چکیده
پس از اختراع لیزر در سال ۱۹۶۰ میلادی، ایده بکارگیری فیبر نوری برای انتقال اطلاعات شکل گرفت. خبر ساخت اولین فیبر نوری در سال ۱۹۶۶ همزمان در انگلیس و فرانسه با تضعیفی برابر با؟ اعلام شد که عملا در انتقال اطلاعات مخابراتی قابل استفاده نبود تا اینکه در سال ۱۹۷۶ با کوشش فراوان پژوهندگان، تلفات فیبر نوری تولیدی شدیدآ کاهش داده شد و به مقداری رسید که قابل ملاحظه با سیمهای هم‌محور بکاررفته در شبکه مخابرات بود.
فیبر نوری از پالس‌های نور برای انتقال داده‌ها از طریق تارهای سیلکون بهره می‌گیرد. یک کابل فیبر نوری که کمتر از یک اینچ قطر دارد 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 . فیبر نوری از چندین لایه ساخته میشود. درونی‌ترین لایه را هسته می‌‌نامند. هسته شامل یک تار کاملاً بازتاب کننده از شیشه خالص (معمولاً) است. هسته در بعضی از کابل‌ها از پلاستیک کا ملاً 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 قرار دارد، که از شیشه یا پلاستیک ساخته میشود. هسته و پوسته به همراه هم یک رابط بازتابنده را تشکیل می‌‌دهند که با عث میشود که نور در هسته تا بیده شود تا از سطحی به طرف مرکز هسته باز تابیده شود که در آن دو ماده به هم می‌‌رسند. این عمل بازتاب نور به مرکز هسته را (بازتاب داخلی کلی) می‌‌نامند. قطر هسته و پوسته با هم حدود ۱۲۵ میکرون است (هر میکرون معادل یک میلیونیم متر است)، که در حدود اندازه یک تار موی انسان است. بسته به سازنده، حول پوسته چند لایه محافظ، شامل یک پوشش قرار می‌گیرد.
یک پوشش محافظ پلاستکی سخت لایه بیرونی را تشکیل می‌‌دهد. این لایه کل کابل را در خود نگه می‌‌دارد، که میتواند صدها فیبر نوری مختلف را در بر بگیرد. قطر یک کابل نمونه کمتر از یک اینچ است .
از لحاظ کلی، دو نوع فیبر وجود دارد: تک حالتی و چند حالتی. فیبر تک حالتی یک سیگنال نوری را در هر زمان انتشار می‌‌دهد، در حالی که فیبر چند حالتی میتواند صدها حالت نور را به طور همزمان انتقال بدهد .
–§== فیبر نوری در ایران == در ایران در اوایل دهه ۶۰، فعالیت‌های پژوهشی در زمینه فیبر نوری در پژوهشگاه، برپایی مجتمع تولید فیبر نوری در پونک تهران را درپی داشت و عملا 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. اولین پروژه فیبرنوری با اجرای 700 کیلومتر کابل با 13 هزار کانال بین چندین مسیر با هزینه‌ای بالغ بر 40 میلیارد ریال بین سالهای 69 تا 73 انجام شد. در برنامه دوم توسعه پروژه فیبرنوری با 11600 کیلومتر کابل با 620 هزار کانال بین شهری با هزینه 654 میلیارد ریال در سالهای 74 تا 78 به انجام رسید و نهایتا در برنامه سوم توسعه 17850 کیلومتر تا 2 میلیون کانال با پروتکشن بین شهرهای کشور با هزینه‌ای بالغ بر 1035 میلیارد در سالهای 79 تا 83 اجرا شد.
فیبرنوری یک موجبر استوانه‌ای از جنس شیشه یا پلاستیک است که دو ناحیه مغزی و غلاف با ضریب شکست متفاوت و دو لایه پوششی اولیه و ثانویه پلاستیکی تشکیل شده است. برپایه قانون اسنل برای انتشار نور در فیبر نوری شرط: می‌بایست برقرار باشد که به ترتیب ضریب شکست‌های مغزی و غلاف هستند. انتشار نور تحت تأثیر عواملی ذاتی و اکتسابی دچار تضعیف میشود. این عوامل عمدتآ ناشی از جذب فرابنفش، جذب فروسرخ، پراکندگی رایلی، خمش و فشارهای مکانیکی بر آنها هستند.
فیبر نوری چیست
آن چه امروزه به نام فیبر نوری نامیده می شود، الیاف یا رشته های بسیار نازکی از جنس شیشه است که باریکی آن ها به ابعاد موهای سر انسان می رسد. این الیاف معمولا به صورت چند دسته ای درون یک غلاف در کنار یکدیگر قرار می گیرند که به نام کابل نوری شناخته می شوند و به منظور تبادل سیگنال های نوری در مسافت های بالا مورد استفاده قرار می گیرند.
ایران در راه اصلی طولانی ترین مسیر فیبرنوری جهان قرار دارد؛ مسیری به نام جاده ابریشم که شانگهای را از شرق به فرانکفورت در غرب وصل می کند.
از سوی دیگر، از فیبرنوری به عنوان یکی از اصلی ترین راه های انتقال دیتا در کشورمان استفاده می شود.
● فیبر نوری چیست؟
آن چه امروزه به نام فیبر نوری نامیده می شود، الیاف یا رشته های بسیار نازکی از جنس شیشه است که باریکی آن ها به ابعاد موهای سر انسان می رسد. این الیاف معمولا به صورت چند دسته ای درون یک غلاف در کنار یکدیگر قرار می گیرند که به نام کابل نوری شناخته می شوند و به منظور تبادل سیگنال های نوری در مسافت های بالا مورد استفاده قرار می گیرند.
هر فیبر نوری خود به تنهایی از بخش هایی به شرح ذیل تشکیل می شود:
▪ مغزی: رشته بسیار باریکی از جنس شیشه دورن مرکز به عنوان محور فیبر که سیگنال ها را از خود عبور می دهد.
▪ پوشش انعکاسی: که بلافاصله پس از مغزی قرار گرفته و دور آن را به منظور ایجاد خاصیت انعکاس آینه ای می پوشاند.
▪ پوشش خارجی: که از جنس پلاستیک بوده و به منظور حفاظت فیبر در مقابل آسیب ناشی از ضربه و یا رطوبت به کار می رود.
درون هر کابل نوری، چند صد فیبر نوری قرار گرفته است و درنهایت خود کابل به کمک یک غلاف مورد محافظت قرار می گیرد.
فیبر های نوری دو نوع متداول دارند::
فیبر منفرد
فیبر چند رشته ای
فیبر های نوع منفرد از مغزی بسیار نازکی تشکیل یافته اند، (ضخامتی معادل ۹ میکرون) و نور لیزری مادون قرمز را با طول موجی معادل ۱۳۰۰ تا ۱۵۰۰ نانومتر را منتقل می کنند. اما فیبر های چند رشته ای قطر مغزی بزرگتری دارند (ضخامتی معادل ۵/۶۲ میکرون) و نور مادون قرمز با طول موج ۸۵۰ الی ۱۳۰۰ نانو متر را از دورن خود منتقل می کنند.
برخی از فیبرهای نوری از جنس پلاستیک ساخته می شوند؛ این نوع فیبرها مغزی بزرگتر از دو نوع پیش گفته دارند یعنی چیزی در حدود یک میلیمتر قطر مغزی آنها است و قادر به انتقال نور قرمز مرئی با طول موج ۶۵۰ نانو متر هستند.
● نحوه انتقال نور از درون یک فیبر نوری
نور در حالت معمول در یک خط مستقیم منتشر می شود و برای تعویض جهت باید از یک جسم با قابلیت انعکاس مطلوب همچون آینه در مسیر و محل تغییر جهت استفاده کرد. اما اگر در مسیر چندین پیچ و خم قرار گرفته باشد، آنگاه رساندن نور از یک مسیر غیر مستقیم با یک چراغ قوه مشکل به نظر می رسد.
نور دورن یک کابل نوری از میان مغزی آن عبور می کند، در این مسیر پوشش انعکاسی که سراسر طول فیبر و دور تا دور آن را در بر گرفته است؛ درست همانند یک آینه عمل نموده و سبب پیدایش انعکاس نور در سراسر مسیر فیبر می شود، در نتیجه نور هرگز از مسیر منحرف نشده و تا انتهای طول کابل به راه خود ادامه خواهد داد.
● سیستم باز پخش فیبر نوری
در حقیقت به منظور درک کارایی و عملکرد فیبر نوری در شبکه های مخابراتی و ارتباطی می توان چگونگی برقراری ارتباط میان کشتی های نظامی در در جریان جنگ جهانی دوم و با توجه به حفظ سکوت رادیویی طی ارتباط مثال زد. در این شرایط کشتی که می خواست پیام را به کشتی مقصد ارسال کند، ابتدا پیام را به حالت کد های مورس تبدیل و سپس برای ارسال آن از یک اتاقک که پنجره ای دورن آن قرار داشت و به کمک روشن و خاموش کردن چراغ اتاقک استفاده می کرد.
البته این نحوه ارتباط در شرایط نزدیک بودن شناورها به یکدیگر امکان پذیر است؛ اما حال تصور کنید هر یک از این کشتی ها کیلومتر ها از یکدیگر فاصله داشته باشند ولی یک کابل نوری میان آنها قرار گرفته و وظیفه برقراری ارتباط را بر عهده داشته باشد، در این حالت سیستم باید از اجزایی تشکیل شده باشد که در ادامه آمده است:
▪ فرستنده: با هدف تولید و رمزگذاری پیام های نوری، فرستنده در حقیقت عمل قطع و وصل جریان سیگنال های نوری و هدایت آنها دورن فیبر را بر عهده دارد. طول موج های رایج این سیگنال ها عبارتند از ۸۵۰، ۱۳۰۰ و ۱۵۵۰ نانو متر.
▪ فیبر نوری: به عنوان یک کانال ارتباطی میان مبدا و مقصد پیام
▪ تقویت کننده نوری: به منظور تقویت و جبران افت سیگنال ناشی از فواصل دور، در مسافت های بالا تر از یک کیلو متر جریان سیگنال ها دورن فیبر دچار افت می شود و به منظور جبران این افت می بایست در چندین نقطه از مسیر از تقویت کننده های مخصوص استفاده شود که به نام تقویت کننده های لیزری نیز شهرت دارند.
▪ گیرنده: که وظیفه دریافت و رمز گشایی پیام ها را برعهده دارد، سیگنال های دریافتی را رمز گشایی نموده و آنها را به سیگنال های سازگار با سیستم هایی همچون تلفن، تلویزیون و رایانه می کند.
● مزایای استفاده از فیبرهای نوری
در یک مقایسه میان سیم های رایج و فیبر نوری به این که چرا استفاده از فیبرهای نوری صنعت ارتباطات را امروزه دچار تحول و دگرگونی عظیمی کرده است، پی خواهیم برد.
به طور کلی فیبر های نوری در مقایسه با سیم [های مسی] مزایای بسیاری دارد که توجیه مهندسی کاربری آن را به عنوان جایگزین برتر سیم ها در پی دارد:
▪ ارزانتر: در حقیقت کیلومترها کابل نوری در نهایت از سیم های مسی ارزانتر تمام می شوند.
▪ باریکتر: قطر فیبر های نوری بسیار باریکتر از سیم های مسی است.
▪ ظرفیت بالاتر انتقال: به دلیل بالا بودن ظرفیت انتقال دیتا از طریق فیبر نوری نسبت به سیم مسی می توان حجم بیشتری از اطلاعات را به صورت همزمان از طریق آنها مبادله کرد.
▪ افت سیگنال کمتر: میزان افت سیگنال در فیبر نوری بسیار کمتر از سیم های مسی است.
▪ سیگنال های نوری: برخلاف سیگنال های الکتریکی در سیم های مسی، هیچ گونه تداخلی برای سیگنال های در جریان درون فیبر هایی که در کنار یکدیگر قرار گرفته اند ایجاد نخواهد کرد و این به معنای تماس تلفنی با کیفیت صدای مطلوب تر و تصاویر تلویزیونی با وضوح بیشتر است.
▪ توان کمتر: سیگنال های نوری به فرستنده های کم توان تری نسبت به فرستنده های سیگنال الکتریکی در سیم های مسی نیازمند هستند و این امر تاثیر چشم گیری در کاهش هزینه ها دارد.
▪ سیگنال های دیجیتال: فیبرهای نوری جهت تبادل دیتا در حالت دیجیتال و استفاده در شبکه های رایانه ای بسیار مناسب هستند.
▪ بدون خطر اشتعال: چراکه هیچ نوع جریان الکتریسیته ای از دورن آنها عبور نمی کند.
▪ وزن سبک: وزن فیبرهای نوری در مقایسه با سیم های مسی بسیار کمتر است.
سیستم های مخابرات فیبر نوری
گسترش ارتباطات و راحتی انتقال اطلاعات از طریق سیستم های انتقال و مخابرات فیبر نوری یکی از پر اهمیت‌ترین موارد مورد بحث در جهان امروز است. سرعت دقت و تسهیل از مهم‌ترین ویژگی های مخابرات فیبر نوری می‌‌باشد. یکی از پر اهمیت‌ترین موارد استفاده از مخابرات فیبر نوری آسانی انتقال در فرستادن سیگنال های حامل اطلاعات دیجیتالی است که قابلیت تقسیم بندی در حوزه زمانی را دارا می‌‌باشد. این به این معنی است که مخابرات دیجیتال تامین کننده 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 مگا هرتز با داشتن پهنای باند ۲۰ کیلو هرتز دارای گنجایش اطلاعاتی ۰٫۱٪ می‌‌باشد. امروزه انتقال سیگنالها به وسیله امواج نوری به همراه تکنیکهای وابسته به انتقال شهرت و آوازه سیستم های انتقال ماهوارهای را به شدت مورد تهدید قرار داده است. دیر زمانی ست که این مطلب که نور میتواند برای انتقال اطلاعات مورد استفاده قرار گیرد به اثبات رسیده است و بشر امروزه توانسته است که از سرعت فوق العاده آن به بهترین وجه استفاده کند. در سال ۱۸۸۰ میلادی الکساندر گراهام بل ۴ سال بعد از اختراع تلفن موفق به اخذ امتیاز نامه خود در زمینه مخابرات امواج نوری برای دستگاه خود با عنوان فوتو تلفن گردید. در ۱۵ سال اخیر با پیشرفت لیزر به عنوان یک منبع نور بسیار قدرتمند و خطوط انتقال فیبر های نوری فاکتور های جدیدی از تکنولوژی و تجارت بهتر را 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 مانده است. از دلایل این امر می‌‌توان به موارد زیر اشاره کرد: ۱)تکنیکهای مخابرات در سیستم های جدید مورد استفاده قرار می‌‌گرفت ۲)سیستم های جدید با بالاترین تلنولوژی برای داشتن بیشترین گنجایش کارآمدی سرعت و دقت طراحی شده بود. ۳)انتقال به کمک خطوط نوری امکان استفاده از تکنیکهای دیجیتال را فراهم می‌‌ساخت. این مطلب نیاز انسان را به دسترسی به مخابره اطلاعات رابه صورت بیت به بیت پاسخگو بودتوانایی 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