‌های فضایی و ارتباطات ماهواره‌ای، فیبر نوری برای انتقال داده‌ها از فضا به زمین و بالعکس استفاده میشود. استفاده از فیبر نوری به دلیل سرعت بالا و امنیت اطلاعات، برای این نوع ارتباطات حیاتی است. سیستم‌های پزشکی: فیبر نوری در تجهیزات پزشکی و به ویژه در تصویربرداری پزشکی (مانند آندوسکوپی) کاربرد گسترده‌ای دارد
معایب و محدودیت‌های فیبر نوری
هزینه بالای نصب و راه‌اندازی: یکی از بزرگ‌ترین معایب فیبر نوری، هزینه بالای نصب و راه‌اندازی آن است. اگرچه هزینه‌های نگهداری و بهره‌برداری فیبر نوری نسبت به کابل‌های مسی کمتر است، اما هزینه‌های اولیه برای خرید تجهیزات، کابل‌کشی و نصب آن می‌تواند بالا باشد. حساسیت به آسیب‌های فیزیکی: فیبر نوری به دلیل ساختار شیشه‌ای یا پلاستیکی خود، بسیار حساس به آسیب‌های فیزیکی است. خم شدن یا کشیدن بیش از حد کابل می‌تواند منجر به شکستن یا آسیب دیدن فیبر شود، که این آسیب‌ها ممکن است عملکرد سیستم را به شدت تحت تأثیر قرار دهد. نیاز به تجهیزات خاص: نصب و نگهداری فیبر نوری نیازمند تجهیزات خاص و ابزارهای گران‌قیمت است. برای اتصال و تست کابل‌های فیبر نوری، ابزارهای تخصصی مانند دستگاه‌های فیوژن و تسترهای نوری نیاز است که ممکن است برای برخی از کاربران یا شرکت‌ها هزینه‌بر باشد. مشکل در نصب در محیط‌های خاص: در برخی از محیط‌ها، نصب فیبر نوری دشوار است. مثلاً در محیط‌هایی با شرایط آب و هوایی نامساعد، مانند مناطق با رطوبت بالا یا دماهای بسیار پایین، ممکن است کابل‌های فیبر نوری تحت تاثیر شرایط محیطی آسیب ببینند. محدودیت در انتقال برق: برخلاف کابل‌های مسی که می‌توانند برق را نیز منتقل کنند،
تاریخچه ساخت فیبر نوری
اولین کسانی که در قرون اخیر به فکر استفاده از نور برای انتقال اطلاعات افتادند، انتشار نور را در جو زمین تجربه کردند. اما وجود موانع مختلف نظیر گرد و خاک، دود، برف، باران، مه و… انتشار اطلاعات نوری در جو را با مشکل مواجه ساخت. بعدها استفاده از لوله و کانال برای هدایت نور مطرح گردید. نور در داخل این کانالها بوسیله آینه‌ها و عدسی‌ها هدایت می‌شد، اما از آنجا که تنظیم این آینه‌ها و عدسی‌ها کار بسیار مشکلی بود این کار نیز غیر عملی تشخیص داده شد و مردود ماند. شاید اولین تلاش در سیر تکاملی سیستم ارتباط نوری به وسیله الکساندر گراهام بل صورت گرفت که در سال 1880، درست 4 سال پس از اختراع تلفن، اختراع تلفن نوری (فوتوفون) یا سیستمی که صدا را تا فواصل چندین صد متر منتقل می کرد، به ثبت رساند. تلفن نوری بر مبنای مدوله کردن نور خورشید بازتابیده با به ارتعاش در آوردن آینه ای کار می کرد. گیرنده یک فتوسل بود. در این روش نور در هوا منتشر می شد و بنابراین امکان انتقال اطلاعات تا بیش از 200 متر میسر نبود
ساختار
از فیبر نوری (معمولاً از جنس سیلیسیم دی‌اکسید) برای انتقال داده‌ها توسط نور لیزر استفاده میشود. یک کابل فیبر نوری که کمتر از یک اینچ قطر دارد از مجموعه ای از این فیبرها تشکیل شده و می‌تواند صدها هزار مکالمه صوتی را حمل کند. فیبرهای نوری تجاری ظرفیت 2٫5 گیگابایت در ثانیه تا 10 گیگابایت در ثانیه را فراهم می‌سازند. فیبر نوری از چندین لایه ساخته میشود. درونی‌ترین لایه را هسته می‌نامند. هسته معمولاً شامل یک تار کاملاً بازتاب کننده از شیشه خالص است. هسته در بعضی از کابل‌ها از پلاستیک کاملاً بازتابنده ساخته میشود، که هزینه ساخت را پایین می‌آورد. با این حال، یک هسته پلاستیکی معمولاً کیفیت شیشه را ندارد و بیشتر برای حمل داده‌ها در فواصل کوتاه به کار می‌رود. حول هسته بخش پوسته قرار دارد، که از شیشه یا پلاستیک ساخته میشود. هسته و پوسته به همراه هم یک رابط بازتابنده را تشکیل می‌دهند که باعث میشود که نور در هسته تا بیده شود تا از سطحی به طرف مرکز هسته باز تابیده شود که در آن دو ماده به هم می‌رسند. این عمل بازتاب نور به مرکز هسته را بازتاب داخلی کلی می‌نامند.
در نوع مرسوم فیبر نوری قطر هسته و پوسته با هم حدود 125 میکرون است (هر میکرون معادل یک میلیونیم متر است)، که در حدود اندازه یک تار موی انسان است. بسته به سازنده، حول پوسته چند لایه محافظ، شامل یک پوشش معمولاً از جنس پلاستیک قرار می‌گیرد.
یک پوشش محافظ پلاستکی سخت لایه بیرونی را تشکیل می‌دهد. این لایه کل کابل را در خود نگه می‌دارد، که می‌تواند صدها فیبر نوری مختلف را در بر بگیرد. قطر یک کابل نمونه کمتر از یک اینچ است
ارسال نور در فیبر نوری
اگر در یک راهروی بزرگ و مستقیم چراغ قوه ای را روشن نماییم، با توجه به عدم وجود خم و یا پیچ در راهرو، محدوده مورد نظر روشن می شود ولی اگر راهروی فوق دارای خم و یا پیچ باشد، در این حالت باید از یک آیینه در محل پیچ راهرو استفاده کرد تا باعث انعکاس نور در راهرو گردد. و در صورتیکه راهروی فوق دارای پیچ‌های زیادی باشد، در چنین حالتی بایست از آیینه‌های متعددی استفاده کرد. بدین ترتیب نور تابانده شده توسط چراغ قوه از نقطه ای به نقطه دیگر حرکت کرده و طول مسیر راهرو را روشن خواهد کرد. عملیات فوق مشابه آن چیزی است که در فیبر نوری انجام می گیرد.
نور در کابل فیبر نوری از طریق هسته (نظیر راهروی مثال ارائه شده) و توسط جهش‌های پیوسته با توجه به سطح آبکاری شده (cladding) (مشابه دیوارهای شیشه ای مثال ارائه شده) حرکت می کند. (مجموع انعکاس داخلی) و چون سطح آبکاری شده، قادر به جذب نور موجود در هسته نیست، نور قادر به حرکت در مسافت‌های طولانی است. اما گاهی بدلیل خالص نبودن شیشه، برخی از سیگنال‌های نوری دچار نوعی تضعیف در طول هسته می شوند که این تضعیف به درجه خلوص شیشه و طول موج نور انتقالی بستگی دارد. (مثلاً اگر طول موج 1300 نانومتر باشد، بین 50 تا 60 درصد در هر کیلومتر تضعیف می شود و موج با طول 1550 نانومتر بیش از 50 درصد در هر کیلومتر تضعیف می شود.)
