فیبرنوری

آشنایی با فیبر نوری

مخابرات با استفاده از نور در اوایل دوران پیشرفت بشری، از زمانی که بشر ابتدا با استفاده از علامت دادن با دست پیام خود را ارسال می کرد ، شروع شده-است. این خود به طور بدیهی یک نوع مخابرات نوری است و در تاریکی قابل اجرا نمی باشد. اطلاعات از فرستنده به گیرنده بر روی پرتو خورشید حمل می گردد.
در سال ۱۸۸۰ الکساندرگراهام بل یک سیستم مخابرات نوری به نام فتوفون را اختراع کرد. در این سیستم بل از یک آینه ی نازک که توسط صدا به لرزه در می آید استفاده نمود. نور خورشید منعکس شده از آینه، اطلاعات را حمل می کند. در گیرنده این نور خورشید مدوله شده به سلنیوم هادی نور اصابت می کند و در آن به یک سیگنال الکتریکی تبدیل می شود. این سیگنال الکتریکی در یک تلفن مجددأ به سیگنال صوتی تبدیل می گردد.

ابداع لامپ های ساخت بشر منجر به ساخت سیستم های مخابراتی ساده مثل چراغ های چشمک زن در کشتی و یا بین کشتی و ساحل، چراغ های راهنمای اتومبیل ها و یا چراغ های راهنمایی گردید. در واقع هر نوع چراغ راهنمایی در اصل یک سیستم مخابراتی نوری است

در سال ۱۹۶۰ جزء کلیدی در سیستم های عملی تاری ، یعنی یک تار با کارایی مناسب ، وجود نداشت. هر چند که ثابت شده بود نور می تواند توسط یک تار شیشه ای هدایت شود، تار های شیشه ای موجود بیش از اندازه نور را تضعیف مینمود. در سال ۱۹۷۰ اولین تار نور واقعی با افت کم ساخته شد و مخابرات تار نوری عملی گردید. این موضوع درست صدسال پس از آزمایش تیندال فیزیکدان انگلیسی بود که به مجمع سلطنتی نشان داد که نور در طول یک مسیر منحنی در بخار آب هدایت می شود. هدایت نور توسط تارهای شیشه ای و توسط بخار آب شواهدی بر یک پدیده ی واحد هستند:پدیده انعکاس داخلی کلی

مزایای فیبر نوری

1- قیمت پایین
ماده ی اصلی برای فیبر نوری شیشه ای اکسید سیلیکون است که به وفور یافت می شود همچنین بعضی از فیبرهای نوری از پلاستیک شفاف، که به سهولت در دسترس است، ساخته می شوند. در هنگام تصمیم گیری اکثرا مهمترین عامل مورد توجه هزینه پیاده سازی است اما از طرفی اگر یک فیبر خط فیبر نوری به دلیل یک حادثه و یا به دلیل ایجاد تغییراتی در سیستم قطع شود ، بایستی مجددا اتصال محلهای قطع شده را به کمک فیوژن و یا با استفاده از کانکتور برقرار کرد. این کار ها برای فیبر های نوری نیاز به وقت و تخصص بیشتری دارد تا برای سیم ها. در نتیجه ، در طراحی سیستم هایی که احتمال تغییرات زیادی در آن می رود، هزینه ی نگهداری نیز باید مورد توجه قرار گیرد.

2- استحکام کششی مناسب
اضافه کردن روکش پلاستیکی ، استحکام کششی یک خط انتقال فیبر نوری را زیاد میکند. در صورت لزوم ، برای مستحکم تر کردن فیبر نوری می توان میله های فلزی در داخل کابل پلاستیکی قرار داد. یک راه حل دیگر برای حل مشکل شکنندگی فیبر های نوری استفاده از کولار(Kevlar) است. کولار یک تار پلیمری ترکیبی، با استحکام زیاد می باشد. علیرغم طبیعت آشکار شکنندگی شیشه، کابل های فیبر نوری به دلیل بکارگیری تکنولوژی های مختلف برای بالا بردن استحکام، بسیار نیرومند و قابل بکارگیری در محیط های مختلف هستند.

3- پهنای باند وسیع
یکی از مزایای فیبر نوری، توانایی آن در انتقال حجم بالایی از اطلاعات دیجیتال و آنالوگ، می باشد. به عنوان مثال ، یک تار واحد از نوع ساخته شده برای خدمات تلفنی می تواند داده ها را با میزان T3 یعنی ۴۴۰۷ مگا بیت بر ثانیه ، هدایت کند. این پهنای باند به این فیبر امکان انتقال ۶۷۲ کانال صوتی را می دهد. همچنین با گسترش تکنولوژی فیبر های متعددی با پهنای باند های بالاتر نیز در دسترس قرار گرفته اند.

4- محافظت در مقابل تداخل و تزویج
فیبر های نوری، از جنس شیشه یا پلاستیک عایق هستند در نتیجه جریان الکتریکی در اثر سیگنال ارسالی و یا در اثر تشعشعات خارجی که به تار برخورد می کنند، از آن نمی گذرد. به علاوه، نور در داخل فیبر محبوس است و به بیرون از فیبر نشت نمی کند و در نتیجه موجب ایجاد تداخل با سیگنال های موجود در سایر تار ها نمیگردد. بر عکس، نور نمی تواند از کنار تار به داخل آن تزویج شود. نتیجه می گیریم که یک تار از تداخل و تزویج با سایر کانال های ارتباطی ، خواه نوری و خواه الکتریکی ، به خوبی محافظت شده باشد.

5- ایزولاسیون کامل الکتریکی
تار های الکتریکی به دلیل عایق بودن ، پالس های الکترو مغناطیسی (EMP) حاصل از انفجار های هسته ای را(که می تواند میلیون ها ولت در یک خط انتقال هادی القاء کنند) انتقال نمی دهند. پالس ولتاژ می تواند چندین مایل در طول سیم حرکت کند و در نهایت (به دلیل توانی که دارد) به ابزار های الکتریکی موجود در انتهای مسیر آسیب جدی وارد کند. در محیط هایی که در آنها خطوط ولتاژ بالا وجود دارند، یک خط ارتباطی سیمس احتمالأ می تواند با افتادن روی این خطوط آنها را اتصال کوتاه کند و خسارت های قابل توجهی به بار آورد. این مسئله با وجود فیبر های نوری منتفی است. مزیت دیگر این است که تزویج نوری نیاز به زمین مشترک بین فرستنده ی تار نوری و گیرنده را منتفی می کند. به علاوه، امکان تعمیر تار در حالی که سیستم روشن است، بدون آنکه احتمال اتصال کوتاه شدن مدارالکتریکی فرستنده و یا گیرنده باشد, وجود دارد. این مشکل ممکن است در موقع تعمیر یک کابل فلزی رخ دهد.

6- امنیت
تارها درجه ی بالاتری از امنیت و پنهان بودن را عرضه می کنند. به دلیل آنکه تار ها انرژی تشعشع نمی کنند، برای یک مزاحم ، آشکار سازی سیگنال ارسالی مشکل است برای دسترسی به سیگنال در حال انتقال در فیبر نوری می بایستی  فیبر به طور فیزیکی شکسته شود.  قطع تار، یا اتصال یک تار جدید به تار ارسال کننده ، دسترسی به پرتو را ممکن می سازد. در خلال چنین اصلاحاتی روی خط ، قدرت رسیده به گیرنده افت می کند. یک گیرنده ی حساس می تواند این تضعیف را اندازه بگیرد و وجود مزاحم را خبر دهد. برای بهبود دادن موفقیت در آشکار سازی ، مزاحمت سیستم به طور مداوم باید تحت نظر باشد.

6- مصونیت در مقابل خوردگی
خوردگی در اثر تماس با آب یا مواد شیمیایی، برای شیشه به مراتب کمتر از مس رخ می دهد. به هر حال آب نبایستی به شیشه نفوذ کند به همین دلیل برای کاربرد های زیر دریایی ، تارها در داخل کابل هایی قرار می گیرند که آنها را در مقابل آب محافظت می کنند.

7- غیر قابل اشتعال بودن
تار های شیشه ای ، خودشان می توانند درجه حرارت های شدیدی را بدون آنکه خراب شوند ، تحمل نمایند. درجه حرارت هایی نزدیک به ۸۰۰ درجه ی سانتی گراد ، اثری روی تار شیشه ای نمی گذارد. همچنین ، چون الکتریسیته از فیبر های نوری عبور نمی کند ، بنابراین امکان بروز آتش سوزی پایین است.

8- وزن کم و قطر کوچک
مزیت دیگر فیبر های نوری ، کوچک بودن قطر آنهاست که باعث میشود فضای کمتری اشغال کنند. این ویژگی در هواپیما ها و سفینه های فضایی اهمییت بسزایی دارد. فیبر های نوری با توجه به قطر کم دارای وزن بسیار کمی نیز می باشند که این دو مسئله باعث میگردد طول بسیار زیادی از فیبر ها روی یک قرقره بسته شده و به سادگی حمل شوند. یک مقایسه بین فیبر نوری و کابل مسی نشان می دهد که ۴۰ کیلومتر فیبر نوری دارای وزنی حدود ۱ کیلوگرم است. در صورتی که ۵/۱ کیلومتر سیم مسی با قطر ۳۲ میلی متر دارای وزن ۱ کیلو گرم می باشد.

9- اتلاف پایین
اتلاف در فیبر های نوری نسبت به کابل های مسی بسیار کم بوده و به همین دلیل ، در هر ۳۰ تا ۱۲۰ کیلو متر به تکرار کننده نیازداریم ، در حالی که در سیم های مسی در هر ۵ کیلو متر یک تکرار کننده استفاده می شود. اتلاف فیبر هایی که هم اکنون به طور معمول مورد استفاده قرار می گیرند ، در حدود 2dB/km می باشد. این میزان اتلاف در طول موج های مختلف متفاوت بوده و به چندین عامل بستگی دارد.

10- نصب و نگهداری آسان تر
با توجه به طول زیاد (چندین کیلومتر) وتضعیف کم در سیستم های فیبر نوری ، فاصله ی تکرار کننده ها در این سیستم ها نسبت به سیستم های کابل مسی بیشتر است. در نتیجه تعمیرات این کابل ها ساده تر و با هزینه ی کمتری انجام می گیرد و از آنجایی که تعداد مفصل ها نسبت به کابل های مسی کمتر است و هر مفصل مقدار کمی اتلاف در سیستم ایجاد می کند ، در نتیجه خرابی کمتر بوده و نصب و نگهداری آسان تر می باشد.

11- فرستنده هایی با توان مصرفی کمتر
سیگنال در فیبر های نوری کمتر دچار اتلاف می شوند بنا بر این فرستنده هایی با قدرت کمتر می توانند به جای فرستنده های الکتریکی با ولتاژ بالا که برای سیم های مسی استفاده می شوند ، به کار روند و این باعث صرفه جویی در قیمت میگردد.

12- انعطاف پذیری

تارها و کابل های نوری نشان داده اند که به طور تعجب آوری محکم و انعطاف پذیر هستند. بعضی تار ها آنقدر نرم هستند که وقتی به دور منحنی با شعاع فقط چند سانتی متر پیچیده شوند ، قطع نمی شوند. تار ها غالبأ در موقع نگهداری و حمل به دور قرقره هایی که چنین شعاع انحنای کوچکی دارند ، محکم پیچیده می شوند. قابلیت انعطاف تار ها در مواردی از نصب که در طول مسیر انتقال پیچ های زیادی وجود دارد ، جالب توجه است. برای خمش های با شعاع انحنای زیاد ، تار ها ، نور را با تضعیف قابل اغماضی هدایت میکنند.

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 1550 نانومتر و از حداقل پاشندگی در طول موج 1310 نانومتر بهره جستند و فیبری را طراحی کردند که دارای ساختار نسبتاً پیچیده ‌تری بود. در عمل با تغییراتی در پروفایل ضریب شکست فیبرهای تک مد از نسل دوم، که حداقل پاشندگی آن در محدوده 1٫3 میکرون قرار داشت، به محدوده 1٫55 میکرون انتقال داده شد و بدین ترتیب فیبر نوری با ماهیت متفاوتی موسوم به فیبر دی. اس. اف (DSF)که معادل Dispersion-Shifted Fiber است، ساخته شد.