اخبار

فیبر نوری

فیبر نوری

فیبر نوری رشتهٔ باریک و بلندی از یک مادّهٔ شفاف مثل شیشه (سیلیکا) یا پلاستیک است که می‌تواند نوری را که از یک سر به آن وارد شده، از سر دیگر خارج کند. فیبر نوری دارای پهنای باند بسیار بالاتر از کابل‌های معمولی است و با آن می‌توان داده‌های تصویر، صوت و داده‌های دیگر را به‌راحتی با پهنای باند بالا تا ۱۰ گیگابیت بر ثانیه و بالاتر انتقال داد.امروزه مخابرات نوری، به دلیل پهنای باند وسیع‌تر در مقایسه با کابل های مسی، و تأخیر کمتر در مقایسه با مخابرات ماهواره‌ای از مهم‌ترین ابزار انتقال اطلاعات محسوب می‌شود.

تاریخچهٔ ساخت فیبر نوری

اولین کسانی که در قرون اخیر به فکر استفاده از نور برای انتقال اطلاعات افتادند، انتشار نور را در جو زمین تجربه کردند. اما وجود موانع مختلف نظیر گرد و خاک، دود، برف، باران، مه و… انتشار اطلاعات نوری در جو را با مشکل مواجه ساخت. بعدها استفاده از لوله و کانال برای هدایت نور مطرح شد. نور در داخل این کانالها به وسیلهٔ آینه‌ها و عدسی‌ها هدایت می‌شد، اما از آنجا که تنظیم این آینه‌ها و عدسی‌ها کار بسیار مشکلی بود این کار نیز غیر عملی تشخیص داده شد و مردود ماند.

اولین تلاش ها

شاید اولین تلاش در سیر تکاملی سیستم ارتباط نوری به وسیله الکساندر گراهام بل صورت گرفت که در سال ۱۸۸۰، درست ۴ سال پس از اختراع تلفن، اختراع تلفن نوری (فوتوفون) یا سیستمی که صدا را تا فواصل چندین صد متر منتقل می‌کرد، به ثبت رساند. تلفن نوری بر مبنای مدوله کردن نور خورشید بازتابیده با به ارتعاش درآوردن آینه‌ای کار می‌کرد. گیرنده یک فتوسل بود. در این روش نور در هوا منتشر می‌شد و بنابراین امکان انتقال اطلاعات تا بیش از ۲۰۰ متر میسر نبود. به همین دلیل، اگرچه دستگاه بل ظاهراً کار می‌کرد اما از موفقیت تجاری برخوردار نبود.

ایده استفاده

ایده استفاده از انکسار (شکست) برای هدایت نور (که اساس فیبرهای نوری امروزی است) برای اولین بار در سال ۱۸۴۰ توسط Daniel Colladon و Jacques Babinet در پاریس پیشنهاد شد.

همچنین John Tyndall در سال ۱۸۷۰ در کتاب خود ویژگی بازتاب یکلی را شرح داد: «وقتی نور از هوا وارد آب می‌شود به سمت خط عمود بر سطح خم می‌شود و وقتی از آب وارد هوا می‌شود از خط عمود دور می‌شود. اگر زاویهٔ پرتو نور با خط عمود در تابش از داخل آب بزرگتر از ۴۸ درجه شود هیچ نوری از آب خارج نمی‌شود در واقع نور به‌طور کامل از سطح آب منعکس می‌شود. زاویه‌ای که انعکاس کلی آغاز می‌شود را زاویه بحرانی می‌نامیم».

توسعه فناوری

از فیبر نوری (معمولاً از جنس سیلیسیم دی‌اکسید) برای انتقال داده‌ها توسط نور لیزر استفاده می‌شود. یک کابل فیبر نوری که کمتر از یک اینچ قطر دارد از مجموعه‌ای از این فیبرها تشکیل شده و 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 بازتاب‌کننده از شیشه خالص 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 بازتابیده شود که در آن دو ماده به هم می‌رسند. این عمل بازتاب نور به مرکز هسته را (بازتاب داخلی کلی) می‌نامند.

انواع کلی فیبر نوری

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 به‌طور هم‌زمان انتقال بدهد.

سیستم‌های مخابرات نوری

گسترش ارتباطات راه دور و راحتی انتقال اطلاعات با سیستم‌های انتقال و مخابرات نوری یکی از پراهمیت‌ترین موارد در جهان امروز است. سرعت، دقت و تسهیل از مهم‌ترین ویژگی‌های مخابرات نوری است. یکی از پراهمیت‌ترین موارد استفاده از مخابرات نوری آسانی انتقال سیگنال‌های اطلاعات دیجیتالی است که قابلیت تقسیم‌بندی در حوزه زمانی را دارا است. به این معنی که مخابرات دیجیتال دارای پتانسیل کافی برای استفاده از امکانات مخابره اطلاعات در بسته‌های کوچک اطلاعات در حوزه زمان است. برای مثال عملکرد مخابرات نوری با توانایی ۲۰ مگاهرتز با داشتن پهنای باند ۲۰ کیلوهرتز دارای گنجایش اطلاعاتی ۰٫۱٪ است.

الکساندر گراهام بل

در سال ۱۸۸۰ میلادی الکساندر گراهام بل چهار سال بعد از اختراع تلفن موفق به اخذ امتیازنامه خود در زمینه مخابرات نوری برای دستگاه خود با عنوان فوتو تلفن شد. در سال‌های اخیر با پیشرفت لیزر به عنوان یک منبع نور قدرتمند و خطوط انتقال نوری فاکتورهای جدیدی از تکنولوژی و تجارت بهتر را برای انسان به ارمغان آورده‌است. مخابرات نوری ابتدا به عنوان یک مخابرات از راه دور تلقی می‌شد که در آن امواج نوری به عنوان حامل یک یا چندواسطه انتقال استفاده می‌شد. با آنکه امواج نوری حامل سیگنال‌های آنالوگ بودند اما سیگنال‌های نوری همچنان به عنوان سیستم مخابرات دیجیتال بدون تغییر باقی‌مانده‌است.

کاربردهای فیبر نوری

– مخابرات: یکی از مرسوم‌ترین کاربردهای فیبر نوری انتقال اطلاعات توسط لیزر است
– حسگرها: استفاده از حسگرهای فیبر نوری برای اندازه‌گیری کمیت‌های فیزیکی مانند جریان الکتریکی، میدان مغناطیسی، فشار، حرارت، جابجایی، آلودگی آب‌های دریا، سطح مایعات، تشعشعات پرتوهای گاما و ایکس
– نظامی: برقراری ارتباط و کنترل با آنتن رادار، کنترل و هدایت موشکها، ارتباط زیردریایی ها
– پزشکی: دُزیمتری غدد سرطانی، شناسایی نارسایی‌های داخلی بدن، جراحی لیزری، استفاده در دندانپزشکی و اندازه‌گیری مایعات و خون
– روشنایی: در این فناوری نور از منبع نوری که می‌تواند نور مصنوعی (نور لامپ های الکتریکی) یا نور طبیعی (نور خورشید) باشد وارد فیبر نوری شده و از این طریق به محل مصرف منتقل می‌شود

فناوری ساخت فیبرهای نوری

برای تولید فیبر نوری، نخست ساختار آن در یک میله شیشه‌ای موسوم به پیش‌سازه از جنس سیلیکا ایجاد می‌گردد و سپس در یک فرایند جداگانه این میله کشیده شده تبدیل به فیبر می‌شود. از سال ۱۹۷۰ روش‌های متعددی برای ساخت انواع پیش‌سازه‌ها به کار رفته‌است که اغلب آن‌ها بر مبنای رسوب‌دهی لایه‌های شیشه‌ای در داخل یک لوله به عنوان پایه قرار دارند.

روش‌های ساخت پیش‌سازه

روش‌های فرایند فاز بخار برای ساخت پیش‌سازه فیبر نوری را می‌توان به سه دسته تقسیم کرد:

– رسوب‌دهی داخلی در فاز بخار
– رسوب‌دهی بیرونی در فاز بخار
– رسوب‌دهی محوری در فاز بخار

مواد لازم در فرایند ساخت پیش سازه

– تتراکلرید سیلیکون: این ماده برای تأمین لایه‌های شیشه‌ای در فرایند مورد نیاز است
– تتراکلرید ژرمانیوم: این ماده برای افزایش ضریب شکست شیشه در ناحیه مغزی پیش‌سازه استفاده می‌شود
– اکسی کلرید فسفریل: برای کاهش دمای واکنش در حین ساخت پیش‌سازه، این مواد وارد واکنش می‌شود
– گاز فلوئور: برای کاهش ضریب شکست شیشه در ناحیه غلاف استفاده می‌شود
– گاز هلیم: برای نفوذ حرارتی و حباب‌زدایی در حین واکنش شیمیایی در داخل لوله مورد استفاده قرار می‌گیرد
– گاز کلر: برای آب‌زدایی محیط داخل لوله قبل از شروع واکنش اصلی مورد نیاز است

فیبر نوری در ایران

در ایران در اوایل دهه ۶۰، فعالیت‌های پژوهشی در زمینه فیبر نوری، برپایی مجتمع تولید فیبر نوری در پونک تهران را در پی داشت و در سال ۱۳۶۷، کارخانه تولید فیبر نوری در یزد به بهره‌برداری رسید. عملاً 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. در همان سال ۱۳۶۷ نخستین خط مخابراتی تار نوری بین تهران و کرج به کار افتاد.

اولین پروژه فیبر نوری

اولین پروژه فیبر نوری با اجرای ۷۰۰ کیلومتر کابل با ۱۳ هزار کانال بین چندین مسیر با هزینه‌ای بالغ بر ۴۰ میلیارد ریال بین سال‌های ۶۹ تا ۷۳ انجام شد. در برنامه دوم توسعه پروژه فیبر نوری با ۱۱۶۰۰ کیلومتر کابل با ۶۲۰ هزار کانال بین شهری با هزینه ۶۵۴ میلیارد ریال در سال‌های ۷۴ تا ۷۸ به انجام رسید و نهایتاً در برنامه سوم توسعه ۱۷۸۵۰ کیلومتر تا ۲ میلیون کانال با پروتکشن بین شهرهای کشور با هزینه‌ای بالغ بر ۱۰۳۵ میلیارد در سال‌های ۷۹ تا ۸۳ اجرا شد.

پروژه تار نوری آسیا

پروژه تار نوری آسیا-اروپا که به TAE مشهور است دارای ۲۴۰۰۰ کیلومتر طول است و از چین، قرقیزستان، ازبکستان و ترکمنستان، ایران، ترکیه، اوکراین و آلمان می‌گذرد. ظرفیت قابل حمل این خط، ۷۵۶۰ کانال تلفنی است.

ساختار فیبر نوری

فیبر نوری 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 شده‌است. 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 عمدتاً ناشی از جذب فرابنفش، جذب فروسرخ، پراکندگی رایلی، خمش و فشارهای مکانیکی بر آن‌ها هستند.

فیبر نوری POF ,PCF , QOF در ایران

از سال ۱۳۸۷ تحقیقات وسیعی در مورد این نوع از فیبرها در مرکز فناوری تخصصی صورت گرفت و با دستیابی به تکنولوژی ساخت و تولید آن‌ها ایران در زمره معدود کشورهای دارنده تکنولوژی ساخت (POLYMER OPTICAL FIBER , PLASTIC CLAD FIBER) قرار گرفت. فیبرهای نوری POF برای انتقال نور مرئی و بسیاری از کاربری‌های دیگر قابل استفاده هستند و در بحث انتقال دیتا سرعتی حدود ۴۰ گیگا بیت در ثانیه دارند که در مقایسه با فیبرهای نوری شیشه‌ای حدود ۴۰۰ برابر بیشتر است. فیبرهای PCF , QOF جهت مصارف خاص صنایع مختلف از قبیل سنسورها و انتقال دیتا بسیار کار آمد است. در کل موارد استفاده از این فیبرها موجب دستیابی به ابزارآلات هایتکی است که در انحصار بعضی از دولت‌ها قرار داشته‌است.

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 ۱۵۵۰ نانومتر و از حداقل پاشندگی در طول موج ۱۳۱۰ نانومتر بهره جستند و فیبری را طراحی کردند که دارای ساختار نسبتاً پیچیده‌تری بود. در عمل با تغییراتی در پروفایل ضریب شکست فیبرهای تک مد از نسل دوم، که حداقل پاشندگی آن در محدوده ۱٫۳ میکرون قرار داشت، به محدوده ۱٫۵۵ میکرون انتقال داده شد و بدین ترتیب فیبر نوری با ماهیت متفاوتی موسوم به فیبر دی. اس. اف (D.S.F. Fiberِ) ساخته شد. فیبر نوری بهترین نوع انتقال اطلاعات در عصر امروزی است