فیبر نوری
فیبر نوری
اولین كسانی كه در قرون اخیر به فكر استفاده از نور افتادند ، انتشار نور را در جو زمین تجربه كردند. اما وجود موانع مختلف نظیر گردوخاك، دود، برف ، باران ، مه و ... انتشار اطلاعات نوری در جو را با مشكل مواجه ساخت . بعدها استفاده از لوله و كانال برای هدایت نور مطرح گردید . نور در داخل این كانالها بوسیه آینه ها و عدسی ها هدایت میشد ، اما از آنجا كه تنظیم این آینه ها و عدسی ها كار بسیار مشكلی بود این كارها هم غیر عملی تشخیص داده شد و مطرود ماند.
كاكو و كوكهام انگلیسی برای اولین بار استفاده از شیشه را بعنوان محیط انتشار مطرح ساختند. آنان مبنای كار خود را بر آن گذاشتند كه به سرعتی حدود ۱۰۰ مگابیت بر ثانیه و بیشتر بر روی محیط های انتشار شیشه دست یابند. این سرعت انتقال با تضعیف زیاد انرژی همراه بود .این دو محقق انگلیسی ، كاهش انرژی را تا آنجا میپذیرفتند كه كمتر از ۲۰ سی بل نباشد . اگر چه آنان در رسیدن به هدف خود ناكام ماندند ، اما شركت آمریكائی ( كورنینگ گلس ) به این هدف دست یافت. در اوایل سال ۱۹۶۰ میلادی با اختراع اشعه لیزر ارتباطات فیبرنوری ممكن گردید. در سال ۱۹۶۶ میلادی ، دانشمندان در این نظریه كه نور در الیاف شیشه ای هدایت میشود پیشرفت كردند كه حاصل آن از كابلهای معمولی بسیار سودمندتر بود . چرا كه فیبرنوری بسیار سبكتر و ارزانتر از كابل مسی است و در عین حال ظرفیت انتقالی تا چندین هزار برابر كابل مسی دارد.
توسعه فناوری فیبرنوری از سال ۱۹۸۰ میلادی به بعد باعث شد كه همواره مخابرات نوری بعنوان یك انتخاب مناسب مطرح باشد. تا سال ۱۹۸۵ میلادی در دنیا نزدیك به ۲ میلیون كیلومتر كابل نوری نصب شده و مورد بهره برداری قرار گرفته است.
فیبر نوری از پالس‌های نور برای انتقال داده‌ها از طریق تارهای سیلکون بهره می‌گیرد. یک کابل فیبر نوری که کمتر از یک اینچ قطر دارد 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 بازتاب کننده از شیشه خالص (معمولاً) 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 باز تابیده شود که در آن دو ماده به هم می‌رسند. این عمل بازتاب نور به مرکز هسته را (بازتاب داخلی کلی) می‌نامند. قطر هسته و پوسته با هم حدود ۱۲۵ میکرون است (هر میکرون معادل یک میلیونیم متر است)، که در حدود اندازه یک تار موی انسان است. بسته به سازنده، حول پوسته چند لایه محافظ، شامل یک پوشش قرار می‌گیرد.
یک پوشش محافظ پلاستکی سخت لایه بیرونی را تشکیل می‌دهد. این لایه کل کابل را در خود نگه می‌دارد، که می‌تواند صدها فیبر نوری مختلف را در بر بگیرد. قطر یک کابل نمونه کمتر از یک اینچ است.
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 به طور هم‌زمان انتقال بدهد.
فیبر نوری در ایران
در ایران در اوایل دهه ۶۰، فعالیت‌های پژوهشی در زمینه فیبر نوری در پژوهشگاه، برپایی مجتمع تولید فیبر نوری در پونک تهران را درپی داشت و عملا 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. اولین پروژه فیبرنوری 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 فیبرنوری با ۱۱۶۰۰ کیلومتر کابل با ۶۲۰ هزار کانال بین شهری با هزینه ۶۵۴ میلیارد ریال در سالهای ۷۴ تا ۷۸ به انجام رسید و نهایتا 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.
فیبرنوری 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 عمدتآ ناشی از جذب فرابنفش، جذب فروسرخ، پراکندگی رایلی، خمش و فشارهای مکانیکی بر آنها هستند.
فیبر نوری(لوله نوری) POF ,PCF , QOF در ایران
از سال 1387 تحقیقات وسیعی در مورد این نوع از فیبرها در مرکز فن آوری تخصصی صورت گرفت و در سال 1388 محققان ایرانی به نامهای ابوالفضل قربانی و ابراهیم هاشمی در شهر اصفهان موفق به ساخت و تولید نسل نوین فیبرهای نوری (POF , PCF ,QOF ) گردیدند و با دستیابی به تکنولوژی ساخت و تولیدآنها 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 کاربری های دیگر قابل استفاده هستند و در بحث انتقال دیتا سرعتی حدود 40 گیگا بیت در ثانیه دارند که در مقایسه با فیبرهای نوری شیشه ای حدود 400 برابر بیشتر می باشد.فیبرهای PCF , QOF جهت مصارف خاص صنایع مختلف از قبیل سنسورها و انتقال دیتا بسیار کار آمد است.در کل موارد استفاده از این فیبرهاموجب دستیابی به ابزارآلات هایتکی است که در انحصار بعضی از دولتها قرار داشته است.
در POF ها شار نوری انتقالی در طول لوله نوری به ازای هر متر حدود 1 در صد تلفات و پراشندگی به سمت بیرون و خروج از بدنه POF دارد و موجب روشن شدن بدنه لوله نوری می گردد.از این حالت POF ها در جهت جلوه های نور و نور پردازی استفاده می گردد.
سیستم‌های مخابرات فیبر نوری
گسترش ارتباطات راه دور و راحتی انتقال اطلاعات از طریق سیستم‌های انتقال و مخابرات فیبر نوری یکی از پر اهمیت‌ترین موارد مورد بحث در جهان امروز است. سرعت دقت و تسهیل از مهم‌ترین ویژگی‌های مخابرات فیبر نوری می‌باشد. یکی از پر اهمیت‌ترین موارد استفاده از مخابرات فیبر نوری آسانی انتقال در فرستادن سیگنالهای حامل اطلاعات دیجیتالی است که قابلیت تقسیم بندی در حوزه زمانی را دارا می‌باشد. این به این معنی است که مخابرات دیجیتال تامین کننده پتانسیل کافی برای استفاده از امکانات مخابره اطلاعات در پکیجهای کوچک انتقال در حوزه زمانی است.برای مثال عملکرد مخابرات فیبر نوری با توانایی ۲۰ مگا هرتز با داشتن پهنای باند ۲۰ کیلو هرتز دارای گنجایش اطلاعاتی ۰٫۱٪ می‌باشد. امروزه انتقال سیگنالها به وسیله امواج نوری به همراه تکنیکهای وابسته به انتقال شهرت و آوازه سیستم‌های انتقال ماهوارهای را به شدت مورد تهدید قرار داده‌است. دیر زمانی ست که این مطلب که نور می‌تواند برای انتقال اطلاعات مورد استفاده قرار گیرد به اثبات رسیده‌است و بشر امروزه توانسته‌است که از سرعت فوق العاده آن به بهترین وجه استفاده کند. در سال ۱۸۸۰ میلادی الکساندر گراهام بل ۴ سال بعد از اختراع تلفن موفق به اخذ امتیاز نامه خود در زمینه مخابرات امواج نوری برای دستگاه خود با عنوان فوتو تلفن گردید. در ۱۵ سال اخیر با پیشرفت لیزر به عنوان یک منبع نور بسیار قدرتمند و خطوط انتقال فیبرهای نوری فاکتورهای جدیدی از تکنولوژی و تجارت بهتر را برای انسان به ارمغان آورده‌است. مخابرات فیبر نوری ابتدا به عنوان یک مخابرات از راه دور قرار دادی تلقی میشد که در آن امواج نوری به عنوان حامل یک یا چند واسطه انتقال استفاده میشد. با وجود آنکه امواج نوری حامل سیگنالهای آنالوگ بودند اما سیگنالهای نوری همچنان به عنوان سیستم مخابرات دیجیتال بدون تغییر باقی مانده‌است. از دلایل این امر می‌توان به موارد زیر اشاره کرد: ۱)تکنیکهای مخابرات در سیستم‌های جدید مورد استفاده قرار می‌گرفت ۲)سیستم‌های جدید با بالاترین تلنولوژی برای داشتن بیشترین گنجایش کارآمدی سرعت و دقت طراحی شده بود. ۳)انتقال به کمک خطوط نوری امکان استفاده از تکنیکهای دیجیتال را فراهم می‌ساخت. این مطلب نیاز انسان را به دسترسی به مخابره اطلاعات رابه صورت بیت به بیت پاسخگو بود
-
توانایی پردازش اطلاعات در حجم وسیع: از آنجایی که مخابرات فیبر نوری دارای کارایی بالاتری نسبت به سیمهای مسی سنتی هستند بشر امروزی تمایل چندانی برای پیروی از سنت دیرینه خود ندارد و توانایی پردازش حجم وسیعی از اطلاعات در مخابره فیبر نوری او را مجذوب و شیفته خود ساخته‌است
-
آزادی از نویزهای الکتریکی:بافت یک فیبر نوری از جنس پلاستیک یا شییشه به دلیل رسانندگی انتخاب میشود.در نتیجه یک حامل موج نوری می‌تواند از پتانسیل موثر میدانهای الکتریکی در امان باشد. از قابلیت‌های مهم این نوع مخابرات می‌توان به امکان عبور کابل حامل موج نوری از میان یک میدان الکترومغناطیسی قوی اشاره کرد که سیگنالهای نام برده بدون آلودگی از پارازیت‌های الکتریکی و یا سیگنالهای مداخله گر به حد اکثر کارایی خود خواهند رس]]
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 ساخته شد.
کاربردهای فیبر نوری
1. کاربرد در 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 در سالهای اخیر شروع شده‌است. در این نوع حسگرها، از فیبر نوری به عنوان عنصر اصلی حسگر بهره‌گیری میشود بدین ترتیب که ویژگی‌های فیبر تحت میدان کمیت مورد اندازه‌گیری تغییر یافته و با اندازه شدت کمیت تأثیرپذیر میشود.
2. کاربردهای نظامی: فیبر نوری کاربردهای بی‌شماری در صنایع دفاع دارد که از آن جمله می‌توان برقراری ارتباط و کنترل با آنتن رادار، کنترل و هدایت موشک‌ها، ارتباط زیردریاییها (هیدروفون) را نام برد.
3. کاربردهای پزشکی: فیبرنوری در تشخیص بیماری‌ها و آزمایشهای گوناگون در پزشکی کاربرد فراوان دارد که از آن جمله می‌توان دُزیمتری غدد سرطانی، شناسایی نارسایی‌های داخلی بدن، جراحی لیزری، استفاده در دندانپزشکی و اندازه‌گیری مایعات و خون نام برد.
4. کاربرد فیبرنوری درروشنابی :از جمله کاربردهای فیبر نوری که در اواخر قرن بیستم بعنوان یک فناوری روشنایی متداول شده ودر چند سال قرن اخیر توسعه ورشد فراوانی پیدا کرده‌است کاربرد آن درسیستم‌های روشنایی است. دراین فناوری نور از منبع نوری که می‌تواند نور مصنوعی (نورلامپهای الکتریکی)ویا نور طبیعی (نور خورشید)باشد وارد فیبر نوری شده وازاین طریق به محل مصرف منتقل میشود.به این ترتیب نوربه هرنقطه‌ای که درجهت تابش مستقیم آن نمی‌باشد منتقل میشود.امتیاز این نور که موجبات رشد سریع بکارگیری وتوجه زیاد به این فناوری شده‌است این است که فاقد الکتریسیته گرما وتشعشعات خطرناک ماورائ بنفش بوده(نور خالص وبی خطر)و دیگر اینکه بااین فناوری میشود نور روز(بدون گرما واشعه‌های ماورائ بنفش)راهم به داخل ساختمانهاو نقاط غیر قابل دسترسی به نور خورشید منتقل کرد.
فن آوری 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 فرآیند 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
موادلازم در فرایند ساخت پیش سازه
-
تتراکلرید سیلیکون: این ماده برای تأمین لایه‌های شیشه‌ای در فرآیند مورد نیاز است.
-
تتراکلرید ژرمانیوم: این ماده برای افزایش ضریب شکست شیشه در ناحیه مغزی پیش‌سازه استفاده 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.