هر آنچه که یک مدیر شبکه درباره فیبر نوری باید بداند؛ از تئوری تا عمل

در سال های اخیر استفاده از رسانه های فیبر نوری به شدت در حال افزایش بوده است به طوری که حتی سازمان های کوچک نیز ترجیح می‌دهند شبکه های خود را بر پایه این تکنولوژی بنا نهند. از طرفی قیمت تجهیزات این تکنولوژی نسبت به گذشته رو به کاهش بوده و استفاده از آن روز به روز گسترده تر می‌شود. در این راستا، مقاله ای را تدارک دیده ایم که هر آنچه یک مدیر شبکه در رابطه با تجهیزات فیبر نوری احتیاج به دانستن آنها دارد مورد بررسی و کنکاش قرار دهیم؛ در ادامه با ما همراه باشید.

 تعریف Core و Cladding و نقش آن در انتقال نور

همانطور که می دانید قبل از ابداع و بکارگیری فیبرهای نوری، انتقال سیگنال و داده ها تنها توسط الکترون ها انجام می‌شد که مرسوم ترین رسانه ها در این حوزه سیم های مسی هستند. اما در بحث شبکه و انتقال داده ها نیاز به رسانه هایی است که انتقال داده ها را با سرعتی بیشتر از سرعت الکترون ها انتقال دهد. بد نیست بدانیم که سرعت فوتون (نور) حدود صد برابر سرعت الکترون (برق) می‌باشد.

هسته های فیبر نوری  از جنس پلاستیک یا شیشه شفاف (دی اکسید سیلیکون) می‌باشند که طول موج های بالای 650 نانومتر در جنس شیشه ای آن هدایت می‌شوند. جهت انتقال نور در یک مسیر ما نیاز به دو محیط با چگالی و یا ضریب شکست مختلف داریم که نور از محیط با چگالی بیشتر با زاویه ای بیشتر از زاویه حد (Critical Angle) به سمت محیط با چگالی کمتر تابیده شود. در فیبر نوری این انتقال با کنار هم قرار گرفتن Core و Cladding میسر می‌شود. در واقع نوری با زاویه بیشتر از زاویه حد از درون هسته (Core) به سمت Cladding تابیده می‌شود و به دلیل این زاویه، نور نمی ‌تواند وارد محیطCladding  شود و به داخل هسته برگشت می‌کند و این حرکت زیگزاگ ادامه پیدا می‌کند تا نور در هسته به مسیر خود به سمت مقصد ادامه دهد.

در تصویر بالا نور از درون آب با ضریب شکست 1.33 به هوا با ضریب تقریبی 1 با زاویه های مختلف تابیده شده است و بازتاب آن ترسیم شده است. همانطور که مشاهده می کنید، زمانی که نور با زاویه ی 48.8 به سطح آب تابیده می‌شود، پرتوی بازتابش آن از آب خارج نشده و بر روی سطح افق آب قرار می‌گیرد که با سطح عمود تشکیل زاویه 90 درجه می‌دهد که به آن زاویه حد یا بحرانی می‌ گویند؛ یعنی اگر زاویه تابش از حد  48.8 درجه بالاتر رود، نور به داخل آب بازتابش می‌کند و به اصطلاح درون آب به تله می‌افتد. این قانون شکست نور دقیقا در انتقال نور در فیبر اتفاق می افتد که Core حکم آب و Cladding حکم هوا را خواهد داشت با این تفاوت که ضریب شکست Core حدودا برابر با 1.5 و ضریب شکست Cladding برابر با 1.4 می‌باشد.

البته باید در نظر داشت که نور از محیط بیرون (هوا) به مرکز سطح مقطع هسته تابیده می‌شود و سپس با یک شکست به درون هسته وارد شده و با زاویه ای بیشتر از زاویه حد به سمت Cladding حرکت می‌کند. حداکثر دهانه زاویه ای که نور تحت آن وارد فیبر می‌شود، زاویه پذیرش (Acceptance Angle) نام دارد. اگر نور خارج از این زاویه وارد فیبر شود، به داخل لایه Cladding نفوذ کرده و نمی‌تواند درون هسته حرکت کند.

Single Mode در برابر Multi Mode

 تکنولوژی های فیبر نوری با مشخصات، طول موج ها و حالت های مختلف طراحی می‌شود که اغلب گمراه کننده می‌باشند. اما تمام آنها به یکی از دو دسته ی نوع فیبر Single Mode و یا Multi Mode تقسیم می‌شوند که با شناسایی این دو نوع فیبر، ادامه مسیر برای شما راحت می‌شود و در واقع این موضوع در کار عملی بسیار حیاتی می‌باشد.

همانطور که در تصویر بالا مشاهده می‌کنید، مفهوم Single Mode و Multi Mode بازهم با Core و Cladding فیبر درگیر است. در واقع اکثر کابل های فیبر نوری از Cladding با قطر 125 میکرون بهره می‌برند و قطر هسته متغییر می‌باشد. هر میکرون برابر با یک هزارم میلی متر می‌باشد. در تصویر زیر هسته ی یک رشته از فیبر مالتی مود را مشاهده می‌کنید که پوشش Cladding آن جدا شده است؛ قطر Cladding تقریبا برابر با قطر موی انسان است!

کابل هایی که قطر هسته ی آنها بین 8 تا 10 میکرون است، تک حالته و یا “Single Mode” نامیده می‌شوند چرا که تنها قادر به ارسال یک پرتو از نور هستند. اما کابل هایی که قطر هسته ی آنها از 50 تا 62.5 میکرون است، کابل های چند حالته و یا "Multi Mode" نامیده می‌شوند چرا که قادر به دریافت و ارسال  چندین پرتو از نور به طور همزمان می‌باشند.

طول موج نور در رشته فیبرهای مالتی مود از 850 تا 1300 بوده و در فیبر های سینگل مود از 1310 تا 1625 نانومتر می‌باشد. بر خلاف فیزیک سیم های مسی که هر چه قطر افزایش پیدا کنید، مقاومت کاهش و جریان افزایش پیدا می‌کند، در فیبرهای نوری قطر بیشتر هسته باعث افت توان و پهن شدگی پرتوهای نور می‌شود. بر این اساس، پهنای باند و برد فیبرهای سینگل مود تا 100 برابر بیشتر از فیبر های مالتی مود است.

تصویر بالا نمایی از الگوی ارسال نور در فیبرهای مالتی مود با ضریب شکست مرحله ای( Graded Index) می‌باشد که امروزه مورد استفاده قرار می‌گیرند. به دلیل بالا بودن قطر هسته، پرتوهای نور مجبورند مسافت بیشتری را طی کنند و علاوه بر آن، پالس های نور که همزمان با زوایای مختلف وارد هسته شدند، نمی توانند به طور همزمان به مقصد برسند و همچنین بر روی هم افتادن پرتوها در بازتاب های مختلف باعث پهن شدگی سیگنال خروجی و تغییر شکل آن میشود. بر این اساس، از این نوع فیبرها نهایتا تا مسافت 1 کیلومتری استفاده می‌شود و پهنای باند آنها نهایتا تا 10 گیگابیت بر ثانیه می‌باشد. اما در فیبرهای سینگل مود به دلیل قطر بسیار پایین هسته، تنها یک پرتوی نور ارسال می ‌شود که مسیر طی شده تقریبا به صورت مستقیم می‌باشد.

شناسایی ماژول های فیبر نوری و وظیفه آنها در شبکه

ماژول‌های نوری نقش حیاتی را در انتقال داده در شبکه های فیبر نوری دارند. آنها سیگنال های دیجیتال را از دستگاه های شبکه دریافت و آنها را به پالس های نور تبدیل و ارسال می‌کنند و از آن طرف پالس های نوری را دریافت کرده و به سیگنال های دیجیتال تبدیل می‌کنند؛ بر این اساس، به آنها Transceiver و یا گیرنده/فرستنده نیز می‌گوییم.

منبع تولید پالس های نوری در ماژول های مالتی مود، دیود و یا لیزر می ‌باشد اما در ماژول های سینگل مود تنها از لیزر استفاده می‌شود. ماژول ها در انواع مختلف با توان، طول موج و برد های گونان ساخته می‌شود اما همگی به دو دسته ی سینگل مود و مالتی مود تقسیم می‌شوند. این نکته بسیار مهم است که تجهیزات مالتی مود و سینگل مود به هیچ عنوان باهم سازگاری ندارند و باید دقت نمود که مثلا اگر دو نقطه ی A و B با فیبر مالتی مود کابل کشی و متصل شده اند، ماژول ها، بریج ها،کابل های پچ و سایر اتصالات نیز باید مالتی مود باشند. رایج ترین نوع ماژول در شبکه های فیبر نوری، ماژول SFP می باشد؛ (Small Form Factor).

هر ماژول از دو بخش فرستنده (TX) و گیرنده (RX) تشکیل شده است؛ چراکه در هر اتصال ما نیاز به دو رشته فیبر برای ارسال و دریافت داده ها داریم. شناسایی ماژول ها نیز کار سختی نیست. مشخصات فنی آنها اعم از پهنای باند تا طول موج و برد آنها بر روی بدنه درج شده است. در تصویر بالا ما دو ماژول SFP سینگل مود میکروتیک داریم که پهنای باند 1.25Gb/s و برد 20 کیلومتری را پشتیبانی می‌کنند. عبارت DDM نیز بیانگر پشتیبانی ماژول از مانیتورینگ دیجیتال (Digital-diagnostic-monitoring) برای عیب یابی شبکه در انتقال داده ها می‌باشد. سر نام LC نیز به معنای پشتیبانی از کانکتور LC است. تنها تفاوت دو ماژول بالا، طول موج آنها در بخش فرستنده/ گیرنده می‌باشد که یکی 1660/1310 نانومتر بوده و دیگری بلعکس.راه ساده تر و در عین حال مطمئن برای تشخیص نوع ماژول از لحاظ سینگل و یا مالتی بودن، توجه به گیره نگهدارنده آنها می‌باشد. ماژول های سینگل مود اکثرا گیره ی آبی، زرد و در مواردی بنفش دارند اما ماژول های مالتی مود تماما از گیره ی مشکی برخوردار هستند. عبارات SMF و MMF بر روی برخی از ماژول ها نیز به ترتیب بیانگر سینگل مود و مالتی مود بودن آنها است.

پهنای باند، مسافت و تضعیف سیگنال در فیبرهای نوری

سوالی که بسیاری از دوستداران شبکه با آن درگیر هستند این است که واقعا سرعت انتقال اطلاعات در شبکه های فیبر نوری چقدر است. پاسخ این است که بحث سرعت حقیقی در شبکه به دو عامل بستگی دارد؛ یکی پهنای باند رسانه (کابل) و دوم حداکثر پهنای باند کاری گیرنده/فرستنده ها در شبکه می‌باشد. برای مثال اگر ما در شبکه ای از کابل های کواکسیال Cat6 استفاده کنیم که تا پهنای باند 10 گیگابیت بر ثانیه را پشتیبانی ‌کند و کارت شبکه 100 مگابیت بر ثانیه استفاده کنیم، سرعت حقیقی در شبکه ما به 100Mb/s محدود خواهد شد. در فیبر های نوری هم همین مسئله صادق است. عملی که کارت های شبکه در شبکه های کابل مسی انجام می‌دهند، "ماژول" ها در شبکه های فیبر نوری انجام می‌دهند.در رشته فیبرهای مالتی مود، پهنای باند 10Gb/s تا فاصله ی 300 متر، 1Gb/s تا فاصله ی 500 متر و 100Mb/s تا فاصله ی 2.4 کیلومتر پشتیبانی می‌شود و عملا مناسب شبکه های Lan می‌باشد. در فیبرهای سینگل مود به صورت تئوری محدودیت پهنای باند و مسافت وجود ندارد. اما در عمل، لیزرهای موجود در ماژول های سینگل مود پهنای باند 10Gb/s را تا فواصل 40 کیلومتری و 1Gb/s تا فواصل 120 کیلومتر پشتیبانی می‌کنند. امروزه استفاده از کابل های سینگل مود بسیار فراگیر است به طوری که مهندسین شبکه ترجیح می‌دهند حتی در فواصل کوتاه از این نوع کابل ها استفاده کنند.

میزان تضعیف سیگنال در ماژول های فیبر نوری با واحد dB/KM شناسایی می‌شود. و بسته به نوع طول موج و خلوص هسته فیبر، این میزان متغییر می‌باشد. بیشترین تضعیف سیگنال در فیبرهای مالتی مود ضریب پله ای (Step Index) با تضعیف 10 دسیبل در کیلومتر و کمترین تضعیف در حد چند دهم دسیبل در فیبرهای سینگل مود با طول موج 1550 نانومتر می‌باشد.شناسایی میزان تضعیف توان سیگنال از آنجا اهمیت پیدا می‌کند که ماژول های فیبر معمولا یک بودجه توانی (Power Budget) مشخص در واحد دسیبل دارند. این شاخص، میزان مجاز تضعیف سیگنال از زمان ارسال تا رسیدن به مقصد را مشخص می‌کند. اگر تضعیف از این حد بیشتر شود، اطلاعات به درستی به مقصد نمی‌رسند.در نمودار بالا مشاهده می‌کنید که پالس های نوری بر اثر عبور از مواردی همچون کانکتورها، رشته فیبر، نقاط جوش خورده (Splice ) و... تضعیف می‌شوند که این مقدار نباید از میزان بودجه توان بیشتر شود.

 کانکتورها و اتصالات کاربردی در فیبر نوری

زمانی که دو نقطه در شبکه ی ما فیبر کشی شد، رشته های فیبر به درون پچ پنل فیبر نوری رفته و تسط دستگاهی به نام Splicer (شکل بالا) به کابل های متصل به کانکتورهای پچ پنل فیوژن زده می‌شوند.

پس از این مرحله پچ پنل به درون رک نصب شده و آماده اتصال به دستگاه‌ های شبکه می‌شود. این اتصال توسط کابل هایی به نام پچ کورد و یا پچ جامپر انجام می‌شود.

پچ کورد ها با استفاده از ماژول های فیبر نوری به سویچ و دیگر ادوات شبکه متصل می‌شوند. البته برخی از دستگاه ها مانند بریج ها، از ماژول داخلی بهره می‌برند و پچ کورد مستقیم به آنها متصل می‌شود.

پچ کوردها با کاناکتورهای مختلف بر دو دسته ی سینگل مود و مالتی مود تقسیم می‌شوند. سریع ترین راه شناسایی ، رنگ آنها می‌باشد. پچ های سینگل مود به رنگ زرد بوده و پچ های کوردهای مالتی مود به رنگ نارنجی و در برخی موارد کم‌ استفاده به رنگ آبی کمرنگ می‌باشد.

تا کنون کانکتورهای زیادی برای استفاده در اتصالات فیبر نوری ساخته شده است اما تنها چند مورد از آنها در اکثر شبکه ها امروزی مورد استفاده قرار می‌گیرند که شامل کانکتورهای ST,SC,LC و MTRJ می‌باشد.‌

عیب یابی در شبکه های فیبر نوری

 یکی از وظایف مدیران شبکه، عیب یابی و نظارت بر عملکرد صحیح شبکه می‌باشد. شبکه های فیبر نوری نیز از این قاعده مستثنی نیستند و دچار خرابی می‌شوند. بیشتر خرابی های شبکه های فیبر نوری مربوط به کثیفی اتصالات و یا قطعی در کابل های پچ می‌باشد. پس در هنگام خرابی شبکه ی خود در قدم اول کانکتورها را چک کرده و سپس پچ کورد ها را بررسی نمایید.

نکته مهمی که در حوزه عیب یابی کابل های فیبر نوری باید بدانید، شعاع خم آنهاست؛ حداقل شعاعی که کابل می‌تواند بدون آسیب خم شود. اکثر کابل های فیبر نوری از حداقل شعاع خم 3 سانتی متر پیروی می‌کنند. یعنی اگر انحنای کابل ادامه پیدا کرده و تشکیل یک دایره بدهد، قطر دایره نباید کمتر از 6 سانتی‌متر شود، در غیر اینصورت در مرحله اول کابل دچار ترک های مویی شده و در نهایت باعث شکستی کامل هسته فیبر می‌شود.

به عنوان یک مدیر شبکه شما نیاز به تجهیزات گران‌قیمت جهت عیب یابی شبکه فیبر خود نخواهید داشت، اما تهیه یک لیزر با برد مناسب، 90 درصد از مشکلات شما را حل می‌کند. شما به راحتی می‌توانید تمام پچ کوردها و کابل های خود را به واسطه این لیزر تست کرده و نقطه دقیق قطعی آن را پیدا کنید.

ماژول ها نیز گاهاً بر اثر ضربه و یا نوسانات برق دچار خرابی و قطعی می‌شوند که در این موارد بهتر است ماژول را جابجا و یا از یک بریج نوری جهت تست اتصال شبکه استفاده کنید. در مواردی که ماژول به طور کامل قطع می‌شود نور قرمز رنگ درون آن نیز قطع می‌شود که می‌توانید با چشم غیر مسلح آن را بررسی کنید.

سخن پایانی

در این مقاله سعی شد تا به دور از پیچیدگی ها تکنولوژی فیبر نوری، مطالبی ارائه شود که مدیران شبکه بتوانند در عمل از آن بهره بگیرند. مطالب به گونه ای تدوین و ارائه شد که حاصل تجربه نگارنده در جایگاه مدیر شبکه و تئورهای لازم جهت درک بهتر مطالب درهم آمیخته شود تا بهترین بازدهی و استفاده را برای شما به همراه داشته باشد. با این حال ادعا بر این نیست که مقاله بدون نقص بوده و در این راستا شما را دعوت می‌کنیم که جهت پرسش و پاسخ، بحث و گسترش  دانش خود در این حوزه، به این تاپیک در انجمن شهر سخت افزار مراجعه نمایید.