کابل فیبر نوری، که نسبت به کابل‌های مسی سبک‌تر، کوچک‌تر و انعطاف‌پذیرتر است، می‌تواند سیگنال‌ها را با سرعت بالاتر و در فواصل طولانی‌تر منتقل کند. با این حال، عوامل متعددی وجود دارند که می‌توانند بر عملکرد انتقال در بستر فیبر نوری تأثیر بگذارند.
در این میان، تلفات در فیبر نوری (Fiber Optic Losses) یکی از چالش‌های جدی به شمار می‌رود؛ مسئله‌ای که همواره در اولویت مهندسان قرار داشته تا آن را تحلیل و برای آن راه‌حل‌هایی ارائه دهند.
در این مقاله، نگاهی جامع به انواع مختلف تلفات سیگنال در فیبر نوری خواهیم داشت و در ادامه، راهکارهایی عملی برای دستیابی به انتقال شبکه‌ای سریع، بدون وقفه و بهینه ارائه می‌دهیم.
انواع تلفات در فیبر نوری (Different Types of Losses in Optical Fiber)
تلفات موجود در فیبر نوری معمولاً ناشی از دو دسته عامل هستند:
عوامل ذاتی (Intrinsic Factors)
عوامل بیرونی (Extrinsic Factors)
یکی از اصلی‌ترین تلفات ذاتی، تضعیف فیبر نوری است که به آن افت سیگنال یا افت فیبر (Fiber Attenuation / Signal Loss) نیز گفته می‌شود. این نوع تلفات، نتیجه ویژگی‌های داخلی و ساختاری خود فیبر نوری است — چه در نوع (Single Mode) و چه در نوع (Multimode).
علاوه بر این نوع افت داخلی، عوامل بیرونی دیگری نیز وجود دارند که موجب افزایش افت لینک (Link Loss) می‌شوند. از جمله این عوامل می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
اتصال فیبرها از طریق اسپلایس (Splicing)
استفاده از پچ‌کورد و کانکتورهای نوری (Patch Connections)
خم‌شدگی یا فشار فیزیکی به کابل فیبر نوری (Bending Loss)
این عوامل، در مجموع می‌توانند باعث کاهش کیفیت سیگنال و کارایی شبکه شوند و لازم است در طراحی، نصب و نگهداری سیستم‌های فیبر نوری به‌طور جدی مورد توجه قرار گیرند.
شش نوع از تلفات فیبر نوری که بر انتقال و دریافت سیگنال تأثیر می‌گذارند
در ادامه، شش نوع تلفات رایج در فیبر نوری را معرفی می‌کنیم که از دو دسته عوامل ذاتی و بیرونی منشأ می‌گیرند:
افت جذب (Absorption Loss)
افت پراکندگی (Dispersion Loss)
افت پخش‌شدگی یا پراکنش (Scattering Loss)
افت ناشی از اتصال (Splicing Loss)
افت کانکتور (Connector Loss)
افت خمش (Bending Loss)
تلفات ذاتی فیبر نوری (Intrinsic Optical Fiber Losses)
این نوع تلفات، ناشی از ساختار و خصوصیات داخلی خود فیبر نوری هستند و معمولاً در هنگام طراحی و انتخاب نوع فیبر باید مورد توجه قرار گیرند.
1. افت جذب (Absorption Loss)
افت جذب یکی از اصلی‌ترین دلایل تلفات نوری در هنگام انتقال سیگنال در فیبر نوری است. زمانی که فوتون‌ها با اجزای موجود در شیشه، الکترون‌ها یا یون‌های فلزی واکنش نشان می‌دهند، انرژی نوری جذب شده و به دلیل رزونانس مولکولی و ناخالصی‌های طول‌موجی، به شکل‌های دیگر انرژی مانند گرما تبدیل می‌شود.
2. افت پراکندگی (Dispersion Loss)
افت پراکندگی زمانی رخ می‌دهد که سیگنال نوری در حین حرکت درون فیبر، دچار اعوجاج یا تغییر شکل شود.
این نوع تلفات در فیبر نوری می‌تواند به دو شکل رخ دهد:
پراکندگی بین‌مدی (Intermodal Dispersion):
رخ می‌دهد در فیبرهای چندمد (Multimode)، زمانی که سیگنال در مدهای مختلف با سرعت‌های متفاوت حرکت می‌کند و باعث کشیده شدن پالس در زمان می‌شود.پراکندگی درون‌مدی (Intramodal Dispersion):
در فیبرهای تک‌مد (Single Mode) اتفاق می‌افتد، زمانی که ضریب شکست یا ثابت انتشار با تغییر طول موج تغییر می‌کند، که منجر به کشیده شدن پالس می‌شود.
3. افت پخش‌شدگی یا پراکنش (Scattering Loss)
تلفات پخش‌شدگی (Scattering) در فیبر نوری ناشی از ناهمگونی‌های میکروسکوپی در چگالی مواد، نوسانات ترکیب شیمیایی، بی‌نظمی‌های ساختاری و نقص‌های تولیدی است. این اختلالات باعث می‌شوند بخشی از نور پراکنده شده و از مسیر اصلی خود منحرف شود، که در نهایت منجر به افت توان سیگنال خواهد شد.
تلفات بیرونی فیبر نوری (Extrinsic Optical Fiber Losses)
این دسته از تلفات در اثر عوامل خارجی و نحوه‌ی نصب، اتصال یا مدیریت فیزیکی فیبر نوری ایجاد می‌شوند. در ادامه به سه مورد رایج از این تلفات اشاره می‌کنیم:
افت ناشی از اتصال فیبر نوری (Splicing Loss)
اتصال فیبر نوری (Fiber Optic Splicing) یکی دیگر از منابع مهم تلفات در سیستم‌های فیبر نوری است. در این فرآیند، دو فیبر نوری به‌صورت انتها به انتها به هم متصل می‌شوند تا عبور نور از طریق اتصال، تا حد ممکن به اندازه فیبر اصلی قوی باقی بماند.
با این حال، حتی بهترین روشهای اسپلایسینگ نیز نمی‌توانند افت سیگنال را به صفر برسانند.
میزان تلفات در اتصال فیوژن فیبر چندمد (Multimode) معمولاً در بازه 0.1 تا 0.5 دسی‌بل (dB) است، که مقدار 0.3 dB به عنوان میانگین قابل قبول در نظر گرفته می‌شود.
در مقابل، در فیبر تک‌مد (Single Mode)، مقدار معمول تلفات اتصال فیوژن کمتر از 0.05 dB خواهد بود، که نشان‌دهنده حساسیت بالاتر این نوع فیبر به نحوه اتصال است.
افت کانکتور یا افت درج (Connector Loss / Insertion Loss)
افت کانکتور یا افت درج (Insertion Loss) به تلفات توان نوری ناشی از وارد کردن یک دستگاه یا کانکتور در مسیر انتقال نوری گفته می‌شود.
در کانکتورهای چندمد (Multimode)، مقدار افت معمولاً بین 0.2 تا 0.5 dB است (0.3 dB مقدار متوسط رایج).
کانکتورهای کارخانه‌ای فیبر تک‌مد معمولاً افتی بین 0.1 تا 0.2 dB دارند.
کانکتورهایی که در محل نصب، ترمینال می‌شوند (Field-Terminated) ممکن است افتی تا 0.5 تا 1.0 dB داشته باشند که 0.75 dB حداکثر مقدار قابل قبول طبق استاندارد TIA-568 در نظر گرفته می‌شود.
افت ناشی از خمش فیبر نوری (Bending Loss)
خمش فیبر نوری یکی از مشکلات رایج است که در اثر مدیریت نادرست کابل یا نصب غیراستاندارد به وجود می‌آید و موجب تلفات نوری می‌شود.
دو نوع اصلی از خمش وجود دارد:
میکرو‌بندینگ (Micro Bending):
خمش‌های بسیار کوچک در مقیاس میکروسکوپی، که معمولاً ناشی از فشارهای خارجی یا نقص‌های ساختاری است.ماکرو‌بندینگ (Macro Bending):
خمش‌های بزرگ‌تر در فیبر که شعاع خم بیشتر از ۲ میلی‌متر دارند (در تصویر زیر قابل مشاهده است). این نوع خمش می‌تواند باعث نشت شدید نور و افت قابل توجه سیگنال شود.
اندازه‌گیری تلفات در فیبر نوری (Optical Fiber Losses Measurement)
در هنگام اندازه‌گیری مجموع تلفات در فیبر نوری – که برای محاسبه‌ی بودجه لینک (Link Budget) نیز استفاده می‌شود – باید تمامی انواع تلفات ذکر شده در بخش‌های قبلی در نظر گرفته شوند.
علاوه بر این، حاشیه بودجه توان نوری (Power Budget Margin) نیز اهمیت دارد. این حاشیه برای جبران افت‌هایی در آینده مانند کهنگی فیبر، خم شدن اتفاقی، پیچ‌خوردگی و... لحاظ می‌شود.
اکثر طراحان سیستم، حاشیه‌ای بین ۳ تا ۱۰ دسی‌بل (dB) را در نظر می‌گیرند. البته، این قانون برای برخی لینک‌های خاص مانند اتصالات 10G چندمد با توان بودجه‌ای حدود ۲ دسی‌بل کاربرد ندارد.
فرمول محاسبه‌ی بودجه لینک فیبر نوری به صورت زیر است:
بودجه لینک = [طول فیبر (km) × افت فیبر بر حسب dB/kFaild to load ''
+ [تلفات کانکتور × تعداد کانکتورهاFaild to load ''
مثال عملی:
در یک لینک چندمد 850nm به طول ۲ کیلومتر که دارای ۵ اتصال (۲ کانکتور در ابتدا و انتها + ۳ اتصال در پنل‌های پچ) و یک اسپلایس در وسط است، و حاشیه تلفات نیز ۵ dB در نظر گرفته شده، مقدار تلفات کل به صورت زیر محاسبه می‌شود:
[2 km × 3.5 dB/kFaild to load '' + [5 × 0.3 dB] + 5 dB = 12.3 dB
روشهای کاهش تلفات در فیبر نوری (How to Reduce Losses in Optical Fiber)
برای اینکه توان خروجی در محدوده حساسیت گیرنده قرار بگیرد و حاشیه‌ی کافی برای افت عملکرد در طول زمان باقی بماند، کاهش تلفات فیبر نوری یک موضوع حیاتی محسوب می‌شود.
در ادامه، روش‌هایی مؤثر برای طراحی و نصب لینک‌های فیبر نوری معرفی می‌شود:
استفاده از کابل‌های با کیفیت بالا که مشخصات نوری آن‌ها با هم منطبق باشد.
انتخاب کانکتورهای استاندارد و باکیفیت؛ مقدار افت درج کمتر از 0.3 dB و افت اضافی کمتر از 0.2 dB توصیه می‌شود.
تا جای ممکن، از رول کامل فیبر (بیش از ۵۰۰ متر در هر رول) برای کاهش تعداد اتصالات استفاده شود.
در زمان اسپلایسینگ، الزامات فنی و محیطی به‌صورت کامل رعایت شود.
اتصالات نهایی باید دارای پچ کامل و کوپلینگ بسته باشند تا از نشت نور جلوگیری شود.
اطمینان از تمیز بودن کانکتورها قبل از استفاده، اهمیت بالایی دارد.
در مرحله طراحی، بهترین مسیر و روش برای کابل‌کشی فیبر نوری انتخاب شود.
تیم اجرایی آموزش‌دیده و متخصص برای اجرای پروژه انتخاب شود تا کیفیت نصب تضمین شود.
اقدامات حفاظتی تقویت شوند؛ از جمله حفاظت در برابر صاعقه، نوسانات برق، خوردگی و آسیب‌های مکانیکی.
استفاده از تیوب‌های حرارتی با کیفیت بالا (Heat-shrinkable Tubes) برای محافظت بهتر از محل اتصال‌ها.
استاندارد IEC برای میزان افت درج کابل‌های پچ فیبر نوری
(IEC Standard for Different Insertion Loss of Fiber Patch Cables)
استانداردهای بین‌المللی IEC، الزامات عملکرد کانکتور را برای هر گرید از کابل‌های پچ فیبر نوری (Fiber Patch Cables) تعیین می‌کنند. این استانداردها به کاربران نهایی و تولیدکنندگان کمک می‌کنند تا در چارچوب قوانین، بهینه‌ترین بهره‌برداری از کابل‌های نوری را داشته باشند.
بر اساس استاندارد IEC 61753-1 با عنوان Attenuation of Random Mated Connectors، میزان افت درج (Insertion Loss) در کانکتورهای جفت‌شده به چهار گرید کیفی مختلف طبقه‌بندی می‌شود.
کابل فیبر نوری BIF با افت فوق‌العاده پایین
(Ultra Low Loss BIF Fiber Cable)
وقتی صحبت از کابل‌های پچ فیبر نوری با کیفیت بالا برای کاهش تلفات در شبکه نوری می‌شود، فروشندگان کابل‌های Bend Insensitive Fiber (BIF) را با افت درج بسیار پایین (Ultra Low Insertion Loss) و شعاع خمش کم عرضه می‌کنند که عملکرد انتقال داده را به طرز چشمگیری بهبود می‌بخشد.
کابل‌های BISMF (Bend Insensitive Single Mode Fiber) ، از فیبر نوری استاندارد G.657.A1 تولیدشده توسط Corning ساخته شده‌اند و دارای کانکتورهایی با افت درج معمولی 0.12 dB هستند. همچنین، این کابل‌ها دارای حداقل شعاع خم‌شدگی 10 میلی‌متر می‌باشند.
کانکتورهای استفاده‌شده در این کابل‌ها، در تست جفت‌سازی تصادفی (Random Mating) موفق به کسب رتبه‌ی B از استاندارد IEC 61753-1 شده‌اند؛ که نشان‌دهنده‌ی عملکرد بالا در رده‌ی صنعتی است.
در سمت دیگر، کابل‌های BIMMF (Bend Insensitive Multimode Fiber) نیز دارای افت درج معمولی 0.15 dB و شعاع خم حداقل 7.5 میلی‌متر هستند.
کابل‌های BIMMF به راحتی با فیبرهای چندمد استاندارد قابل اسپلایس یا اتصال هستند، بدون هیچ مشکلی در عملکرد.
نظر خود را وارد نمایید