image 1 image 1 image 1 image 1 image 1

مروری بر فیبرهای نوری

آخرین تغییرات 1397/3/1 15:22:13 | تاریخ 1397/3/1 11:35:43 | دفعات خوانده شدن 182 | 0 نظرات

 

به دلیل نیاز به انتقال حجم وسیع اطلاعات در فواصل طولانی، شاهد رشد مستمر وتغییرات سریع در زمینه مخابرات و ارتباطات هستیم.

تکنولوژی هایی که 20 سال پیش برای انتقال اطلاعات بطور گسترده مورد استفاده قرار می گرفتند، مانند کابل های هم محور، ماهواره ها و امواج رادیویی، به سرعت ظرفیت شان تکمیل شد. نیاز به ظرفیت بیشتر برای انتقال اطلاعات مدت هاست که خیلی وسیع تر از ظرفیت آن سیستم هاست.

با رشد صنایع و افزایش محیط های صنعتی احساس نیاز به رسانه های ارتباطی که برای این محیط های پر از نویز که در آن ها نیاز به انتقال اطلاعات و شبکه بندی سیستم های کنترل به سرعت در حال توسعه بود، افزایش یافت. با ورود سیستم های فیبر نوری، راه حل مطلوبی برای غلبه بر مشکل نویز محیط های صنعتی و کمبود ظرفیت سیستم های انتقالی پیدا شد.

یک فیبر نوری به بیان ساده تکه ای بسیار نازک از شیشه به شکل یک لوله است که قادر به عبور نور از داخل خود است. نوری که از فیبرشیشه ای گذر می کند می تواند روشن و خاموش شده که نشان دهنده اطلاعات به فرم دیجیتالی بوده یا اینکه بطور تدریجی در شدت، فرکانس یا فاز تغییر کند که جایگزین اطلاعات آنالوگ است.

انتقال اطلاعاتی بوسیله فیبر نوری یکی از مواردی است که در زمینه مهندسی مخابرات دستخوش تغییرات بسیار سریع و عمده ای شده است. برای اکثریت ما، که شناخت قبلی نسبت به این تکنولوژی نداریم، وقتی با این مورد روبرو می شویم به نظر شبیه یک جادوی سیاه می آید که بهتره از کنارش گذشته و آن را به حرفه ای ها بسپاریم. اما در واقع اینطور نبوده و این تکنولوژی ارتباطی نسبتاً ساده است. در مقایسه با انتقال اطلاعات بوسیله سیم های مسی و به خصوص امواج رادیویی و مایکروویو (که واقعاً جادوی سیاه هستند!)، طراحی و شناخت سیستم های انتقالی فیبر نوری آسانتر می باشد.

سیستم های انتقال اطلاعات بوسیله فیبرنوری نسبت به سیستم های متداول دارای چندین مزیت می باشد. نویز محیط تأثیر اندکی بر آن ها دارد، رسانای الکتریسته نیستند و بنابراین مانند عایق الکتریکی عمل می کنند، قادرند نرخ بسیار زیادی از اطلاعات حتی در فواصل طولانی را حمل کنند. این موارد و مزایای دیگر این سیستم بطور مفصل در خلال این کتاب شرح داده شده است.

سیستم های ارتباطی فیبر نوری بصورت کامل و یکپارچه نبوده و مشکلاتی بر سر راه این سیستمها از قبیل طراحی، پیاده سازی و عملکرد آن ها وجود دارد.

هدف این کتاب اینست که خواننده را با سیستم های ارتباطی فیبر نوری آشنا ساخته و نحوه طراحی و نصب این سیستم ها را روشن سازد. برخی از معضلات پیاده سازی مربوطه به پیاده سازی سیستم های فیبر نوری و راهکارهای برطرف سازی آن شرح داده شده است.

هدف از این نوشتن این کتاب ایجاد یک مرجع کار با فیبر نوری برای خواننده بوده است. این کتاب شامل مجموعه ای از اطلاعات کاربردی بوده و نحوه محاسبات و مواردی را که باید از آن ها اجتناب کرد را در بر می گیرد.

این فصل شامل نگاهی مختصر به ارتباطات فیبر نوری و مفاهیم اساسی آن، تاریخچه نوری و مقایسه رسانه های مسی و فیبر نوری می باشد.

 

1.1. تاریخچه نوری

تا دهه 80 میلادی تکنولوژی فیبر نوری آنقدر پیشرفت نکرده بود که مورد تجاری مناسبی برای مقاصد مخابراتی باشد، اما استانداردهای بین المللی مخابراتی نیازمند به ایجاد بسترهایی بود که حجم وسیعی از اطلاعات جابجا کند.

اگرچه ظرفیت مورد نیاز برای انتقال اطلاعات را می شد با تکنولوژی های ماهواره ای، مایکروویوو کابلی متداول بدست آورد، اما با این وجود باز هم ظرفیت انتقال اطلاعات حاصل از این تکنولوژی ها باز هم محدود بود.

سیستم های ارتباطی فیبر نوری ظرفیت وسیع لازم را بوجود آورد و دیوار محدودیت ها را فرو ریخت. شرح مختصری از وقایع و اتفاقات مهم توسعه تکنولوژیکی فیبر نوری به قرار زیر است:

ماقبل تاریخ: جوامع اولیه با استفاده از آتش سیگنال هایی را بوجود می آوردند تا پیام هایی را به صورت دیجیتالی به فواصل دیگر ارسال کنند.

1700:    اسحاق نیوتن تفرق نور و اینکه نور از طیفی از رنگ های مختلف تشکیل شده است را کشف کرد.

1790:    کلاود چاپه[1] مهندس فرانسوی اولین سیستم تلگرافی نوری با استفاده از سمافوبرها[2] را توسعه داد. پیام ها از یک تپه به محل بعدی سمافور در حال حرکت انتقال می یافت

1800:    ویلیام هرشل[3] بخش خاصی از طیف نور را که دارای انرژی مادون قرمز است را کشف کرد. ریاضیدان فرانسوی آگوستین فِرزنل[4]اولین مدل ریاضی برای بیان خواص نور را توسعه داد. پیشنهاد او بر این پایه استوار بود که نور از موج های سینوسی ساخته شده است. جمیز مکسول[5] فیزیکدان معروف اصولی را برای مطالعه انتقال نور به صورت امواج الکترومغناطیسی بیان داشت. معادلات مکسول هنوز هم برای توضیح رفتار امواج رادیویی و نور در سیستم های انتقالی مورد استفاده قرار می گیرد.

1854:    فیزیکدان انگلیسی جان نیندال[6] آزمایشی را تنظیم کرد که در آن اشعه ای از نور از داخل آب عبور می کرد، هدف از این آزمایش مشخص ساختن انتقال یک سیگنال بوسیله مجموع بازتاب درونی بود.

1880:    مخترع مشهور الکساندر بل دستگاهی را اختراع کرد که فوتوفن نامیده می شد که شامل لایه ای از مواد منعکس کننده بود. هنگامی که صدا موجب ارتعاش فوتوفن می شد، دستگاه اشعه نوری را ماژوله می کرد تا نوری بر روی آن نابیده شده و آن را به فاصله مورد نظر منعکس می کرد. با استفاده از یک فوتوفن دیگر نور منعکس شده را می شد دِماژوله کرد. با بکارگیری این روش، بل توانست حداکثر تا 213 متر فاصله ارتباط برقرار کند. ویلیام ویلر[7] مهندس آمریکایی با استفاده از چندین لوله و کانال سیستم روشنایی برای یک ساختمان طراحی می کرد. نور از طریق یک مدخل بدرون لوله ها وارد می شد و به علت انعکاس داخلی نور در طی لوله ها انتقال می یافت و اشعه های آن در انتهای لوله هایی که به اتاق ها ختم می شد، خارج و پخش شده و آنجا را روشن می ساختند. اگرچه این سیستم ممکن بود که هرگز موثر واقع نشود، اما این ایده حقیقتاً موجب پیدایش سیستم های ارتباطی فیبر نوری شد.

1907:    یک شیمیدان بنام راند[8] با تحقیق بر روی بایاس انجام کریستال های کاربید سیلیکون، متوجه شد که آن ها از خود نور زرد، سبز، نارنجی یا آبی ساطع می کنند.

1910:    دو فیریکدان بنام های هاندرس ودیبی[9]مقاله ای مهم در باره انتشار امواج الکترو مغناطیس در جامدهای دی الکتریک منتشر کردند.

1923:    فیزیکدانی بنام لوسیو[10]، دیود انتشار نور (LED) را توسعه داد.

1927:    مهندسی بنام بِیرد[11]، پیشنهاد انتقال تصاویر تلویزیونی بوسیله فیبر بدون پوشش را مطرح ساخت.

1934:    مهندس AT & T نورمن فِرنچ[12] اولین ایده انتقال سیگنال های مخابراتی بوسیله قطعه نازکی از شیشه را به ثبت رساند. در آن زمان، ماده ی شفافی که افت سیگنال کمی داشته باشد و این تکنولوژی را امکان پذیر کند، وجود نداشت.

1955:    یکی از مهندسان RCA بنام براونستین[13] قطعه ای ازگالیم آرنسیت ساخت که از خود یک سیگنال مادون قرمز ساطع می کرد.

1956:    یک شرکت آمریکایی بنام NS کاپانی برای اولین بار واژه ای "فیبر نوری" را مورد استفاده قرار داد. این نام برای اخترا آن ها که میله ای شیشه ای بود مورد استفاده قرار گرفت.

1960:    یکی از مهندسان هواپیمایی هیوجس به نام تئودر مِیمَن[14]، اولین عملیات لیزر گازی را توسعه داد.IBM ، جنرال الکتریک و انستیتو تکنولوژی ماساچوست، همزمان تکنولوژی دیودهای لیزری را توسعه دادند.

1966:    دو تن از محققان STL در هارلو یک لیف شیشه ای را ساختند که افت سیگنال آن تقریباً  بود.

1970:    شرکت کورنینگ گلاس ورکز[15] یگ تکنیک برای ساخت الیاف شیشه ای

ابداع کرد که افت سیگنالی برابر با را نشان می داد.

آزمایشگاه بِل، RCA، و دانشمندان در سوویِت یونیون بطور مستمر بر روی نیمه هادی های لیزرپَران کار کردند.

1972: افت سیگنال در فیبر نوری تا  کاهش یافت

1976:    نصب اولین سیستم فیبر نوری تجاری برای انتقال سیگنال های آنالوگ تلویزیونی

1980:    سیستم های ارتباطی فیبر نوری بصورت تجاری درآمد.

1.2.    مقایسه فیبر نوری با سیستم های کابل مسی

در آینده فیبر نوری به عنوان یک رسانه اصلی برای انتقال اطلاعات بطور وسیعی مورد استقاده قرار می گیرند. این مورد یکی از دلایل توسعه افزایش ارتباط بین المللی و اثبات این حرف است که سیاره در حال جمع شدن است. این تکنولوژی ستون اصلی اینترنت شده که امروزه حجم غیرقابل باوری از اطلاعات را جابجا می کند. اما بر خلاف رایج این تکنولوژی در جامعه هنوز برای همه افراد ملموس نیست. همچنان محدودیت ها و مشکلاتی بر سر راه سیستم های فیبر نوری قرار دارد که باید بر آن ها غلبه کرد.

پیش از توضیح تئوری انتقال اطلاعات بوسیله فیبر نوری، در این قسمت مقایسه ای بین کابل های مسی و کابل های فیبری صورت گرفته و مزایا و معایب استفاده از هر یک توضیح داده می شود.

1.2.1.  پهنای باند

فیبر

فیبر نوری دارای پهنای باند زیادی بوده و سرعت انتقال اطلاعات بوسیله آن ها امروزه به 400 Gbps رسیده و انتظار می رود که در آینده ای نزدیک به 20Tbps برسد. فاکتورهایی که کنونی که مانع از افزایش سرعت انتقال اطلاعات می شوند عبارتند از: اولاً زمان پاسخگویی منبع و حسگرها نسبت به فواصل پالس ها در سرعت بالا، کند است؛ ثانیاً طول موج آنقدر به فواصل  کلس ها نزدیک است که مشکلات ایجاد تفاوت را در شناساگرها بوجود می آورد. روش های ادغام چندین طول موج در یک فیبر (جدا سازی امواج آمیخته WDM)[16] سرعت انتقال اطلاعات را در یک فیبر مجزا تا چندین ترابیت در ثانیه( Tbps) افزایش می دهد.

برای اینکه درک مناسبی از واژه انتقال اطلاعات داشته باشید به مثال زیر توجه کنید:

یک فیبر نوری که با سرعتی معادل Gbps1 عمل می کند، می تواند در هر ثانیه 30000 مکالمه تلفنی فشرده را بطور همزمان حمل کند و یک فیبرشیشه ای مجزا که در لینکی با سرعت Gbps3 عمل می کند قادر به انتقال یک میلیون مکالمه تلفنی بطور همزمان است.

مس

کابل های هم محور با قطری بالغ بر 8 سانتی متر، حداکثر سرعتی برابر Gbps1 تا فاصله 10 کیلومتر را دارند. یکی از فاکتورهای محدودکننده این سیستم قیمت بسیار بالای مس است.

در حال حاضر تحقیقات اصلی بر روی افزایش سرعت انتقال اطلاعات با استفاده از کابل های زوج های تابیده[17] متمرکز شده است. سرعت Gbps1 در بسیاری از شبکه های محدود محلی(LAN) کاملاً رایج شده است. همچنین سیستم های تجاری این کابل ها قادر به عملکرد در سرعت Gbps2 هستند. نتایج آزمایشگاهی برای سرعت Gbps10 با موفقیت حاصل شده است و محصولات این آزمایش ها بزودی به بازار عرضه خواهند شد. دلیل توسعه مستمر این سیستم آنست که زیر ساخت های بی شماری از شبکه ها را کابل های زوج تابیده تشکیل می دهند و بنابراین اگر بخواهیم این سیستم ها را با سیستم فیبر نوری جدید جایگزین کنیم باید هزینه های گزافی جهت کانال کشی، کابل کشی و تجهیزات مربوطه جهت پیاده سازی آن پرداخت نماییم. به همین علت در جایی که کاربردها مشابه است، در حال حاضر تکنولوژی کابل زوج تابیده نسبت به تکنولوژی الیاف نوری بسیار به صرفه تر است.

1.2.2 .تداخل

 فیبر

کابل فیبر نوری کاملاً نسبت به تلاخلات الکترومغناطیسی (EMI)[18]، تداخلات فرکانس های رادیویی (FRI)[19]، دستگاه های ولتاژ قوی و روشنایی ایمن می باشند. مشکلات ناشی از برقراری اتصال، الکتریسته و ظرفیت برای آنها صورت نمی گیرد.البته در صورتیکه طراحی درستی انجام گیرد.

پالس های مغناطیس هسته ای ناشی از انفجارهای هسته ای نیز تأثیری بر کابل فیبر نوری ندارد و تشعشعات هسته ای نباید بر آن ها اثر بگذارد. (تشعشعات هسته ای بزرگترین آلودگی به جا مانده بعد از یک جنگ هسته ای می باشد!).

مطلب مهم تر این است که کابل فیبر نوری هیچ نور تداخل الکترومغناطیسی و فرکانس های مزاحم رادیویی بوجود نمی آورد. این خصوصیت برای مناطقی که ارسال اطلاعات، تصاویر و صدا در آنجا صورت گرفته و نیازمند محیط های بسیار کم نویزی بوده تا عملکرد و کیفیت کارکرد دستگاه افزایش یابد، بسیار حیاتی است.

مس

کابل های مسی تحت تأثیر اختلال امواج خارجی قرار می گیرند. بسته به نوع کابل و میزان شیلد دور آن، آن ها به واسطه ی موارد ظرفیتی، مقاومتی با الکتریسته ای تحت تأثیر درجات متغیر از EMI و RFI قرار می گیرند. همچنین کابل های مسی از خود تشعشعات الکترومغناطیسی ساطع کرده که می تواند موجب تداخل با سیستم های مخابراتی مسی دیگر شود.

1.2.3.   عایق الکتریکی

فیبر

کابل، فیبر نوری عایق گالوانیکی کاملی را در بین دو سر کابل ایجاد می کند. خواص حاصل از نارسانا بودن فیبر، کابل های آن را نسبت به جراحات ناشی از ولتاژ ایمن می سازد. کابل فیبر نوری مانند یک عایق نوری طویل می ماند. یکی دیگر از مزایای فیبر نوری اینست که بدلیل آنکه آن ها هیچ تشعشعی از خود ساطع نکرده و تحت تأثیر تداخلات امواج خارجی قرار نمی گیرند، بین این کابل ها ارتباط مجاور[20] وجود ندارد ارتباط مجاور یعنی اینکه تشعشع ساطع شده از یک کابل مخابراتی موجب اختلال در کابل دیگر شود بطوری که این عمل به خود کابل نیز منتقل شود).

مس

کابل های مسی، عملکرد ساده ای در کاربردهای خود داشته و یک اتصال الکتریکی بین دو سر این کابل ها برقرار می شود. بنابراین، آن ها نسبت به اتصال با زمین، ولتاژهای رایج و تغییرات پتانسیل حساسند. همچنین مشکلات ناشی از ارتباط مجاور در آن ها وجود دارد.

1.2.4.  فاصله انتقال

فیبر

برای ارزان ترین سیستم های فیبر نوری برقراری ارتباط تا فاصله 5 کیلومتر میان تکرارکننده ها امکان پذیر است. در مورد سیستم های درجه اول تجاری برقراری ارتباط تا فاصله 300 کیلومتر بدون نیاز به تکرارکننده به سادگی امکان پذیر است. امروزه سیستم هایی در دو نقطه پایانی نصب شده اند که فاصله آن ها از یکدیگر (بدون تکرارکننده) 400 کیلومتر می باشد، در آزمایشگاه برقراری ارتباط تا فواصلی نزدیک به 1000 کیلومتر حاصل شده است اما این تجهیزات هنوز به صورت تجاری عرضه نشده اند. یک کمپانی اروپایی در حال توسعه یک کابل الیاف نوری است که بتوان آن را بدور قطر بزرگتر زمین قرار داد و بدون هیچ تکرارکننده ای قادر به حمل یک سیگنال از یک سر آن به سر دیگر آن باشد! چگونه چنین چیزی ممکن است؟ با استفاده از یک روکش جزئی رادیواکتیو، با ورود فوتون های کم انرژی نور، الکترون ها در روکش تحریک شده و موجب رها سازی فوتون های نوری پر انرژی تر می شوند.

بنابراین حالتی از خود تقویت کنندگی صورت می گیرد. مطالعه بخش های آینده به فهم این مطالب کمک می کند.

 



[1] Claude chappe

[2] semaphore

[3] William.hercshal

[4] Augustine fresnel

[5] James maxwell

[6] Jhon tyndall

[7] 1.willam wheeler

[8] Round

[9] Hondros & Deybe

[10] lossew

[11] Barid

[12] Norman French

[13] Braunstein

[14] Teadore meyman

[15] Corning Glass Works

[16] Wave Division Multiplexing

[17] Twisted  Pair cables

[18] .Electromagnetic interference

[19] .Radio Frequency interference

[20] . Corss talk

 

 

بخشی از کتاب : فناوری فیبر نوری و کاربردهای آن 

اثر : مهدی شادپور

استفاده از مطلب با ذکر منبع بلامانع است

منبع : http://www.nashrenazari.com


مقالات مرتبط
نظرات
نظری ثبت نشده
نظر دهید
نام و نام خانوادگی


آدرس ایمیل


نظر تذکر:کد HTML ترجمه نمی شود!

آنچه در عکس می بینید وارد کنید:

جستجو



امروز

1397/9/23



محصولی در سبد خرید شما نیست
آدرس ایمیل:

رمز عبور: