.:جویا برق:.

1- تاريخچه فناوري فيبر نوري        

1-1 : قرن نوزدهم

در سال 1870 جوهن تيندال با استفاده از فواره آب كه آب را از ظرفي به ظرف ديگر به اضافه يك اشعه نور انتقال مي داد ثابت كرد كه نور براي دنبال كردن مسير مخصوص خود به يك انعكاس داخلي احتياج دارد. وقتي كه آب از فواره اولين ظرف مي ريخت تيندال اشعه نور خورشيد در مسير آب هدايت كرد.

نور يك مسير زيگزاگ داخل مسير منحني آب را تعقيب كرد. اين آزمايش ساده كه در شكل 1 بيان شد، به نشانه اولين در انتقال نور هدايت شونده است.

در سال 1880 ويليام ويلينگ امتياز اختراع يك روش انتقال نور موسوم به "نور لوله- اي" را كسب كرد. او معتقد بود كه با كاربرد لوله اي آيينه از انتشعاب از يك منبع نوري واحد يعني قوس الكتريكي روشن توانست نور را به اطاق هاي زيادي انتقال دهد همانطوري كه از لوله ها به سراسر ساختمان منتقل مي شود. بواسطه بي اثر بودن ايد ويلينگ و مقدمه همزماني حباب لامپ گدازنده كامل، مفهوم كلي نور لوله اي هرگز بمنصه ظهور نرسيد.

همان سال، الكساندر گراهام بل يك سيستم انتقال صداي نوري را موسوم به فوتوفون (Photophone) را اختراع كرد. فوتوفون با استفاده از نور فضايي آزاد صداي انسان را تا 200 متر انتقال داد. مخصوصاً آيينه ها نور آفتاب را در يك ديافراگم وصل به دهانه فوتوفون منعكس نمود. در طرف آخر يك رزيستور سلنيوم حساس به نور قرار داشت. اين رزيستور يا رئوستا به يك باطري وصل بود و باطري به گيرنده تلفن وصل بود. وقتي كسي كه در فوتوفون صحبت مي كرد، ديافراگم منور نوسان مي كرد و شدت هاي مختلفي از نور را به رئوستاي سلنيوم مي داد. شدت در حال تغيير نور جرياني را تغيير داد كه از ميان گيرنده تلفني عبور مي داد و سپس دوباره نور را به صدا تبديل كرد. بل معتقد بود كه اختراع برتر از تلفن است زيرا احتياج به سيم براي اتصال بين فرستنده و گيرنده نداشت. امروز لينك هاي نوري با فضاي آزاد و كاربردهاي شهري وسيعي دارند.                                          

      1-2 : قرن بيستم

فناوري فيبر نوري نسبت پيشرفت پديده اي در نيمه دوم قرن بيستم دارد. موفقيت اوليه در دهه 1950 با توسعه دوربين فيبري بدست آمد. اين وسيله انتقال تصوير توسط برايان او برايان از شركت نوري آمريكايي و ناريند كاپاني (كه اولين بار در سال 1956 لفظ فيبر نوري را وضع كرد) طراحي شد فيبرهاي تمام شيشه اي ابتدايي افت نوري زيادي مي نمودند و افت سيگنال نوري كه از فيبر عبور كرد فواصل انتقال را محدود مي كرد.

اين انگيزه  اي شد كه دانشمندان فيبرهاي شيشه اي را كه شامل يك پوشش شيشه اي مجزا است وضع كننده منطقه دروني فيبر براي انتقال نور بكار رفت ولي پوشش شيشه اي يا(lcadding) از نشت كردن و بيرون آمدن هسته جلوگيري كرد. اين مقوله با قانون اسينل توضيح داده شد. اين قانون مي گويد كه زاويه انعكاس نور بستگي به شاخص هاي انكسار دوماتريال دارد. كه در اين مورد، هسته وغلاف شيشه اي هستند. شاخص پاييني انكسار كننده پوشش شيشه اي دوربين فيبري سريعاً كاربرد پيدا كرده و اقدام به بازديد جوش ها در داخل ظروف راكتور محفظه هاي احتراق موتورهاي هواپيماي جت و نيز در رشته پزشكي كمك به عكسبرداري هاي مي نمايد. جراحي لاپاراسكبي كه يكي از پيشرفت هاي پزشكي قرن بيستم است نتيجه كاربرد فناوري دوربين فيبري است.

توسعه تكنولوژي لیزری قدم مهم بعدي دربرقراري صنعت فيبر نوري است.

توسعه فناوري ليزري دومين مرحله مهم در تأسيس صنعت فيبر نوري است. فقط ديود ليزري (LD) و یا مشابه كه قدرت آن يعني ديود پخش نور LED قدرت طبيعي يا پتانسيل ايجاد مقادير زياد نور را در يك نقطه يا محل مفيد براي فيبر نوري داشته است. در سال 1957 شخص گوردون گلد ایده استفاده از ليزرها را بهنگام توصيف ليزر بعنوان منبع نوري قوي انتشار داد. كمي بعد چارلزتاونز و آرتورشاولو در لابراتورهاي بل از ليزر در محافل علمي پشتيباني كردند. ليزرها از چندين نسل گذشته اند از جمله توسعه ليزر ياقوتي و ليزر هليوم _ نئون در سال 1960 ليزر  هاي نيمه هادي اولين ليزرهاي بوده اند كه در سال 1962 مشخص شده بودند. اين ليزرها از نوعي هستند كه در فيبرهاي نوري امروز كاربرد دارند.

بعلت بالاتر بودن توانايي فركانس مدولاسيون اهميت ليزرها بعنوان وسيله انتقال اطلاعات كاملاً مورد توجه مهندسين ارتباطات قرار گرفت. ولي ليزر براي انتقال در هواي آزاد مناسب نيست زيرا تحت تأثير ناجور شرايط محيطي قرار مي گيرد. چارلز كائووچارلز هفام كه در سال 1966 در لابراتوار ارتباطات از راه دور استاندارد و در انگلستان كار مي كردند، مقاله شاخصی را انتشار داده و در آن مقاله پيشنهاد كردند كه فيبر نوري مي تواند يك وسيله انتقال مناسب باشد در صورتي كه تضعيف سازي آن در كمتر از 20 دسي بل در كيلومتر حفظ شود.

در زمان ارائه اين پيشنهاد فيبرهاي نوري افت 1000 دسيبل در كيلومتر و اندي را نشان دادند. در افت فقط20 دسيبل در كيلومتر، 99% نور تا حدود 3300 فوت افت خواهد كرد. بعبارت ديگر محققين فرض كردند كه افت نوري بالاتر نتيجه ناخالص در شيشه بوده نه خود شيشه. افت بصري 20 دسيبل در كيلومتر در حدود مقدور است الكتريكي و اپتو _ الكترونيكي روز بوده است.

محققين كار روي شيشه به پيروي از پيشنهاد كائووهفام روي مسئله تصفيه شيشه كار كردند. در سال 1970 دكتر رابرت مورر، دكتر دونالد كك و دكتر پیترشولتس موفق به ساخت فيبر شيشه اي شدند كه مي توانست تضعيف را در كمتر از 20 دسيبل در كيلومتر نشان دهد. آن آستانه ساخت فيبر نوري و تبديل آن به فناوري رقابتي است آن صاف ترين شيشه اي است كه تابحال ساخته شده است.

كارهاي اوليه روي منبع فيبر نوري و دتكتور كند بوده و اغلب مي بايستي تكنولوژي را به دلايلي عاريه بگيريم. بعنوان مثال اولين منبع هاي نور، فيبر نوري از LED هاي شاخص مرئی اخذ شد. بموازات افزايش تقاضا، منبع هاي نوري براي فيبرهاي نوري توليد شده توانست سرعت تبديل بالاتر را ارائه دهد. آن طول موج مناسب تر و قدرت بازدهي بالاتر است. براي كسب اطلاعات بيشتر درباره نورپخش كن ها به ديودهاي ليزري و LED ها مراجعه كنيد.

فيبر هاي نوری توسعه يافتند بعد از سالها و سري به سري و نسل به نسل مي توانند با طول موج رابطه نزديكتر داشته باشند. در شكل 3 منحني نشان داده شده است. منحني فوقاني و خط نقطه كه مربوط و متناظر به فيبر نوري دهه 1980 و منحني مياني نقطه چين مربوط به فيبر اواخر دهه 1980 است و منحني يك تكه تحتاني كه مربوط به فيبر نوري مدرن مي باشد. سيستم هاي قديمي فيبر نوري در طول موج عملياتي حدود 859 nm ساخته شدند. اين طول موج بالا "اولين پنجره" شباهت داشت. در بين چند نقطه انجذاب بزرگ حاصل از رطوبت در ميان فيبر و raylligh scatterin بوجود آمد.

ناحيه 850 nm در اصل به اين دليل جذاب بود كه تكنولوژي نور پخش كن ها در اين طول موج از قبل در LED هاي مرئي شاخص تكميل شده بودند. دتكتورهاي سيليكوني مي توانند در طول موج850 nm بكار روند. بموازات توسعه تكنولوژي اين پنجره از جذابيت كمتري برخوردار بوده است چرا كه حد افت آن 3 دسيبل در كيلومتر است كه نسبتاً زياد ميباشد.

اكثر شركت ها به پنجره دوم كه در 1310 نيوتون متر و داراي تضعيف كمتر حدود 5/0 دسيبل در كيلومتر است روي مي آوردند. در اواخر سال 1977 شركت NTT "سومين پنجره" را در 1550 nm ساخت. و افت نوري حداقل را براي فيبرهاي با قلياي سيليكا را كه حدود 2/0 دسيبل در كيلومتر بود ارائه داد. امروز سيستم هاي 850 nm ، 1310nm  و 1550 nm همراه با سيستم هاي با فاصله كوتاه با استفاده از طول موج هاي مرئي نزديك به660 nm ساخته مي شوند. هر طول موج مزيت خاص خود را دارد طول موج هاي بلندتر كارايي بالاتري را دارند ولي هميشه در بردارنده هزينه بالاتر هستند. طول كوتاه ترين حلقه مدار مي تواند با طول موج هاي nm 660 يا 850 nm بررسي شود. طول بلندترين حلقه مدار احتياج به سيستم هاي طول موج 1550 nm دارد. و پنجره چهارم كه نزديك به 1625 nm است در حال گسترش است در حاليكه آن افت كمتري از پنجره 1550 ندارد.

افت قابل مقايسه مي باشد و شايد برخي از پيچيدگي هاي سيستم هاي ارتباطات طولاني و با طول موج چندتايي را ساده كند.

1-3 : كاربردها در جهان واقعي

ارتش آمريكا بسرعت حركت كرد كه فيبر نوري را براي ارتباطات بهتر و سيستم هاي تاكتيكي خود بكار ببرد. در اوايل دهه 1970 نيروي دريايي آمريكا يك مدار تلفني فيبر نوري را در خارج از ليتل راك آمريكا نصب كرد. نيروي هوا پيروي كرد و تكنولوژي فيبر نوري سبك هوا برد خود را در سال 1976 ساخت. برنامه هاي تحقيقاتي نظامي به پيروي از اين موفقيت هاي كاربردي صاحب بودجه شد تا بتواند فيبرهاي قوي تر و كابل هاي تاكتيكي و اجزاي قوي با مدل هاي محتلف و سيستم هاي نمايش متعدد را در زمينه هاي كاربرد هوايي تا زير دريايي بسازد.

1       كاربردهاي تجارتي بعد از كاربردهاي نظامي متداول شد. در سال 1977,  AT&T,ATT و GTE سيستم هاي تلفن فيبر نوري را در شيكاگو و بوستون نصب كردند. اين كاربردهاي موفق به افزايش شبكه هاي تلفني فيبر نوري منجر گرديد. نزديك به اوايل دهه 1980 فيبر تك مود كه در nm 1310 و بعد در پنجره هاي اطلاعاتي كامپيوتري مورد استفاده قرار گرفت بصورت فيبر استاندارد قابل نصب در اين شبكه ها درآمد در اصل كامپيوتر ها و شبكه هاي اطلاعات و ارتباطات داده اي كندتر بودند و فيبر پذيرفته نمي شد اما امروز آنها نيز براي يك سيستم انتقال كه كابل سبكتري دارد بكار رفته در مقابل ضربات نور روشنايي مقاومت كرده و اطلاعات را سريع تر و در مسافت هاي طولاني تر انتقال مي دهد.

صنعت پخش اخبار راديويي و تلوزيوني نيز از فيبر نوري جهت انتقال سريع تر پيام ها بهره برده در سال 1980 شبكه هاي پخش بازي المپيك زمستاني در ليك پلاسيد، نيويورك درخواست سيستم انتقال ويدیي فيبر نوري براي پخش تلوزيوني شد. تغذيه فيبر نوري به دليل كيفيت و موفقيت بزودي تغذيه ویدیوی اصیل شد. چندی بد درالمیک زمستانی سال 1994 در لیلی هامر نروژ فيبر نوري اولين سيگنال ويديويي ديجيتالي را پخش كرد و آن كاربردي بود كه تا به امروز ادامه دارد.

در اواسط دهه 1980 دولت آمريكا مقررات دست و پاگيري را از خدمات تلفن برداشت و به شركت هايي كوچك تلفن اجازه داد كه AT8T رقابت كنند. شركت هايي مثل mc1 و اسپرينت بسرعت وارد كار شده و شبكه هاي ارتباطات فيبر نوري را در سراسر جهان توسعه دادند. وبه اين شركت ها مايل ها مسافت را با كابل فيبر نوري كشيده اين شبكه ها امكان دادند كه در سراسر دهه 1980 ادامه يابد. ولي نياز به ايجاد امكانات ارسال فيبر نوري در اين مقوله احساس شد.

در سال 1990 آزمايشگاه هاي بل یک سيگنال Gb/S 5/2 برابر 7500 كيلومتر بدون توليد مجدد و تكثير ارسال نمود. در اين سيستم از یک ليزر سوليتون و از يك آمپليفاير فيبر با دوب اربيوم استفاده شد كه امكان داد كه موج نوري شكل و چگالي خود را حفظ كند. در سال 1998 آنها بعنوان محققين با ارسال 100 سيگنال نوري همزمان رودست زدند. هركدام به نسبت داده اي 10 گيگا بيت در ثانيه براي يك فاصله حدود 250 مايلي(400 km)بوده است. در اين آزمايش تكنولوژي مالتي پلكس سازي مضاعف سازي قسمت متراكم طول موج امكان مي دهد كه چندين طول موج در يك سيگنال نوري تركيب شود نسبت داده های، كلي در يك فيبر تا يك ترابيت در ثانيه افزايش يابد 12^10 بيت در ثانيه در اين مورد براي كسب اطلاعات بيشتر به راه حل هاي انتقال فيبر نوري مراجعه كنيد.

1-4 : قرن 21 و بعد از آن

امروز فناوري DWDM كماكان در حال افزايش است. بموازات افزايش تقاضا براي پهناي باند اطلاعاتي ناشي از رشد نمايان اينترنت حركت براي شبكه سازي نوري كانون تكنولوژي جديد است. در اين نوشتار تقريباً نيمي از يك ميليارد نفوس به اينترنت دسترسي داشته و آنرا منظما"  بكار مي برند. نزديك به 40 ميليون و اندي از خانوارها به اينترنت وصل هستند. اينترنت جهاني متجاوز دو ميليارد برنامه دارد و طبق برآوردها مردم بيشتر از 5/3 ميليون برنامه جديد را همه روز تخليه مي كنند ( Unload).

عامل مهم این توسئه ها افزایش ظرفیت انتقال فیبر است در شکل 5 این روند به تصویر کشیده شده است.

بعلت پهناي باند پتانسيلي فناوري فيبرنوري   50THZ  يا بيشتر ، امكاناتي فوق العاده زياد براي كاربرد فيبر نوري بوجود خواهد آمد. فيبر نوری اتیك انگيزه اي براي ارائه خدمات پهناي باند از جمله داده ها و شنيدارها و مخصوصاً ويدئو در خانه ها در حال پيشرفت است.

خدمات پهناي باند به يك بازار انبوه، انواع وسيعي از ارتباطات تعاملي را براي مصرف كنندگان و فروشندگان فراهم آورده و شبكه هاي ويديويي تئامل واقعيت به واقعيت آورده و بعلاوه يادگيري از فاصله دور امكان پذير ساخته است. در مرحله آخر لازم به ذكر است كه فيبر نوري از مركز جدول به رأس تلويزيوني انتقال مي يابد و آنها معروف به فيبر به خانه FTTHr و فیبر به راس FTTC بوده و امكان می دهند كه ويدئوي مورد تقاضا به يك واقعيت تبديل شود.