مقاله بررسی ساختار و کاربردهای فیبر نوری

مقدمه:
فیبر نوری نتیجه تلاقی فیزیک نور، مهندسی مواد و نیاز روزافزون بشر به انتقال سریع اطلاعات است. با اختراع لیزر در سال ۱۹۶۰، امکان تولید نوری همدوس و پرقدرت فراهم شد و همین موضوع راه را برای استفاده از نور به عنوان حامل داده باز کرد. چند سال بعد، نخستین فیبرهای نوری آزمایشگاهی ساخته شدند، اما میزان تضعیف آنها به قدری بالا بود که در عمل کاربرد مخابراتی نداشتند. تلاش های مداوم پژوهشگران در دهه های بعد باعث شد میزان تلفات نوری به شدت کاهش یابد و فیبر نوری به تدریج جایگزین سیم های مسی و کابل های هم محور شود. این تحول، تنها یک تغییر ابزار نبود، بلکه آغاز دوره ای تازه در تاریخ ارتباطات به شمار می رفت که در آن نور به عنوان سریع ترین حامل شناخته شده، نقش اصلی را بر عهده گرفت.

فیبر نوری به طور ساده یک موجبر استوانه ای از جنس شیشه یا پلاستیک است که نور را در مسیر مشخصی هدایت می کند. این ساختار از دو بخش اصلی تشکیل می شود: هسته و غلاف. هسته از ماده ای با ضریب شکست بیشتر ساخته می شود و غلاف با ضریب شکست کمتر آن را احاطه می کند. اختلاف ضریب شکست این دو لایه باعث ایجاد پدیده ای به نام بازتاب داخلی کلی می شود که نور را درون هسته نگه می دارد و مانع خروج آن می گردد. قطر مجموع هسته و غلاف حدود ۱۲۵ میکرون است، یعنی تقریبا هم اندازه یک تار موی انسان. پیرامون این دو لایه، پوشش های محافظ پلاستیکی قرار می گیرد که فیبر را در برابر خمش، فشار و عوامل محیطی حفظ می کند. مجموعه این اجزا، امکان انتقال پالس های نوری را با کمترین تلفات فراهم می سازد.

بر اساس نحوه انتشار نور، فیبرهای نوری به دو دسته تک حالته و چند حالته تقسیم می شوند. در فیبر تک حالته، تنها یک مد نوری در هر لحظه منتشر می شود و همین ویژگی باعث می شود پاشندگی زمانی کاهش یابد و انتقال داده در فواصل طولانی با دقت بالا انجام گیرد. در مقابل، فیبر چند حالته می تواند صدها مد نوری را به طور هم زمان عبور دهد، اما تداخل این مدها باعث افزایش پاشندگی و محدود شدن طول مسیر انتقال می شود. انتخاب هر یک از این دو نوع فیبر به شرایط فنی، طول مسیر و نرخ داده مورد نظر وابسته است. پیشرفت در طراحی پروفایل ضریب شکست و بهبود مواد اولیه، باعث شده نسل های جدید فیبر نوری دارای تلفات کمتر و پهنای باند بسیار بالاتری باشند.

تضعیف نور در فیبر نوری پدیده ای اجتناب ناپذیر است و به عوامل مختلفی وابسته است. جذب فرابنفش و فروسرخ در ساختار شیشه، پراکندگی رایلی ناشی از ناهمگنی های میکروسکوپی، خمش های مکانیکی و فشارهای خارجی همگی می توانند باعث کاهش توان سیگنال شوند. منحنی تضعیف بر حسب طول موج نشان می دهد که برخی نواحی طیفی برای انتقال مناسب تر هستند. به همین دلیل، طول موج های ۱/۳ و ۱/۵۵ میکرون به عنوان پنجره های اصلی مخابرات نوری شناخته می شوند. در نسل سوم فیبرهای نوری، با تغییر دقیق پروفایل ضریب شکست، تلفات و پاشندگی به طور هم زمان کاهش داده شد و فیبرهایی با عملکرد بهینه طراحی گردید که به نام فیبرهای دی.اس.اف شناخته می شوند.

در ایران، فعالیت های پژوهشی در زمینه فیبر نوری از اوایل دهه ۶۰ آغاز شد و تأسیس مجتمع تولید فیبر نوری در پونک، گامی مهم در بومی سازی این فناوری بود. در سال ۱۳۷۳ تولید صنعتی فیبر نوری با ظرفیت ده ها هزار کیلومتر در سال شروع شد و به تدریج شبکه های نوری در شهرهای بزرگ گسترش یافتند. هدف از این توسعه، ایجاد شبکه ای ملی بر پایه فیبر نوری بود که بتواند نیاز روزافزون به انتقال حجم عظیم اطلاعات را پاسخ دهد. این روند هم زمان با رشد جهانی مخابرات نوری پیش رفت و ایران نیز در مسیر استفاده گسترده از این فناوری قرار گرفت.

سیستم های مخابرات فیبر نوری بر پایه انتقال سیگنال های نوری طراحی شده اند که می توانند اطلاعات دیجیتال را به صورت بیت به بیت حمل کنند. پهنای باند بسیار بالا، امکان استفاده از تکنیک های تقسیم زمانی و فرکانسی را فراهم کرده و باعث شده حجم عظیمی از داده در بازه های زمانی کوتاه منتقل شود. در مقایسه با سیستم های مسی سنتی، فیبر نوری ظرفیت بسیار بیشتری دارد و در برابر نویزهای الکتریکی تقریبا مصون است، زیرا ماده سازنده آن رسانای الکتریسیته نیست. به همین دلیل، عبور کابل های نوری از کنار میدان های الکترومغناطیسی قوی، تأثیری بر کیفیت سیگنال ندارد و این ویژگی، فیبر نوری را به گزینه ای مطمئن برای محیط های صنعتی و حساس تبدیل کرده است.

کاربردهای فیبر نوری تنها به مخابرات محدود نمی شود. در حوزه حسگرها، از تغییر ویژگی های نوری فیبر برای اندازه گیری کمیت هایی مانند فشار، دما، میدان مغناطیسی، تشعشعات پرتوهای گاما و ایکس و حتی آلودگی آب استفاده می شود. در صنایع نظامی، فیبر نوری در هدایت موشک ها، ارتباط زیردریایی ها و کنترل سامانه های راداری به کار می رود. در پزشکی، این فناوری در جراحی های لیزری، دندانپزشکی، تصویربرداری درون بدنی و اندازه گیری پارامترهای زیستی نقش دارد. گستردگی این کاربردها نشان می دهد که فیبر نوری صرفا یک ابزار انتقال داده نیست، بلکه بستری فناورانه است که در شاخه های گوناگون علم و صنعت نفوذ کرده است.

فن آوری ساخت فیبرهای نوری نیز فرآیندی دقیق و مرحله به مرحله دارد. ابتدا پیش سازه ای شیشه ای از جنس سیلیکا ساخته می شود که ساختار هسته و غلاف در آن شکل گرفته است. سپس این میله در دمای بالا کشیده می شود تا به فیبری بسیار نازک تبدیل گردد. روش های مختلفی برای رسوب دهی لایه های شیشه ای درون لوله پایه ابداع شده که هر یک برای تولید نوع خاصی از فیبر به کار می رود. دقت در این مرحله تعیین کننده کیفیت نهایی فیبر، میزان تلفات و یکنواختی ساختار آن است. این مسیر فنی، از آزمایشگاه تا تولید صنعتی، نشان دهنده پیوند عمیق میان علم مواد، فیزیک نور و مهندسی پیشرفته در شکل گیری فیبر نوری است.

فهرست مطالب
فصل ۱
فیبر نوری ۲
فصل  ۲   ۱۴
سیستمهای مخابراتی ۱۵
مدولاتور ۱۶
تزویج کننده مدولاتور ۱۹
کانال اطلاعات ۲۰
پردازشگر سیگنال ۲۳
محاسبه سطوح توان بر حسب دسیبل ۳۲
فصل ۳ ۳۵
طبیعت نور ۳۶
طبیعت ذره ای نور ۳۸
مزایای تارها ۳۹
کاربردهای مخابرات تار نوری ۴۶
فصل ۴ ۶۳
ساختارهای مخابرات ۶۵
برج های خودپشتیبان ۶۵
سازمان ماهواره ای ارتباطات ۷۱
شرکت PANAM SMAT  ۷۲
اتحادیه ارتباطات تلفنی بین الملل ۷۴
کنسول ITU  ۷۵
بخش ارتباطات رادیویی ۷۵