پروژه فیبر نوری و شبکه اترنت 10 گیگا بایتی

مقدمه

با ایجاد شبکه های ارتباطاتی اترنت 10 گیگابایتی، طراحان شبکه به دلیل وجود محدودیت های فیزیکی مربوط به فیبرهای نوری با مسایل و مشکلات جدیدی روبرو شدند. به سبب افزایش نرخ تبادل اطلاعات (data) آثار و نتایجی مربوط به طبیعت فیزیکی فیبرهای نوری از قبیل ایسپرسیون (تفرق) شامل اینتر مدال، تفرق کروماتیک یا پلاریزاسیون، مشکلاتی را بر سر راه طراحان بوجود آورده و این مسایل به عنوان یکی از شاخص های قابل توجه در خطوط ارتباطی شبکه های نسبتاً دور 10 گیگایتی به هنگام طراحی مدارهای الکترونیکی در نظر گرفته می شوند. در این مقاله در ابتدا به شرح دنیای فیبرهای نوری پرداخته سپس به عنوان نمونه طرح یکی از شبکه های 10 گیگا بایتی را مورد بررسی قرار خواهیم داد.

Fiber 101

فیبر 101

بطور کلی فیبرهای نوری به دو دسته کلی تقسیم می شوند.

فیبرهای مالتی مد و فیبر های تک مد Single mode ]فیبرهای ساده و مرکب[ لازم به ذکر است که هر دو نوع فیبر بطور گسترده در شبکه های ارتباطاتی و خطوط ارسال دیتا کاربرد دارند و به نحو گسترده ای از آنها استفاده شده است.

این دو نوع فیبر نوری از دهه 70 میلادی بازار تجاری فیبرهای نوری را قبضه کرده اند. اصولاً وجه تمایز این فیبرها و به عبارتی علت نامگذاری این خطوط بر اساس تعداد مدهای قابل گذر و موجود در هسته این فیبرها شکل گرفته است. درحقیقت مد Mode عبارتست از مسیری که موج نوری از طریق آن (از درون فیبر) گذرمی کند. یک فیبر نوری مالتی مد امکان گذر و جابجایی چندین دسته نوری را بطور همزمان فراهم می سازد در حالیکه از یک فیبر تک مد (Single) تنها یک دسته نور میتواند عبور کند.

در فیبرهای مالتی مد زمان انتشار و گذر هر دسته نور (طور موج) در طور رشته فیبر با دیگری تفاوت دارد که این متولد به تفرق یا پراکنش میان مد (Intermodal) معروف می باشد به تفاوت تاخیر زمانی میان مدهای مختلف PMD(یا تاخیر مد دیفرانسیلdifferentiak Mode Delay گفته می‏شود.

DMD پهنای باند یا وسعت گذردهی فیبرهای چند مدی در محدود می سازد این مقوله بسیار حائز اهمیت می باشد چرا که شاخصی پهنای باند ظرفیت گذردهی اطلاعاتی را تعیین می نماید به عبارت دیگر این شاخص حد نهایی کارآیی سیستم های انتقال اطلاعاتی را در سرعت انتقال دیتا بر حسب بیت دون بروز خطا مشخص می سازد.

دسته شعاع های نوری در امتداد هسته فیبرنوری جابجای می شوند روکش یا پوشش درواقع لایه ای است که هسته را احاطه کرده است. این لایه به شکلی ساخته شده که مانع از خروج دسته پرتو نوری از درون هسته به خارج گردد. هنگامیکه دسته پرتو نوری درون هسته به این لایه برخورد پیدا می‏کند به درون هسته بازتاب می گردد. شرایط بازتاب کلی نوری (پدیده ای که مانع از خروج دسته پرتو نوری از هسته می گردد) بستگی به دو عامل یعنی زاویه تابش پرتورهای نوری و ضریب شکست لایه محافظ دارد. ضریب شکست (n) فاقد واحد (دیمانسیون) می باد و عبارتست از نسبت سرعت حرکت نور در یک محیط ویژه به سرعت حرکت همان دسته نور در خلاء جهت حبس یک دسته پرتو نوری درون هسته لازم است تا ضریب شکست لایه محافظ (n1) از ضریب شکست هسته کوچکتر باشد.

برعکس در فیبرهای چند مد قطر هسته و لایه محافظ به عنوان شاخص های شناسایی مد نظر قرار میگیرند. به عنوان مثال فیبری با قطر هسته 5/62 میکرون ولایه محافظ (بازتاب) 125 میکرون تحت عنوان فیبر 125*5/62 میکرون نامگذاری میشود. انواع مرسوم فیبرهای چند مد دارای قطر هسته برابر 50 یا 5/62 میکرون و قطر لایه محافظ 125 میکرون می‏باشند. قطر لایه محافظ در انواع تک مد 125 میکرون می باشد.

فیبرهای تک مد توانایی حمل یک دسته موج نوری را داشته و به همین علت پدیده تفرق درون مد نیز در آنها  مشاهده نشده پس پهنای باند نیز در آنها نسبت به انواع مالتی مد وسیعتر می باشد به همین علت می توان با استفاده از انوع فیبرهای نوری تک مد حجم مشخص از اطلاعات را در مسافتی دورتر و با سرعتی بیشتر نسبت به انواع مالتی مد ارسال نمود. به همین علت در صنایع ارتباطی با ترافیک سنگین تنها از انواع تک مد استفاده می‏شود ودر اغلب شبکه های ارتباطی شهرهای بزرگ (ابر شهرها) و حومه آنها از این نوع فیبرها استفاده می‏شود. در خطوط ارتباطی دور دست، شبکه وسیعی از این نوع کابل ها درزیر خیابان ها، مزارع ذرت، تونل های تلفن  و غیره نقاط مختلف کشور را به هم مربوط ساخته است.

اگر چه انواع تک مد برای پهنای باند وسیعتری می‏باشند اما در عوض انواع چند مد امکان انتقال اطلاعات با سرعت بسیار زیاد را در خواص محدود فراهم می سازند. از سوی دیگر قطر کوچک هسته فیبرهای تک مد سبب ایجاد مشکلاتی درکوپل نمودن انرژی نوری مطلوب در فیبر می گردد. به علت امکان انتخاب محدوده وسیعتری از خطاهای احتمالی به هنگام کوپل نمودن انواع فیبر چند مد می توان از فرستنده هایی با ضریب خطا بالاتر و در نتیجه ارزانقیمت تر بهره برد و در نتیجه از مولدهای نوری یا لیزری ارزانقیمت تری نیز استفاده نمود. با توجه به دلایل فوق می توان دریافت که استفاده از انواع فیبرهای چند مدی در فواصل کوتاه و شبکه های LAN از مزیت های بیشتری برخوردار می باشد.

Optical Fiber Standardization

استاندارد نمودن فیبرهای نوری

مجموعه ای از سازمانهای داخلی و بین المللی مسئولیت مدیریت و بررسی فیبرهای نوری فاقد پوشش خارجی و یا انواع کابلهای نوری را چه در مرحله تولید و چه در شرایط کاری به عهده دارند. منشور نهایی و برگزیده ارائه شده از سوی رای سازمان ها را می توان در چند اصل مهم و اساسی خلاصه نمود. با ارائه استانداردهای مربوط به ارسال پیام ها از طریق فیبرهای نوری ماند دیسپرسیون مدال نقطه شکست طول موج و تضعیف نیرو، امکان حصول اطمینان از سوی فروشنده و خریداراز لحاظ تضمین ظرفیت ها و همچنین اطمینان از صحت عملکرد و پایداری سیستم ها فراهم خواهد آمد. در این بین تولید کنندگان و طراحان نیز می توانند با ارائه محصولات متنوع و توسعه سیستم ها، انعطاف بیشتری از خود نشانداده و بازار مصرف متنوع تری را بوجودآورند. و ضمن ثبت این استانداردها تجارت بین المللی را نیز تقویت نمایند.

به غیر از مشخصات مکانیکی و نحوه تولیدکابل های نوری ومشخصات وابسته که تحت عنوان استانداردهایموجوددرارتباط با هر کابل نوری ارائه می‏شود شاخص هایی از قبیل پهنای باند، ضریب تضعیف سیگنال (attenuation) در مورد فیبرهای مالتی مد، ضریب تضعیف سیگنال، پراکنش کروماتیک و شکست پهنای موج در مورد فیبرهای تک مد نیز به هنگام عرضه فیبرهای نوری مورد توجه قرار می گیرند. جهت بررسی این اصطلاحات و شاخص‏ها به ضمیمه مراجعه شود.

سیستم های استاندارد سازی در ارتباط با فیبرهای نوری عبارتند از:

سازمان بین المللی استاندارد ISO

این سازمان جهت استاندارد نمودن تشکیل شده و در سطح جهان بیش از 90 شعبه دارد. جهت استاندارد نمودن فیبرهای نوری و اطلاعات مربوطه، سازمان IEC,ISO ضمن تشکیل کمیته فنی مشترک (Jtc)، استانداردهای لازم را ارائه کرده اند.

کمیسیون بین المللی فنی، الکتریکی IEC

این سازمان در زمینه سیستم های الکترونیکی و صنایع ارتباطی فعالیت نموده و در 50 کشور جهان عضو و شعبه دارد. در ارتباط با فیبرهای نوری شبکه های ارتباطی اترنت 10 گیگابایتی استاندارد IEE802.3 و ISO/IEC 1787 برای فیبرهای نوری مورد استفاده در این سیستم ها ارائه شده است. همچنین جهت بررسی جزئیات دقیق مربوط به فیبرهای نوری استاندارد IEC 60713-2 ارائه گردیده است.

اتحادیه صنایع ارتباطاتی و مخابراتی TLA

TLA زیر چتر اتحادیه صنایع الکترونیک EIA فعالیت نموده و بر مسایلی چون صنایع ارتباطاتی و مخابراتی و تکنولوژی اطلاعاتی متمرکز شده است TLA در اصل به عنوان صنایع تلفن و ارتباطات غیر وابسته و غیر متعهد ایالات متحده آمریکا شروع به فعالیت خود اما بعدها به سبب گستردگی این صنعت و مسایل فنی موجود در سطح جهانی به فعالیت پرداخت TLA به همراه سازمان ملی استاندارد ایالات متحده آمریکا TLA به ارائه استانداردهای مربوط به فیبرهای نوری و دستورالعمل های آزمون سیستم ها پرداخته است.

اتحادیه مخابرات بین المللی ITU

ITU در حقیت در سازمان ملل متحده شکل گرفت و همانند ISO دارای اعضاء مختلفی در سطح بین المللی می باشد. بیش از 180 کشور در ITU  عضویت دارند.

ITU در حقیقت در سازمان ملل متحده شکل گرفت و همانند ISO دارای اعضاء مختلفی در سطح بین المللی می باشد.بیش از 180 کشور در ITU عضویت دارند. ITU فیبرهای نوری تک مد را تحت استانداردهای C633, C632، استاندارد نموده و چه تولید کننده و چه خریداران همگی از این استانداردها پیروی می کنند.

Multimide fibers

فیبرهای مالتی مد

فیبرهای مالتی مد اکثراً در فواصل نزدیک و در شبکه های ارتباطی که حداکثر 2 کیلومتر از یکدیگر فاصله داشته باشند مورد استفاده قرار می گیرند (LAN). پس از ارائه استاندارد FDDI (اینترفیس انتقال و توزیع و توزیع دیتا در فیبرهای نوری) استفاده از فیبرهای چند مد (مالتی مد) 125*5/62 میکرون رواج یافت FDDI توسط ANSI در دهه 80 میلادی ارائه شده و بدین ترتیب استفاده ازفیبرهای مالتی مد 5/62 در شبکه های LAN دانشگاهی رایج شد.

فیبر های مالتی مد FDDI هم اکنون دربسیاری از سیستم های ارتباطی از قبیل اترنت، ATM , token ring و همچنین استاندارد کابل سازی tIA/ALM 586/A کاربرد دارد.

در حین توسعه استاندارد FDDI انواع مختلفی از فیبرهای مالتی مد و تک مد جهت استفاده در سیستم های LAN در حداکثر فاصله 2 کیلومتر و انتقال ارتباطات در سطح 100Mbps (125مگابایت) مورد توجه قرار گرفتند.