اولين پيشنهاد براي استفاده از نور در انتقال اطلاعات به مفهوم امروزي آن از آنجا ناشي گرديد كه در نيمه دوم قرن نوزدهم ماكسول و فاراده تئوري امواج الكترومغناطيسي و امكان استفاده از طيف اين امواج را براي مقاصد ارتباطي عنوان نمودند. از آن زمان تاريخچه انتقال اطلاعات و استفاده از طول موجهاي كوتاهتر آغاز شد كه هدف آن دستيابي به ظرفيت هاي بالاتر فركانس هاي بالا نسبت به استفاده از خطوط مشتركي بود كه سيستمهاي با ظرفيت پايين تر اطلاعات را با خود حمل مي‌كند.

با اختراع ليزر در سال 1960 منابع تشعشع الكترومغناطيس همدوس در دسترس قرار گرفت و باعث شد كه طيف مرئي مورد استفاده قرار گيرد. از آنجا كه اتمسفر باعث تضعيف زياد اطلاعات بخصوص در شرايط نامساعدي جوي مي‌شود لذا مرحلة بعدي مطالعات سيگنال هاي نوري هدايت شده بود، زيرا يك موج‌بر نوري اشعه را در مقابل مزاحمت هاي جوي مصون مي‌دارد و اين كار با بكارگيري عدسي ها و آينه‌هاي كوچك در طول مسافت طولاني انجام شد و به اين ترتيب از نفوذ رطوبت و نور خارجي به آن جلوگيري شد به اين ترتيب هدايت شعاع نور در داخل فيبر نازكي از شيشه‌اي دي‌الكتريك در مقاله‌اي توسط Kao و Kockham كه در آزمايشگاههاي يكي از دانشگاههاي انگلستان كار مي‌كردند مطرح گرديد و مهمترين فاكتور در يك سيستم انتقال فيبر نوري تعيين شد، در اصل تمركز روي فيبرهاي بود كه اطلاعات را با سرعت زياد در سيستمهاي انتقال باينري ديجيتال توسط يك منبع ليزري حمل مي‌كردند.

در سال 1970 با اعلاميه شركت corning class works آمريكا در مورد فيبر نوري با تضعيف كمتر از db/km 20 فعاليتهاي گسترده در مراكز تحقيقاتي در تمام جوانب مربوط به فيبر نوري به سرعت شكل گرفت. بعد از پيشرفت هايي كه در اين زمينه بدست آمده، فيبرهاي نوري به قطر يك تار موي انسان ساخته شده است :

يك فيبر نوري از سه بخش تشكيل شده است.

1- هسته core: هسته نازك شيشه‌اي كه  سيگنا ل ها , پيامهاي نوري در آن حركت مي‌كند.

2- روكش (cladding) : بخش خارجي فيبر است كه دور تادور هسته را احاطه مي‌كند و باعث برگشت نور منعكس شده به هسته مي‌گردد.

3- پوشش بيروني (Buffercoating) : روكش پلاستيكي كه باعث حفاظت فيبر در مقابل رطوبت و . . . مي‌شود.

صدها و هزاران فيبر نوري در كلافهايي كه توسط روكشي به نام Jachet محافظت مي‌شود كابل نوري را بوجود مي‌آورند.

فيبرهاي نوري در دو گروه عمده عمل مي‌كنند :

فيبرهاي تك حالته (single-made) : به منظور ارسال يك پيام در هر فيبر استفاده مي‌شود. (نظير تلفن)

فيبرهاي چند حالته (multi-made) : به منظور ارسال چندين پيام در يك فيبر استفاده مي‌شود. (نظير شبكه‌هاي رايانه‌اي)

فيبرهاي تك حالته قادر به ارسال نور ليزري فروسرخ (1550nmتاλ=1300 ) مي‌باشند و فيبرهاي چند حالته قادر به ارسال نور فروسرخ از طريق ديود نوراني (LED) مي‌باشند.

فيبرهاي نوري به منظور استفاده در شبكه‌هاي تلفن شهري، شبكه‌هاي رايانه‌اي و اينترنتي و براي انتقال اطلاعات در مسافتهاي طولاني به كار مي‌روند. ارسال پيام (نور) در فيبرهاي نوري از طريق هسته صورت مي‌گيرد اگر مسير حركت نور در داخل اين فيبر مستقيم باشد مشكلي به وجود نخواهد آمد ولي در بسياري جاها فيبر داراي مسير پيچ است و براي رفع اين مشكل قسمت روكش (Cladding) به كار گرفته مي‌شود. (مشابه ديوارهاي آينه اي باعث بازتاب نور در سر پيچ مي‌شود و به اين ترتيب نور مي‌تواند بدون اينكه جذب شده و يا از بين برود مسافت زيادي را طي كند به هر حال مقداري از موجهاي نور بعلت وجود ناخالصي در فيبر ضعيف خواهند شد و اين مشكل توسط تقويت كنندة نوري حل مي‌شود نحوة كار آن به اين صورت است : تقويت كنندة نور (پيام) از فيبرهاي نوري متعدد به همراه يك روكش خاص (Doping) تشكيل مي‌گردد. بخش دوپينگ با استفاده از يك ليزر پمپ (تلمبه) مي‌گردد. زماني كه پيام تضعيف شده به روكش دوپينگي مي‌رسد، انرژي ماحصل از ليزر باعث مي‌گردد كه ملكولهاي دوپينگ شده به ليزر تبديل شوند. ملكولهاي دوپينگ شده در ادامه باعث انعكاس يك پيام نوري جديد و قويتر با همان خصوصيات پيام ورودي تضعيف شده، خواهند بود.

همانطور كه مي‌دانيم در ارسال و دريافت پيام نياز به فرستنده و دريافت كنندة نوري داريم : فرستنده پيامهاي نوري را دريافت مي‌كند و دستگاه نوري را به منظور روشن خاموش شدن در يك فركانس و دنبالة مناسب هدايت مي‌كند و در قسمت مجاور فيبر نوري يك لنز به منظور تمركز ليزر در فيبر تعبيه شده است. وظيفة دريافت كنندة نوري اينست كه پيامهاي ديجيتالي (نوري) را دريافت و پس از رمزگشايي، پيامهاي الكتريكي براي ساير استفاده كنندگان ارسال كند. اين وسيله به منظور تشخيص نور از يك فتوسل (Photocell) يا فتوديود (Photodiode) مورد استفاده قرار مي‌گيرد.

مباني فيبر نوري

فيبر نوري ، رشته اي از تارهاي بسيار نازك شيشه اي بوده كه قطر هر يك از تارها نظير قطر يك تار موي انسان است . تارهاي فوق در كلاف هائي سازماندهي و كابل هاي نوري را بوجود مي آورند. از فيبر نوري بمنظور ارسال سيگنال هاي نوري در مسافت هاي طولاني استفاده مي شود.

مزاياي فيبر نوري

سيگنال هاي نوري برخلاف سيگنال هاي الكتريكي در يك سيم مسي ، سيگنا ل ها ي نوري در يك فيبر تاثيري بر فيبر ديگر نخواهند داشت .

مصرف برق پايين . با توجه به سيگنال ها در فيبر نوري كمتر ضعيف مي گردند ، بنابراين مي توان از فرستنده هائي با ميزان برق مصرفي پايين نسبت به فرستنده هاي الكتريكي كه از ولتاژ بالائي استفاده مي نمايند ، استفاده كرد.

سيگنال هاي ديجيتال . فيبر نور ي مناسب بمنظور انتقال اطلاعات ديجيتالي است .

· غير اشتعال زا . با توجه به عدم وجود الكتريسيته ، امكان بروز آتش سوزي وجود نخواهد داشت .

سبك وزن . وزن يك كابل فيبر نوري بمراتب كمتر از كابل مسي (قابل مقايسه) است.

انعطاف پذير . با توجه به انعظاف پذيري فيبر نوري و قابليت ارسال و دريافت نور از آنان، در موارد متفاوت نظير دوربين هاي ديجيتال با موارد كاربردي خاص مانند : عكس برداري پزشكي ، لوله كشي و ...استفاده مي گردد.

با توجه به مزاياي فراوان فيبر نوري ، امروزه از اين نوع كابل ها در موارد متفاوتي استفاده مي شود. اكثر شبكه هاي كامپيوتري و يا مخابرات ازراه دور در مقياس وسيعي از فيبر نوري استفاده مي نمايند.

اما بطور خلاصه اينطور مي توان مزاياي فيبر نوري را بر شمرد:

فيبرنوري در مقايسه با سيمهاي مسي داراي مزاياي زير است :

ارزانتر : هزينه چندين كيلومتر فيبرنوري در مقايسه با سيمهاي مسي به مراتب كمتر است.

نازكتر : قطر فيبرهاي نوري به مراتب كمتر از سيمهاي مسي است.

ظرفيت انتقال اطلاعات بالا : پهناي باند فيبرنوري به مراتب بيشتر از سيم مسي است.

تضعيف ناچيز : تضعيف در فيبرنوري به مراتب كمتر است.

فيبر نوري در مقايسه با سيم هاي هاي مسي داراي مزاياي زير است :

ارزانتر. هزينه چندين كيلومتر كابل نوري نسبت به سيم هاي مسي كمتر است .

نازك تر. قطر فيبرهاي نوري بمراتب كمتر از سيم هاي مسي است .

ظرفيت بالا. پهناي باند فيبر نوري بمنظور ارسال اطلاعات بمراتب بيشتر از سيم مسي است .

تضعيف ناچيز. تضعيف سيگنال در فيبر نوري بمراتب كمتر از سيم مسي است .

انواع فيبر نوري

صدها و هزاران نمونه از رشته هاي نوري فوق در دسته هائي سازماندهي شده و كابل هاي نوري را بوجود مي آورند. هر يك از كلاف هاي فيبر نوري توسط يك روكش هائي با نام Jacket محافظت مي گردند. فيبر هاي نوري در دو گروه عمده ارائه مي گردند:

فيبرهاي تك حالته (Single-Mode)

بمنظور ارسال يك سيگنال در هر فيبر استفاده مي شود نظير : تلفن

فيبرهاي چندحالته Multi-Mode

بمنظور ارسال چندين سيگنال در يك فيبر استفاده مي شود( نظير : شبكه هاي كامپيوتري)

فيبرهاي تك حالته داراي يك هسته كوچك ( تقريبا" ۹ ميكرون قطر ) بوده و قادر به ارسال نور ليزري مادون قرمز ( طول موج از ۱۳۰۰ تا ۱۵۵۰ نانومتر) مي باشند. فيبرهاي چند حالته داراي هسته بزرگتر ( تقريبا" ۵ / ۶۲ ميكرون قطر ) و قادر به ارسال نورمادون قرمز از طريق LED مي باشند
ارسال نور در فيبر نوري
فرض كنيد ، قصد داشته باشيم با استفاده از يك چراغ قوه يك راهروي بزرگ و مستقيم را روشن نمائيم . همزمان با روشن نمودن چراغ قوه ، نور مربوطه در طول مسير مسفقيم راهرو تابانده شده و آن را روشن خواهد كرد. با توجه به عدم وجود خم و يا پيچ در راهرو در رابطه با تابش نور چراغ قوه مشكلي وجود نداشته و چراغ قوه مي تواند ( با توجه به نوع آن ) محدوده مورد نظر را روشن كرد. در صورتيكه راهروي فوق داراي خم و يا پيچ باشد ، با چه مشكلي برخورد خواهيم كرد؟
در اين حالت مي توان از يك آيينه در محل پيچ راهرو استفاده تا باعث انعكاس نور از زاويه مربوطه گردد.در صورتيكه راهروي فوق داراي پيچ هاي زيادي باشد ، چه كار بايست كرد؟ در چنين حالتي در تمام طول مسير ديوار راهروي مورد نظر ، مي بايست از آيينه استفاده كرد. بدين ترتيب نور تابانده شده توسط چراغ قوه (با يك زاويه خاص) از نقطه اي به نقطه اي ديگر حركت كرده ( جهش كرده و طول مسير راهرو را طي خواهد كرد). عمليات فوق مشابه آنچيزي است كه در فيبر نوري انجام مي گيرد.

تكنولوژي ( فن آوري ) فيبر نوري

نور، در كابل فيبر نوري از طريق هسته (نظير راهروي مثال ارائه شده ) و توسط جهش هاي پيوسته با توجه به سطح آبكاري شده ( Cladding) ( مشابه ديوارهاي شيشه اي مثال ارائه شده ) حركت مي كند.( مجموع انعكاس داخلي ) . با توجه به اينكه سطح آبكاري شده ، قادر به جذب نور موجود در هسته نمي باشد ، نور قادر به حركت در مسافت هاي طولاني مي باشد. برخي از سيگنا ل هاي نوري بدليل عدم خلوص شيشه موجود ، ممكن است دچار نوعي تضعيف در طول هسته گردند. ميزان تضعيف سيگنال نوري به درجه خلوص شيشه و طول موج نور انتقالي دارد. ( مثلا" موج با طول ۸۵۰ نانومتر بين ۶۰ تا ۷۵ درصد در هر كيلومتر ، موج با طول ۱۳۰۰ نانومتر بين ۵۰ تا ۶۰ درصد در هر كيلومتر ، موج با طول ۱۵۵۰ نانومتر بيش از ۵۰ درصد در هر كيلومتر

سيستم رله فيبر نوري

بمنظور آگاهي از نحوه استفاده فيبر نوري در سيستم هاي مخابراتي ، مثالي را دنبال خواهيم كرد كه مربوط به يك فيلم سينمائي و يا مستند در رابطه با جنگ جهاني دوم است . در فيلم فوق دو ناوگان دريائي كه بر روي سطح دريا در حال حركت مي باشند ، نياز به برقراري ارتباط با يكديگر در يك وضعيت كاملا" بحراني و توفاني را دارند. يكي از ناوها قصد ارسال پيام براي ناو ديگر را دارد.كاپيتان ناو فوق پيامي براي يك ملوان كه بر روي عرشه كشتي مستقر است ، ارسال مي دارد. ملوان فوق پيام دريافتي را به مجموعه اي از كدهاي مورس ( نقطه و فاصله ) ترجمه مي نمايد. در ادامه ملوان مورد نظر با استفاده از يك نورافكن اقدام به ارسال پيام براي ناو ديگر مي نمايد.

يك ملوان بر روي عرشه كشتي دوم ، كدهاي مورس ارسالي را مشاهده مي نمايد. در ادامه ملوان فوق كدهاي فوق را به يك زبان خاص ( مثلا" انگليسي ) تبديل و آنها را براي كاپيتان ناو ارسال مي دارد. فرض كنيد فاصله دو ناو فوق از يكديگر بسار زياد ( هزاران مايل ) بوده و بمنظور برقراي ارتباط بين آنها از يك سيتستم مخابراتي مبتني بر فيبر نوري استفاده گردد.

سيستم رله فيبر نوري از عناصر زير تشكيل شده است :

فرستنده . مسوول توليد و رمزنگاري سيگنال هاي نوري است .

فيبر نوري مديريت سيكنال هاي نوري در يك مسافت را برعهده مي گيرد.

بازياب نوري . بمنظور تقويت سيگنا ل هاي نوري در مسافت هاي طولاني استفاده مي گردد.

دريافت كننده نوري . سيگنا ل هاي نوري را دريافت و رمزگشائي مي نمايد.

در ادامه به بررسي هر يك از عناصر فوق خواهيم پرداخت .

فرستنده

وظيفه فرستنده، مشابه نقش ملوان بر روي عرشه كشتي ناو فرستنده پيام است . فرستنده سيگنال هاي نوري را دريافت و دستگاه نوري را بمنظور روشن و خاموش شدن در يك دنباله مناسب ( حركت منسجم ) هدايت مي نمايد. فرستنده ، از لحاظ فيزيكي در مجاورت فيبر نوري قرار داشته و ممكن است داراي يك لنز بمنظور تمركز نور در فيبر باشد. ليزرها داراي توان بمراتب بيشتري نسبت به LED مي باشند. قيمت آنها نيز در مقايسه با LED بمراتب بيشتر است . متداولترين طول موج سيگنا ل هاي نوري ، ۸۵۰ نانومتر ، ۱۳۰۰ نانومتر و ۱۵۵۰ نانومتر است .

بازياب ( تقويت كننده ) نوري

همانگونه كه قبلا" اشاره گرديد ، برخي از سيگنال ها در موارديكه مسافت ارسال اطلاعات طولاني بوده ( بيش از يك كيلومتر ) و يا از مواد خالص براي تهيه فيبر نوري ( شيشه ) استفاده نشده باشد ، تضعيف و از بين خواهند رفت . در چنين مواردي و بمنظور تقويت ( بالا بردن ) سيگنا ل هاي نوري تضعيف شده از يك يا چندين " تقويت كننده نوري " استفاده مي گردد. تقويت كننده نوري از فيبرهاي نوري متععدد بهمراه يك روكش خاص (doping) تشكيل مي گردند. بخش دوپينگ با استفاده از يك ليزر پمپ مي گردد . زمانيكه سيگنال تضعيف شده به روكش دوپينگي مي رسد ، انرژي ماحصل از ليزر باعث مي گردد كه مولكول هاي دوپينگ شده، به ليزر تبديل مي گردند. مولكول هاي دوپينگ شده در ادامه باعث انعكاس يك سيگنال نوري جديد و قويتر با همان خصايص سيگنال ورودي تضعيف شده ، خواهند بود.( تقويت كننده ليزري)

دريافت كننده نوري

وظيفه دريافت كننده ، مشابه نقش ملوان بر روي عرشه كشتي ناو دريافت كننده پيام است. دستگاه فوق سيگنال هاي ديجيتالي نوري را اخذ و پس از رمزگشائي ، سيگنا ل هاي الكتريكي را براي ساير استفاده كنندگان ( كامپيوتر ، تلفن و ... ) ارسال مي نمايد. دريافت كننده بمنظور تشخيص نور از يك "فتوسل" و يا "فتوديود" استفاده مي كند
  منبع :  پايگاه خبري علمي، آموزشي و تحصيلات تكميلي