ساختار فیبر نوری شامل چندین لایه است که هر یک نقش مهمی در عملکرد و حفاظت از فیبر دارند. این لایه‌ها به ترتیب از داخل به خارج شامل هسته، پوشش، و روکش می‌شوند. در ادامه، هر یک از این بخش‌ها با جزئیات بیشتری توضیح داده می‌شوند:
1. هسته (Core)
هسته بخش مرکزی و اصلی فیبر نوری است که وظیفه انتقال نور را بر عهده دارد. جنس هسته معمولاً از شیشه یا پلاستیک با خلوص بالا است تا بتواند نور را با کمترین افت انتقال دهد. قطر هسته در فیبرهای تک‌حالته و چندحالته متفاوت است:
تک‌حالته (Single-mode): قطر هسته معمولاً بین 8 تا 10 میکرومتر است. این نوع فیبر تنها یک مسیر نوری (یا مد) برای انتقال نور دارد، که باعث می‌شود افت سیگنال کمتر و پهنای باند بیشتری داشته باشد.
چندحالته (Multi-mode): قطر هسته معمولاً بین 50 تا 62.5 میکرومتر است. این نوع فیبر می‌تواند چندین مسیر نوری را به طور همزمان منتقل کند که برای فواصل کوتاه‌تر و کاربردهای درون ساختمانی مناسب‌تر است.
2. پوشش (Cladding)
پوشش دور هسته قرار دارد و جنس آن نیز از شیشه یا پلاستیک است، اما با ضریب شکست کمتری نسبت به هسته. وظیفه اصلی پوشش ایجاد شرایط لازم برای بازتاب داخلی کامل است تا نور درون هسته محبوس شود و در طول فیبر حرکت کند. ضریب شکست پوشش کمتر از هسته است که باعث می‌شود نور درون هسته بازتاب کند و از هسته خارج نشود.
3. روکش (Buffer Coating)
روکش یک لایه محافظ خارجی است که دور هسته و پوشش را می‌پوشاند. این لایه معمولاً از مواد پلیمری ساخته می‌شود و وظیفه اصلی آن حفاظت از فیبر نوری در برابر آسیب‌های فیزیکی، رطوبت، و عوامل محیطی است. روکش می‌تواند شامل چندین لایه باشد که هر یک از آن‌ها می‌تواند وظایف متفاوتی از جمله محافظت مکانیکی، مقاومت در برابر فشار، و محافظت در برابر حرارت را انجام دهد.
4. روکش‌های اضافی (Additional Coatings)
برای کاربردهای خاص، ممکن است فیبر نوری دارای لایه‌های اضافی برای محافظت بیشتر باشد. این لایه‌ها می‌توانند شامل موارد زیر باشند:
لایه ژلی (Gel Layer): برای جلوگیری از نفوذ آب و رطوبت به داخل فیبر.
لایه محافظ فلزی (Armored Layer): برای محافظت در برابر ضربه و فشارهای مکانیکی.
لایه رنگی (Color Coating): برای شناسایی و دسته‌بندی فیبرها در کابل‌های چند فیبری.
اصول عملکرد
همانطور که قبلاً ذکر شد، فیبر نوری بر اساس بازتاب داخلی کامل کار می‌کند. وقتی نور به سطح تماس بین هسته و پوشش می‌رسد، اگر زاویه برخورد نور بیشتر از زاویه بحرانی باشد، نور به طور کامل بازتاب می‌شود و در داخل هسته باقی می‌ماند. این فرآیند باعث می‌شود که نور بدون افت قابل توجهی در طول فیبر حرکت کند.
مواد مورد استفاده در فیبرنوری
شیشه:شیشه مورد استفاده در فیبر نوری معمولاً از جنس سیلیکا (SiO2) با خلوص بالا است. شیشه به دلیل شفافیت بالا و قابلیت انتقال نور با کمترین افت، معمولاً برای کاربردهای طولانی‌مدت و پهنای باند بالا استفاده می‌شود.
پلاستیک:فیبرهای نوری پلاستیکی (POF) معمولاً برای کاربردهای کوتاه‌مدت و کم‌هزینه مورد استفاده قرار می‌گیرند. این نوع فیبرها انعطاف‌پذیری بیشتری دارند و نصب آن‌ها ساده‌تر است، اما پهنای باند کمتری نسبت به فیبرهای شیشه‌ای دارند.
انواع فیبر نوری بر اساس طراحی
الف. فیبرهای تک‌حالته (Single-mode Fibers - SMF)
این نوع فیبرها دارای هسته‌ای با قطر کوچک (حدود 8-10 میکرومتر) هستند و تنها یک مد (یا حالت) نوری را منتقل می‌کنند. این ویژگی باعث می‌شود که پهنای باند بالا و تضعیف سیگنال کمتری داشته باشند، بنابراین برای انتقال داده در فواصل طولانی مناسب هستند.
کاربردها: شبکه‌های مخابراتی، ارتباطات بین شهری و بین‌المللی، ارتباطات اینترنتی با سرعت بالا.
ب. فیبرهای چندحالته (Multi-mode Fibers - MMF)
این فیبرها دارای هسته‌ای با قطر بزرگتر (50-62.5 میکرومتر) هستند و می‌توانند چندین مد نوری را همزمان منتقل کنند. این ویژگی باعث می‌شود که پهنای باند کمتری داشته باشند و برای فواصل کوتاه‌تر مناسب باشند.
کاربردها: شبکه‌های محلی (LAN)، ارتباطات داخل ساختمانی، کاربردهای صنعتی.
انواع فیبر نوری بر اساس ساختار حفاظتی
الف. فیبرهای با روکش محکم (Tight-buffered Fibers)
این فیبرها دارای یک لایه روکش محکم و نزدیک به هسته هستند که از فیبر در برابر آسیب‌های مکانیکی محافظت می‌کند. این نوع فیبرها برای کاربردهای داخلی مناسب هستند.
کاربردها: کابل‌کشی داخل ساختمان، شبکه‌های محلی، کاربردهای صنعتی.
ب. فیبرهای با روکش شل (Loose-tube Fibers)
در این نوع فیبرها، چندین فیبر نوری در داخل یک لوله محافظ قرار می‌گیرند که فضای آزاد برای انبساط و انقباض حرارتی فراهم می‌کند. این نوع فیبرها برای کاربردهای خارجی و در محیط‌های با تغییرات دمایی زیاد مناسب هستند.
کاربردها: کابل‌کشی بین شهری، ارتباطات زیر دریایی، کاربردهای بیرونی.
انواع فیبر نوری بر اساس روکش محافظ خارجی
الف. فیبرهای زره‌پوش (Armored Fibers)
این نوع فیبرها دارای یک لایه محافظ فلزی هستند که از فیبر در برابر آسیب‌های فیزیکی مانند ضربه و فشار محافظت می‌کند.
کاربردها: کابل‌کشی زیر زمینی، محیط‌های صنعتی با خطرات مکانیکی بالا، کاربردهای نظامی.
ب. فیبرهای ضد آب (Water-blocking Fibers)
این فیبرها دارای لایه‌های محافظ ویژه‌ای هستند که از نفوذ آب و رطوبت به داخل فیبر جلوگیری می‌کنند. معمولاً از مواد ژلی یا نوارهای جاذب رطوبت در ساخت این فیبرها استفاده می‌شود.
کاربردها: کابل‌کشی زیر دریایی، مناطق مرطوب، کابل‌های خارجی در محیط‌های بارانی.
فیبرهای تخصصی
الف. فیبرهای خمش‌پذیر (Bend-insensitive Fibers)
این نوع فیبرها طراحی شده‌اند تا در برابر خمش‌های تند و پیچ‌های زیاد مقاومت کنند بدون اینکه افت سیگنال قابل توجهی داشته باشند.
کاربردها: شبکه‌های داخل ساختمانی، اتصالات فیبر به خانه (FTTH)، کاربردهای پزشکی.
ب. فیبرهای با روکش ضد آتش (Fire-resistant Fibers)
این نوع فیبرها دارای روکش‌هایی هستند که در برابر حرارت و آتش مقاوم هستند و در صورت آتش‌سوزی دود سمی تولید نمی‌کنند.
کاربردها: کابل‌کشی داخل ساختمانی، ساختمان‌های عمومی، تأسیسات حیاتی.
فیبرهای نوری پلاستیکی (POF - Plastic Optical Fibers)
فیبرهای نوری پلاستیکی از پلاستیک ساخته می‌شوند و نسبت به فیبرهای شیشه‌ای هزینه کمتری دارند. این نوع فیبرها انعطاف‌پذیری بیشتری دارند و نصب آن‌ها ساده‌تر است.
کاربردها: شبکه‌های خانگی، اتصالات کوتاه‌مدت، کاربردهای صنعتی و خودرو.
فیبرهای هیبریدی
این فیبرها ترکیبی از فیبرهای نوری و سیم‌های الکتریکی هستند که امکان انتقال همزمان داده و برق را فراهم می‌کنند. این نوع فیبرها در کاربردهای خاصی مانند ارتباطات در محیط‌های دورافتاده و تجهیزات نظامی استفاده می‌شوند.
کاربردهای ساختاری فیبر نوری
ساختارهای مختلف فیبر نوری برای کاربردهای متفاوت طراحی شده‌اند. به عنوان مثال:
کابل‌های زیر دریایی: دارای روکش‌های چندلایه و مقاوم در برابر فشار آب هستند.
کابل‌های هوایی: مجهز به لایه‌های مقاوم در برابر اشعه ماوراء بنفش و تغییرات دمایی هستند.
کابل‌های داخل ساختمان: معمولاً سبک‌تر و با روکش‌های ضد حریق طراحی می‌شوند.
