آشنایی با فیبر نوری و نحوه ی پیدایش کابل فیبر نوری

3

فیبر نوری یک رشته باریک و بلند است که از یک ماده شیشه یا پلاستیک مانند که دارای شفافیت است ساخته شده است و قادر است نور ورودی از یک سر را از خود عبور داده و از سر دیگرش خارج نماید. کابل فیبر نوری با عناوین تار نوری و Optical Fiber نیز شناخته می شود. فیبر نوری در مقایسه باکابل‌های معمولی از پهنای باند بسیار بالاتری برخوردار است، فیبر نوری کمک می کند که انتقال اطلاعات تصویر، صوت و سایر اطلاعات به آسانی با پهنای باند زیاد تا ۱۰ گیگابیت بر ثانیه و حتی بیشترانجام گیرد. در حال حاضرمخابرات فیبر نوری به خاطر پهنای باند گسترده نسبت به کابل های مسی و همینطور تاخیر کمتر نسبت به مخابرات ماهواره ای از اساسی ترین ابزار انتقال داده هابشمار می رود.

تاریخچه تولید فیبر نوری

جرقه ی استفاده از نور برای انتقال داده نخستین بار در قرن های گذشته در ذهن اشخاصی زده شد که منتشر شدن نور را در جو زمین آزموده بودند. ولی مانع های گوناگونی همچون برف، باران، گرد و خاک، مه،دود و… در انتشار داده های نوری در جو اختلال ایجاد کردند. چندی بعد ایده ای مطرح شد تحت عنوان استفاده از لوله و کانال جهت هدایت نور به این صورت که با استفاده از آینه‌ و عدسی‌های متعدد نور را در داخل این کانالها عبور داد،ولی مشکلی که وجود داشت این بود که تنظیم این آینه‌ها و عدسی‌ها کار بسیارسخت و تقریبا غیر ممکن بود. به همین دلیل این ایده مردود اعلام شد.

می توان گفت که الکساندر گراهام بل نخستین کسی بود که برای تکامل سیستم ارتباط نوری گامی مهم برداشت . الکساندر گراهام بل در سال ۱۸۸۰، دقیقا۴ سال بعد از اختراع تلفن، تلفن نوری (فوتوفون) یا سیستمی که صدا را تا مسافت های چند صد متری انتقال می داد رااختراع نمود. طرز کار تلفن نوری بر اساس مدوله کردن نور خورشیدمنعکس شده با به ارتعاش در آوردن آینه ایمی باشد. یک فتوسل گیرنده بود. در روش فوق نور در هوا منتشر می گردید و در نتیجه انتقال داده ها بیشتر از ۲۰۰ متر امکان پذیر نبود. این محدودیت منجر شد که دستگاه بل علیرغم کار کردن ظاهری نتواند از نظر تجاری به موفقیت دست یابد.

Daniel Colladonو Jacques Babinetبرای نخستین بار در سال۱۸۴۰ در شهر پاریس پیشنهاداستفاده از انکسار (شکست) برای هدایت نور (که مبنای فیبرهای نوری کنونی می باشد) مطرح شد. علاوه بر آن در سال ۱۸۷۰ John Tyndall در کتاب خود به تفسیر ویژگی بازتابی کلی پرداخت: «زمانی که نور از هوا به آب وارد می شود به طرف خط عمود بر سطح متمایل می‌شود و زمانی که از آب خارج و به هوا وارد می شود از خط عمود دور می شود. در صورتی که زاویه ی پرتو نور با خط عمود در تابش از داخل آب از ۴۸ درجه بزرگتر شود هیچ نوری از آب خارج نمی‌گرددبه عبارتی می توان گفت که نور کاملا” از سطح آب منعکس می گردد. به زاویه ای که انعکاس کلی آغاز می شود زاویه بحرانی میگوییم.»

پیشنهاد استفاده از شیشه بعنوان محیط انتشار برای نخستین بار توسط کاکو و کوکهام انگلیسی عنوان گردید . آنهاامیدوار بودند که در این آزمایش بتوانند به سرعتی حدود ۱۰۰ مگابیت بر ثانیه و بیشتر بر روی محیط‌های انتشار شیشه دست پیدا کنند. این سرعت انتقال همراه با تضعیف زیاد انرژی اتفاق می افتاد. این دو پژوهشگر انگلیسی، کاهش انرژی کمتر از ۲۰ دسی بل را نمی‌پذیرفتند. اگرچه آنها نتوانستندبه ایده های خود را در عمل ثابت کنند و شکت خوردند ، ولی شرکت آمریکایی (کورنینگ گلس) توانست به این هدف رنگ واقعیت بپوشاند. در ماه های ابتدایی سال ۱۹۶۰ میلادی بود که اشعه لیزر اختراع شد و این اختراع کمک کرد که ارتباطات فیبرنوری انجام گیرد. دانشمندان در سال ۱۹۶۶ میلادی توانستند در این نظریه هدایت نور در الیاف شیشه‌ایبه پیشرفت هایی دست یابند که نتیجه این موفقیت آن کابلهای معمولی بسیارمفید بود. به این خاطر که فیبرنوری نسبت به کابل مسی بسیار سبکتر و ارزانتر است و علاوه بر این موارد ظرفیت انتقالی آن چندین هزار برابر از کابل مسی بیشتر است.
پیشرفت های تکنولوژی فیبرنوری از سال ۱۹۸۰ میلادی به بعد موجب گردید که از مخابرات نوری بعنوان یک انتخاب مناسب نام برده شود. از آن زمان به بعد و تا سال ۱۹۸۵ میلادی حدود۲ میلیون کیلومتر کابل نوری در جهان نصب شده و مورد استفاده قرار گرفته‌است.

فیبر نوری در ایران

در اوایل دهه ۶۰ در ایران تحقیقات پژوهشی در زمینه فیبر نوری در پژوهشگاه، به تاسیس مجتمع تولید فیبر نوری در پونک تهران انجامید و در سال ۱۳۶۷بود که نخستین کارخانه تولید فیبر نوری درایران و در شهر یزد راه اندازی شد. افزون بر این در سال ۱۳۶۷ اولین خط مخابراتی تار نوری بین تهران و کرج کار خود را آغاز نمود. لازم به ذکر است که در سال ۱۳۷۳ پروژه ی عملیاتی تولید فیبر نوری با ظرفیت۵۰٫۰۰۰ کیلومتر در سال در ایران افتتاح گردید. بهره برداری و استفاده از کابل‌های نوری در سایر شهرهای بزرگ ایران نیز آغاز شد تا در آینده نزدیک با استفاده از یک شبکه ملی مخابرات نوری به هم مرتبط شوند.
فیبر نوری به طور معمول از جنس سیلیسیم دی‌اکسید است وبرای انتقال اطلاعات بوسیله ی نور لیزر مورد استفاده قرار می گیرد . یک کابل فیبر نوری با قطر کمتر از یک اینچ ازتعداد زیادی از این فیبرها ساخته می شود و توانایی حمل صدها هزار مکالمه صوتی را دارد. فیبرهای نوری تجاری ظرفیت۲٫۵ گیگابایت در ثانیه تا ۱۰ گیگابایت در ثانیه را مهیا می کنند. فیبر نوری دارای چندین لایه می باشد. داخلی‌ترین لایه هسته فیبر نوری است که ازیک تار کاملاً منعکس کننده از شیشه خالص تشکیل شده است. البته شایان ذکر است که هسته در تعدادی از کابل‌ها از پلاستیک کاملاً منعکس کننده تولید می‌شود، استفاده از پلاستیک به جای شیشه به کاهش هزینه ساخت کمک می کند. البته موضوع قابل توجه آن است که هسته پلاستیکی در مقایسه با هسته شیشه از کیفیت پایین تری برخوردار است و اکثرا برای حمل اطلاعات در مسافت های کم به کار گرفته می شود. لایه ی بعدی که اطراف هسته را احاطه کرده است پوسته نام دارد، که آن نیز از جنس شیشه یا پلاستیک می باشد. می توان هسته و پوسته را یک مجموعه دانست که یک رابط منعکس کننده را بوجود می آورندو آنها موجب می شوند که نور در هسته تابیده شود تا از سطحی به سمت مرکز هسته منعکس شود که در آن دو ماده به هم می‌رسند. به عمل بازتاب نور به مرکز هسته (بازتاب داخلی کلی) می گویند.

در نوع رایج و متداول فیبر نوری قطر هسته و پوسته درمجموع نزدیک۱۲۵ میکرون می باشد (هر میکرون برابریک میلیونیم متر است)، که می توان از نظراندازه قطر آن را با یک تار موی انسان هم اندازه دانست. تعدادی لایه های محافظ اطراف پوسته طبق نظر تولید کنندگان متغیر است که پوششی غالبا” از جنس پلاستیک می باشد.
لایه خارجی ازیک پوشش محافظ پلاستکی محکم ساخته می شود. لایه خارجی تمام کابل را می پوشاند، که این کابل می تواند دارای صدها فیبر نوری مختلف باشد. یک کابل نمونه قطری کمتر از یک اینچ دارد.

به طور کلی می توان فیبر نوری را به دو نوع فیبر: تک حالتی و چند حالتی تقسیم کرد. فیبر تک حالتی تنها قادر است که یک سیگنال نوری را در هر زمان منتشرکند،این در حالی است که فیبر چند حالتی توانایی انتقال صدها حالت نور را به طور هم‌زمان دارد.

سیستم‌های مخابرات فیبر نوری

فراگیر شدن ارتباطات راه دور و سهولت انتقال داده ها از طریق سیستم‌های انتقال و مخابرات فیبر نوری یکی از مهم ترین مواردی است که در دنیای امروزی بحث ها را به خود اختصاص داده است. از بارزترین خصوصیات مخابرات فیبر نوری سرعت دقت و تسهیل آن است. یکی از پر کاربردترین موارد استفاده از مخابرات فیبر نوری راحتی انتقال در ارسال سیگنال‌هایحاوی اطلاعات دیجیتالی می باشد که قابلیت تقسیم بندی در حوزه زمان یرا دارد. به این معنی که مخابرات دیجیتال قدرت بالقوه کافی برای استفاده از امکانات ارسال داده ها در بسته ‌های کوچک انتقال در حوزه زمانیرا تامین می کند. به عنوان مثال عملکرد مخابرات فیبر نوری با قدرت۲۰ مگا هرتز با داشتن پهنای باند ۲۰ کیلو هرتزظرفیت اطلاعاتی۰٫۱٪را دارد.
دقیقا”۴ سال پس از اختراع تلفن یعنی در سال ۱۸۸۰ میلادی الکساندر گراهام بل موفق شد که امتیاز نامه خود در زمینه مخابرات امواج نوری برای دستگاه فوتو تلفن خود دریافت نماید. در ۱۵ سال گذشته با ارتقاء لیزر به عنوان یک منبع نور پرقدرت و خطوط انتقال فیبرهای نوری عوامل جدیدی از فنآوری و تجارت بهتر را برای انسان فراهم کرده ‌است. مخابرات فیبر نوری نخست به عنوان یک مخابرات از راه دور قرار دادی محسوب می شد که در آن امواج نوری حمل یک یا چند واسطه انتقال را برعهده دارند. علیرغم آنکه امواج نوری حاوی سیگنالهای آنالوگ بودند ولی سیگنالهای نوری همچنان بدون تغییر به عنوان سیستم مخابرات دیجیتال عمل می کنند.

از علل این امر می‌توان موارد زیررا نامبرد:

۱)راهکارهای مخابرات در سیستم‌های جدیدبکار گرفته می شد.

۲)سیستم‌های جدید با بالاترین فنآوری برای داشتن بیشترین ظرفیت کارآمدی سرعت و دقت طراحی شده بود.

۳)انتقال توسط خطوط نوری استفاده از راهکار‌های دیجیتالی را ممکن می کند .

این مقاله نیاز انسان را به ارسال اطلاعات به صورت نکته به نکته بررسی می کند.

قدرت پردازش داده ها در حجم زیاد : با توجه به اینکه مخابرات فیبر نوری در مقایسه با سیم‌های مسی سنتی از کارایی بالاتری برخوردار است در حال حاضرانسان هاآنچنان مایل نیستند که از سنت قدیمی خود پیرویکنند و قدرت پردازش حجم زیاد از داده ها در ارسالهای فیبر نوری برای آنها جذاب بوده و دلفریب ‌است.

رهایی از نویزهای الکتریکی:یک فیبر نوری دارای بافتی از جنس پلاستیک یا شیشه است و دلیل انتخاب این مواد قدرت رسانش آنها می باشد. بنابراین یک حامل موج نوری قادر است از پتانسیل مؤثر میدان‌های الکتریکی مصون بماند. از ویژگی های مهم این نوع مخابرات آن است که عبور کابل حامل موج نوری از بین یک میدان الکترومغناطیسی قوی را ممکن می کند که سیگنالهای فوق الذکر بدون آلودگی از پارازیت‌های الکتریکی و یا سیگنالهای مزاحم بهترین عملکرد را خود نشان می دهند.

کاربردهای فیبر نوری

فیبر نوری در حوزه های بیشماری کاربرد دارد که در ادامه به برخی از این کاربرد ها می پردازیم.
کاربرد در مخابرات: یکی از رایج ترین موارد استفاده ی فیبر نوری انتقال داده هابوسیله ی نور لیزر می باشد.
کاربرد در حسگرها: حسگرهای فیبر نوری راجهت اندازه‌گیری کمیت‌های فیزیکی همچون جریان الکتریکی، میدان مغناطیسی، فشار، حرارت، جابجایی، آلودگی آب‌های دریا، سطح مایعات، تشعشعات پرتوهای گاما و ایکس در سال‌های گذشته مورد استفاده قرار داده اند. در این نوع حسگرها، از فیبر نوری به عنوان عنصر اصلی حسگر استفاده می‌شود به اینصورت که قابلیت‌های فیبردر میدان کمیت مورد اندازه‌گیری تغییر کرده و با اندازه شدت کمیت تحت تاثیر قرار می گیرند.
کاربردهای نظامی: فیبر نوری در صنایع جنگ‌افزاری بسیار مورد استفاده قرار می گیردبه عنوان مثال می‌توان به برقراری ارتباط و کنترل با آنتن رادار، کنترل و هدایت موشکها، ارتباط زیردریایی ها (هیدروفون) اشاره نمود.

کاربردهای پزشکی: فیبرنوری در تشخیص بیماریها و آزمایشهای متفاوت در پزشکی بسیار استفاده می شود. مثلا دُزیمتری غدد سرطانی،شناخت نارسایی‌های داخلی بدن، جراحی لیزری،کاربرد در دندانپزشکی و اندازه‌گیری مایعات و خون از جمله کاربرد های آن در علم پزشکی هستند. علاوه بر آن تارهای نوری در دستگاه‌هایی با اسم درون بین یا آندوسکوپ استفاده می‌شود تا به داخل نای، مری، روده و مثانه فرستاده شده و بتوان به این واسطه مستقیما” درون بدن انسان را مشاهده نمود.

کاربرد فیبرنوری در روشنایی: یکی از کاربردهای فیبر نوری که در ماه های پایانی قرن بیستم به عنوان یک تکنولوژی روشنایی مرسوم شده و در چند سال آخر قرن گذشته بسیار گسترش یافت کاربرد آن در سیستم‌های روشنایی می باشد. بر اساس این تکنولوژی نور از منبع نوری که می تواند نور مصنوعی (نورلامپهای الکتریکی) و یا نور طبیعی (نور خورشید) باشد به فیبر نوری وارد شده و به این شیوه به محل مصرف انتقال می یابد. در نتیجه نور به هر نقطه‌ای که در سمت تابش مستقیم آن نیست نیز انتقال می یابد . مزیت این نور که باعث شده استفاده از آن بسرعت رشد کند و توجهات بسیاری را به خود جلب نماید این است که الکتریسیته گرما و تشعشعات خطرناک ماورای بنفش را نداشته (نور خالص و بی خطر) و موضوع دیگر اینکه بااین تکنولوژی می توان نور روز (بدون گرما واشعه‌های ماورائ بنفش) را نیز به درون ساختمانها و نقاطی که به نور خورشید دسترسی ندارند، انتقال داد.
فیبرنوری یک حامل امواج استوانهای شکل از جنس شیشه یا پلاستیک می باشد که دارای دو ناحیه مغزی و غلاف با ضریب شکست متفاوت و دو لایه پوششی اولیه و ثانویه پلاستیکی می باشد. بر اساس قانون اسنل برای انتشار نور در فیبر نوری بایستی دو شرط برقرار باشد که این شرط ها به ترتیب ضریب شکست‌های مغزی و غلاف می باشند. عوامل ذاتی و اکتسابی درانتشار نور تاثیرگذار بوده و آن را دچار ضعف می کنند. عوامل فوق اکثرا” از جذب فرابنفش، جذب فروسرخ، پراکندگی رایلی، خمش و فشارهای مکانیکی بر آنها بوجود می آیند.

فیبرهای نوری نسل سوم

طراحان فیبرهای نسل سوم سعی داشتند که فیبرهایی به حداقل تلفات و پاشندگی را تولید کنند. برای اینکه بتوانند به این هدف دست یابند،پژوهشگران از کمترین تلفات در طول موج ۱۵۵۰ نانومتر و از کمترین پاشندگی در طول موج ۱۳۱۰ نانومتر استفاده نموده و اقدام به طراحی فیبری با ساختاری به نسبت پیچیده‌تری نمودند. در عمل با ایجاد یک سری تغییرات در پروفایل ضریب شکست فیبرهای تک مد از نسل دوم، که کمترین پاشندگی آن در محدوده ۱٫۳ میکرونبود، به محدوده ۱٫۵۵ میکرون منتقل شد و این چنین بود که فیبر نوری با ماهیتی متفاوت با نام فیبر دی. اس. اف (D.S.F. Fiber) تولید شد.