خمش در فیبرهای نوری

همان‌طور که مطلع هستید، به دلیل رشد و نیاز روزافزون به شبکه‌های مخابراتی پهن‌باند و پرسرعت، به خصوص شبکه‌های نوری نظیر FTTX، شاهد افزایش استفاده از فیبرهای نوری هستیم. لازم به ذکر است که جدا از شبکه‌های تمام نوری FTTX، ارتباط بین ایستگاه‌های موبایل (BTS) شبکه‌های پرسرعت 4G و 5G نیز می‌تواند توسط فیبرهای نوری برقرار شود.

یکی از مهم‌ترین مسائلی که به هنگام استفاده و نصب از فیبرهای نوری باید به آن توجه داشت، میزان خم‌شدگی آن یا همان قضیه خمش در فیبرهای نوری است. فیبرهای نوری به دلیل ساختار شیشه‌ای بسیار نازک هسته، مستعد شکستگی در اثر خمش بیش از حد مجاز هستند. شکستگی در فیبرهای نوری یکی از عامل‌های مهم تلفات توان محسوب می‌شود. شکستگی و ایجاد نقص در ساختار هسته در اثر خمش زیاد، حتی در فیبرهای نوری پلاستیکی نیز قابل مشاهده است.

 

شعاع خمش در فیبرهای نوری

 

همان‌طور در بالا اشاره کردیم، فیبرهای نوری که در شبکه‌های پهن‌باند به خصوص شبکه‌های FTTX استفاده می‌شوند، ساختاری شیشه‌ای (دی‌اکسید سیلیکون) و بسیار نازک دارند. به عنوان مثال، قطر هسته فیبرهای نوری سینگل مُد (Single Mode) چیزی حدود 5 الی 10 میکرون  است. چنین ساختار نازک و حساسی به راحتی در اثر خمش دچار شکستگی می‌شود. شکستگی و ایجاد نقص در ساختار هسته، باعث تلفات قابل توجه توان سیگنال می‌شود. تصویر زیر نشت نور در اثر خمش زیاد، که به منزله افت توان سیگنال در مخابرات نوری است را نشان می‌دهد.

 

 

 

رعایت شعاع خمش متناسب با استاندارد و نوع فیبر نوری، یکی از مهم‌ترین مسائلی است که کارشناسان عملیات پسیو به هنگام نصب فیبرهای نوری، باید به آن توجه کنند. به طور مثال، نصب فیبرهای نوری در ساختمان‌ها و واحد‌های مسکونی یا پچ‌پنل (Patch Panel)های فیبر نوری باید با دقت مناسب و رعایت شعاع خمش صورت گیرد.

در مخابرات فیبر نوری، عبارت شعاع خمش، به میزان خمش مجاز فیبر نوری اشاره دارد. به عبارت دیگر، حداکثر مقداری که یک فیبر نوری می‌تواند بدون آسیب دیدن خم شود، به شعاع خمش موسوم است. در صورتی که یک فیبر نوری بیش از حد مجاز شعاع خمش خود، خم یا تابانده شود، هسته‌ آن دچار شکستگی و ترک‌های ریز و درشتی می‌شود که خود باعث افت توان سیگنال در محل شکستگی‌ها و از دست رفتن اطلاعات می‌شود.

 

 

 

لازم به ذکر است که جدا از بحث میزان خمش مجاز فیبرهای نوری، کشش، فشار و ضربه به فیبرهای نوری نیز باعث ایجاد نقص در ساختار هسته فیبر و ظهور ترک‌های بسیار ریز (Micro Cracks) می‌شود. این امر که به ریز خمش (Micro Bend) موسوم است، خود عاملی مهم در بحث افت توان سیگنال به شمار می‌رود.

میزان خمش مجاز فیبرهای نوری را با عبارت شعاع خمش مینیموم (Minimum Bend Radius) بیان می‌کنند. همان‌طور که از عنوان عبارت مشخص است، کوچک‌ترین شعاع مجاز برای خم شدن یک فیبر نوری، شعاع خمش مینیموم (حداقل) نام دارد. به عنوان مثال اگر شعاع خمش مجاز یک فیبر نوری 5cm باشد، فیبر مذکور توانایی حداکثر خم شدن تا شعاع 5cm را دارد و اگر آن را مثلاً 4cm خم کنیم، دچار شکست می‌شود. البته برحسب تجربه، پیشنهاد می‌شود تا طراحی‌ شبکه و پیش‌بینی مکان قرارگیری فیبرهای نوری، به گونه‌ای انجام شود تا فیبرهای نوری حتی تا مرز شعاع مجاز خمش نیز خم نشوند. چرا که ممکن است خم شدگی در شعاع‌هایی نزدیک شعاع خمش مجاز، خود باعث ظهور میکروترک‌ها شود.

استاندارد ANSI/TIA/EIA-568B.3 ، برای فیبرهای نوری مخابراتی 50/125 و 62.5/125 میکرون، میزان شعاع خمش مینیموم و حداکثر تنش یا کشش مجاز را تعیین می‌کند.

 

محاسبه شعاع خمش

 

به طور کلی، مقدار شعاع خمش مجاز کابل، به نوع کابل، قطر خارجی () و وضعیت کابل تحت فشار  و نیرو کششی (tensile load) به هنگام نصب و بعد از نصب ارتباط دارد. فرمول کلی جهت محاسبه شعاع خمش به صورت زیر است:

 Minimum Bend Radius   = Cable Outer Diameter x Cable Multiplier

پارامتر ضریب کابل (Cabnle Multiplier) با توجه به استانداردهای ساخت و نوع کابل تعریف می‌شود. برای کابل‌های فیبر نوری، شش برابر کابل‌هایی با کابل ریت (cables rated) 5000 ولت یا کمتر و هشت برابر کابل‌هایی با کابل ریت بیش از 5000 ولت است.

 

فیبرهای نوری با قابلیت خم‌شوندگی زیاد (Bend Insensitive Fiber Optic)

 

دسته‌ای از فیبرهای نوری با قابلیت خم‌شوندگی زیاد وجود داشته که به گونه‌ای طراحی شده‌اند تا در صورت خم‌شدگی بیش از حد مجاز شعاع خمش، سیگنال اپتیکی را کمترین افت توان انتقال دهند. این گونه از فیبرها به BIF موسوم هستند.

ساختار اطراف هسته فیبرهای نوری BIF به گونه‌ای است تا نور خارج شده از هسته در اثر خمش زیاد را به هسته برگرداند. البته این عمل به خوبی و به طور کامل انجام نمی‌گیرد و نمی‌توان گفت که این نوع فیبرها هیچگونه تلفاتی در اثر خم‌شدگی زیاد نخواهند داشت. فیبرهای BIF صرفاً جهت کاهش تلفات در نقاطی که مجبور به خمش بیش از حد مجاز هستیم، استفاده می‌شود.

 

 

به طور کلی، فیبرهای BIF به میزان بیشتری از فیبرهای نوری مخابراتی معمولی توانایی خم شدن داشته و اغلب در مراکز داده و پروژه‌هایی با محدودیت فضایی استفاده می‌شوند. 50/125 MMF (OM3 and OM4) و9/125 SMF دو نوع از فیبرهای BIF هستند.

 

 

  Bend Insensitive Multi Mode Fiber Optic Cable (BIMMF)

 

فیبرهای نوری چند مد (Multimode) در مراکز داده و Backbones داخلی کاربردهای فراوانی دارند. همان‌طور که می‌دانید، امروزه کیفیت لینک‌های مخابراتی به خصوص در مکان‌هایی نظیر مراکز داده از اهمیت بسیار زیادی برخوردار است . فیبرهای نوری چند مُد با قابلیت خمش زیاد (BIMMF)، افت توان سیگنال در اثر خمش‌های زیاد را به حداقل رسانده که این امر قابلیت اطمینان سیستم (Reliability) را افزایش و مدت زمان کارافتادگی (Down Time) را کاهش می‌دهد. این نوع فیبرهای نوری در انواع مختلف OM2، OM3 و OM4 موجود و بهینه شده اند و تا ده برابر میزان افت توان در اثر خمش را نسبت به فیبرهای نوری معمولی کاهش می‌دهند . به طور مثال نوعی از این فیبرها را تا می‌توان تا شعاع 7.5mm خم کرد که در طول موج 850nm دارای افت توان 0.2dB و در طول موج 1300nm دارای افت توان 0.5dB می‌باشد.

 

Bend Insensitive Single Mode Fiber Optic Cable (BISMF)

 

این نوع از فیبرهای نوری که در سال 2007 معرفی شدند، همانند مدل‌های چند مُد، توانایی به حداقل رساندن تلفات توان را در خمش‌های زیاد، پیچ خوردگی و کشش دارند. استاندارد G.657 سازمان ITU مدل‌هایی از فیبرهای نوری سینگل مد غیر حساس به خمش زیاد را به شرح زیر مشخص کرده است:

• G.657 A1 : حداقل شعاع خمش 10mm
• G.657 A2/B2 : حداقل شعاع خمش 7.5mm
• G.657 B3 : حداقل شعاع خمش 5mm

در مقام مقایسه، فیبر نوری سینگل مد G.652 دارای حداقل شعاع خمش 30mm است. امروزه در در مراکز داده با چگالی بالای کابل و فضای محدود، فیبرهای BISMF گزینه‌ای مناسب و حتی حیاتی هستند.

 

 

 

 

مزایای فیبرهای نوری غیرحساس به خم‌شدگی زیاد (Bend Insensitive Fiber Optic)

 

انعطاف پذیری و نصب راحت (Flexible Installations)

همان‌طور که پیشتر گفته شد، فیبرهای نوری BIF جهت نصب در مکان‌هایی با محدودیت فضا گزینه‌هایی مناسب هستند. فیبرهای نوری BIF را میتوان به راحتی در اطراف و درون دیوارها، ستون‌ها، داکت‌ها (ducts) و سطوح ناهموار ساختمانی بدون نگرانی از تلفات بالا ، نصب کرد.

 

عملکرد عالی (High Performance)

استفاده از فیبرهای نوری BIF این اطمینان را به ما می‌دهد که پهنای‌باند بالا در تمام مسیر لینک مخابراتی فیبر نوری فراهم و افت تلفات به حداقل برسد. فیزیک فیبرهای نوری BIF به گونه‌ای است که در مکان‌های خم شده، نور یا سیگنال اپتیکی خارج شده از هسته فیبر، به هسته بازگشته (بدیهی است که مقداری افت توان وجود دارد) و به مسیر خود ادامه می دهند .

 

مقاومت بالا (Great Resilience)

فیبرهای BIF به هنگام نصب و ثابت شدن توسط بست‌ها و اتصالات از خود مقاومتی بالا در مقابل فشار و کشش نشان می‌دهند.

 

هزینه افزوده کم (Small Incremental Cost)

هزینه تهیه فیبرهای BIF در مقابل سایر فیبرهای نوری معمولی چندان زیاد و محسوس نیست.

 

قابلیت فیوژن شدن (Same Splicing Methods)

فیبرهای نوری BIF همانند سایر فیبرهای نوری به همان روش‌های معمول قابلیت فیوژن شدن و اتصال به یکدیگر را دارند.

 

 

سازگاری فیبرهای نوری BIF

 

می‌توان گفت که مهم‌ترین ویژگی فیبرهای نوری BIF قابلیت خم شدگی زیاد آن‌ها است. سوالی که ممکن است مطرح شود، این است که آیا فیبرهای نوری BIF با سایر فیبرهای نوری سازگاری دارد ؟ به عنوان مثال آیا می‌توانیم یک فیبر نوری BISMF را به یک فیبر نوری سینگل مد معمولی (SMF) فیوژن و متصل کنیم ؟

در اینجا توجه به قطر هسته‌های فیبر بسیار حائز اهمیت است. در خصوص فیبرهای نوری سینگل مد BISMF و SMF، از آنجایی که تنها یک مُد (حالت) از فیبر گذر می‌کند، ساختار اطراف هسته فیبرهای BISMF تاثیری بر سیستم ندارد. به عبارت ساده‌تر فیبرهای نوری سینگل مد را با اطمینان نسبتاً خوبی می‌توان به یکدیگر متصل کرد.

اما در خصوص فیبرهای نوری مالتی مد، توجه به قطر هسته اهمیت بسیار بیشتری پیدا می‌کند. قبل از اتصال فیبرهای نوری مالتی مد به یکدیگر، بهتر است که مشخصات فیزیکی دو فیبر به صورت دقیق بررسی شوند.

 

فیبرهای نوری BIF از نوع  (Shetab Bend Insensitive Fiber Optic)

 

این نوع از فیبرهای نوری قابلیت خمش بسیار زیادی داشته و ساختار فیزیکی آن به گونه‌ای است تا در خمش‌های بسیار تند، دچار نقص ساختار و میکروترک نشود. این کابل‌ها در دو نوع simplex و duplex با کانکتورهای SC و LC و گزینه‌های UPC و APC در دسترس هستند. در جدول زیر برخی از فیبرهای نوری  shetab آمده است .

 

 

Fiber Jacket	Fiber Type	Fiber Mode	Connector	Length    Fiber	Product ID
PVC	Duplex	SMF 9/125μm	SC UPC to SC UPC	10m	59976
PVC	Duplex	SMF 9/125μm	LC APC to LC APC	1m	59834
		SMF 9/125μm	LC UPC to SC UPC	10m	59671