تاريخچه مخابرات نوري

در طول سال هاي گذشته, شكل هاي گوناگوني از سيستم هاي مخابراتي ارائه شده است كه علت اصلي پيشرفت ارسال و انتقال اطلاعات به فاصله اي

دورتر و افزايش سرعت انتقال و حجم بيشتري از اطلاعات,‌ در واحد زمان كه ”ظرفيت سيستم“ ناميده مي شود,‌ بوده است.

تا سال 1887 كه امواج الكترومغناطيس توسط هرتز1كشف شد, ‌تنها محيط انتقال, سيم ها بودند.

در سال 1895, اولين سيستم مخابراتي راديويي توسط ماركوني ارائه شد.

در سيستم هاي الكتريكي, معمولاً انتقال اطلاعات پس از تبديل سيگنال اطلاعات به يك موج الكترومغناطيسي كه به آن موج حامل2 مي گويند, صورت مي گيرد.

در اين روش حجم اطلاعات قابل ارسال كرد,‌ به فركانس موج حامل بستگي دارد. هر چه فركانس موج حامل بيشتر باشد، پهناي باند يا ظرفيت آن‌ بيشتر است.

براي افزايش اطلاعات و همچنين, در اختيار داشتن سرويس هاي مخابراتي وسيع, بايد پهناي باند فركانسي وسيعي در دسترس بوده و براي افزايش پهناي باند, بايد فركانس افزايش يابد (يعني طول موج كمتر).

طيف امواج نوري بين 50 نانومتر تا 100 ميكرومتر مي باشد كه بخشي از آن حدود 400 تا 700 نانومتر, طيف نور مرئي مي باشد.

فركانس امواج نوري بين 1012 الي 1016 هرتز است. امواج نوري مانند امواج راديويي در دو محيط انتقال, هوا و موج حامل, قابل استفاده است.

در سال 1958 , تئوري تقويت كننده هاي ليزري ارائه گرديد. با اين اختراع در سال 1960, منابع تشعشع الكترومغناطيسي همدوسي3 , در دسترس قرار گرفت و باعث گرديد تا طيف مرئي قابل استفاده گردد.

با اختراع ليزر و مشاهده اينكه نور منتشره از ليزر شباهت زيادي با امواج الكترومغناطيسي ارسالي از يك فرستنده راديويي دارد, فكر استفاده از ليزر براي انتقال اطلاعات به وجود آمد. فركانس نور ليزر در حد 1014 ×5 هرتز است و ظرفيت اطلاعات آن تقريباً 105 برابر سيستم هاي مايكروويو معادل 10 ميليون كانال تلويزيوني است.

اولين محيطي كه براي انتقال اطلاعات در سيستم هاي مخابرات نوري مورد استفاده قرار گرفت, جو يا اتمسفر بود كه به علت اختلالات ناشي از شرايط جوي، نظير رعد و برق، بارندگي، سرما و گرما و..., ضريب شكست هوا تفاوت مي يافت‌ و تنظيم لنز عدسي ها به هم مي خورد و شدت نور تغيير پيدا مي كرد. در هوا ميزان تلفات از نوع جذبي, بر حسب طول موج, متفاوت است.

با توجه به اشكالاتي كه در انتقال نور در هوا و جود داشت، به فكر استفاده از هدايت نور توسط موج بر4 افتادند. در تلاش هاي ابتدايي, اشعه نور در طول مسافت طولاني هدايت گرديد و اين عمل با بكارگيري عدسي هايي كه در لوله مناسبي قرار داده شده بودند انجام شد. به اين ترتيب از تمايل اشعه به پخش در اطراف,‌ بر اثر شكست نور,‌ ممانعت به عمل آمد و از ورود شعاع هاي نور خارجي و رطوبت به آن جلوگيري شد. چنين سيستم هايي نيز به نتيجه مطلوب نرسيد زيرا به علت لرزش زمين عدسي ها كمي جابه جا شده و مسير نور تغيير مي كرد.

به اين ترتيب فكر استفاده از ” شيشه “ به عنوان محيط انتقال, مطرح گرديد.

فرضيه استفاده از فيبرهاي شيشه اي5 به عنوان محيط انتشار, در مقاله اي توسط ”Kaio “ و ” Hockman “ كه در لابراتورهاي مخابراتي استاندارد انگليس كار مي كردند عنوان شد. البته شيشه هاي معمولي فقط تا چند متر قادر به انتقال نور مي باشند و با افزايش ضخامت آن, نور در هنگام عبور به شدت تضعيف شده (چند هزارdb∕km) و مستهلك مي گرديد.

بعدها در سال 1966 ثابت شد كه تضعيف زياد, ناشي از كاربرد و انتخاب مواد فيبر شيشه نبوده بلكه مربوط به ناخالصي هاي موجود در فيبر شيشه,‌ نظير آهن و مس و نيكل و ساير فلزات موجود در اين مواد مي باشد.

در سال 1970،” Kapron “ ، ” Keck “و” Maurer “، موفق به تهيه چند صد متر فيبر تك مدي6 با تضعيف كمتر از 20 دسي بل بر كيلومتر شدند و در پايان سال 1972 فيبرهاي چند مدي7، با تضعيفي كمتر از4 دسي بل بر كيلومتر نيز شناخته شد كه پيشرفتي شايسته در اين زمينه بود، زيرا چنين تضعيفي، معادل با افت ناشي از كابل هاي كواكسيال8 ساخته شده در آن زمان بود.

همزمان با پيشرفت تكنولوژي و رفع معايب موجود و استفاده از طول موج هايي در ناحيه 3/1 ميكرومتر و 5/1 ميكرومتر، مطالعات به سمت دستيابي به سيستم هاي انتقال با ظرفيت بالاتر منجرگرديد.

طول موج هاي 850 ، 1310 ، 1550 نانومتر، به ”پنجره هاي فيبر“ معروف بوده و در اين طول موج ها، كمترين تضعيف را مي توان به دست آورد.

در سال 1983، فيبرهايي با تضعيف حدود2/0 دسي بل بر كيلومتر در طول موج 1550 نانومتر ساخته شد كه كمترين تلفات در سيستم مخابراتي مي باشد.

فيبر نوري از تمام محيط هاي انتقالي شناخته شده، داراي پهناي باند وسيع تر و افت كمتري مي باشد. اين ها دو مزيت عمده در ارزيابي سيستم هاي مخابراتي بشمار مي رود. فيبر نوري كه تا چند سال پيش(سال1980)، صرفاً جنبه آزمايشگاهي داشت، امروز نه تنها به مرحله توليد و ساخت رسيده بلكه تا پايان سال 1985 در حدود 5/1 ميليون كيلومتر كابل نوري در سراسر جهان نصب شده است. كابل هاي نوري مانند كابل هاي مسي مي توانند به صورت هوايي، كانالي، خاكي و يا زير دريايي نصب شوند. معمولاً طول كابل نوري بر حسب كاربرد آن، بين چند صد متر تا چند كيلومتر است مي باشد. طول هاي كوتاه تر براي موقعي است كه كابل در كانال كشيده مي شود و كابل هاي با طول بلندتر به صورت هوايي و خاكي قابل نصب است.

براي خطوط انتقال بلندتر از طول كابل نوري، قطعات كابل فيبر نوري به يكديگر پيوند زده مي شوند.

 در ايران نيز اولين بار در اوايل سال 1360، فيبر تك مدي به طول 45 كيلومتر بين تهران ــ كرج با همكاري شركت زيمنس آلمان، با افت 36/0 دسي بل بركيلومتر در طول موج 1310نانومتر به صورت كانالي كشيده شد.

فيبر نوري در زمينه كاربرد زير دريايي نيز جايگاه ويژه اي دارد، به طوري كه در سال 1988 دو قاره اروپا و آمريكا از طريق فيبر نوري زير دريايي به هم مربوط شده اند.

همان گونه كه مشاهده مي گردد ارتباطات همواره در حال توسعه بوده است و در حقيقت نوع سرويس هاي جديدي كه ابداع گرديده، استفاده صحيح از پهناي باند مفيد و نيز ساختمان شبكه ها كه به شكل ديجيتال تغيير يافته و در دراز مدت به صورت ISDN9 در خواهد آمد, موجب شده است كه محيط هاي انتقال، مورد مطالعه بيشتري قرار گيرند كه يكي از نتايج اين مطالعه در زمينه محيط هاي انتقال فيبر نوري مي باشد.

به جرأت مي توان گفت بشر قرن بيست و يكم، سيستم هاي مخابرات نوري را به عنوان زيربناي اصلي شبكه مخابراتي جهاني خود تدارك ديده است.

اجزاي مختلف يك سيستم انتقال فيبر نوري

تعريف سيستم انتقال فيبر نوري

تبديل اطلاعات به شكل انتشار نور در مسير يك فيبر نوري را سيستم انتقال فيبر نوري گويند.

رشته هاي نازك فيبر نوري، با توجه به ساختمان آنها كه بعداً شرح داده خواهد شد، محيط مناسبي جهت انتقال امواج نوراني مي باشد و مي توان با استفاده از يك منبع نوراني در محدوده طول موج هاي 3/0 ميكرون و 7/1 ميكرون چندين هزار كانال تلفني را توسط دو رشته فيبر نوري به راحتي منتقل كرد.

در شكل 1 شماي كلي و اجزاء تشكيل دهنده سيستم ارتباط فيبر نوري را مي بينيد:

شكل1

در سيستم ارتباط نوري منبع خبر، سيگنال هاي الكتريكي را كه همان اخبار مي باشد به قسمت الكتريكي فرستنده (ارسال الكتريكي)، مي فرستد. اين قسمت، منبع نور را به كار انداخته و مدولاسيون سيگنال هاي خبر را بر روي موج نوري باعث مي گردد.

منبع نور، نوري متناسب با سيگنال هاي الكتريكي ورودي، يعني سيگنال نوري خروجي ايجاد مي كند كه معمولاً ليزر و LED مي باشد. به عبارت ديگر”منبع نور مي تواند ليزر و يا LED باشد.“

سيگنال نوري وارد فيبر نوري شده كه براي حفاظت فيبر در مقابل آسيب هايي كه ممكن است در موقع نصب و بكارگيري به آن وارد شود آن را با پوشش هاي مختلف حفاظت كرده و به صورت كابل در مي آورند.

كابل نوري، سيگنال نوري را در مقصد و يا در محل تقويت كننده ها 10 به گيرنده مي رساند كه گيرنده نيز شامل آشكارساز نوري و گيرنده الكتريكي مي باشد.

در آشكارساز نوري، سيگنال نوري به سيگنال الكتريكي تبديل مي گردد. براي اين تبديل از فتوديود PIN و APD استفاده مي شود.

سپس آشكار ساز نوري، سيگنال الكتريكي را به گيرنده الكتريكي داده و به اين ترتيب، دمدولاسيون موج نوري را باعث مي شود. در قسمت گيرنده، سيگنال الكتريكي تا حد لازم جهت قسمتهاي بعدي تقويت مي شود.

در شكل(2) شماي كلي يك ارتباط، براي انتقال سيگنال ديجيتالي فيبر نوري را مشاهده مي كنيد.

در شكل(2) مشاهده مي شود كه ابتدا اطلاعات ديجيتال به صورت كد درآمده كه معمولاً تا34Mb∕s به صورت كد HDB3 و در140Mb∕s به صورت كد CMIانجام مي گيرد، و اطلاعات كد شده به مدار الكتريكي راه اندازنده ليزر منتقل مي شوند كه اين مدار با اطلاعاتي كه به صورت كد درآمده اند ليزر را به نوسان درآورده و اطلاعات را بر روي نور ارسالي مدوله مي كند كه پس از انتقال توسط كابل فيبر نوري در مقصد به وسيله APD آشكار شده و پس از گذشتن از طبقه تقويت كننده و متعادل كننده از حالت كد خارج شده(دمدوله) و در خروجي، اطلاعات اصلي نظير آنچه در ورودي سيستم داده شده بود تحويل مي گردد.

مزاياي سيستم انتقال فيبر نوري

1- پهناي باند11 بسيار زياد و در نتيجه ظرفيت انتقال بيشتر. پهناي باند فركانس موج بر اين سيستم در محدوده1012 تا 1016 هرتز است. فركانس نور مورد استفاده در اين سيستم ارتباطي، نزديك به فركانس اشعه مادون قرمز و حدود 1014 هرتز يا 105 گيگا مي باشد.

2- تضعيف12بسيار كم فيبر نوري از امتيازهاي آن به شمار مي رود. تضعيف فيبرهاي مورد استفاده در حال حاضر حدود 2/0 دسي بل بر كيلومتر مي باشد. تضعيف در طول موج هاي مختلف متفاوت است.

3- وزن كم و قطر كوچك:

 قطر فيبرها با توجه به نوع آنها متفاوت است. براي فيبر تك مدي، قطر هسته بين 3 الي 12 ميكرون و قطر پوشش يا غلاف12 بين 50 تا 125 ميكرون مي باشد. اگر يك مقايسه بين فيبر نوري و كابل مسي داشته باشيم،‌ 40 كيلومتر فيبر نوري وزني معادل 1 كيلوگرم دارد در صورتي كه 5/1 كيلومتر هادي مسي با قطر متوسط 40/0 ميلي متر وزن 1 كيلوگرم دارد.

4- ايزولاسيون كامل الكتريكي

عدم تأثير جريانات القايي الكتريكي بر روي موج برهاي نوري نيزيكي از خواص مهم فيبر نوري مي باشد. ميدان هاي ناشي از كابل هاي برق،‌ تأثيري بر روي اين موج برها ندارند و مي توان خطوط فيبر نوري را در روي دكل هاي برق نصب كرد و يا از ميان هادي هاي ACSR هوايي عبور داد.

5- مصونيت در برابر تداخل14 و همشنوايي15

امواج الكترومغناطيس و امواج با فركانس راديويي، اثري بر روي كابل هاي فيبر نوري ندارند، بنابراين سيستم ارتباطات نوري در مقابل محيط آلوده به نويز مصون بوده و علاوه بر اين، كابل هاي فيبر نوري كه در مجاور هم هستند نيز، بر روي يكديگر اثرات القايي ندارند و بر خلاف كابل هاي مسي، پديده همشنوايي در آنها ناچيز است. 

طبيعت عايق فيبر نوري، هر نوع تداخل را از بين مي برد و در فيبر نوري نگراني از اتصال زمين براي موج بر وجود ندارد.

6- امنيت سيگنال

نوري كه از فيبر نوري عبور مي كند،‌ فاقد پديده تشعشع بوده و بنابراين اطلاعات ارسالي از طريق سيستم ارتباطات فيبر نوري در مسير انتقال،‌ غير قابل بهره برداري و استراق سمع مي باشد.

7- فراواني و ارزان بودن مواد

چون ماده اوليه فيبرشيشه، سيليكا است لذا آن را در همه جا مي توان يافت، زيرا منبع اصلي سيليكا، سنگ و شن و ماسه است. در نتيجه قيمت كابل هاي فيبر نوري,‌ بسيار ارزان تر از كابل هاي مسي تمام مي شود.

8- نگهداري آسان

تضعيف كم اين نوع كابل ها،‌ نياز كمتري به وجود تكراركننده ها در طول مسير را به دنبال دارد و در نتيجه تعميرات آنها ساده تر و با هزينه و وقت كمتري انجام پذير است.

9- ظرافت و قابليت انعطاف

ظرافت و قابليت خمش رشته هاي فيبر، تسهيلاتي در امر جا به جايي و انبار نمودن و كابل كشي را به وجود مي آورد.

10- مصونيت در مقابل عوامل محيطي

فيبرهاي نوري در محيط هاي مرطوب و درجه حرارتهاي بين c 30- تا c 70+ كارآيي خود را از دست نمي دهند.

پانويس ها:

1-Hertz 

2-Carrier

3-Coherent

4-Wave Guide 

5-Fiber Glass

6- Single Mode

7-Multi Mode

8-Co-axial

9-Integrated Service Digital Network

10-Regenerator

11-Band width

12- Attenuation

13- Clad

14 Interference 

15-Crosstalk

گردآوري: بهرام شمس