انسانها در ابتدا نور را در جو زمین منتشر کردند، اما به عوامل مختلف مانند برف، باران، گرد و خاک و … با مشکل مواجه شدند . بعد از آن برای انتشار نور از لوله و کانال استفاده کردند و بوسیله آینهها و عدسیها نور را داخل این لولهها هدایت می کردند؛ اما باز هم چون تنظیم این آینهها و عدسیها دشوار بود، به مشکل برخوردند. بعد از آن از شیشه استفاده کردند و اما در این مرحله هم چون نور با سرعت ۱۰۰ مگابیت یا بیشتر منتقل می شد، با تضعیف زیاد انرژی مواجه شدند تا اینکه یک شرکت آمریکایی ( کورنینگ گلس ) به این هدف دست یافت. در اوایل سال ۱۹۶۰ میلادی با اختراع اشعه لیزر ارتباطات فیبرنوری ممکن گردید. فیبرنوری بسیار سبک تر و ارزان تر از کابل مسی است و ظرفیت انتقالی تا چندین هزار برابر کابل مسی دارد.
فیبر نوری در ایران
در ایران در اوایل دهه ۶۰، مجتمع تولید فیبر نوری در پونک تهران برپا شد و در سال ۱۳۷۳ تولید فیبر نوری با ظرفیت ۵۰٫۰۰۰ کیلومتر در سال در ایران آغاز شد. در دیگر شهرهای بزرگ ایران نیز فعالیت استفاده از کابلهای نوری آغاز شد تا در آینده نزدیک از طریق یک شبکه ملی مخابرات نوری به هم بپیوندند.
آشنایی با فیبر نوری
- فیبر نوری یکی از محیطهای انتقال داده با سرعت بالا است.
- فیبر نوری رشته ای از تارهای شیشه ای بوده که ضخامت هر یک از تارها برابر تار موی انسان است و از آنها برای انتقال اطلاعات در مسافتهای طولانی
- استفاده می شود. تارهای فوق در کلاف هایی سازمان دهی و کابلهای نوری را بوجود می آورند.
- از فیبر نوری به منظور ارسال سیگنالهای نوری در مسافتهای طولانی استفاده می شود.
- فیبر نوری در موارد مختلفی مانند شبکههای تلفن شهری و بین شهری، اینترنت و شبکههای کامپیوتری استفاده می شود.
بخشهای مختلف فیبر نوری
- روکش
- هسته
- بافر رویه
هسته: این بخش که در مرکز فیبر قرار دارد از جنس یک ماده بی نهایت شفاف شیشه ای و یا پلاستیکی تشکیل شده؛ که پرتوهای نور در آن جریان می یابند.
روکش: این بخش نیز از جنس شیشه و یا پلاستیک است اما با ضریب شکنندگی متفاوتی با جنس بکار گرفته شده در Core . به این خاطر ضریب شکنندگی آن متفاوت است که پرتوهای موجود در Core از آن خارج نشوند و با برخورد به Cladding دوباره به سمت Core هدایت شوند.
بافر رویه: روکشی رنگی پلاستیکی است که از Core و Cladding در مقابل رطوبت و عوامل خارجی محافظت می کند.
ارسال نور در فیبر نوری
اگر در یک راهروی بزرگ و مستقیم چراغ قوه ای را روشن نماییم، با توجه به عدم وجود خم و یا پیچ در راهرو، محدوده مورد نظر روشن می شود ولی اگر راهروی فوق دارای خم و یا پیچ باشد، در این حالت باید از یک آیینه در محل پیچ راهرو استفاده کرد تا باعث انعکاس نور در راهرو گردد. و در صورتیکه راهروی فوق دارای پیچهای زیادی باشد، در چنین حالتی بایست از آیینههای متعددی استفاده کرد. بدین ترتیب نور تابانده شده توسط چراغ قوه از نقطه ای به نقطه دیگر حرکت کرده و طول مسیر راهرو را روشن خواهد کرد. عملیات فوق مشابه آن چیزی است که در فیبر نوری انجام می گیرد.
نور در کابل فیبر نوری از طریق هسته (نظیر راهروی مثال ارائه شده) و توسط جهشهای پیوسته با توجه به سطح آبکاری شده (cladding)(مشابه دیوارهای شیشه ای مثال ارائه شده) حرکت می کند. (مجموع انعکاس داخلی) و چون سطح آبکاری شده، قادر به جذب نور موجود در هسته نمی باشد، نور قادر به حرکت در مسافتهای طولانی می باشد. اما گاهی بدلیل خالص نبودن شیشه، برخی از سیگنالهای نوری دچار نوعی تضعیف در طول هسته می شوند که این تضعیف به درجه خلوص شیشه و طول موج نور انتقالی بستگی دارد. (مثلاً اگر طول موج ۱۳۰۰ نانومتر باشد، بین ۵۰ تا ۶۰ درصد در هر کیلومتر تضعیف می شود و موج با طول ۱۵۵۰ نانومتر بیش از ۵۰ درصد در هر کیلومتر تضعیف می شود.)
سیستم رله فیبر نوری
برای روشن شدن موضوع فرض می کنیم دو ناوگان دریایی بر روی سطح دریا می خواهند با یکدیگر ارتباط برقرار کنند. یکی از ناوها می خواهد پیامی را برای دیگری ارسال کند. بنابراین کاپیتان ناو فوق پیام را برای یک ملوان که بر روی عرشه کشتی مستقر است، ارسال می کند.ملوان فوق پیام دریافتی را به مجموعه ای از کدهای مورس(نقطه و فاصله) ترجمه می نماید و با استفاده از یک نورافکن آن را برای ناو دیگر ارسال می نماید. یک ملوان بر روی عرشه کشتی دوم، کدهای مورس را مشاهده می نماید و آنها را به یک زبان خاص (مثلاً انگلیسی) تبدیل می کند و برای کاپیتان ناو ارسال می کند. حال اگر فاصله دو ناو فوق از یکدیگر بسیار زیاد (هزاران مایل) باشد، برای برقراری ارتباط بین آنها از یک سیستم مخابراتی مبتنی بر فیبر نوری استفاده می شود.
سیستم رله فیبر نوری از عناصر زیر تشکیل شده است:
فرستنده: مسئول تولید و رمز نگاری سیگنالهای نوری است.
بازتاب نوری: به منظور تقویت سیگنالهای نوری در مسافتهای طولانی استفاده می گردد.
دریافت کننده نوری: سیگنالهای نوری را دریافت و رمز گشایی می نماید.
فرستنده
وظیفه فرستنده، مشابه نقش ملوان بر روی عرشه کشتی ناو فرستنده پیام است. فرستنده سیگنالهای نوری را دریافت و دستگاه نوری را به منظور روشن و خاموش شدن در یک دنباله مناسب (حرکت منسجم) هدایت می نماید. فرستنده از لحاظ فیزیکی در مجاورت فیبر نوری قرار داشته و ممکن است دارای یک لنز به منظور تمرکز نور در فیبر باشد. متداولترین طول موج سیگنالهای نوری ،۸۵۰ نانومتر، ۱۳۰۰ نانومتر و ۱۵۵۰ نانومتر است.
بازتاب (تقویت کننده) نوری
برای جلوگیری از تضعیف و از بین رفتن سیگنالهای نوری از یک یا چند ”تقویت کننده نوری“ استفاده می گردد. تقویت کننده نوری از فیبرهای نوری متعدد به همراه یک روکش خاص تشکیل می گردند. بخش دوپینگ با استفاده از یک لیزر پمپ می گردد. زمانی که سیگنال تضعیف شده به روکش دوپینگی می رسد، انرژی ماحصل از لیزر باعث می گردد که مولکولهای دوپینگ شده، به لیزر تبدیل گردند. مولکولهای دوپینگ شده در ادامه باعث انعکاس یک سیگنال نوری جدید و قویتر با همان خصایص سیگنال ورودی تضعیف شده، خواهند بود.(تقویت کننده لیزری)
دریافت کننده نوری
وظیفه دریافت کننده مشابه نقش ملوان بر روی عرشه کشتی ناو دریافت کننده پیام است. دستگاه فوق سیگنالهای دیجیتالی نوری را اخذ و پس از رمزگشایی، سیگنالهای الکتریکی را برای سایر استفاده کنندگان (کامپیوتر، تلفن و …)ارسال می نماید. دریافت کننده به منظور تشخیص نور از یک ” فتوسل“ و یا ”فتودیود“ استفاده می کند.
مزایای فیبر نوری در مقایسه با سیمهای مسی
قیمت ارزان تر : هزینه فیبر نوری نسبت به سیمهای مسی در مقیاسهای بالا کمتر است.
اندازه نازکتر : قطر فیبرهای نوری به مراتب کمتر از سیمهای مسی است.
ظرفیت بالا : پهنای باند فیبر نوری به منظور ارسال اطلاعات به مراتب بیشتر از سیم مسی است. لذا فیبر نوری توانایی انتقال دادههای بیشتری را دارد.
تضعیف ناچیز : تضعیف سیگنال در فیبر نوری به مراتب کمتر از سیم مسی است.
عدم تداخل : برخلاف سیگنالهای الکتریکی در یک سیم مسی، عبور سیگنالهای نوری در یک فیبر تأثیری بر فیبر دیگر نخواهد داشت و تداخل الکترو مغناطیسی نخواهیم داشت.
مصرف برق پایین : با توجه به این که سیگنالها در فیبر نوری کمتر تضعیف میگردند، بنابراین میتوان از فرستندههایی با میزان برق مصرفی پائین نسبت به فرستندههای الکتریکی(که از ولتاژ بالایی استفاده مینمایند)، استفاده کرد.
اشتعالزا نبودن : با توجه به عدم وجود الکتریسته در فیبر نوری، امکان بروز آتشسوزی در این خصوص وجود نخواهد داشت.
وزن سبک : وزن یک کابل فیبر نوری به مراتب کمتر از کابل مسی همردهآن است و این عامل در کارکردن، نصب و نگهداری فیبر بسیار مهم است.
انعطافپذیر بودن : با توجه به انعطافپذیری فیبر نوری و قابلیت ارسال و دریافت نور از آنان، در موارد متفاوت نظیر دوربینهای دیجیتال با موارد کاربردی خاص مانند عکسبرداری پزشکی و لولهکشی و… استفاده میگردد.
فاصله : از فیبر نوری میتوان در ارتباط شبکههایی که فاصله زیادی از هم دارند استفاده کرد(اتصال شبکههای محلی(LAN) به یکدیگر). شایان ذکر است که قبل از استفاده از کابلهای فیبر نوری ارتباط بین LANها از طریق تلفن یا امواج رادیویی برقرار میشد و کابلهای فلزی توانایی برقراری این ارتباط را نداشتند.
پایداری : در کابلهای فیبر نوری امکان نفوذ و ایجاد اختلال در انتقال دادهها کمتر است و از تأثیرگذاری انواع نویزهای الکترومغناطیسی شامل نویزهای رادیویی و یا نویزهای حاصل از نزدیکی کابلها بر روی دادههای در حال انتقال جلوگیری میکند.بطورکلی تارهای نوری از تداخل و ترویج با سایر کانالهای ارتباطی، خواه نوری و خواه الکتریکی، به خوبی محافظت شده میباشد. یعنی نسبت به تداخل فرکانسهای رادیویی(RFI) و تداخل الکترومغناطیسی(EMI) عدم پذیرش عالی دارند.
سرعت: فیبر نوری توانایی در انتقال اطلاعات به مقدار زیاد چه به شکل دیجیتالیوچه به شکل آنالوگ دارند.
ترویج نوری : نیاز به زمین مشترک بین فرستنده تاری وگیرنده را منتفی می کند.
امکان تعمیر فیبر : (تار) نوری در حالیکه سیستم روشن است، بدون آنکه احتمال اتصال کوتاه شدن مدارهای الکتریکی در فرستنده ویا در گیرنده باشد، وجود دارد.
امنیت : فیبرهای نوری درجهای از امنیت وپنهانی بودن را عرضه می کند. چون تارها انرژی تشعشع نمیکنند. برای یک مزاحم، آشکار سازی سیگنال ارسالی مشکل است.
پهنای باند بالا : این پهنای باند اکنون به ۱۷۰ گیگابایت در ثانیه رسیده و دانشمندان بر این باورند که قابلیت ارتقاء تا چند صد ترابایت را دارد. فیبرنوری SMF که در حال حاضر مورد استفاده قرار میگیرد از پهنای باند ۴۰ گیگابایتی برخوردار است.
عدم استفاده الکتریسیته برای ارتباط : از آنجا که در ابتدای مسیر نوری تولید شده و در انتها این نور دریافت میشود. دیگر نیازی به نیروی اکتریکی نیست و همچنین ایمنی بسیار بالایی را در مقابل نویز دارد.
عدم برقراری انشعاب غیر مجاز : از آنجا که برای برقرای انشعاب بایستی ابتدا فیبر قطع شود و گیرنده فیبر نصب شود؛ و این عمل نیز زمانبر است؛ نگهدارندههای بستر با استفاده از ابزارهای خطایابی میتواند به سرعت محل مورد نظر را شناسایی کنند.
عدم نیاز به repeater تا چندین کیلومتر : به علت استفاده از نور در صورتی که جنس Core مرغوب باشد تا فواصل چند کیلومتری سیگنال تضعیف زیادی نخواهد داشت.
محدودیتها و نقاط ضعف فیبرهای نوری
ضرورت دقت کامل در هنگام کابلکشی
امکان شکستن در صورت گذشتن زاویه فیبر از یک حد معین
محدود بودن میزان کشش برای فیبرهای با ظرفیت مختلف
محافظت کامل در برابر ضربه، برای فیبرهایی که از درون حوضچه می گذرند.
