روی کار آمدن فیبر نوری

می‌توان گفت اولین تلاش در سیر تکاملی سیستم ارتباط نوری و روی کار آمدن فیبر نوری به وسیله الکساندر گراهام بل صورت گرفت که در سال ۱۸۸۰، درست ۴ سال پس از اختراع تلفن، اختراع تلفن نوری (فوتوفون) یا سیستمی که صدا را تا فواصل چندین صد متری منتقل می‌کرد، به ثبت رساند.
مبنای کار تلفن نوری مدوله کردن نور خورشید بازتابیده و به ارتعاش در آوردن آینه‌ای بوده و گیرنده یک فتوسل بود. در این روش نور در هوا منتشر می‌شد و بنابراین امکان انتقال اطلاعات تا بیش از ۲۰۰ متر میسر نبود. به همین دلیل اگر چه دستگاه بل ظاهراً کار می‌کرد اما از موفقیت تجاری برخوردار نبود.

ایده استفاده از انکسار (شکست) برای هدایت نور، برای اولین بار در سال ۱۸۴۰ توسط Daniel Colladon و Jacques Babinet در پاریس پیشنهاد شد. همچنین John Tyndall در سال ۱۸۷۰ در کتاب خود ویژگی بازتاب کلی را شرح داد: «وقتی نور از هوا وارد آب می‌شود به سمت خط عمود بر سطح خم می‌شود و وقتی از آب وارد هوا می‌شود از خط عمود دور می‌شود. اگر زاویه پرتو نور با خط عمود در تابش از داخل آب بزرگتر از ۴۸ درجه شود، هیچ نوری از آب خارج نمی‌شود. در واقع نور به‌طور کامل از سطح آب منعکس می‌شود. زاویه‌ای که انعکاس کلی آغاز می‌شود را زاویه بحرانی می‌نامیم».

کاکو و کوکهام انگلیسی برای اولین بار استفاده از شیشه را به عنوان محیط انتشار مطرح ساختند. آنان مبنای کار خود را بر آن گذاشتند که به سرعتی حدود ۱۰۰ مگابیت بر ثانیه و بیشتر بر روی محیط‌های انتشار شیشه دست یابند. این سرعت انتقال با تضعیف زیاد انرژی همراه بود. این دو محقق انگلیسی، کاهش انرژی را تا آنجا می‌پذیرفتند که کمتر از ۲۰ دسی بل نباشد.
اگر چه آنان در رسیدن به هدف خود ناکام ماندند، اما شرکت آمریکایی (کورنینگ گلس) به این هدف دست یافت.

در اوایل سال ۱۹۶۰ میلادی با اختراع اشعه لیزر، ارتباطات فیبرنوری ممکن گردید یعنی روی کار آمدن فیبر نوری قطعی شد. در سال ۱۹۶۶ میلادی، دانشمندان در این نظریه که نور در الیاف شیشه‌ای هدایت می‌شود پیشرفت کردند که نتایج آن از کابل‌های معمولی بسیار سودمندتر بود. چرا که فیبرنوری بسیار سبک‌تر و ارزان‌تر از کابل مسی است و در عین حال، ظرفیت انتقالی تا چندین هزار برابر کابل مسی دارد. توسعه فناوری فیبرنوری از سال۱۹۸۰میلادی به بعد باعث شد که همواره مخابرات نوری به عنوان یک انتخاب مناسب مطرح باشد تا سال ۱۹۸۵ میلادی در دنیا نزدیک به ۲ میلیون کیلومتر کابل نوری نصب شده و مورد بهره‌برداری قرار گرفته‌است.

موارد استفاده از فیبر نوری

قابلیت ها و کاربردهای  فیبر نوری عبارت است از:

از فیبر نوری (معمولاً از جنس سیلیسیم دی‌اکسید) برای انتقال داده‌ها توسط نور لیزر استفاده می‌شود. همچنین فیبر نوری قابلیت‌های مختلفی از جمله استفاده به عنوان حسگرهای مختلف (اعم از حسگر جریان، نیروی مغناطیسی، فشار، تنش و ارتعاش، حرارت، خواص مختلف مواد، و حسگرهای پزشکی) را دارد. اما عمده کاربرد فیبرنوری در مخابرات نوری است. یک کابل فیبر نوری که کمتر از یک اینچ قطردارد از مجموعه‌ای از فیبرها تشکیل شده و می‌تواند صدها هزار مکالمهٔ صوتی را حمل کند. فیبرهای نوری تجاری، ظرفیت ۲٫۵ گیگابایت در ثانیه تا ۱۰ گیگابایت در ثانیه را فراهم می‌سازند. ساختار فیبر نوری به گونه‌ایست که از دو لایه اصلی ساخته می‌شود.

هسته (core) در فیبر نوری

هسته‏ی فیبر نوری، که اصلی ترین بخش فیبر نوری است و نور در آنجا منتقل میشود، شامل یک تار کاملاً بازتاب‌کننده از شیشه خالص (معمولاً) است. هسته در بعضی از کابل‌ها از پلاستیک کاملاً بازتابنده ساخته می‌شود، که هزینه ساخت را پایین می‌آورد. با این حال، یک هسته پلاستیکی معمولاً کیفیت شیشه را ندارد و بیشتر برای حمل داده‌ها در فواصل کوتاه به کار می‌رود. حول هسته بخش پوسته یا پوشش (cladding) قرار دارد، که از شیشه یا پلاستیک ساخته می‌شود. هسته و پوسته به همراه هم یک محیط بازتابنده را تشکیل می‌دهند که باعث می‌شود تمام نوری که در هسته تابیده شده در مرز هسته و پوشش به طرف مرکز هسته بازتابیده شود. این عمل را بازتاب کامل یا بازتاب داخلی می‌نامند.

در نوع  مرسوم فیبرنوری، قطرهسته و پوسته با هم  حدود ۱۲۵ میکرون است (هرمیکرون معادل یک میلیونیم متراست)، که در حدود اندازه یک تار موی انسان است. بسته به سازنده، حول پوسته چند لایه محافظ، شامل یک روکش معمولاً از جنس پلاستیک قرار می‌گیرد.
این لایه می‌تواند صدها فیبر نوری مختلف را در بربگیرد. قطر یک کابل نمونه کمتر از یک اینچ است.

از لحاظ کلی دو نوع فیبر وجود دارد: فیبر های تک حالتی (فیبرهای  سینگل مود  ) و فیبر های  چند حالتی (فیبر های مالتی  مود )

هماطور که در تصویر مشخص است، فیبر سینگل مود یک سیگنال نوری را در هر زمان انتشار می‌دهد، درحالی که فیبر مالتی مود می‌تواند صدها حالت نور بدون ایجاد تداخل و به‌ طور هم‌زمان انتقال بدهد.

فیبرهای نوری نسل سوم

طراحان فیبرهای نسل سوم، فیبرهایی را مد نظر داشتند که دارای کمترین تلفات و پاشندگی باشند. برای دستیابی به این نوع فیبرها، محققین از حداقل تلفات در طول موج ۱۵۵۰نانومترو از حداقل پاشندگی در طول موج ۱۳۱۰ نانومتر بهره جستند و فیبری را طراحی کردند که دارای ساختار نسبتاً پیچیده‌تری بود. در عمل با تغییراتی در پروفایل ضریب شکست فیبرهای تک مد ازنسل دوم که حداقل پاشندگی آن در محدوده ۱٫۳میکرون قرارداشت، به محدوده ۱٫۵۵ میکرون انتقال داده شد و بدین ترتیب فیبر نوری با ماهیت متفاوتی موسوم به فیبر دی. اس. اف (D.S.F. Fiberِ) ساخته شد. فیبر نوری بهترین نوع انتقال اطلاعات در عصر امروزی است.

سیستم‌های مخابرات فیبر نوری

گسترش ارتباطات راه دور پس از روی کار آمدن فیبر نوری و راحتی انتقال اطلاعات از طریق سیستم‌های انتقال و مخابرات فیبر نوری یکی از پراهمیت‌ترین موارد مورد بحث در جهان امروز است. سرعت، دقت، امنیت و تسهیل از مهم‌ترین ویژگی‌های مخابرات فیبر نوری می‌باشد. یکی از پر اهمیت‌ترین موارد استفاده از مخابرات فیبر نوری، آسانی انتقال در فرستادن سیگنال‌های حامل اطلاعات دیجیتالی است که قابلیت تقسیم بندی در حوزه زمانی را دارا می‌باشد.

این به این معنی است که مخابرات، دیجیتال تامین‌کننده پتانسیل کافی برای استفاده از امکانات مخابره اطلاعات در پکیج‌های کوچک انتقال در حوزه زمانی است. برای مثال عملکرد مخابرات فیبر نوری با توانایی ۲۰ مگاهرتز با داشتن پهنای باند ۲۰ کیلو هرتز دارای گنجایش اطلاعاتی ۰٫۱٪

می‌باشد.

در ۱۵ سال اخیر با پیشرفت لیزر به عنوان یک منبع نور بسیار قدرتمند و خطوط انتقال فیبرهای نوری فاکتورهای جدیدی از تکنولوژی و تجارت بهتر برای انسان به ارمغان آورده ‌است. مخابرات فیبر نوری ابتدا به عنوان یک مخابرات از راه دور قرار دادی تلقی می‌شد که در آن امواج نوری به عنوان حامل یک یا چند واسطه انتقال استفاده می‌شد. با وجود آنکه امواج نوری حامل سیگنال‌های آنالوگ بودند اما سیگنال‌های نوری همچنان به عنوان سیستم مخابرات دیجیتال بدون تغییر باقی ‌مانده‌است. از دلایل این امر می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• تکنیک‌های مخابرات در سیستم‌های جدید مورد استفاده قرار می‌گرفت.
• سیستم‌های جدید با بالاترین تکنولوژی برای داشتن بیشترین گنجایش کارآمدی سرعت و دقت طراحی شده بود.
• انتقال به کمک خطوط نوری، امکان استفاده از تکنیک‌های دیجیتال را فراهم می‌ساخت.

این مطلب نیاز انسان را به دسترسی به مخابره اطلاعات به صورت بیت به بیت پاسخگو بود.

• توانایی پردازش اطلاعات در حجم وسیع: از آنجایی که مخابرات فیبر نوری دارای کارایی بالاتری نسبت به سیم‌های مسی سنتی هستند بشر امروزی تمایل چندانی برای پیروی از سنت دیرینه خود ندارد و توانایی پردازش حجم وسیعی از اطلاعات در مخابره فیبر نوری او را مجذوب و شیفته خود ساخته ‌است.
• آزادی از نویز های الکتریکی:  روکش‌های موجود روی فیبر نوری، امواج داخل فیبر را از پتانسیل مؤثر میدان‌های الکتریکی در امان نگه می‌دارند. از قابلیت‌های مهم این نوع مخابرات می‌توان به امکان عبورکابل حامل موج نوری از میان یک میدان الکترومغناطیسی قوی اشاره کرد که  سیگنال انتقالی بدون آلودگی توسط پارازیت‌های الکتریکی یا سیگنال‌های مداخله‌گر، به گیرنده می رسند و حداکثر کارایی خود را خواهند داشت.
• امنیت بالا در انتقال اطلاعات: همانطور که بالاتر اشاره کردیم، فیبر نوری شامل یک کور (هسته) و پوشش برای انتقال نور است و مبنای انتقال نور در فیبر، بازتاب کامل می باشد، به این معنی که در هنگام انتقال سیگنال، هیچ سیگنالی به بیرون درز نمی‏‌کند، بنابراین امکان شنود اطلاعات فرستاده شده از فیبر میسر نیست، مگر با ایجاد درز در فیبر نوری.

کاربردهای فیبر نوری

1. کاربرد در مخابرات: یکی از مرسوم‌ترین کاربردهای فیبر پس از روی کار آمدن فیبر نوری، انتقال اطلاعات توسط نور لیزر است که در مخابرات بسیار جوابگوست.
2. کاربرد درحسگرها: استفاده از حسگرهای فیبر نوری برای اندازه‌گیری کمیت‌های فیزیکی مانند جریان الکتریکی، میدان مغناطیسی، فشار، حرارت، جابجایی، آلودگی آب‌های دریا، سطح مایعات، تشعشعات پرتوهای گاما و ایکس در سال‌های اخیر شروع شده‌است.
   در این نوع حسگرها، از فیبر نوری به عنوان عنصر اصلی حسگر بهره‌گیری می‌شود، بدین ترتیب که ویژگی‌های فیبر تحت میدان کمیت مورد اندازه‌گیری تغییر یافته و با اندازه شدت کمیت تأثیرپذیر می‌شود. با بررسی سیگنال انتقال یافته از فیبر می‌توان به خواص موجود در کمیت مورد اندازه گیری پی برد.
3. کاربردهای نظامی: فیبر نوری کاربردهای بی‌شماری در صنایع جنگ‌افزاری دارد که از آن جمله می‌توان به برقراری ارتباط و کنترل با آنتن، رادار، کنترل و هدایت موشک‌ها، ارتباط زیردریایی‌ها (هیدروفون) را نام برد.
4. کاربردهای پزشکی: فیبرنوری در تشخیص بیماری‌هاو آزمایش‌های گوناگون در پزشکی کاربرد فراوان دارد که از آن جمله می‌توان دُزیمتری غدد سرطانی، شناسایی نارسایی‌های داخلی بدن، جراحی لیزری، استفاده در دندانپزشکی و اندازه‌گیری مایعات و خون نام برد.

پیدایش فیبر نوری در ایران به چه صورت است و به چه زمانی برمی‌گردد؟
در کشور ایران در اوایل دهه ۶۰، فعالیت‌های پژوهشی در زمینه فیبر نوری در پژوهشگاه، برپایی مجتمع تولید فیبر نوری در پونک تهران را در پی داشت و در سال ۱۳۶۷، کارخانه تولید فیبر نوری در یزد به بهره‌برداری رسید. عملاً در سال ۱۳۷۳ تولید فیبر نوری با ظرفیت ۵۰٫۰۰۰ کیلومتر در سال در ایران آغاز شد. فعالیت استفاده از کابل‌های نوری در دیگر شهرهای بزرگ ایران آغاز شد تا در آینده نزدیک از طریق یک شبکه ملی مخابرات نوری به هم بپیوندند. در همان سال ۱۳۶۷ نخستین خط مخابراتی تار نوری بین تهران و کرج راه افتاد.

اولین پروژه فیبر نوری با اجرای۷۰۰ کیلومتر کابل با ۱۳هزار کانال بین چندین  مسیر  با  هزینه‌ای بالغ بر۴۰میلیارد ریال بین سال‌های ۶۹ تا ۷۳ انجام شد. در برنامه دوم توسعه، پروژه فیبرنوری با ۱۱۶۰۰کیلومتر کابل با۶۲۰ هزار کانال بین شهری با هزینه ۶۵۴ میلیارد ریال در سال‌های  ۷۴  تا  ۷۸  به انجام رسید و  نهایتاً  در برنامه  سوم  توسعه، ۱۷۸۵۰کیلومتر تا ۲ میلیون  کانال  با  پروتکشن  بین  شهرهای کشور با هزینه‌ای بالغ بر ۱۰۳۵ میلیارد در سال‌های ۷۹ تا ۸۳ اجرا شد.

پروژه تار نوری آسیا اروپا که به TAE مشهور است دارای 24000 کیلومتر  طول می‌باشد و  از چین، قرقیزستان، ازبکستان و ترکمنستان، ایران، اوکراین، ترکیه و آلمان می‌گذرد. ظرفیت قابل حمل این خط 7560 کانال تلفنی است.

از سال ۱۳۸۷تحقیقات وسیعی در مورد این نوع ازفیبرها در مرکزفناوری تخصصی صورت گرفت و با دستیابی به تکنولوژی ساخت و تولید آنها، ایران در زمره معدود کشورهای دارنده تکنولوژی ساخت (POLYMER OPTICAL FIBER , PLASTIC CLAD FIBER) قرار گرفت.
فیبرهای نوری POF، برای انتقال نور مرئی و بسیاری از کاربری‌های دیگر قابل استفاده هستند و در بحث انتقال دیتا سرعتی حدود ۴۰ گیگابیت در ثانیه دارند که در مقایسه با فیبرهای نوری شیشه‌ای حدود ۴۰۰ برابر بیشتر می‌باشد. فیبرهای PCF، QOF جهت مصارف خاص صنایع مختلف از قبیل سنسورها و انتقال دیتا بسیار کار آمد است. امروزه در ایران استفاده از “فیبر نوری تا خانه/ساختمان” برای سرویس های گوناگونی چون تلفن، اینترنت، سرویس های چند رسانه ای و دیتا با سرعت و پهنای باند بالا بسیار مورد استقبال قرار گرفته است.

منبع: timbercon