آشنایی با فیبر نوری و نحوه پیدایش کابل فیبر نوری

برای آشنایی با فیبر نوری باید به شما بگوییم که فیبر نوری یک رشته باریک و بلند است که از یک ماده شیشه یا پلاستیک مانند که دارای شفافیت است ساخته شده 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 می‌شود. فیبر نوری در مقایسه با کابل‌های معمولی از پهنای باند بسیار بالاتری برخوردار است. 

پس از آشنایی با فیبر نوری باید بدانید که مبدل فیبر نوری کمک می‌کند انتقال اطلاعات تصویر، صوت و سایر اطلاعات به آسانی با پهنای باند زیاد تا ۱۰ گیگابیت بر ثانیه و حتی بیشتر انجام شود. در حال حاضر مخابرات فیبر نوری را به خاطر پهنای باند گسترده نسبت به کابل‌های مسی و همین‌طور تاخیر کمتر نسبت به مخابرات ماهواره‌ای از اساسی‌ترین ابزار انتقال داده‌ها به‌شمار می‌آورد.

تاریخچه تولید فیبر نوری

برای آشنایی با فیبر نوری بهتر است با تاریخچه آن آشنا شوید. جرقه استفاده از نور برای انتقال داده نخستین بار در قرن‌های گذشته در ذهن اشخاصی زده شد که منتشر شدن نور را در جو زمین آزموده بودند. ولی موانع گوناگونی همچون برف، باران، گرد و خاک، مه، دود و… در انتشار داده‌های نوری در جو اختلال ایجاد کردند. 

چندی بعد ایده‌ای 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 بسیار سخت و تقریبا غیر ممکنی بود. به همین دلیل این ایده مردود اعلام شد.

پیشرو تکامل سیستم ارتباط نوری

می‌توان گفت الکساندر گراهام بل نخستین کسی بود که برای تکامل سیستم ارتباط نوری گامی مهم برداشت. الکساندر گراهام بل در سال ۱۸۸۰، دقیقا ۴ سال بعد از اختراع تلفن، تلفن نوری (فوتوفون) یا سیستمی که صدا را تا مسافت‌های چند صد متری انتقال می‌داد را اختراع کرد. طرز کار تلفن نوری بر اساس مدوله کردن نور خورشید منعکس شده با به ارتعاش در آوردن آینه‌ای است. یک فتوسل گیرنده بود. در روش فوق نور در هوا منتشر می‌شد و در نتیجه انتقال داده‌ها بیش از ۲۰۰ متر امکان پذیر نبود. این محدودیت منجر شد که دستگاه بل علیرغم کار کردن ظاهری نتواند از نظر تجاری به موفقیت دست پیدا کند.

Daniel Colladon وJacques Babinet برای نخستین بار در سال ۱۸۴۰ در شهر پاریس پیشنهاد استفاده از انکسار (شکست) برای هدایت نور (که مبنای فیبرهای نوری کنونی می باشد) را مطرح کردند.

علاوه بر آن در سال ۱۸۷۰ John Tyndall در کتاب خود به تفسیر ویژگی بازتاب کلی پرداخت که مطالعه آن به آشنایی با فیبر نوری کمک مي‌کند: «زمانی که نور از هوا به آب وارد می‌شود به طرف خط عمود بر سطح متمایل می‌شود و زمانی که از آب خارج و به هوا وارد می‌شود از خط عمود دور می‌شود. در صورتی که زاویه پرتو نور با خط عمود در تابش از داخل آب از ۴۸ درجه بزرگتر شود هیچ نوری از آب خارج نمی‌شود. به عبارتی می‌توان گفت که نور کاملا" از سطح آب منعکس می‌شود. به زاویه‌ای که انعکاس کلی آغاز می‌شود زاویه بحرانی گفته می‌شود.»

یک پیشنهاد نوین

پیشنهاد استفاده از شیشه به عنوان محیط انتشار برای نخستین بار توسط کاکو و کوکهام انگلیسی عنوان گردید. آنها امیدوار بودند 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 می‌افتاد. این دو پژوهشگر انگلیسی، کاهش انرژی کمتر از ۲۰ دسی بل را نمی‌پذیرفتند.

اگرچه آنها نتوانستند ایده‌های خود را در عمل ثابت کنند و شکست خوردند، ولی شرکت آمریکایی (کورنینگ گلس) توانست به این هدف رنگ واقعیت بپوشاند. در ماه‌های ابتدایی سال ۱۹۶۰ میلادی بود که اشعه لیزر اختراع شد و این اختراع کمک کرد که ارتباطات فیبر نوری انجام شود.

دانشمندان در سال ۱۹۶۶ میلادی توانستند در نظریه هدایت نور در الیاف شیشه‌ای به پیشرفت‌هایی دست یابند که نتیجه این موفقیت آن کابل‌های معمولی بسیار مفید 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.

پیشرفت‌های تکنولوژی فیبرنوری از سال ۱۹۸۰ میلادی به بعد موجب شد که از مخابرات نوری بعنوان یک انتخاب مناسب نام برده شود. از آن زمان به بعد و تا سال ۱۹۸۵ میلادی حدود ۲ میلیون کیلومتر کابل نوری در جهان نصب شده و مورد استفاده قرار گرفته است.

فیبر نوری در ایران

در اوایل دهه ۶۰ در ایران تحقیقات پژوهشی در زمینه فیبر نوری در پژوهشگاهی به تاسیس مجتمع تولید فیبر نوری در پونک تهران انجام شد و در سال ۱۳۶۷بود که نخستین کارخانه تولید فیبر نوری در ایران 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 کرد. لازم به ذکر است که در سال ۱۳۷۳ پروژه 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 و برای انتقال اطلاعات بوسیله نور لیزر مورد استفاده قرار می گیرد . یککابل فیبر نوری با قطر کمتر از یک اینچ از تعداد زیادی از این فیبرها ساخته می‌شود و توانایی حمل صدها هزار مکالمه صوتی را دارد. فیبرهای نوری تجاری ظرفیت۲٫۵ گیگابایت در ثانیه تا ۱۰ گیگابایت در ثانیه را مهیا می‌کنند. فیبر نوری دارای چندین لایه است.

لایه‌های فیبر نوری

داخلی‌ترین لایه هسته فیبر نوری است که از یک 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 می‌کند. البته موضوع قابل توجه آن است که هسته پلاستیکی در مقایسه با هسته شیشه از کیفیت پایین‌تری برخوردار است و اکثرا برای حمل اطلاعات در مسافت‌های کم به کار گرفته می‌شود. 

لایه بعدی که اطراف هسته را احاطه کرده است پوسته نام دارد، که آن نیز از جنس شیشه یا پلاستیک است. می‌توان هسته و پوسته را یک مجموعه دانست که یک رابط منعکس کننده را بوجود می‌آورند و موجب می‌شوند 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) می‌گویند.

رایج‌ترین نوع فیبر نوری

برای آشنایی با فیبر نوری باید با انواع فیبر نوری آشنا شوید. در نوع رایج و متداول فیبر نوری قطر هسته و پوسته در مجموع نزدیک ۱۲۵ میکرون است (هر میکرون برابر یک میلیونیم متر است)، که می‌توان از نظر اندازه قطر آن را با یک تار موی انسان هم اندازه دانست. تعداد لایه‌های محافظ اطراف پوسته طبق نظر تولید کنندگان متغیر است که پوششی غالبا از جنس پلاستیک دارد.

لایه خارجی از یک پوشش محافظ پلاستیکی محکم ساخته می‌شود. لایه خارجی تمام کابل را می‌پوشاند و این کابل می‌تواند دارای صدها فیبر نوری مختلف باشد. یک کابل نمونه قطری کمتر از یک اینچ دارد.

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

مطلب مرتبط:  معرفی برخی از پر کاربردترین انواع مبدل شبکه

سیستم‌های مخابرات فیبر نوری

پس از آشنایی با فیبر نوری نوبت به آشنایی با سیستم‌های مخابرات فیبر نوری است. فراگیر شدن ارتباطات راه دور و سهولت انتقال داده‌ها از طریق سیستم‌های انتقال و مخابرات فیبر نوری یکی از مهم‌ترین مواردی است که در دنیای امروزی بحث‌ها را به خود اختصاص داده است. از بارزترین خصوصیات مخابرات فیبر نوری سرعت، دقت و سهولت آن است.

یکی از پرکاربردترین موارد استفاده از مخابرات فیبر نوری راحتی انتقال و ارسال سیگنال‌های حاوی اطلاعات دیجیتالی است که قابلیت تقسیم بندی در حوزه زمانی را دارد. به این معنی که مخابرات دیجیتال قدرت بالقوه کافی برای استفاده از امکانات ارسال داده‌ها در بسته‌های کوچک انتقال در حوزه زمانی را تامین می‌کند. به عنوان مثال عملکرد مخابرات فیبر نوری با قدرت ۲۰ مگا هرتز با داشتن پهنای باند ۲۰ کیلو هرتز ظرفیت اطلاعاتی ۰٫۱٪ را دارد.

دقیقا ۴ سال پس از اختراع تلفن یعنی در سال ۱۸۸۰ میلادی الکساندر گراهام بل موفق شد امتیاز نامه خود را در زمینه مخابرات امواج نوری برای دستگاه فوتو تلفن خود دریافت کند. 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 قراردادی محسوب می‌شد 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 می‌کنند.

از علل این امر می‌توان موارد ذیل را نام برد:

۱) راهکارهای مخابراتی در سیستم‌های جدید بکار گرفته می‌شد.

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

۳) انتقال توسط خطوط نوری، استفاده از راهکار‌های دیجیتالی را ممکن می‌کند .

ویژگی‌های مخابرات فیبر نوری

ویژگی‌های فیبر نوری در حوزه‌های بیشماری کاربرد دارد که در ادامه به برخی از این ویژگیها می‌پردازیم.

الف. قدرت پردازش داده‌ها در حجم زیاد

با توجه به اینکه مخابرات فیبر نوری در مقایسه با سیم‌های مسی سنتی از کارایی بالاتری برخوردار است در حال حاضر انسان‌ها تمایلی ندارند از روش‌های سنتی خود تبعیت کنند و قدرت پردازش حجم زیاد داده‌ها در ارسال‌های فیبر نوری برای آنها جذاب و دلفریب ‌است.

ب. رهایی از نویزهای الکتریکی

یک فیبر نوری دارای بافتی از جنس پلاستیک یا شیشه است و دلیل انتخاب این مواد قدرت رسانش آنها است. بنابراین یک حامل امواج نوری قادر است از پتانسیل مؤثر میدان‌های الکتریکی مصون بماند. از ویژگی‌های مهم این نوع مخابرات آن است که عبور کابل حامل موج نوری را از بین یک میدان الکترو مغناطیسی قوی ممکن می‌کند.

کاربردهای فیبر نوری

پس از آشنایی با فیبر نوری نوبت به کاربردهای آن می‌رسد. فیبر نوری در حوزه‌های بیشماری کاربرد دارد که در ادامه به برخی از این کاربردها می‌پردازیم.

۱. کاربرد در مخابرات

یکی از رایج ترین موارد استفاده فیبر نوری انتقال داده‌ها بوسیله نور لیزر است.

۲. کاربرد در حسگرها

حسگرهای فیبر نوری را جهت 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 داده‌اند. در این نوع حسگرها، از فیبر نوری به عنوان عنصر اصلی حسگر استفاده می‌شود به این‌صورت که قابلیت‌های فیبر در میدان کمیت مورد اندازه‌گیری تغییر کرده و با اندازه شدت کمیت تحت تاثیر قرار می‌گیرند.

۳. کاربردهای نظامی

فیبر نوری در صنایع جنگ‌افزاری بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرد به عنوان مثال می‌توان به برقراری ارتباط و کنترل با آنتن رادار، کنترل و هدایت موشکها، ارتباط زیردریایی‌ها (هیدروفون) اشاره کرد.

۴. کاربردهای پزشکی

یکی دیگر از کاربردهایی که پس از آشنایی با فیبر نوری به آن پرداخته می‌شود این است که فیبر نوری در تشخیص بیماریها و آزمایشهای متفاوت در پزشکی بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرد. مثلا دُزیمتری غدد سرطانی،شناخت نارسایی‌های داخلی بدن، جراحی لیزری، کاربرد در دندانپزشکی و اندازه‌گیری مایعات و خون از جمله کاربردهای آن در علم پزشکی هستند. علاوه بر آن تارهای نوری در دستگاه‌هایی با اسم درون‌بین یا آندوسکوپ استفاده می‌شوند تا به داخل نای، مری، روده و مثانه فرستاده شده و بتوان به این واسطه مستقیما" درون بدن انسان را مشاهده کرد.

۵. کاربرد فیبرنوری در روشنایی

یکی دیگر از کاربردهایی که پس از آشنایی با فیبر نوری به آن پرداخته می‌شود کاربرد آن در روشنایی است. یکی از کاربردهای فیبر نوری که در ماه‌های 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 است. بر اساس این تکنولوژی نور از منبع نوری که می‌تواند نور مصنوعی (نور لامپ‌های الکتریکی) یا نور طبیعی (نور خورشید) باشد به فیبر نوری وارد شده است و به این شیوه به محل مصرف انتقال می‌یابد.

در نتیجه نور به هر نقطه‌ای که در سمت تابش مستقیم آن نیست نیز انتقال می‌یابد . مزیت این نور که باعث شده استفاده از آن بسرعت رشد کند و توجهات بسیاری را به خود جلب کند این است که الکتریسیته گرما و تشعشعات خطرناک ماورای بنفش را نداشته (نور خالص و بی خطر) و موضوع دیگر اینکه بااینتکنولوژی می‌توان نور روز (بدون گرما و اشعه‌های ماورای بنفش) را نیز به درون ساختمان‌ها و نقاطی که به نور خورشید دسترسی ندارند، انتقال داد.

فیبر نوری یک حامل امواج استوانه‌ای شکل از جنس شیشه یا پلاستیک است که دارای دو ناحیه مغزی و غلاف با ضریب شکست متفاوت و دو لایه پوششی اولیه و ثانویه پلاستیکی است. 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 هستند. عوامل ذاتی و اکتسابی در انتشار نور تاثیرگذار بوده و آن را دچار ضعف می‌کنند. عوامل فوق اکثرا" از جذب فرابنفش، جذب فروسرخ، پراکندگی رایلی، خمش و فشارهای مکانیکی بر آنها بوجود می‌آیند.

فیبرهای نوری نسل سوم

طراحان فیبرهای نسل سوم سعی داشتند فیبرهایی را با حداقل تلفات و پاشندگی 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 کردند و به طراحی یک فیبر با ساختاری به نسبت پیچیده‌تر اقدام کردند.

پس از آشنایی با فیبر نوری در عمل با ایجاد یک سری تغییرات در پروفایل ضریب شکستفیبرهای تک مد از نسل دوم، که کمترین پاشندگی آن در محدوده ۱٫۳ میکرو نبود، 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.