توضیح فیبر نوری: چگونه طول موج ها انتقال نور را ممکن می سازند

تصور کنید اگر کابل‌های فیبر نوری می‌توانستند اطلاعات را از طریق رنگ‌های مختلف مانند یک رنگین کمان حمل کنند، که در آن هر رنگ نشان‌دهنده یک کانال داده مجزا باشد. در ارتباطات فیبر نوری، طول موج‌ها به عنوان این «رنگ‌ها» عمل می‌کنند و ویژگی‌ها و راندمان انتقال سیگنال‌های نوری را تعیین می‌کنند. در حالی که «طول موج» ممکن است برای بسیاری یک اصطلاح پیچیده به نظر برسد، در واقع کلید درک فناوری فیبر نوری است. این مقاله مفهوم طول موج‌های فیبر نوری، اصول اساسی آن‌ها و نقش حیاتی آن‌ها در کاربردهای عملی را روشن می‌کند.

نور فراتر از آنچه چشمان ما به عنوان نور مرئی درک می‌کنند، گسترش می‌یابد. این بخشی از یک طیف الکترومغناطیسی گسترده‌تر را تشکیل می‌دهد که شامل انواع مختلفی از تابش‌ها می‌شود—از اشعه ایکس و امواج فرابنفش با انرژی بالا گرفته تا امواج رادیویی و مایکروویو آشنا، و در نهایت به نور مادون قرمز که در ارتباطات فیبر نوری استفاده می‌شود. این‌ها همگی اساساً تابش‌های الکترومغناطیسی هستند که عمدتاً با طول موج‌هایشان متمایز می‌شوند. طیف الکترومغناطیسی را می‌توان به عنوان یک پالت رنگ گسترده تجسم کرد که در آن طول موج‌های مختلف با «رنگ‌های» مختلف مطابقت دارند. ارتباطات فیبر نوری به طور استراتژیک «رنگ‌های» خاصی را از این پالت برای انتقال اطلاعات انتخاب می‌کند.

تابش الکترومغناطیسی معمولاً با استفاده از طول موج یا فرکانس توصیف می‌شود. طول موج به فاصله بین قله‌ها یا فرورفتگی‌های متوالی یک موج در حین انتشار در فضا اشاره دارد که معمولاً بر حسب نانومتر (nm، یک میلیاردم متر) یا میکرومتر (µm، یک میلیونیم متر) اندازه‌گیری می‌شود. فرکانس نشان‌دهنده تعداد دفعاتی است که موج در ثانیه نوسان می‌کند که بر حسب هرتز (Hz) اندازه‌گیری می‌شود. طول موج و فرکانس یک رابطه معکوس دارند: طول موج‌های کوتاه‌تر با فرکانس‌های بالاتر مطابقت دارند، در حالی که طول موج‌های بلندتر فرکانس‌های پایین‌تری را نشان می‌دهند. برای طول موج‌های کوتاه‌تر مانند نور، فرابنفش و اشعه ایکس، طول موج توصیف‌گر ترجیحی است. برای طول موج‌های بلندتر مانند امواج رادیویی، سیگنال‌های تلویزیونی و مایکروویو، فرکانس معمولاً بیشتر استفاده می‌شود.

آشناترین شکل نور، البته، نور مرئی است. چشم انسان می‌تواند طول موج‌هایی را در حدود 400 نانومتر (نور آبی/بنفش) تا 700 نانومتر (نور قرمز) تشخیص دهد. این محدوده با قوی‌ترین باندهای تابش از خورشید همخوانی دارد و نشان می‌دهد که سیستم بینایی ما برای درک شدیدترین طول موج‌های نور خورشید تکامل یافته است—یک نمونه ظریف از سازگاری بیولوژیکی.

ارتباطات فیبر نوری به نور مرئی متکی نیست، بلکه به نور مادون قرمز متکی است که طول موج‌های بلندتری دارد—معمولاً حدود 850 نانومتر، 1300 نانومتر و 1550 نانومتر. انتخاب نور مادون قرمز ناشی از تضعیف کمتر آن در فیبرهای نوری است. تضعیف در فیبرها از دو عامل اصلی ناشی می‌شود: جذب و پراکندگی.

• جذب:مقادیر کمی از آب در کابل‌های فیبر نوری نور را در طول موج‌های خاص جذب می‌کنند و «قله‌های جذب آب» را ایجاد می‌کنند. سیستم‌های فیبر نوری باید از این قله‌ها اجتناب کنند تا یکپارچگی سیگنال را حفظ کنند.
• پراکندگی:هنگامی که نور از فیبر عبور می‌کند، با اتم‌ها یا مولکول‌های موجود در شیشه برخورد می‌کند و باعث پراکندگی می‌شود. شدت پراکندگی با توان چهارم طول موج نسبت معکوس دارد، به این معنی که طول موج‌های بلندتر کمتر پراکنده می‌شوند. این اصل همچنین توضیح می‌دهد که چرا آسمان آبی به نظر می‌رسد: طول موج‌های آبی کوتاه‌تر راحت‌تر در جو پراکنده می‌شوند.

برای به حداقل رساندن تلفات سیگنال، سیستم‌های فیبر نوری در طیف مادون قرمز عمل می‌کنند، از قله‌های جذب آب دوری می‌کنند و روی سه طول موج استاندارد قرار می‌گیرند: 850 نانومتر، 1300 نانومتر و 1550 نانومتر. خوشبختانه، دیودهای لیزری (یا LEDها) و فوتودیودها را می‌توان طوری مهندسی کرد که در این طول موج‌های خاص به طور موثر عمل کنند.

اگر طول موج‌های بلندتر تضعیف کمتری را تجربه می‌کنند، چرا از آن‌ها استفاده نمی‌شود؟ پاسخ در نزدیکی طول موج‌های مادون قرمز به تابش حرارتی نهفته است. همانطور که می‌توانیم درخشش قرمز کم‌نور یک اجاق برقی را ببینیم و گرمای آن را احساس کنیم، طول موج‌های بلندتر مستعد نویز حرارتی محیط می‌شوند که می‌تواند در انتقال سیگنال اختلال ایجاد کند. علاوه بر این، قله‌های جذب آب دیگری در محدوده مادون قرمز وجود دارد.

برخلاف فیبرهای شیشه‌ای، فیبرهای نوری پلاستیکی (POF) جذب کمتری را در طول موج‌های کوتاه‌تر نشان می‌دهند. در نتیجه، POF معمولاً از نور قرمز 650 نانومتری استفاده می‌کند، اگرچه 850 نانومتر برای کاربردهای برد کوتاه با فرستنده‌های فیبر شیشه‌ای همچنان امکان‌پذیر است.

در شبکه‌های فیبر نوری، طول موج‌ها نه تنها برای انتقال حیاتی هستند، بلکه برای آزمایش نیز حیاتی هستند. تضعیف کابل باید در همان طول موجی که برای انتقال سیگنال استفاده می‌شود، اندازه‌گیری شود. به طور مشابه، توان‌سنج‌های نوری نیاز به کالیبراسیون در این طول موج‌های خاص دارند تا عملکرد شبکه را به طور دقیق ارزیابی کنند.

مؤسسه ملی استانداردها و فناوری (NIST) خدمات کالیبراسیون را برای توان‌سنج‌های نوری در سه طول موج اصلی فیبر نوری ارائه می‌دهد: 850 نانومتر، 1300 نانومتر و 1550 نانومتر. فیبرهای چند حالته معمولاً برای 850 نانومتر و 1300 نانومتر طراحی شده‌اند، در حالی که فیبرهای تک حالته برای 1310 نانومتر و 1550 نانومتر بهینه شده‌اند. اختلاف جزئی بین 1300 نانومتر و 1310 نانومتر ناشی از قراردادهای اصطلاحات تاریخی است که توسط AT&T ایجاد شده است، جایی که فیبرهای تک حالته از لیزرهای 1310 نانومتری و فیبرهای چند حالته از LEDهای 1300 نانومتری استفاده می‌کردند.

سیستم‌های مخابراتی مدرن به طور گسترده از تکنیک‌های مالتی پلکسینگ تقسیم طول موج (WDM) از جمله WDM متراکم (DWDM) و WDM خشن (CWDM) استفاده می‌کنند. WDM یک فیبر واحد را قادر می‌سازد تا چندین «رنگ» نور را به طور همزمان حمل کند، که در آن هر رنگ نشان‌دهنده یک کانال داده مستقل است. در سیستم‌های WDM، لیزرها به طور دقیق روی طول موج‌های مجزا تنظیم می‌شوند که به اندازه کافی به هم نزدیک هستند تا ظرفیت را به حداکثر برسانند، اما به اندازه کافی از هم فاصله دارند تا از تداخل جلوگیری شود. این با پخش رادیویی FM موازی است، جایی که ایستگاه‌ها بر روی فرکانس‌های مختلف کار می‌کنند. WDM از کل محدوده طول موج از 1260 نانومتر تا 1670 نانومتر استفاده می‌کند که به باندهای خاصی تقسیم می‌شود.

یک جنبه مهم اما اغلب نادیده گرفته شده فیبر نوری، ایمنی است. از آنجایی که اکثر سیستم‌های فیبر نوری خارج از طیف مرئی عمل می‌کنند، نور منتقل شده معمولاً برای چشم غیرمسلح نامرئی است. هرگز مستقیماً به انتهای فیبر نگاه نکنید تا سیگنال‌ها را بررسی کنید—سیستم‌های پرقدرت خاص مانند CATV و DWDM می‌توانند تابش خطرناکی را ساطع کنند. همیشه قبل از کار با اتصالات فیبر، سطح توان نوری را با یک متر کالیبره شده تأیید کنید.

درک طول موج‌های فیبر نوری برای تسلط بر فناوری ارتباطات نوری ضروری است. با رمزگشایی از «کد رنگ» فیبر نوری، متخصصان می‌توانند طراحی شبکه را بهینه کنند، عیب‌یابی موثری انجام دهند و مرزهای قابلیت‌های انتقال داده را جابجا کنند.