انواع فیبر نوری؛ بررسی استانداردها، مشخصات فنی و کاربردها

فیبر نوری بستر اصلی انتقال اطلاعات در بسیاری از شبکه‌های مخابراتی مدرن است. در این راهنما، انواع فیبر نوری از نظر نحوه انتشار نور، پروفایل ضریب شکست، استانداردهای ITU-T، کلاس‌های OM و ساختار کابل بررسی می‌شوند.

۱. مقدمه

فیبر نوری (Optical Fiber) رسانه‌ای انتقالی است که اطلاعات را به‌صورت سیگنال نوری در یک موجبر دی‌الکتریک، معمولاً ساخته‌شده از شیشه سیلیکا با خلوص بالا، منتقل می‌کند. تلفات پایین، پهنای باند زیاد، وزن کم و مصونیت در برابر تداخل الکترومغناطیسی، این فناوری را به گزینه‌ای کلیدی برای شبکه‌های Backbone، مترو، دسترسی، FTTH، دیتاسنتر و سامانه‌های انتقال نوری تبدیل کرده است.

فیبرها بر اساس تعداد مدهای قابل انتشار، پروفایل ضریب شکست، مشخصات پراکندگی، حساسیت به خمش و الزامات کاربردی طبقه‌بندی می‌شوند. شناخت این تفاوت‌ها برای طراحی لینک، انتخاب کابل، محاسبه بودجه توان و ارزیابی کیفیت شبکه ضروری است.

۲. ساختار و نحوه عملکرد فیبر نوری

فیبر نوری متداول از سه بخش اصلی تشکیل می‌شود:

• هسته (Core): ناحیه مرکزی موجبر که انرژی نوری عمدتاً در آن هدایت می‌شود. در فیبرهای مالتی‌مود رایج، قطر هسته معمولاً ۵۰ یا ۶۲٫۵ میکرومتر است. در فیبر تک‌مد، به‌جای اتکا به قطر هندسی هسته، پارامتر قطر میدان مدی (MFD) اهمیت دارد که معمولاً در حدود ۸ تا ۱۰ میکرومتر است.
• غلاف نوری (Cladding): لایه شفاف پیرامون هسته با ضریب شکست کمتر. قطر خارجی غلاف در فیبرهای مخابراتی رایج معمولاً ۱۲۵ میکرومتر است.
• پوشش اولیه (Primary Coating): پوشش پلیمری محافظ برای جلوگیری از آسیب مکانیکی، رطوبت و تنش‌های محیطی. قطر پوشش در بسیاری از فیبرهای متداول حدود ۲۵۰ میکرومتر است.

در ساختار متداول Step-Index، ضریب شکست هسته از غلاف بیشتر است. در مدل ساده فیبر پله‌ای، عدد گشودگی (Numerical Aperture) از رابطه زیر محاسبه می‌شود:

در این رابطه، n₁ ضریب شکست هسته و n₂ ضریب شکست غلاف است. این رابطه برای محیط بیرونی هوا و تقریب متداول فیبر پله‌ای بیان شده است.

۳. فیبر نوری Single Mode و Multi Mode

۳-۱. فیبر تک‌مد (Single Mode Fiber – SMF)

فیبر Single Mode به‌گونه‌ای طراحی می‌شود که در محدوده کاری مشخص، تنها مد فضایی بنیادی را هدایت کند. این ساختار پراکندگی بین‌مدی را حذف می‌کند و برای انتقال داده در فواصل طولانی و ظرفیت بالا مناسب است.

ویژگی‌ها:

• تضعیف پایین در پنجره‌های مخابراتی، با توجه به نوع فیبر و طول موج؛
• مناسب برای لینک‌های طولانی، شبکه‌های Backbone و Metro؛
• پشتیبانی از سامانه‌های CWDM و DWDM؛
• کاربرد گسترده در FTTH، GPON و شبکه‌های انتقال OTN.

طول موج‌های رایج شامل ۱۳۱۰ و ۱۵۵۰ نانومتر هستند. در شبکه‌های دسترسی، بسته به فناوری، طول موج‌هایی مانند ۱۴۹۰ و ۱۵۷۷ نانومتر نیز به‌کار می‌روند.

۳-۲. فیبر چندمد (Multimode Fiber – MMF)

فیبر Multi Mode هسته بزرگ‌تری دارد و چندین مد فضایی نور را هدایت می‌کند. قطر هسته رایج آن ۵۰ یا ۶۲٫۵ میکرومتر است. این فیبر بیشتر در لینک‌های کوتاه‌برد مانند ارتباطات داخل دیتاسنتر، شبکه‌های محلی و اتصال سرورها به سوئیچ‌ها استفاده می‌شود.

در فیبرهای مالتی‌مود، پراکندگی بین‌مدی یکی از عوامل محدودکننده پهنای باند و فاصله است. فیبرهای Graded-Index این اثر را نسبت به طراحی Step-Index کاهش می‌دهند.

۴. طبقه‌بندی بر اساس پروفایل ضریب شکست

۴-۱. Step-Index Fiber

در فیبر پله‌ای، ضریب شکست هسته تقریباً ثابت است و در مرز هسته و غلاف به‌صورت ناگهانی کاهش می‌یابد. در نوع چندمد این ساختار، اختلاف مسیر و زمان انتشار مدها می‌تواند پراکندگی بین‌مدی قابل‌توجهی ایجاد کند.

۴-۲. Graded-Index Fiber

در فیبر با ضریب شکست تدریجی، ضریب شکست هسته از مرکز به سمت مرز غلاف به‌تدریج کاهش می‌یابد. این پروفایل باعث نزدیک‌تر شدن زمان رسیدن مدهای مختلف و بهبود پهنای باند فیبر چندمد می‌شود. بیشتر فیبرهای مالتی‌مود OM از ساختار Graded-Index بهره می‌برند.

۵. استانداردهای فیبر Single Mode در خانواده ITU-T G.65x

توصیه‌های ITU-T در خانواده G.65x مشخصات گروه‌های مختلف فیبر تک‌مد را تعریف می‌کنند. در انتخاب نهایی باید نسخه جاری توصیه‌نامه و دیتاشیت سازنده بررسی شود.

۵-۱. G.652 – فیبر تک‌مد استاندارد

G.652 از رایج‌ترین خانواده‌های فیبر تک‌مد در شبکه‌های مخابراتی است. طول موج پراکندگی صفر آن در محدوده تقریبی ۱۳۱۰ نانومتر قرار دارد و برای کار در پنجره ۱۵۵۰ نانومتر نیز مناسب است. زیرگروه‌های آن شامل G.652.A، G.652.B، G.652.C و G.652.D هستند.

G.652.D به دلیل مشخصات مناسب در محدوده طول موج گسترده‌تر و کاهش پیک تلفات ناشی از یون هیدروکسیل در حوالی ۱۳۸۳ نانومتر، در بسیاری از زیرساخت‌های جدید استفاده می‌شود.

۵-۲. G.657 – فیبر کم‌حساس به خمش

فیبرهای G.657 برای کاهش تلفات ناشی از خمش طراحی شده‌اند و در شبکه‌های دسترسی، کابل‌های Drop و نصب‌های داخلی با فضای محدود کاربرد دارند. زیرگروه‌های مهم شامل G.657.A1، G.657.A2، G.657.B2 و G.657.B3 هستند.

• G.657.A1 و G.657.A2: برای شبکه‌های دسترسی و با سازگاری مناسب با فیبرهای G.652.D طراحی شده‌اند.
• G.657.B2 و G.657.B3: برای کاربردهایی با شعاع خمش کوچک‌تر و شرایط نصب خاص در نظر گرفته شده‌اند.

۵-۳. G.655 – Non-Zero Dispersion-Shifted Fiber

در فیبر G.655، پراکندگی کروماتیک در محدوده کاری صفر نیست و در سطح کنترل‌شده‌ای نگه داشته می‌شود. این ویژگی می‌تواند در مدیریت اثرات غیرخطی در سامانه‌های WDM و DWDM مفید باشد.

۵-۴. G.654 – Cut-Off Shifted Fiber

خانواده G.654 برای دستیابی به تضعیف بسیار پایین، به‌ویژه در محدوده ۱۵۵۰ نانومتر، توسعه یافته است. این فیبر در لینک‌های طولانی و برخی سامانه‌های زیردریایی و زمینی با ظرفیت بالا کاربرد دارد. G.654.E از زیرگروه‌های شناخته‌شده برای کاربردهای انتقال زمینی پیشرفته است.

۵-۵. G.656 – Wideband Non-Zero Dispersion Fiber

G.656 برای سامانه‌هایی طراحی شده است که به پراکندگی غیرصفر کنترل‌شده در محدوده طول موجی وسیع نیاز دارند و در برخی کاربردهای انتقال چندطول‌موجه مطرح است.

۶. فیبرهای Multi Mode از OM1 تا OM5

کلاس‌های OM برای دسته‌بندی عملکرد فیبرهای چندمد، به‌ویژه پهنای باند مدی، به‌کار می‌روند. اعداد زیر حداقل پهنای باند مدی Overfilled Launch در طول موج ۸۵۰ نانومتر هستند؛ در فیبرهای لیزر-بهینه‌شده، پهنای باند مؤثر لیزری (EMB) نیز اهمیت دارد.

OM3 و OM4 برای سامانه‌های مبتنی بر VCSEL در طول موج ۸۵۰ نانومتر بهینه شده‌اند. OM5 علاوه بر مشخصات عملکردی در ۸۵۰ نانومتر، برای پشتیبانی از انتقال Wideband Multimode در محدوده تقریبی ۸۵۰ تا ۹۵۰ نانومتر تعریف شده است.

۷. پارامترهای فنی مهم در ارزیابی فیبر

۷-۱. تضعیف (Attenuation)

تضعیف میزان کاهش توان نوری در طول فیبر است و معمولاً با dB/km بیان می‌شود.

در این رابطه A تضعیف فیبر بر حسب dB، مقدار α ضریب تضعیف بر حسب dB/km و L طول فیبر بر حسب km است. برای مثال، فیبری به طول ۲۰ کیلومتر با تضعیف ۰٫۲۵ dB/km، به‌تنهایی ۵ dB افت دارد. این محاسبه افت کانکتورها، جوش‌ها، اسپلیترها و سایر اجزا را شامل نمی‌شود.

۷-۲. پراکندگی کروماتیک (Chromatic Dispersion)

پراکندگی کروماتیک به تفاوت سرعت گروهی مؤلفه‌های طول موجی سیگنال گفته می‌شود و موجب پهن‌شدن پالس نوری می‌گردد. واحد رایج آن ps/(nm·km) است و در طراحی لینک‌های پرسرعت و طولانی اهمیت دارد.

۷-۳. پراکندگی مد قطبشی (PMD)

PMD ناشی از تفاوت سرعت انتشار دو حالت اصلی قطبش است و می‌تواند تأخیر گروهی تفاضلی (DGD) ایجاد کند. مقدار آن در لینک‌های طولانی و سامانه‌های حساس به نرخ داده باید بررسی شود.

۷-۴. تلفات خمش (Bending Loss)

Macrobending به افت ناشی از خمش قابل‌مشاهده فیبر و Microbending به افت ناشی از تغییرشکل‌ها یا فشارهای موضعی کوچک گفته می‌شود. انتخاب فیبر کم‌حساس به خمش، رعایت شعاع خمش مجاز و اجرای صحیح کابل‌کشی برای کنترل این تلفات ضروری است.

۷-۵. قطر میدان مدی (MFD)

MFD اندازه مؤثر توزیع میدان نوری مد بنیادی در فیبر تک‌مد است. این پارامتر در سازگاری فیبرها، جوش فیوژن و تحلیل افت اتصال اهمیت دارد و با قطر هندسی هسته یکسان نیست.

۷-۶. طول موج قطع (Cut-off Wavelength)

طول موج قطع به رفتار تک‌مد یا چندمد فیبر مربوط است. در کاربردهای عملی، مقدار Cable Cut-off Wavelength باید طبق مشخصات استاندارد و دیتاشیت سازنده بررسی شود؛ زیرا شرایط کابل‌سازی و نصب می‌تواند بر رفتار مدی اثر بگذارد.

۸. انواع کابل فیبر نوری از نظر ساختار و محل نصب

نوع فیبر و نوع کابل دو مفهوم متفاوت‌اند. برای مثال، G.652.D ویژگی‌های فیبر را توصیف می‌کند؛ در حالی که ADSS و OPGW به ساختار کابل و کاربرد نصب اشاره دارند.

کابل ADSS

کابل All-Dielectric Self-Supporting برای نصب هوایی طراحی شده و فاقد اجزای فلزی است. انتخاب آن باید با توجه به طول دهانه (Span)، بار باد و یخ، کشش، خیز مجاز، شرایط محیطی و الزامات مکانیکی مسیر انجام شود.

کابل OPGW

کابل Optical Ground Wire در خطوط انتقال برق نصب می‌شود و هم‌زمان نقش سیم محافظ زمین و مسیر انتقال اطلاعات نوری را بر عهده دارد.

کابل زمینی (Underground)

کابل‌های زمینی با توجه به شرایط نصب ممکن است دارای آرمور فلزی، لایه‌های مقاوم در برابر رطوبت و محافظ مکانیکی باشند. این کابل‌ها در شبکه‌های شهری، بین‌شهری و Backbone استفاده می‌شوند.

کابل FTTH و Drop

کابل Drop برای اتصال شبکه توزیع نوری به محل مشترک استفاده می‌شود. در این کاربردها، فیبرهای تک‌مد و انواع کم‌حساس به خمش مانند برخی رده‌های G.657 رایج‌اند.

۹. راهنمای انتخاب فیبر نوری برای پروژه

برای انتخاب نهایی، مهندس طراح باید دست‌کم موارد زیر را بررسی کند:

1. طول مسیر و تعداد دهانه‌ها یا نقاط اتصال؛
2. نرخ انتقال داده و رابط‌های نوری مورد استفاده؛
3. طول موج کاری و تعداد کانال‌های WDM؛
4. بودجه توان نوری و حاشیه طراحی؛
5. تضعیف فیبر، جوش‌ها، کانکتورها و تجهیزات پسیو؛
6. پراکندگی کروماتیک و PMD در لینک‌های حساس؛
7. شرایط مکانیکی، محیطی و روش نصب؛
8. ظرفیت توسعه و نیازهای آتی شبکه.

۱۰. تست و ارزیابی کیفیت فیبر نوری

• OTDR Test: بررسی طول مسیر، محل رویدادها، جوش‌ها، کانکتورها، شکستگی‌ها و افت‌های موضعی.
• Insertion Loss Test: اندازه‌گیری افت انتها به انتهای لینک با منبع نوری و پاورمتر.
• Return Loss Test: ارزیابی بازتاب نوری در کانکتورها و اتصالات.
• Chromatic Dispersion Test: اندازه‌گیری پراکندگی کروماتیک در لینک‌های موردنیاز.
• PMD Test: اندازه‌گیری پراکندگی مد قطبشی در مسیرهای حساس.

۱۱. جمع‌بندی

فیبر نوری در انواع مختلفی برای نیازهای متفاوت شبکه‌های ارتباطی تولید می‌شود. شناخت تفاوت Single Mode و Multimode، استانداردهای G.652، G.657، G.655، G.654 و G.656 و کلاس‌های OM1 تا OM5 به مهندسان کمک می‌کند تا رسانه انتقال مناسب‌تری انتخاب کنند.

انتخاب صحیح تنها به نام استاندارد محدود نیست؛ تضعیف، پراکندگی، MFD، حساسیت به خمش، نوع کابل، شرایط نصب، تجهیزات فعال و قابلیت توسعه شبکه باید در کنار هم ارزیابی شوند.

دنیای ارتباطات ندا با تمرکز بر زیرساخت‌های مخابراتی، فناوری فیبر نوری و راهکارهای انتقال، در مسیر توسعه و تأمین راهکارهای ارتباطی پیشرفته فعالیت می‌کند.

پرسش‌های متداول

منابع پیشنهادی برای ارجاع: توصیه‌نامه‌های ITU-T در خانواده G.65x، استانداردهای IEC مربوط به فیبرهای نوری و دیتاشیت رسمی سازندگان فیبر.