بررسی اجزا و ساختار کابل های فیبر نوری

بررسی اجزا و ساختار کابل های فیبر نوری، کابل های فیبر نوری دارای پیکربندی های مختلفی می باشند. تارهای فیبر می‌توانند تک حالته (سینگل مُد) یا چند حالته (مالتی مُد)، با شاخص پله‌ای و یا شاخص درجه‌بندی شده باشند، همچنین ساختار تارهای فیبر نوری در کابل می‌تواند به صورت تایت بافر و یا لوز تیوب باشد. تارهای نوری دارای قطر هسته (core) متفاوت می باشند. فیبرهای نوری سینگل مد و مالتی مد از جنس شیشه، در خانواده GOF ها مخفف Glass Optical Fiber شناسایی می شوند، البته فیبر های نوری پلاستیکی یا پلمیری POF مخفف Plastic Optical Fiber نیز شناخته شده می باشند که از فناوری مالتی مد بهره می برند و به نوعی فیبر نوری پلیمری چندحالته به شمار می آیند. در نهایت، کابل‌های فیبر نوری می‌توانند صرفا جهت استفاده در فضاهای باز،‌ محیط های Outdoor یا محیط های بیرونی طراحی شده باشند، و یا به طور دقیق جهت استفاده در فضاهای داخلی indoor یا محیط داخلی تعیبه شده باشند، و یا از نوع indoor/outdoor باشند که هم در محیط های داخلی و هم در محیط های بیرونی قابل استفاده می باشند.

کابل های فیبر نوری به طور معمول از اجزای زیر تشکیل شده اند:

• تار فیبر نوری
• بافر Buffer
• اجزای استحکام دهنده، کولار Kevlar و زائده میانی Strength members
• اجزای حفاظت جانبی مانند حفاظت مکانیکی mechanical protection
• روکش بیرونی

در نظر داشته باشید که برخی از کابل ها با توجه به شرابط محیط مورد کاربری از اجزای بیشتری جهت محافظت بیشتر در برابر شرایط پیرامونی خود طراحی می گردند، مانند کابل هایی که در زیر اقیانوس ها قرار می گیرند و یا کابل های فیبر نوری OPGW که در دکل های فشار قوی هم به عنوان ارت و هم به عنوان لینک دیتا مورد کاربری قرار می گیرند.

بررسی اجزا و ساختار کابل های فیبر نوری

در نهایت ضرورت های انتخاب ساختار کابل فیبر نوری مورد نیاز هر پروژه به طور مستقیم به شرایط کاربری کابل در آن محیط بر می گردد. مهمترین پارامترها در پروژه های معمول دمای کاربری، دمای نصب، میزان رطوبت و بررسی عایق های لازم جهت جلوگیری از نفوذ رطوبت و آب به داخل ساختار و همچنین مقاومت میکروبی و مقاومت در برابر اشعه UV و مقاومت در برابر مواد نفتی و آلی در مورد کابل های بیرونی یا Outdoor می باشد و در مورد کابل های Indoor نیز کلاس مقاومت در برابر حریق مطابق با استاندارد های لازم و شعاع خمش و میزان Kevlar و مقاومت الیاف آرامید کابل در برابر فشار ها و تنش های ناشی از خمش ها می باشد. به جهت دستیابی به رعایت ضرروت ها هر کدام از این موارد را بررسی می نماییم.

تار فیبر نوری

تار فیبر نوری (که به عنوان موجبر نوری نیز شناخته می شود) عنصر اصلی یک کابل فیبر نوری به شمار می آید. تمامی تار های فیبر نوری حداقل دارای سه جزء در مقطع خود می باشند شامل: هسته Core، روکش Cladding و پوشش Coating. شکل A سه لایه موجود در تار فیبر نوری را نشان می دهد.

تارهای فیبر نوری شامل هسته یا Core و روکش احاطه کننده هسته یا کلد Cladding می باشند و در سه نوع تقسیم بندی می شوند.

• سینگل مد – تک حالته
• مالتی مد – چند حالته
• مالتی مد – POF

توجه! تار فیبر نوری بسیار نازک و خطرناک است!

تار های فیبر نوری دارای اجزای بسیار نازکی می باشند که از لحاظ اندازه و مقیاس تصور آن کمی دشوار است. ما عادت نداریم با چنین اجزای کوچکی در زندگی روزمره سروکار داشته باشیم. اجزای یک تار فیبر نوری با واحد میکرومتر یا میکرون μm اندازه گیری می شود. یک میکرون μm یک هزارم میلیمتر یا حدود  0.00004′′ اینچ است. یک تار فیبر تک حالته یا سینگل مد دارای هسته ای به قطر بین 8.3 میکرون تا 11 میکرون می باشد. موی انسان در مقایسه با هسته فیبر نوری بسیار قطور تر است. هسته فیبر های نوری چند حالته یا مالتی مُد نیز معمولاً بین 50 تا 62.5 میکرون قطر دارد. در هر دو نوع تک حالته و چند حالته، روکش cladding دومین لایه است که وظیفه به دام انداختن نور در هسته را با نقش آیینه سرتاسری ایفا می نماید، معمولاً دارای قطر 125 میکرومتر یا 0.005 اینچ است. و در نهایت، تارهای فیبر تک حالته و چند حالته که معمولاً مورد استفاده قرار می‌گیرند دارای یک لایه پوششی رنگ آکرلیک و یا بی رنگ به قطر 250 میکرون یا 0.01 اینچ می باشند که به آن Coating تار نوری گفته می شود.

قطر کوچک تار های فیبر نوری آنها را بسیار خطرناک می سازد. هنگامی که لایه پوشش آنها به جهت انجام فیوژن و یا اتصال مکانیکی کانکتور های نوری برداشته می شود، تارهای 125 میکرومتری می توانند به راحتی به پوست ما نفوذ نمایند. خرده‌ها و یا تکه‌های شکسته تار حتی می‌توانند توسط رگ‌های خونی به سایر قسمت‌های بدن (یا مغز) منتقل شوند، جایی که می‌توانند ویرانی جدی ایجاد نمایند. آنها به ویژه برای چشم خطرناک هستند چراکه قطعات کوچک می توانند کره چشم را سوراخ کرده و به سطح چشم آسیب برسانند و احتمالاً در داخل آن گیر کنند. هنگام انجام فیوژن و یا اتصال کانکتور فیبر نوری، استفاده از عینک ایمنی و ظروف مخصوص دفع تکه های شیشه ای ضروری است.

• خطرات فیبر نوری

هسته فیبر نوری معمولا از شیشه خالص و روکش Cladding از شیشه و یا نوعی پلاستیک با ضریب شکست مناسب ساخته می شود. انواع مختلفی از مواد، ترکیب شیشه ای و یا پلاستیکی هسته فیبر نوری و روکش کلد را تشکیل می دهند. هر ماده از نظر ترکیب شیمیایی، بهای تمام شده و همچنین شاخص شکست آن متفاوت می باشد، که درنهایت ضریب عددی می باشد که نشان می دهد چه مقدار نور هنگام عبور از یک ماده خاص خم می گردد. این عدد همچنین نشان می دهد که نور با چه سرعتی از یک ماده خاص عبور می نماید. ضریب شکست هسته فیبر نوری همواره بالاتر از روکش کلد است، (n_Core > n_Cladding ) و این قانون اصلی بازتابش کلی در فیبر نوری به شمار می آید.

روکش کلد تار فیبر نوری لایه ای در اطراف هسته مرکزی است که ضریب شکست کمتری دارد. تفاوت شاخص بین هسته و روکش چیزی است که به نور داخل هسته اجازه می دهد تا در هسته باقی بماند و از روکش فرار نکند. بنابراین روکش کلد به سیگنال اجازه می دهد تا در زوایایی از مبدا به مقصد حرکت نماید – مانند این است که یک چراغ قوه را به یک آینه بتابانیم و آن را به آینه دیگر و سپس آینه دیگر منعکس نماییم.

در نهایت پوشش Coating آخرین لایه در ساختار تار فیبر نوری می باشد. این پوشش محافظ اطراف روکش کلد، از هسته فیبر و روکش کلد در برابر آسیب های مکانیکی محافظت می نماید. پوشش Coating در انتقال نور شرکت نمی کند، بلکه صرفاً یک ماده محافظ در برابر شکستگی است. روکش Coating از آسیب سایش محافظت می نماید، استحکام بیشتری به هسته می افزاید و قطر تار فیبر نوری را افزایش می دهد.

اساسی ترین تمایز بین کابل های فیبر نوری تفاوت تار های فیبر نوری موجود در آنها، تک حالته و یا چند حالته بودن تارها می باشد. حالت یا همان مُد “mode” مسیری است که نور از طریق کابل عبور می نماید. طول موج نور ارسالی، زاویه پذیرش و دیافراگم یا روزنه عددی به گونه‌ای با هم تعامل دارند که فقط مسیرهای خاصی برای نور در دسترس می باشد. فیبرهای تک حالته دارای دیافراگم عددی کمتر و هسته‌هایی می باشند که آنقدر کوچک هستند که تنها یک مسیر یا حالت عبوری را برای نور امکان‌پذیر می سازند. فیبرهای چند حالته دارای دیافراگم ها و هسته های عددی بزرگ تری می باشند. بنابراین گزینه‌های زوایایی که نور می‌تواند وارد کابل شود بیشتر است و بنابراین مسیرها و حالت‌های متعدد امکان‌پذیر است. (توجه داشته باشید که این توضیحات ردیابی پرتو و ساده‌سازی عملکردی است که واقعاً اتفاق می‌افتد.)

بکارگیری یک مسیر واحد یا یک حالت عبور نور، توانایی انتقال دیتا با سرعت بالا و در فواصل دور را در فیبرهای سینگل مد مهیا می سازد. منابع متمرکز نور لیزر جهت ارسال داده ها به فیبرهای تک حالته مورد نیاز هستند.

فیبرهای چند حالته می‌توانند نور را با منابع نوری با هزینه کمتر، مانند LED ها و یا VCSELs ها (لیزرهای ساطع کننده سطح حفره عمودی) 850 نانومتری بپذیرند. علاوه بر این، اتصالات شامل فیوژن های فیبر نوری به دلیل قطر بزرگتر هسته آسان تر است و به راحتی تراز می شود. از آنجایی که قطر هسته مالتی مد بزرگتر از فیبر تک حالته است، تلورانس های مورد نیاز جهت ساخت این قطعات با دقت کمتری می باشد و در نتیجه هزینه کمتری را شامل می شود. به همین دلیل است که لیزرهایی که تنها روی فیبرهای چند حالته (یعنی منابع 850 نانومتری) فعالیت می نمایند، ارزان‌تر از منابع تک حالته می باشند. با این حال، فواصل قابل پشتیبانی و پهنای باند محدودتر از فیبرهای تک حالته است. از آنجایی که ایجاد شبکه چند حالته و اکتیو آن به طور کلی راه حل ارزان تری به شمار می آید، شبکه چند حالته جهت پشتیبانی مسافت های کوتاه در ساختمان ها ترجیح داده می شود.

برنامه های بکارگیری فیبر های نوری سینگل مد از ویژگی های فاصله زیاد و پهنای باند بالای فیبر تک حالته بهره می برند. البته امروزه بکارگیری فیبر نوری به عنوان زیر ساخت اصلی در مراکز داده بسیار گسترده شده است، که به جهت اطمینان بالا به لیزرهای توانمند سینگل مد و همچنین پهنای باند نامحدود این نوع فیبر متکی می باشد، اگرچه هزینه ها با توجه به منابع لیزری افزایش می یابد. همچنین در شبکه های ستون فقرات Backbone کابل های سینگل مُد مورد استفاده قرار می گیرند.

به طور کلی فیبر های نوری تجاری شامل موارد زیر می باشند که با کلیک روی هر کدام می توانید اطلاعات جامع تری را کسب فرمایید.

• فیبر نوری سینگل مُد با شاخص پله ای Step-Index
• فیبر نوری مالتی مُد با شاخص درجه بندی Graded-Index
• فیبر نوری مالتی مد پلاستیکی POF

بافر Buffer

بافر، دومین مشخصه متمایز کابل، مؤلفه ای است که جهت حفاظت اضافی برای تار های فیبر نوری داخل کابل فراهم می گردد. بافر دقیقاً همان کاری را انجام می دهد که از نامش پیداست: فیبر نوری را از تنش ها و نیروهای دنیای بیرون بافر buffers به معنای بالشتک می نماید. بافرهای فیبر نوری به دو دسته تایت ( استحکامی tight ) یا لوز ( رها شده loose ) تقسیم می شوند.

• کابل های فیبر نوری تایت بافر
• کابل های فیبر نوری لوز تیوب

تایت بافر tight buffers، یک لایه محافظ یا یک پوشش محافظ 900 میکرونی PVC و یا نایلونی می باشد که مستقیماً روی پوشش سیلیکونی (Coating) هر تار فیبر نوری در ساختار تایت بافر در کابل اعمال می شود. بافرهای استحکامی کل کابل را بادوام تر، جابجایی و سربندی آن را آسان تر و شعاع خمش آن را مناسب تر می نمایند. شکل C بافر استحکامی را در ساختار فیبر نوری سیمپلکس Simplex نشان می دهد.

شکل C کابل فیبر نوری سیمپلکس با استفاده از بافر استحکامی یا همان ساختار تایت بافر

از طرف دیگر، یک بافر رها شده loose-tube buffer,، اساساً یک لوله پلاستیکی سخت با قطر حدود 0.125 اینچ (3.127mm میلی متر) می باشد. بسته به طراحی کابل بافر لوز تیوب می تواند یک و یا چندین تار نوری را پوشش داده و در داخل لوله آن جانمایی نماید. سپس لوله بافر را می توان با یک ماده محافظ، معمولاً یک ژل مسدود کننده آب و رطوبت، پر نمود تا در صورت استفاده از کابل در فضای های باز یا بیرونی محیط های Outdoor، بالشتک، استحکام و محافظت در برابر عناصر را فراهم نماید. همچنین از پودرها و نوارهای ضد آب جهت مقاوم سازی کابل در برابر آب استفاده می شود. طراحی لوز تیوب در جذب نیروهای وارد شده به کابل بسیار موثر است به طوری که تار های فیبر نوری از تنش ها و استرس های محیطی آسیب رسان در امان می باشد. به همین دلیل، طرح های لوز تیوب تقریباً همیشه در تاسیسات بیرونی دیده می شوند. با پیشرفت فناوری برند هایی مانند CORNING و METZ فناوری لوز تیوب بدون ژل در بافر ها را ارائه نمودند که از مواد جایگزین محافظ و خشک Dry بهره می برند، این کابل ها را می توان در محیط های بیرونی ( به خصوص به علت حرکت عمودی کابل در کافو های شبکه مخابراتی) و کابل کشی های عمودی به راحتی و با خیالی آسوده استفاده نمود.

شکل D تار های فیبر نوری 250 میکرونی

چندین تیوب (tubes یا همان لوله های پلاستیکی محافظ تار های نوری 250 میکرونی) را می توان در یک کابل قرار داد تا تعداد فیبر زیادی را در شبکه های ارتباطی با تراکم بالا مانند شهرهای بزرگ تامین نماید. کابل های با ساختار لوز تیوب همچنین می توانند به عنوان خطوط اصلی برای ارتباطات مخابرات استفاده شوند.

شکل E یک کابل فیبر نوری با ساختار لوز تیوب را نشان می دهد. توجه داشته باشید که کابل نشان داده شده از مواد مسدود کننده آب بهره می برد.

شکل E کابل فیبر نوری لوز تیوب

اجزای استحکام دهنده، کولار Kevlar و زائده میانی Strength members

کابل‌های فیبر نوری به جهت محافظت به پشتیبانی بیشتری نیاز دارند تا از شکسته شدن تارهای فیبر نوری ظریف درون کابل در حین فرایند نصب در محل پروژه جلوگیری شود. بنابر این یکی از مهمترین قسمت های تولید کابل فیبر نوری یعنی محافظت مضاعف در طراحی ساختار کابل فیبر نوری بیان می شود. جایی که اعضای استحکام وارد می شوند. عضو استحکام یک کابل فیبر نوری بخشی است که استحکام کششی (کششی) اضافی را فراهم می نماید. عناصر استحکام همچنین می توانند مقاومت فشاری و مقاومت له شدگی را ایجاد نمایند. فشرده سازی زمانی رخ می دهد که دما به زیر دمای 25 درجه یا اصطلاحا دمای اتاق کاهش یابد.

متداول‌ترین عضو استحکام در کابل‌های تایت بافر نخ آرامید یا الیاف آرامید و یا کولار Kevlar می باشد، همان ماده‌ای که در جلیقه‌های ضد گلوله یافت می‌شود. هزاران رشته از این ماده در لایه ای به نام سروینگ در اطراف تارهای نوری کابل تایت بافر قرار می گیرند. هنگام کشیدن کابل، نیروی کششی به نخ آرامید منتقل می شود نه به تار فیبر نوری.

نکته. نخ آرامید یا Kevlar بسیار بادوام است، بنابراین کابل هایی که از آن استفاده می نمایند نیاز به ابزار برش خاصی به نام قیچی آرامید دارند. نخ آرامید را نمی توان با ابزارهای برش معمولی برش داد.

شکل F نخ یا الیاف آرامید کولار Kevlar

کابل‌های فیبر نوری لوز تیوب گاهی اوقات دارای یک یا چندین رشته‌ استحکامی از فایبرگلاس و یا فولاد به عنوان عضو استحکام دهنده می باشند. معمولا رشته های استحکامی را می توان در اطراف محیط مجموعه ای از تیوب های فیبر نوری در یک کابل مشاهده نمود، عضو استحکام میانی strength member را می توان در مرکز کابل با مجموعه ای از تیوب های فیبر نوری مجزا روشن و یا خاموش در اطراف آن مشاهده نمود. مانند نخ های آرامید یا کولار Kevlar در کابل های تایت بافر، نیروی کششی در ساختار کابل های لوز تیوب توسط اجزا استحکام دهنده، نه تیوب ها و تارهای فیبر نوری تحمل می‌شود. بر خلاف نخ‌های آرامید، اعضای استحکامی فایبرگلاس و فولادی ساختار لوز تیوب نیز این توانایی را دارند که از خمش ناشی از فشار جانبی تا دمای 40- درجه سانتی‌گراد جلوگیری نمایند.

شکل G زائده استحکام میانی کابل

اجزای حفاظتی کابل Shield Materials

به طور معمول یکی از مهمترین سپر های محافظتی کابل های فیبر نوری جهت مقاومت در برابر نیروی کشش بیش از حد و له شدگی اجزای حفاظتی کابل می باشد. کابل‌های فیبر نوری که جهت مصارف در فضاهای بیرونی یا فضاهای باز Outdoor و یا جهت محیط‌های داخلی indoor با احتمال آسیب مکانیکی روبرو می باشند، از محافظ‌های فولادی و یا آلومینیومی برخوردار می باشند که مجموعه اجزای داخلی را به صورت یک زره جانبی احاطه می نماید، اگرچه در زیر ژاکت یا روکش بیرونی اعمال می شود. سپر اغلب به عنوان زره شناخته می شود. یک ماده زره پوش معمولی فولاد 0.006 اینچ با روکش خاصی است که به ژاکت کابل می‌چسبد. این محافظ را نباید با محافظ برای محافظت در برابر EMI اشتباه گرفت. با این حال، در صورت وجود، محافظ باید در هر دو انتهای کابل به درستی به زمین (ارت) متصل شود تا در صورت تماس ناخواسته با منبع ولتاژ بالا مانند صاعقه یا کابل برق، از خطر برق گرفتگی جلوگیری شود.

شکل F زره کابل فیبر نوری

ژاکت کابل یا روکش بیرونی کابل

روکش کابل یک کابل فیبر نوری پوشش خارجی کابل به شمار می آید که از تمام اجزای داخلی در برابر محیط محافظت می نماید. به طور معمول از مواد پلاستیکی بادوام PVC ساخته می شود و در رنگ های مختلف موجود است. مانند کابل‌های مسی، کابل‌های فیبر نوری که برای کاربردهای داخلی طراحی شده‌اند باید الزامات NEC در برابر مقاومت در برابر حریق را برآورده نمایند.

توجه داشته باشید که جهت شکل گیری ژاکت کابل های فیبر نوری در تمامی انواع آن از مواد خطرناکی مانند فتالات ها استفاده  می شود که به شدت خطرناک می باشند. پیشنهاد می گردد که هرگز بدون دستکش محافظتی به کابل های فیبر نوری دست نزنید. جهت کسب اطلاعات بیشتر مستندات زیر را می توانید مطالعه بفرمایید.

“”” هرگز بدون دستکش به کابل های فیبر نوری دست نزنید “””

https://docs.msp-ict.com/images/PDF-Files/didp_fact_sheet.pdf
https://docs.msp-ict.com/images/PDF-Files/dinp_fact_sheet.pdf

در نظر داشته باشید که برخی کابل های فیبر نوری ممکن است دولایه روکش و دولایه زره فولادی داشته باشند و یا گاها بر اساس سفارش تعداد بیشتری از محافظت های ساختاری را دارا باشند. در نمونه های کابل های دریایی چندین لایه رزین و قیر و مشتقات نفتی جهت محافظت از کابل در برابر فشار های جانبی و محیطی طراحی می شوند.

شکل H روکش کابل فیبر نوری

حفاظت بیرونی کابل های فیبر نوری
چنانچه زمانی نیاز به نصب کابل فیبر نوری در فضای باز دارید، کابل بایستی  برای نصب در محیط های Outdoor یا بیرونی درجه بندی شود. درجه بندی بیرونی به این معنی است که کابل به طور خاص برای استفاده در فضای بیرونی خاص خود طراحی شده است. دارای ویژگی هایی مانند محافظت در برابر اشعه ماوراء بنفش UV، محافظت در برابر له شدگی Crush و ساییدگی abrasion ، محافظت در برابر حرارت و برودت های شدید، محافظت در برابر مواد آلی و نفتی،‌محافظت در برابر میکروب و عوامل تجزیه کننده محیطی و … می باشد. چنانچه از کابل های با استاندارد داخلی در یک نصب در فضای باز استفاده می نمایید، کابل ها ممکن است آسیب ببینند و به درستی فعالیت نکنند. بهترین گزینه انتخاب کابل فیبر نوری مناسب با شرایط پروژه شما مشورت با کارشناسان فنی می باشد.

• انتخاب کابل فیبر نوری مناسب
• شناسایی کابل فیبر نوری داخلی و بیرونی
• فیبر نوری Fiber Optic

شکل I کابل فیبر نوری دریایی

کابل های فیبر نوری

کابل های شبکه مسی

تجهیزات فیبر نوری